河道水流和泥沙的一般特性

– 泥沙重度＞水的重度，在水中的泥沙颗粒将受重力作 用而下沉。→→初始速度为零，抗拒下沉的阻力也为 零，有效重力起作用，泥沙颗粒的下沉具有加速度。 →→随着下沉速度的增大，阻力增大，终于使下沉速 度达到某一极限值。→→此时，泥沙所受的有效重力 和阻力恰恰相等，泥沙颗粒的继续下沉便以等速方式 进行
– 泥沙在静水中下沉时，从加速到等速所经历的时间是
河道水流和泥沙的一般特性
河道水流的一般特性
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河道水流的基本特性
• 天然河道中的水流属于明渠流，在很 多情况下可以沿用水力学中明渠流的 有关结果
• 二相流特性 • 三维性 • 不恒定性 • 非均匀性
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河道水流中的阻力
• 明渠二维水流的阻力损失
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• 河道水流阻力损失
– 与水力学中顺直管道和棱柱体明槽水流中发生的紊动 相比，河道水流的紊动在尺度、紊源上要复杂得多
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• 弯道环流图
– 图中，a为平面，b为 横剖面
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河流泥沙的来源和组成
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泥沙的来源
• 河流泥沙的最根本来源是岩石的风化 • 河流中运动着的泥沙，其来源主要包括流域地表的冲蚀和
河床的冲刷
– 风沙运动给河流带来的泥沙首先在规模上不如前二者；其次，从 广义的角度也可以归入流域地表的冲蚀；再者，风沙运动带来的 泥沙绝大部分属于冲泻质，对河流的冲淤影响较小
•黄河的河漫滩沉积物就因 孔隙率的不同而有“铁板 抄”与“晃滩沙”的区别。
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• 通常泥沙的平均粒径与中值粒径直并不相等。二 者之间的关系应为
2
d pj d50e 2
• 关于沙样的均匀程度，常采用如下形式的非均匀 系数或称拣选系数
– 非均匀系数等于1，则沙样均匀；愈大于1，则越不均
匀

– 明槽主要是粗糙边壁附近小尺度的紊动，由大、中、 小尺度构成的紊动结构虽不能完全排除，但不占主导 地位
– 河道水流，根据张瑞理的研究，紊源除了普通意义的 粗糙边壁外，还包括河势、河相、成型淤积体、河底 或河岸的大凸大凹、沙纹及沙波等，这些紊源的尺度 是边壁粗糙完全不能比拟的
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• 因此对于河道水流，“糙率系数”n 的内含应该是极为复杂的
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泥沙的矿物成分与分类
• 泥沙的矿物成分
– 既然泥沙来源于岩石风化，则风化岩石的矿物 成分决定泥沙的矿物成分；不同的风化方式对 岩石矿物成分的影响程度不同，因此风化方式 也影响泥沙的矿物成分
– 物理风化、化学风化以及生物过程
• 矿物的物理性质
– 比重或密度：2.65 – 硬度：≧5，水轮机过流部件硬度一般≦5
– 因产生的原因不同，具有不同的轴向
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• 河道水流的流速分布
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河道水流中环流结构
• 因产生原因的不同，环流可以分为因离心 力产生的弯道环流、因柯里奥里（G． Criorid)力而产生的环流、因水流与固体周 界分离而产生的环流等等。
• 水流在弯道内作曲线运动的时候，必然产 生指向凹岸的离心力。水流为了平衡这个 力。通过调整，使得凹岸的水面升高，凸 岸方向的水面降低，从而形成横比降
• 对于粒径在0.062mm以下粉粒和粘粒，已 不可能进一步筛分，只能采用沉降法
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泥沙的粒配曲线
• 通过对沙样颗粒组成 的分析，得出其中各 粒径级的重量百分比 或者小于某粒径的重 量百分比，并据以绘 制如右图所示的泥沙 粒配曲线
• 粒配曲线可直接表现 泥沙沙样粒径的大小 和沙样的均匀程度
– Ⅱ代表较细的沙样 – Ⅰ代表较均匀的沙样
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• 河流泥沙的分类
– 矿物分、运动方式分类以及粒径分类 – 我国泥沙分类的分界数字为：200—20—2—1/20—1/200(即
200—20—2—0.5—0.005)
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• 泥沙的粒径大小与泥沙的水力学特性与物理化 学特性有着密切的关系
– 不同粒径级的颗粒所形成的土壤具有不同的力学性 质
电位，或ζ电位。 •ζ电位的数值及双电层的厚度与水中电解质的离子浓度及价数有关。
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压密过程与物理性质的变化
• 沙、砾石、卵石类粗颗粒泥沙一旦沉积到河底，不再压密 • 细颗粒泥沙，特别是粘土颗粒在沉积时会连结成絮团， 在自重或其他外力的作用下，沉积固结过程如下：
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泥沙的重力特性
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其中Cd为阻力系数，与沉降物体的形状、方位、表 面粗糙度、水流紊动强度，特别是沙粒雷诺数有 关，其尚难以通过理论计算求得，多通过试验加 以确定
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• 分不同沉降状态介绍沉速公式
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泥沙沉速的计算公式
• 泥沙颗粒沉降滞流区的阻力与ργdω成比例，紊流区的阻 力与ρd2ω2成比例
单位mm
d

