泥沙颗粒基本性质.ppt

,第一章：水流、泥沙的基本性质泥沙：指所有在流体中运动或受水流、风力、波浪、冰川及重力作用移动后沉积下来的固体颗粒碎屑（钱宁、1983）。粒径大小可差数十数万倍。粒径大小一般变化在0.001100.0mm。Pm2.5 和Pm10本章主要内容：河道水流基本特性、单颗粒泥沙特性；群体泥沙颗粒特性；泥沙沉速；含沙水体（浑水）特性。,1、河道水流的二相性：液相-水（连续介质）和固相-沙（非连续介质的颗粒群体）。两相流理论。2、河道水流的三维性：河道断面不规则，顺直段很短，宽深比小，尤其是山区河流。3、河道水流的非恒定性：来水来沙随时间变化；河床处于不断的变化中。4、河道水流的非均匀性：5、不平衡输沙；,1 河道水流基本特性,2 岩石风化,一、风化作用(weathering)：岩石和矿物在地表环境中，受物理、化学和生物作用，发生体积破坏和化学成分变化的过程。1、物理风化(physical weathering)：指岩石在外力影响下，机械地分裂成碎屑，只改变其大小与外形，而不改变成分的过程。(1)温度作用（热胀冷缩）引起岩石内外胀缩不一致，岩石是热不良导体。(2)结冰作用（冰劈作用）(3)风和水的磨蚀作用 风沙磨蚀岩石，使之表面裸露，加速物 理风化。发生在风化初期。,2.化学风化(chemical weathering)指岩石在外界条件的影响下，引起化学成分的改变，产生新的物质的过程。,（1）溶解作用(solution)水是一种极性溶剂，岩石中的矿物都是无机盐，虽然占绝大部分的硅酸盐和铝硅酸盐矿物溶解度很小，但很长的地质年代中，水溶解的规模是相当大的，况且地表的水常常溶有CO2、NO2以及有机酸等，这样大大提高了水的溶解能力。,风化作用,（2）水化作用(hydration)指无水矿物与水结合成为含水矿物的作用。CaSO42H2O CaSO4.2H2O2Fe2O33H2O 2Fe2O3.nH2O 赤铁矿 褐铁矿,（）水解(hyrolysis)和碳酸化作用水解2KAlSi3O83H2O Al2Si2O5(OH)4SiO22KOH 钾长石 高岭石碳酸化水解作用2KAlSi3O8CO22H2O AlSi2O5(OH)4SiO2K2CO3 CO2溶于水时，对碳酸盐的溶解力，较纯水增强几十倍。,水解和碳酸化作用的实质，矿物中的盐基离子被氢离子取代。,风化作用,（）氧化作用(oxidation)：空气中的氧在有水的条件下，氧化能力很强。2FeS22H2O7O2 FeSO42H2SO4湿润的条件下含铁、硫的矿物（含变价元素）普遍地进行着氧化过程。深色矿物（因含二价铁）容易风化。,风化作用,3.生物风化(biological weathering指岩石中的矿物在生物及其分泌物或有机质分解产物的作用下，进行的机械性破碎和化学分解过程。生物风化的作用因素是生物及其代谢物发生的风化是物理和化学风化并存。,微生物、植物根系、动物等，在岩石风化初期主要是低等生物如细菌、真菌、地衣等。,根劈作用(root wedging),风化作用阶段,1)碎屑残积：物理风化为主，化学成分基本不变。2）钙质残积类型：因为岩石矿物经化学风化生成的易溶性钾、钠、钙、镁的氯化物和硫酸盐，受流水作用逐渐淋溶流失，而碳酸钙相对积累。3）硅铝化类型：岩石中的矿物受长期风化，可溶性氯化物及硫酸盐遭到强烈淋失，甚至溶解度较小的碳酸钙也被淋溶，而铝、铁、硅等元素尚有残留。如高岭土4）铁铝化类型 硅酸盐矿物全部分解，转变为以次生铁、铝矿物和高岭石粘土矿物为主。