第一章泥沙特性.ppt

第一章第一章 泥沙特性泥沙特性下一页下一页回目录回目录上一页上一页重点内容：级配、絮凝、容重、沉速重点内容：级配、絮凝、容重、沉速v几何特性几何特性（形状、大小、群体组合）（形状、大小、群体组合）v物理化学特性物理化学特性（双电层、絮凝）（双电层、絮凝）v重力特性重力特性（容重、干容重）（容重、干容重）v水力特性水力特性（沉速）（沉速）§§1.1.1.1. 泥沙的几何特性泥沙的几何特性一、泥沙的粒径一、泥沙的粒径v表示泥沙大小表示泥沙大小™粗颗粒泥沙（如砾石、粗颗粒泥沙（如砾石、卵石卵石））♥等容粒径：等容粒径：♥算术平均值：算术平均值：♥几何平均值：几何平均值：下一页下一页返回返回上一页上一页§§1.1.1.1. 泥沙的几何特性泥沙的几何特性™细颗粒泥沙（如细颗粒泥沙（如沙粒沙粒））♥筛析法筛析法♥水析法：如比重计法水析法：如比重计法♥ －－分级法，海洋部门常用分级法，海洋部门常用™泥沙颗粒分级标准（水利工程界泥沙颗粒分级标准（水利工程界））下一页下一页返回返回上一页上一页粘粒粘粒粉沙粉沙沙粒沙粒砾石砾石卵石卵石漂石漂石 0.005 0.05 2 20 200mm§§1.1.1.1. 泥沙的几何特性泥沙的几何特性下一页下一页返回返回上一页上一页二、沙样组成与粒配曲线二、沙样组成与粒配曲线™粒配曲线粒配曲线：：♥小于粒径小于粒径D泥沙重量占总数的百分比泥沙重量占总数的百分比♥曲线越平缓曲线越平缓粒径越不均匀粒径越不均匀™粒径的大小粒径的大小♥中值粒径中值粒径D50♥平均粒径平均粒径Dm，常大于，常大于D50™沙样的均匀程度沙样的均匀程度♥分选系数（非均匀系数）：分选系数（非均匀系数）：S0=(D75/D25)1/2♥S0=1 沙样均匀；越大沙样均匀；越大越不均匀越不均匀§§1.1.1.1. 泥沙的几何特性泥沙的几何特性三、泥沙的孔隙率三、泥沙的孔隙率™孔隙率的定义孔隙率的定义♥泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比♥泥沙的孔隙率并不是一个常量泥沙的孔隙率并不是一个常量™影响孔隙率大小的主要因素影响孔隙率大小的主要因素♥粒径的大小：粗沙孔隙率较小粒径的大小：粗沙孔隙率较小♥粒径的均匀程度：粒径越均匀粒径的均匀程度：粒径越均匀孔隙率越大孔隙率越大♥形状的影响：球体孔隙率相对较小形状的影响：球体孔隙率相对较小™孔隙率变化的主要范围孔隙率变化的主要范围♥粗：粗：39－－40％，中：％，中：41－－48％，细：％，细：44－－49％％♥泥沙孔隙率的下限较为稳定：泥沙孔隙率的下限较为稳定：40％％♥上限变化较大，与粘粒有关，最高可达上限变化较大，与粘粒有关，最高可达90％％下一页下一页返回返回上一页上一页§§1.2.1.2. 细颗粒泥沙的物理化学性质细颗粒泥沙的物理化学性质一、电化学性质一、电化学性质™比表面积比表面积♥颗粒表面积颗粒表面积/体积体积♥物理化学作用物理化学作用/重力作用重力作用♥1 m沙粒沙粒=1mm的的1000倍倍♥对细颗粒泥沙重大影响对细颗粒泥沙重大影响™双电层现象（电解质）双电层现象（电解质）♥水中存在电解质水中存在电解质泥沙颗粒表面带负电荷泥沙颗粒表面带负电荷♥静电引力静电引力吸附层吸附层+扩散层（热运动扩散）扩散层（热运动扩散）♥表面离子层表面离子层+（吸附层（吸附层+扩散层）＝双电层扩散层）＝双电层♥双电层外为中性水双电层外为中性水下一页下一页返回返回上一页上一页§§1.2.1.2. 