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第三节 河流泥沙的基本特性


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, d=(6V/π) 即
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/>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 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 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 /m 。
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图 3-3 半对数纸上的泥沙粒配曲线

泥沙的容重γS 与密度ρs 的关系: S=ρs.g。 γ 这里 g 为重力加速度。 工程上, 泥沙密度常取ρs =2.65t/m3 = 2650 kg/m3 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=

γ s ? γ ρs ? ρ = γ ρ

(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/m3。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/m3 或 kg/m3。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 =

4 3C d

γ s ?γ gd γ

(3-2)

式中,Cd 为阻力系数,与沙粒雷诺数 Red 有关,Red=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。Cd 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 Cd 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。


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