如红土,土壤,残积层,基岩,风化壳,二、黄土成因(research of loess genesis)及黄土演变黄土（loess)为干寒气候环境的产物，是一种“母岩”而并不是真正的“土壤”。黄土物质来源：不是主要来自于沙漠环境，而是来源青藏高原第四纪冰川和冰缘作用区。黄土成因有不同的假说:(1)黄土风成说:是李希霍芬（Von Richthofen(1882年）和奥勃鲁契夫在19世纪末叶提出的“低空理论”（subaerial theory)，即“风成说”，认为黄土分布在干早沙漠区的外围，是盛行的西北风或北风刮起地面的粉尘，并将它们搬出沙漠地带沉积下来，天长日久形成厚层的黄土。风成说依据：（1）矿物成分粉粒为主符合风力搬运特点；（2）结构特点：土质疏松，大孔隙，湿陷性,二、黄土成因(2)残积说：认为黄土是在干燥气候条件下，由下伏基岩经风化残积作用形成的，黄土的许多性质与风化壳的黄土化作用有关。(3)黄土多成因说:认为黄土是由多种地质作用，如冲积作用、洪积作用、坡积作用、风积作用和冰川作用等，在相似的气候条件下逐渐堆积而成的，其物质来源主要是区内或邻近地区的早期堆积物和基岩风化碎屑物。(4)洪积说：李明光多次赴黄土高原、青藏高原、西北等地考察。认为欧亚板块和印度板块相碰撞，释放出巨大能量，产生多次灾变性洪水，洪水从西北向东南方向漫滋，带来大量黄土物质，形成巨厚的黄土沉积并抬升，由于气候干燥黄土得以保存。,黄土特性：,（1）矿物成分：主要以石英、长石等稳定矿物，粒度组分以粉粒为主。同层位的黄土连续分布在不同高度的坡地、高原、平川等地貌单元上，符合风力搬运特点。（2）结构特点：土质疏松、多大孔隙、具湿陷等特性。多为块状结构，无节理。,三、土壤,土壤是以风化产物和松散堆积物为母质，经生物和化学作用为主的成土改造作用，具有植物生长所需的有机质（腐殖层）和无机质（N、P、K）、微量元素和水分与孔隙。土壤呈灰色、灰黑色，厚度0.5m2.5m。（一）、土壤的结构：土壤剖面成层：表层为腐殖层A层，团粒，孔隙；中间是淋溶层B层，矿物、有机质淋溶；底层是沉淀层C层。,（二）、土壤的可蚀性或抗侵蚀性 国外：土壤的可蚀性分为可分离性（detachability)和可搬运性（transportability)。国内常用抗侵蚀性：分为抗冲性和抗蚀性。土壤的抗蚀性系指土壤风、水对土壤的机械破坏。抗蚀性抵抗水对土粒的分散和径流悬浮的能力。土壤的抗蚀性常用分散率，侵蚀率和分散系数表示。土壤的抗蚀能力和土壤机械组成、化学特性、土壤被复等有关，经研究其与土壤结构的关系极为密切。土壤结构性愈好，则不是被水浸泡溃解，并能坚强地抵抗雨滴的打击和径流的冲刷。这是因为土壤结构最主要的特点是它的稳固性，即不易分裂为小团聚体和机械元素的能力。不稳定的结构，当其浸入水中或遭受雨打水冲时，很快就分裂为各自分开的颗粒，而稳定的结构，在水的作用下比较耐久，完全不被破坏或者仅部分地分裂成为小的团聚体。,（三）气候与土壤（主要决定着成土过程中水热条件）,水热：一方面影响母质风化过程速度及物质的淋溶；另一方面控制了植物和微生物的生长决 定了有机质的积累和分解。气候对土壤性质的影响(1)对土壤矿物的风化及其组成的影响(2)对土壤有机质含量和腐殖质组成的影响(3)对土壤胶体性质的影响(4)强烈地影响土壤风化和淋溶度。,不同气候下土壤的形成分析,南方湿热 风化强烈 盐基淋失多 土壤pH低 原生矿物少，且粘土矿物以Ki值较低 的高岭石为主南方湿热 生物生长旺盛 微生物活动强烈 有机质积累少H/F（胡敏酸与富里酸之比）0.5 东北地区冷湿 风化不强 盐基淋失少（盐基饱和）pH高 东北地区冷湿 有机质分解慢，积累多，但品质较差，C/N 高 H/F低,（四）土壤类型：决定于气候和植被,五：泥沙资源,传统的观点是认为泥沙是有害的；泥沙迁移造就了广袤富庶的大平原。