细颗粒泥沙的物理化学性质细颗粒泥沙的物理化学性质一、电化学性质一、电化学性质™束缚水（水分子）束缚水（水分子）♥泥沙颗粒表面带负电荷，泥沙颗粒表面带负电荷，泥沙颗粒引力泥沙颗粒引力♥水分子具有极性水分子具有极性氢氧原子分端分布氢氧原子分端分布♥形成束缚水＝粘结水形成束缚水＝粘结水+粘滞水（厚粘滞水（厚0.1-2 m））♥粘结水：引力大（粘结水：引力大（1万个大气压），密度高（万个大气压），密度高（1.2-2.4g/cm3），如混凝土，不能传递静水压力），如混凝土，不能传递静水压力♥粘滞水：密度高（粘滞水：密度高（1.3-1.7g/cm3），具较大粘滞性和），具较大粘滞性和抗剪强度，不能传递静水压力抗剪强度，不能传递静水压力™产生絮凝现象产生絮凝现象♥泥沙颗粒间分子引力泥沙颗粒间分子引力相互吸引相互吸引♥颗粒表面带同号电荷颗粒表面带同号电荷相互排斥相互排斥♥分散的泥沙颗粒相互吸引，聚合成结构松散的絮团分散的泥沙颗粒相互吸引，聚合成结构松散的絮团♥聚合过程叫做絮凝聚合过程叫做絮凝下一页下一页返回返回上一页上一页§§1.2.1.2. 细颗粒泥沙的物理化学性质细颗粒泥沙的物理化学性质二、压密过程与物理性质的变化二、压密过程与物理性质的变化™细颗粒泥沙形成的絮团细颗粒泥沙形成的絮团♥特点：高度蜂窝壮的结构，含水量佷高，密度很低，特点：高度蜂窝壮的结构，含水量佷高，密度很低，抗剪能力弱抗剪能力弱™压密过程压密过程♥在自重或其它外力的作用下，絮团结构开始破坏，在自重或其它外力的作用下，絮团结构开始破坏，并逐渐压实并逐渐压实™淤泥（重要）淤泥（重要）♥粒径小于粒径小于0.03mm 的泥沙的泥沙♥沉积后，经历液体、粘性体或固体等阶段沉积后，经历液体、粘性体或固体等阶段♥固结过程可延续多年固结过程可延续多年♥长江口的悬移质粒径长江口的悬移质粒径0.013mm-0.069mm下一页下一页返回返回上一页上一页§§1.3.1.3. 泥沙的重力特性泥沙的重力特性一、泥沙的容重与密度一、泥沙的容重与密度™定义定义♥ s（（ s）＝实有重量（质量））＝实有重量（质量）/实有体积实有体积♥不含孔隙在内不含孔隙在内♥单位：单位：kg/m3, t/m3, N/m3, KN/m3, kgf/m3, tf/m3™取值范围取值范围♥变化：变化：2.55－－2.75t/m3 或或25－－27KN/m3♥取值：取值：2.65t/m3 或或26KN/m3™有效容重系数：考虑水的浮力作用有效容重系数：考虑水的浮力作用♥a = ( s- )/  或或 a = ( s-  )/  ♥a = 1.65下一页下一页返回返回上一页上一页§§1.3. 1.3. 泥沙的重力特性泥沙的重力特性二、泥沙的干容重与干密度二、泥沙的干容重与干密度™定义定义♥ s（（ s ）＝实有重量（质量））＝实有重量（质量）/整个体积整个体积♥单位与容重或密度相同单位与容重或密度相同™特点特点♥包含孔隙在内：包含孔隙在内：  s ＝＝  s (1－－e)♥变幅较大：最大变幅较大：最大1.7t/m3，最小，最小0.3t/m3♥原因：孔隙变化较大原因：孔隙变化较大♥用途：确定泥沙冲淤体积用途：确定泥沙冲淤体积下一页下一页返回返回上一页上一页§§1.3. 1.3. 泥沙的重力特性泥沙的重力特性三、泥沙的干容重与干密度三、泥沙的干容重与干密度™影响因素影响因素♥泥沙粒径泥沙粒径Ø颗粒越细颗粒越细其值越小：其值越小：0.005 mm0.56t/m3Ø颗粒越细颗粒越细变幅越大：变幅越大：0.56－－1.35t/m3♥泥沙淤积厚度泥沙淤积厚度Ø淤积深度越深淤积深度越深干容重越大，变幅越小干容重越大，变幅越小下一页下一页返回返回上一页上一页D50 (mm)0.0050.020.08  s(KN/m3)5.49~13.239.02~15.6813.72~16.66  s (t/m3)0.56~1.350.92~1.601.40~1.70§§1.3. 1.3. 