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Chap1 泥沙特性本章知识要点：泥沙粒径表达形式泥沙的组成与粒配曲线比表面积的意义双电层与结合水泥沙干容重及其影响因素泥沙沉速与层流、紊流、过渡区絮凝现象●泥沙来源：①流域地表冲蚀而来；②从原河床上冲起的。
●土壤侵蚀最严重的黄河中游的黄土高原永定河和西辽河流域，相当于地表每年普遍冲掉0.6毫米的厚度，加上人类活动，如盲目开垦等，含沙量很高的正是黄河中游的一些干支流，年均含沙量高达300公斤/m 2以上，而南部一些省份，年均含沙量不足1公斤/m 2。
§1－1 泥沙的几何特性一、泥沙的粒径●泥沙的不同形状与它们在水流中的运动状态有关，较粗的沿河底推移前进，碰撞机会多，动量较大易磨损；反之不易磨损而保持棱角峥嵘的外貌。
为比较不同泥沙颗粒的形状、大小的异同，必须有某些指标对它们进行对比。
泥沙的形状的表达方式●球度系数：（因为泥沙接近于球体，所以以球体作参照物）与沙粒等体积的球体的表面积与泥沙的实际表面积之比（与球接近的程度）。
研究表明，球度系数相等的两颗泥沙，在水中的流体动力特性大致相同。
由于球度系数难以测定（V 可用排水、称重法确定，但表面积难以测定），常用泥沙的长、中、短三个轴a, b, c，按下式近似表示：Φ=（1942年克来拜因提出）●形状系数：ab c S P =1、等容粒径：泥沙颗粒的大小通常用泥沙颗粒直径来表示，泥沙颗粒形状不规则，难以确定泥沙的粒径，实际中采用等容粒径来表示。
即：与泥沙颗粒体积相等的球体直径。
（泥沙体积可用称重、排水等方法测出：W V g ρ=）——对比水力学中表面粗糙度∆的确定136V d π⎛⎫= ⎪⎝⎭ 式中：V 为泥沙颗粒的体积。
2、算术平均粒径：用长、中、短轴（a 、b 、c ）的算数平均值来表征泥沙粒径1()3d a b c =++3、几何平均粒径：d = 当泥沙形状为椭球体时，等容粒径与几何平均粒径相同（V=лabc/6=лd 3/6）4、中轴长度：接近而偏大于几何平均粒径（较粗天然沙测量的结果）5、筛径：仅对于单颗的卵石、砾石等可以通过称重，再除以泥沙的重率，得到体积而后求其等容粒径，或直接量测其三轴长度，再求其平均值。
第三节河流泥沙的基本特性一、几何特性泥沙的几何特性指泥沙颗粒的形状、粒径及其组成。
泥沙的形状棱角峥嵘、极不规则，常可近似地视为球体或椭球体。
泥沙粒径的求法：对于较大颗粒的卵石、砾石，可以通过称重求其等容粒径。
所谓等容粒径，就是体积V与泥沙颗粒体积相等的球体的直径，即d=(6V/π)1/3。
或者，通过量出颗粒的长轴a、中轴b、短轴c，算其几何平均粒径 d=abc，这实际上是将泥沙颗粒视为椭球体而求得的椭球体的等容粒径。
对于较细颗粒的泥沙，实际工作中，通常采取筛分析法或沉降分析法求其粒径。
筛析法的作法是，将孔径不同的公制标准筛，按孔径上大下小原则叠置在一起，放在振动机上，将沙样倒在最上一级筛上，把经振动后恰通过的筛孔孔径作为该颗粒的粒径，并称此粒径为筛径。
采用沉降法求其粒径并称为沉降Array粒径，其原理是，通过测量沙粒在静水中的沉降速度，按照粒径与沉速的关系式((3-2))反算出粒径。
泥沙的组成常用粒配曲线表示。
即通过沙样颗粒分析，求出其中各粒径级泥沙的重量及小于某粒径泥沙的总重量，算出小于某粒径的泥沙占总沙样的重量百分数，在半对数纸上图3-3 半对数纸上的泥沙粒配曲线绘制如图3-3 所示的泥沙粒配曲线。
