河流动力学2-泥沙特性讲述.doc

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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/m2以上,而南部一些省份,年均含沙量不足1公斤/m2。 §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: (1942年克来拜因提出) 形状系数: 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:)——对比水力学中表面粗糙度的确定 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 3、几何平均粒径:粒 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=лd3/6) 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。对于较细的泥沙,例如:一般沙土,更不用说粉土和粘土,在通常情况下不可用上述方法,通常用筛分法和水析法。 沙土:筛分法。采用公制标准筛,不难设想,用筛分法得出的粒径应相当于各粒径组界限沙粒的中轴长度,接近等容粒径,称为筛径。 6、沉径:ω~D 对于粉土与粘土,已不可能进一步筛分,只能用水析法,如:比重计、粒径计、移液管法等,这些方法的基本原理:通过测量沙粒在静水中的沉降速度,按照本书阐明的粒径D与沉速ω的关系式换算成粒径。该粒径与筛径一样接近等容粒径但并不全等,称为沉降粒径,简称沉径。 泥沙粒径是泥沙十分重要的物理量,但要通过测量得到精确的大小是困难的,因此我们在进行一项具体的泥沙研究之前,必须对泥沙粒径的量测精度如何有清楚的了解,做到“胸中有数”。 二、泥沙的组成与粒配曲线 1、研究意义:天然河流中的泥沙并非均匀的,不同组成的泥沙特点不一。通常采用泥沙的粒配曲线来描述泥沙的集合特性。 2、绘制方法 由图可看出沙样的大小和均匀程度。如:沙样a比沙样b 粒径粗;沙样a比沙样c组成均匀。 采用对数分格,其意义在于缩小D的图幅,以适应D分布范围大的情况(粗细之间可相差千百万倍)。 3、特征值: a.平均粒径:即沙样内各种泥沙粒径的加权平均值。 我国常采用,pj即拼音平均。 b.中值粒径:大于和小于该种粒径的泥沙重量各占沙样总重量的50%,其求法是在粒配曲线中找出与p=50%对应的d,记为。一般认为:天然沙的平均粒径常大于中值粒径。 比较方便。欧美国家用得较多。 c.拣选系数:表明泥沙的均匀程度 (≥1)。,分别为粒配曲线上的粒径,越大,沙样越不均匀,=1,为均匀沙。 d.标准偏差:(≥1),越小,沙样越均匀。 三、河流泥沙的分类 不同粒径级的颗粒所形成的土壤具有不同的力学性质。分类定名的原则:既要表示出不同泥沙性质上的显著差异和变化的规律性,又要能使各分界粒径尺度成为一定比例。我国水利工程界分类情况见表1一2。此外表1一1所示克伦宾的ф—分类法被海洋部门广泛使用。不同粒径级的颗粒具有不同的矿物组成(高岭土——粘土,石英——沙),不同粒径级的颗粒具有不同的物理化学特性。 分类情况见表1一2。——与日常生活接近 提问:上述分级标准有何特点? 四、沙样的空隙率 泥沙中孔隙的容积占总容积的百分比称为孔隙率。泥沙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。 粗沙的孔隙率一般为39%~40%,中沙为41%~48%,细沙则为44%~

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