( 6V
1
)3

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等容粒径：与泥沙颗粒容积相当的球体直径
D


6V
1/
3

几何平均粒径：相当于椭球体的等容粒径
D abc1/3 (椭球体的体积abc / 6 ＝球体的体积D3 / 6)
算术平均粒径：长、中、短轴的算术平均值
D a b c 3
• 有多家过渡区泥沙沉降时的阻力规律和沉降速度公式， 本课程介绍张瑞瑾公式
• 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，此倾斜面与水平面的交角φ称 为泥沙的水下休止角，其正切值即为泥沙的水下摩擦 系数f，即
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泥沙的沉阵速度
• 沉降形式
– 泥沙在静止的清水中等速下沉时的速度，称为泥沙的 沉降速度，简称沉速
– 反映着泥沙在与水流相互作用时对运动的抗拒能力。 组成河床的泥沙沉速越大，则泥沙参与运动的倾向越 小
泥沙的一般重力特性
• 泥沙的容重与密度
– 泥沙各个颗粒实有重量与实有体积的比值，称为泥 沙的容重或重度 s ，采用国际单位为牛/米3(N/m3)
– 由于构成泥沙的岩石成分不同．泥沙的容重 s也不相 同，常以26kN／m3(国际单位)或2650kgf／m3(工程 单位)为代表值
– α有效容重系数或有效密度系数
2、双电层及吸附水膜的特性 （1）细泥沙颗粒在含有电解质的水中，
颗粒周围会形成双电层、吸附水膜。
• 细泥沙颗粒表面带有负电荷，吸引反 离子，形成吸附层（固定层）＋扩散层
• 细泥沙颗粒表面带有负电荷，同时也吸引水
分子形成粘结水＋粘滞水＝束缚水
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（2）双电层的电位变化
•泥沙颗粒表面带负电荷后，就有一定的电位值，此电位值 与扩散层外的自由电位之差称为热力学电位，或ψ0电位。 •在吸附层内，电位线性降落，所剩余的电位差，即吸附层 与扩散层交界面的电位与扩散层外自由电位之差称为电动
吨泥沙来衡量，称为侵蚀模数，也称 输沙量模数。下图为我国输沙量模数
分布情况
河流动力学
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• 泥沙随水流汇集到河流之中，加上河 床上泥沙被水流冲刷起来，使得河道 水流中含有一定数量的泥沙，常以每 单位体积河水中的泥沙重量表示河流 的含沙量。一般来说，我国北方，特 别是黄河中游的一些干支流，年平均 含沙量有些高达300 kg／m3以上；而 在南方一些省份，年平均含沙量不足 1kg／m3，这样的分布状况，是与我 国各地区的水土流失程度紧密相关的 。下表是我国及国外一些主要河流水 沙特征值的统计资料。附表
十分短暂的：3mm，1/10s；1mm，1/20s
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• 泥沙颗粒在静水中下沉时的运动状态与沙粒雷诺数
有关
Red