据此粒配曲线，可反映沙样粒径的粗细及其组成的均匀性。
如图3-3 所示，Ⅰ、Ⅱ两组沙样相比较，沙样Ⅰ的组成要粗些、均匀些；沙样Ⅱ的组成要细些、不均匀些。
根据图3-2示粒配曲线，易于确知沙样的中值粒径d50。
它的意义是，沙样中大于和小于这一粒径的泥沙重量各占50％。
在实际工作中，通常可以中值粒径d50作为沙样的代表粒径。
二、重力特性1．泥沙的容重与密度泥沙颗粒实有重量与实有体积的比值，称为泥沙的容重γS，单位为N／m3。
泥沙颗粒实有质量与实有体积的比值，称为泥沙的密度ρs，单位为t／m3或kg ／m3。
泥沙的容重γS 与密度ρs 的关系：γS =ρs .g 。
这里g 为重力加速度。
工程上，泥沙密度常取ρs =2.65t/m 3 = 2650 kg ／m 3由于河流泥沙处在水中运动，其实际容重应为（γS -γ），因此在工作中，常采用有效容重系数a 表示其重力特性。
泥沙（Sediment）的特性泥沙几何特性细颗粒泥沙的物理化学特性电化学性质悬浮在水中的细颗粒泥沙表面会发生各种物理化学作用，物理化学作用的强弱与颗粒比表面积的大小有关。
比表面积：颗粒表面积与其体积之比。
间接反映了颗粒受到的物理化学作用与重力的相对大小。
双电层颗粒表面离子层及其周围的反离子层（吸附层及扩散层）构成颗粒的双电层，双电层外属中性水。
絮凝和分散现象分散的颗粒互相吸引，聚合成结构疏松、类似棉花团的较大团粒或团块（中间有很大的孔隙，包围密封了大量水分），称为絮团。
细颗粒泥沙在一定条件下彼此聚合的过程叫做絮凝。
泥沙的重力特性泥沙的容重与密度泥沙颗粒实有重量（或质量）与实有体积之比称为泥沙的容重（或密度）平均值平均值有效容重系数（有效密度系数）泥沙的干容重与干密度泥沙的干容重（或干密度）是指除水分后的沙样重量（或质量）与沙样体积之比。
泥沙的干容重与泥沙的容重不同，它的变化幅度较大，这是由于泥沙颗粒间空隙变化较大的缘故泥沙淤积深度愈深，其干容重愈大，变化范围愈小；反之，淤积深度愈浅，其干容重愈小，且变化幅度愈大。
泥沙的水下休止角在静水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以形成一定的倾斜面而不致塌落，此倾斜面的角度φ称为泥沙的水下远休止角，其正切函数即为泥沙的水下摩擦系数f。
泥沙的水力特性泥沙沉降的不同形式单颗粒泥沙在无限大静止清水水体中匀速下沉时的速度称为泥沙的沉降速度，简称沉速（cm／s）沙粒雷诺数泥沙颗粒基本上沿铅垂线下沉，附近的水体几乎不发生紊乱现象，这时的绕流状态属于层流。
泥沙沿摆动的轨迹下沉；颗粒首部为层流，尾部为紊流，绕流属于过渡状态。
泥沙颗粒脱离铅垂线，沿螺旋形轨迹下沉，其周围的水体布满漩涡，这时的绕流状态属于紊流。
其他因素对沉速的影响泥沙的形状对沉速的影响对于几何平均粒径D相同的不同石块，形状越扁平，其阻力系数越大，沉速越小水质对沉速的影响含沙量对沉速的影响粗颗粒泥沙颗粒下沉时引起的向上水流。
第三节河流泥沙的基本特性
一、几何特性
泥沙的几何特性指泥沙颗粒的形状、粒径及其组成。
泥沙的形状棱角峥嵘、极不规则，常可近似地视为球体或椭球体。
泥沙粒径的求法：对于较大颗粒的卵石、砾石，可以通过称重求其等容粒径。
所谓等容粒径，就是体积V与泥沙颗粒体积相等的球体的直径，即d=(6V/π)1/3。