长江三角洲、珠江三角洲；河道有序采砂；采砂量多大合适？三峡引航道年淤积砂量200万1000万方，如何利用该泥沙资源；高含沙水流输送、流化床充分燃烧；黄河下游泥沙淤背工程；黄河口泥沙淤积使海上采油变为陆上开采。,3 颗粒的个体特性,一、泥沙颗粒的大小粒径1、等容粒径（nominal diameter)：体积相当的球体直径。适用于卵石以上的较大颗粒2、平均粒径：粗颗粒3、筛分粒径(seive diameter)：停留在D1，通过D2的平均粒径。相当于等容粒径适用于砾石、沙粒,4、沉降粒径(fall diameter)：粒径小于0.1mm。0.1mm的细沙适用于粉沙、粘土.如：比重计法、粒径计法、吸管法等。泥沙颗粒分类：方法很多，结果有差别。粒径小于0.1mm颗粒的分析方法比较复杂，原因有（1）细小颗粒由于盐类及水化膜中离子作用常常粘聚在一起，形成集合体，使粒径增大，细粒减少；（2）不能直接分出所要区分的粒组，必须经过简单换算。,D2 或,美国地球物理学会 中国 水文 漂石 boulders 256mm 200mm卵石 cobbles 64256mm 20200mm砾石 gravel 264mm 220mm粗沙 coarse sand 0.52.0mm 中沙 medium sand 0.250.5mm 0.052.0mm细沙 fine sand 0.0620.25mm粉沙 silt 0.0040.062mm 0.0050.05mm粘土 clay 0.004mm 0.005mm,二、颗粒形状,（1）圆度(roundess)。颗粒棱和角的尖锐程度。圆度相等的颗粒，形状可能不同。如图。圆度相等，形状不同。（2）表面结构：显微镜下观测的颗粒表面细微形状。,（3）球度（sphericity)wadell于1932年定义：与颗粒同体积的球体直径和颗粒外接球直径之比。=1/a*(6V/3.14)0.333(4)形状可用形状系数SF(shape factor)表示泥沙颗粒形状最初取决于岩石母质和风化作用，随后在输运过程中受物理、化学和生物作用不断改变形状，一般是其圆度增加的过程。,（5）卵石磨损。卵石在运动中经常与河床发生磨檫使卵石的体积、重量和粒径沿程减小。（6）某种粒径的“短缺”现象。如瑞士莱茵河河床质中，有5100mm的砾卵石，也有1mm的细沙，但很少存在15mm的颗粒。一种解释认为是岩石崩解作用产生的某一粒径短缺；另一种认为风化形成后，在输运过程中细化了。,赣江下游河床质钻孔资料分析结果：10-20mm粒组缺乏,四、比表面积,1.1,（1）定义泥沙颗粒的表面积与其体积之比。,（2）比表面积的意义,颗粒越小，比表面积越大；,反映泥沙颗粒的物化作用与重力作用的相对大小，其值 越大，物化作用就越大。,2-3 泥沙的几何特性,三、颗粒的密度、容重、比重,容重：与泥沙的矿物组成决定。一般分为胶体分散矿物、轻矿物和重矿物。,4 泥沙颗粒群体特性,泥沙颗粒群体特性（bulk properties of sediment):包括粒径分布（size distribution)、干容重(specific weight)、水下休止角(angle of repose)、床面上的颗粒排列。一、粒径分布及级配曲线（1）泥沙颗粒的粒径尺度：自然界中泥沙的粒径变化很大，从1m的漂石，到0.001mm的粘粒。Krumbein提出值分级尺度。