d
式中d和ω分别为泥沙的粒径及沉速。υ为水的运动粘滞性系 数
• 当沙R颗e粒d较基小本时上（沿约铅小垂于线0下.5沉），运附动近状的态水属体于几滞乎性不状发态生，紊泥 乱现象
D75 D25
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细颗粒泥沙的物理化学特性
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电化学性质
1、比表面积 ：泥沙颗粒表面积与其体积之比
4 D2 / 4 6 D3 / 6 D
（颗粒越细，该值越大） •比表面积的意义：反映泥沙颗粒的物化作用与重力作用的相对
大小， 越大，物化作用就越大
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电化学性质
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• 从流域地表侵蚀下来的泥沙，经过河 流的搬运作用，大部分汇流大海，但 也有不少沉积在低洼湖泊地带
– 我国几条大河的河口地区和洞庭湖、都 阳湖等大湖泊，都属于这样的堆积区
• 从流域地表冲蚀而来的泥沙数量，通 常是用每平方公里地面每年冲蚀若干
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• 从粒配曲线上，可以查出
– 小于某粒径的泥沙在总沙样中占的重量百分数 – 在总沙样中占某重量百分数的泥沙的上限粒径 – 后者通常以重量百分数为脚标，附注在粒径的
右下角，表示该上限粒径如d5、d20、d50、d90等 – d50称为中值粒径，它表示在全部沙样中，大于
和小于这一粒径的泥沙重量刚好相等
– 不同粒径级的颗粒具有不同的矿物组成 – 不同粒径级的颗粒具有不同的物理化学特性
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河流泥沙的几何特性
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泥沙的粒径
• 泥沙的几何特性系指泥沙颗粒的形状和大小， 或者说泥沙颗粒的形状与粒径
• 泥沙的粒径
– 泥沙的粒径是泥沙颗粒大小的量度
– 所谓等容粒径，就是体积与泥沙颗粒相等的球体的 直径。设某一颗沙的体积为v，则其等容粒径为，
筛分粒径：通过筛分法获得的粒径近似值
来自百度文库
河流动力学
泥沙的粒径（续）
• 对较粗的天然沙粒测量成果的统计分析表 明，沙粒的中轴长度，和其长、中、短三 轴的几何乎均值(即等容粒径)接近相等且 略大
• 对于粒径在0.062~32.0mm之间的沙粒， 一般采用筛析法
• 用筛析法量得的粒径应相当于各粒径组界 限沙粒的中轴长度。可以近似地看成等容 粒径，或者直接称为筛径
• 当大R的e紊d较动大状时态(约下大沉于，1附0近00的)，水泥体沙产颗生粒强脱烈离的铅绕垂动线和．涡以动极 ，这时的运动状态属于紊动状态
• 当态R为e过d介渡于状0态.5到1000之间时，泥沙颗粒下沉时的运动状
河流动力学
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• 球体的沉速
– 单颗粒圆球在无限水体中等速下沉时，其沉降可 看做对称绕流运动，则绕流阻力的一般表达式为 ，
河流动力学
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三、泥沙的空隙率
孔隙率：泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比称为孔隙率
• 泥沙孔隙率因沙粒的大小及均 匀度、沙粒的形状、沉积的情 况以及沉积后受力大小及历时
长短而有不同。 • 对各类泥沙孔隙率一般为
粗 沙 ： 的 孔 隙 率 39 ％ ～ 40 ％ ， 中沙：41％-48％， 细沙：44％—49％。
河流动力学
• 河道水流的主流与副流
– 副流与主流不同是由于纵比降以外的其它因素 所促成的
– 副流实际是在水流内部产生的一种大规模的水 流旋转运动。它可以因重力作用而引起，也可 在其它的力(内力或外力)作用下产生。
– 在副流中，有的具有复归性，或者基本上与主 流脱离，在一个区域内呈循环式的封闭流动； 或者与主流或其它副流结合在一起。呈螺旋式 的非封闭的复归性流动。具有复归性的次生流 ，我们称之为环流
• 流域地表的侵蚀与气候、土壤、地形地貌及人类活动等因 素有关
– 黄河中游的黄游地区，7~8月份降雨最多，且多为暴雨，其它条 件也较差，所以地表侵蚀最为严重；而在我国南部省份．虽然也 有暴雨，但土壤结构密实，植被覆被较好，所以其输沙量模数多 在1000t／(km2/a)以下
– 地形对流域的侵蚀，也起着重要的作用。坡度大则地面径流下渗 量小、汇流速度大，侵蚀作用也随之增大，侵蚀量也随坡长的增 大而增加
– 作为属于阻力平方区的时均流速U的表达 式中代表水流阻力效果的综合因素，它 当然直接与水流中的紊源和紊动结构有 关，与大至河势，小至河床床沙粒径有 关
河流动力学
河道水流的运动特性
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河道水流的流型、主副流及流速分布
• 河道水流的流型
• 河道水流的主流与副流
– 主流(又称正流、元生流)是水流沿着河槽总方向的 流动。它一般是在重力作用下产生的。在流动过 程中，水流的流线基本上是相互平行的，水流的 速度向量也是互相平行的，而且都平行于河槽的 轴线
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• 泥沙的干容重与干密度
– 沙样经100~l05℃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 '，单位为N/m3
– 泥沙干容重与粒径的大小、埋藏的深浅，以及淤积 历时的长短有关，其变化幅度是相当大的
• 实际观测资料中，曾经得到的淤积泥沙干容量的变化幅度约 在2.94~21.56kN/m3