或者，通过量出颗粒的长轴a、中轴b、短轴c，算其几何平均粒径 d=abc，这实际上是将泥沙颗粒视为椭球体而求得的椭球体的等容粒径。
对于较细颗粒的泥沙，实际工作中，通常采取筛分析法或沉降分析法求其粒径。
筛析法的作法是，将孔径不同的公制标准筛，按孔径上大下小原则叠置在一起，放在振动机上，将沙样倒在最上一级筛上，把经振动后恰通过的筛孔孔径作为该颗粒的粒径，并称此粒径为筛
径。
采用沉降法求其粒径并称为沉降Array粒径，其原理是，通过测量沙粒在静
水中的沉降速度，按照粒径与沉速的
关系式((3-2))反算出粒径。
泥沙的组成常用粒配曲线表示。
即通过沙样颗粒分析，求出其中各粒
径级泥沙的重量及小于某粒径泥沙
的总重量，算出小于某粒径的泥沙占
总沙样的重量百分数，在半对数纸上
图3-3 半对数纸上的泥沙粒配曲线
绘制如图3-3 所示的泥沙粒配曲线。
据此粒配曲线，可反映沙样粒径的粗
细及其组成的均匀性。
如图3-3 所示，Ⅰ、Ⅱ两组沙样相比较，沙样Ⅰ的组成要粗些、均匀些；沙样Ⅱ的组成要细些、不均匀些。
根据图3-2示粒配曲线，易于确知沙样的中值粒径d50。
它的意义是，沙样中大于和小于这一粒径的泥沙重量各占50％。
在实际工作中，通常可以中值粒径d50作为沙样的代表粒径。
二、重力特性
1．泥沙的容重与密度
泥沙颗粒实有重量与实有体积的比值，称为泥沙的容重γS，单位为N／m3。
泥沙颗粒实有质量与实有体积的比值，称为泥沙的密度ρs，单位为t／m3或kg ／m3。
泥沙的容重γS 与密度ρs 的关系：γS =ρs .g 。
这里g 为重力加速度。
工程上，泥沙密度常取ρs =2.65t/m 3 = 2650 kg ／m 3
由于河流泥沙处在水中运动，其实际容重应为（γS -γ），因此在工作中，常采用有效容重系数a 表示其重力特性。
a= γγ
γ-s =ρρ
ρ-s (3-1)
其中γ、ρ分别为水的容重和密度。
2．泥沙的干容重与干密度
沙样经100～105℃温度烘干后，其重量与原状沙样整个体积的比值，称为泥沙的干容重γ，，单位为N ／m 3。
其质量与原状沙样整个体积的比值，称为泥沙
的干密度ρ, ，单位为t ／m 3或kg ／m 3。
，干密度ρ,与干容重γ，的关系：ρ=γ，
/g 。
研究泥沙干容重的理论意义在于，在河床冲淤变化分析中，冲淤泥沙的重量G 与体积V 的关系，需通过干容重γ
，换算，即G =γ，V 。
三、沉降特性
泥沙因其容重较水为大，在水中必然往下沉降。
泥沙的沉降特性是指，泥沙在水中下沉时的状态及其沉降速度。
泥沙沉速的定义为，泥沙在静止的清水中等速下沉时的速度。
泥沙沉速常用符号ω表示，单位cm/s 。
研究得知，球体沉速一般公式为
ω = d C 34
gd s γγγ- (3-2)
式中，C d 为阻力系数，与沙粒雷诺数R ed 有关，R ed =ωd/ν，其中ν为水的运动粘滞性系数，ω、d 分别为泥沙的沉速和粒径。
C d 由试验确定。
对于泥沙来说，虽然其颗粒形状与球体不同，但其沉降的物理特性理应一致。
因此，上面球体的沉速公式应该同样适用于泥沙。
只是由于泥沙的形状不规则，阻力系数C d 应该较球体略大。
泥沙沉速是河流泥沙的重要特性之一。
在许多情况下，它反映着泥沙在与水流相互作用时对运动的抗拒能力。
在同样水流条件下，水流中的泥沙沉速越大，则泥沙发生沉降的倾向越大；河床上的泥沙沉速越大，则泥沙参与运动的倾向越小。
因此，在河流泥沙研究与河道演变分析中，与泥沙沉速无关的课题是很少的。