取以2为底的对数并乘以（-1）。,（2）泥沙颗粒的粒径分布：粒径频率直方图和粒径频率累积曲线。,粒径频率直方图,粒径频率累积曲线,xe,2-3 泥沙的几何特性,c组成不均匀，变化范围大，各组粒经含量接近。,d组成很均匀，变化范围小。,二、粒径分布特征值,(1)代表粒径：平均粒径（mean diamnter):dm（算术平均），dmg（几何平均），中值粒径:d50(median size）（2）均方差和几何标准偏差g拣选系数（3）偏度：偏离对数正态分布的程度。（4）峰度：粒径频率分布的集中或尖锐程度。,三、泥沙集合体的命名,对于粒径组成分不同的混合体，采用沉积岩石中的命名方法，即二元命名和三元命名,国际制(ISSS)土壤质地分类三角图,四、泥沙淤积物干容重,（1）泥沙淤积物干容重（specific weight)单位体积的淤积物沙样干燥后的重量,也称干密度。由于泥沙颗粒存在孔隙，干容重一般小于个体颗粒的容重。在分析河床冲淤变化时，泥沙冲淤的重量必须通过泥沙的干容重换算为泥沙冲淤体积。量纲：N/m3，tf/m3，kgf/m3；影响干容重的主要因素有粒径组成，淤积历时，埋藏的深度和环境等。（2）干容重计算方法,（3）泥沙粒径对干容重的影响；,（4）干容重与淤积深度和淤积历时关系；,泥沙的水下休止角,在静水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以堆积成一定角度的稳定倾斜面而不致塌落，此倾斜面与水平面的角度为泥沙的水下休止角（angle of repose)泥沙的水下休止角与粒径、状、和表面光滑度、不均匀系数均有关系。,五：常用模型沙的特性,（1）常用模型沙及其特性指标：颗粒容重（干容重）、粒径、起动流速、沉速、水下休止角等。,（2）模型沙的选择：是泥沙模型试验研究中的关键技术。如起动流速比尺大、糙率比尺小的，可选择容重小的轻质沙如木屑。另外能大量制备、通用性强。（3）颗粒容重可调整的模型沙。BZY材料颗粒、容重可以调整。(4)模型沙的水下休止角。张幸农，唐存本，新型BZY模型沙的研及其特性试验研究制，泥沙研究，1995（1）。,拟焦沙是由清华大学黄河研究中心同黄河水利科学研究院联合研发的一种新型模型沙材料,它是根据模型设计对容重及级配等方面的要求,采用容重小且热解效应强的焦煤为原料,首先通过水选降低原料灰分,然后脱水并粉碎成颗粒状,采取特殊工艺将煤粒部分脱去有机物及挥发分,经过脱硫、脱氮和脱灰等工序改变其化学键,进一步分选而成的。拟焦沙物理、化学性能比较稳定,容重为1.701.90 t/m3。任艳粉，姚棣，李远发等，拟焦沙阻力特性及水流挟沙能力试验研究，人民黄河，2009（11）,六、细颗粒泥沙的物理化学特性,泥沙颗粒越细，颗粒比表面积越大。1、双电层及吸附水,2、双电层中电位：胶粒表面与液体界面上的电位为热力学电位0；扩散层表面与自由溶液之间的电位差，称为电动电位。影响电动电位及扩散层厚度的因素:矿物成分，电解质浓度，溶液的PH值等。,、电位的大小(双电层的厚度)与离子的浓度和价数的关系 电解质浓度越大或离子价数越高，扩散层越薄，电势越小，双电层的厚度越薄。,7,、电位的大小(双电层的厚度)与离子的浓度和价数的关系 电解质浓度越小或离子价数越低，扩散层越厚，电势越大，双电层的厚度越厚。,7,3、絮凝与分散(DLVO理论）泥沙颗粒越细，重力作用越弱，颗粒之间的相互作用则俞来俞重要，存在于颗粒之间的吸附水膜促使它们连接起来，同时也有排斥作用。