泥沙的重力特性泥沙的重力特性三、泥沙的干容重与干密度三、泥沙的干容重与干密度™影响因素影响因素♥淤积历时淤积历时Ø随着淤积历时的增加而增加，且变化较大随着淤积历时的增加而增加，且变化较大Ø达到一定时间后趋于稳定达到一定时间后趋于稳定Ø粗沙达到稳定时间要短的多粗沙达到稳定时间要短的多四、泥沙的水下休止角四、泥沙的水下休止角™定义：静水中、不致塌落的倾角定义：静水中、不致塌落的倾角™影响因素：泥沙粒径、级配及形状影响因素：泥沙粒径、级配及形状™变化范围：变化范围：32º－－39 º下一页下一页返回返回上一页上一页§§1.4. 1.4. 泥沙的水力特性泥沙的水力特性一、泥沙沉降的不同形式一、泥沙沉降的不同形式™沉速（沉降速度）：沉速（沉降速度）： , cm/s♥单颗粒在无限大静止清水中匀速沉降单颗粒在无限大静止清水中匀速沉降♥下沉原因：重力作用下沉原因：重力作用♥所受阻力：水流对颗粒的阻力所受阻力：水流对颗粒的阻力♥与泥沙颗粒粗细有关，又称水利粗度与泥沙颗粒粗细有关，又称水利粗度™用途用途♥泥沙的重要特性之一泥沙的重要特性之一♥研究悬移质运动时的重要参数研究悬移质运动时的重要参数♥设计沉沙池、抛石时的主要参数设计沉沙池、抛石时的主要参数下一页下一页返回返回上一页上一页§§1.4. 1.4. 泥沙的水力特性泥沙的水力特性一、泥沙沉降的不同形式一、泥沙沉降的不同形式™沙粒雷诺数沙粒雷诺数♥ReD=  D/ ♥判断三种沉降形式的主要指标判断三种沉降形式的主要指标™三种沉降形式三种沉降形式♥层流区：层流区： ReD <0.5♥紊流区：紊流区： ReD >1000♥过渡区：过渡区： ReD ＝＝0.5－－1000下一页下一页返回返回上一页上一页§§1.4. 1.4. 泥沙的水力特性泥沙的水力特性二、球体的沉速二、球体的沉速™球体所受的有效重力球体所受的有效重力™绕流阻力绕流阻力♥CD－阻力系数－阻力系数Ø层流区：层流区：CD＝＝24/ReDØ紊流区：紊流区： CD＝＝0.45Ø过渡区：不知道过渡区：不知道™力的平衡条件：力的平衡条件：F=W下一页下一页返回返回上一页上一页§§1.4. 1.4. 泥沙的水力特性泥沙的水力特性二、球体的沉速二、球体的沉速™层流区沉速公式：层流区沉速公式：™紊流区沉速公式：紊流区沉速公式：™过渡区：不知道过渡区：不知道下一页下一页返回返回上一页上一页§§1.4. 1.4. 泥沙的水力特性泥沙的水力特性三、泥沙的沉速三、泥沙的沉速™天然泥沙不是球体，需要考虑差异天然泥沙不是球体，需要考虑差异™基本原理、基本方法大同小异基本原理、基本方法大同小异™相关研究较多，但所得公式结构相近相关研究较多，但所得公式结构相近™过渡区复杂，各家公式百花齐放过渡区复杂，各家公式百花齐放™水电部规范综合了多家公式水电部规范综合了多家公式下一页下一页返回返回上一页上一页§§1.4. 1.4. 泥沙的水力特性泥沙的水力特性三、泥沙的沉速三、泥沙的沉速 （水电部规范公式）（水电部规范公式）™层流区（层流区（D 0.1mm））™（斯托克斯公式）（斯托克斯公式）™紊流区（紊流区（D>1.5mm））™（岗恰洛夫公式）（岗恰洛夫公式）™过渡区（过渡区（0.15  D   1.5））™ （岗恰洛夫公式）（岗恰洛夫公式）下一页下一页返回返回上一页上一页§§1.4. 1.4. 泥沙的水力特性泥沙的水力特性四、其他影响因素四、其他影响因素™泥沙形状泥沙形状♥细颗粒不重要细颗粒不重要♥砾石、卵石、块石应考虑砾石、卵石、块石应考虑™水质水质♥絮凝的影响絮凝的影响♥出现絮凝后，沉速增加，一般出现絮凝后，沉速增加，一般0.4－－0.5mm/s™含沙量含沙量♥颗粒下沉颗粒下沉向上水流，水流紊动向上水流，水流紊动♥有效重力减少有效重力减少♥絮凝：含沙量超过一定限度后絮凝：含沙量超过一定限度后下一页下一页返回返回上一页上一页§§1.4. 1.4. 泥沙的水力特性泥沙的水力特性五、泥沙粒径与沉速关系表五、泥沙粒径与沉速关系表™取自沙玉清试验结果取自沙玉清试验结果™试验范围广试验范围广下一页下一页返回返回上一页上一页图1-1 泥沙粒配曲线卵石沙粒。