相邻颗粒在一定条件下结合成集合体的作用为“凝聚作用”，扩散层很薄，凝聚作用强，反之如果扩散层很厚，排斥力大于吸附力，颗粒重新分离为“分散作用”。,5 泥沙颗粒的沉速,一、泥沙颗粒沉降沉速概念：单颗粒泥沙在无边界影响静止清水中均匀沉降的速度（fall velocity)，由于粒径越粗，沉速越大，也称水力粗度。沉降过程分析：实测资料表明，泥沙沉降的运动状态与颗粒雷诺数 有关。,过渡区,层流时,紊流,二、球体颗粒沉降1)从绕流分析阻力FD：阻力系数：CD（量纲分析）emprical2)力学分析 层流时，STOKES 公式过渡区紊流,oseen,oseen,三、天然沙沉降代表性公式（1）张瑞瑾公式思路:从泥沙沉降的过渡区力学分析。（2）窦国仁公式思路：从泥沙沉降的过渡区绕流分离区分析,相对而言,单颗泥沙在静水中的沉降特性已基本明确,而群体颗粒的沉降规律相当复杂,对其沉降规律还认识不透。,四、影响沉速的主要因素（一）颗粒形状的影响，绕流阻力修正系数K,（二）含沙浓度的影响1、非均匀粗颗粒泥沙的群体沉速2、粘性细颗粒泥沙的群体沉速当颗粒浓度较低时，絮团之间不搭接，单个絮团的沉速大于细颗粒个体沉速，浓度增加，絮团搭接联成絮网，沉速大幅度下降，整体缓慢下沉。（三）含盐度影响一方面增加水的容重和粘性，减小颗粒沉速，另一方面使细颗粒絮凝成团，增大沉速。试验表明盐度在04.0，沉速达到一个稳定值。（四）水流紊动单粒受紊动影响小，但絮团受的影响大。影响（1）增加颗粒碰撞，增强絮凝，（2）局部剪切力加大，引起絮凝的破碎。提出“动水沉速”,6 含沙水体（浑水）性质,一浑水的容重、含沙量混合比含沙量、体积比含沙量，重量比含沙量，二、含沙水流的流型,表观粘度；Toms降阻效应,推移质与悬移质 床沙质与冲泻质,推移质（bed load)在床面附近以滚动、滑动或跳跃方式运动的泥沙。也称：“底沙”悬移质（suspend load)悬浮在水流中随水流一起运动的泥沙。也称：“悬沙”床沙（bed material):静止在床面上的泥沙。推移质与悬移质的区别：（1）运动规律不同：输沙率与水流的切力关系不同，输沙量不同。如宜昌卵石推移质76万吨，沙质推移质878万吨，悬沙输沙5亿吨。（2）能量来源不同：推移质消耗水流的时均势能，增大阻力；悬沙来自紊动动能。对阻力是间接的。（3）对河床作用不同。悬沙通过容重增大静水压力；推移质通过颗粒间离散力与河床作用。,床沙质和冲泻质,床沙质和冲泻质,床沙质与冲泻质：按造床作用床沙质(bed material load):悬沙中较粗的部分在床沙中大量存在，即参与造床的泥沙。冲泻质（wash load)床沙质与冲泻质的划分方法:对床沙质与冲泻质认识。分界粒径随水力条件的变化而变化（1）悬沙级配曲线中的D5或D10用悬浮指标,床沙质与冲泻质的判别：（1）取床沙级配曲线的D5作为分界粒径。（2）以悬浮指标Z=/（u*），以Z=0.06（0.05）区分床沙质与冲泻质的临界粒径。Z=4为推移质与悬移质的分界粒径。,主要参考文献：1、侯辉昌：河流动力学基本问题，水利电力出版社，1982。2、倪晋仁，王光谦，固液两相流研究的两种基本方法之比较，泥沙研究，1992（3）。3、藏启运等，黄河三角洲近岸泥沙，北京，海洋出版社，1996。4、费祥俊，高含沙水流的颗粒组成及流动特性，1983,2nd ISRS。5、Bagnold,R.A.,Auto-suspension of transported sediment;turbidity currents,Proc.of royal society,seriese A,vol 265,1332.,