通识教育选修课教材《河 流 概 论》 - 图文

图3-1 泥沙分类图

1994年，水利部颁发的《河流泥沙颗粒分析规程》，规定河流泥沙按表3-1 分类。

表3-1 河流泥沙分类 泥沙分类 粒径(mm) <0.004 0.004-0.062 0.062-2.0 2.0-16.16.0-250.0 >250.0 0 粘粒 粉沙 沙粒 砾石 卵石 漂石 由上可见，河流泥沙又可以分为泥、沙、石三大类，其中粘粒、粉沙属泥类；沙粒属沙类；砾石、卵石、漂石属石类。

二、按泥沙的运动态式分

天然河流中的泥沙，按其是否运动可分为静止和运动两大类。组成河床静止不动的泥沙称为床沙。运动的泥沙又分为推移质和悬移质两类(图3-2)，两者共同构成河流输沙的总体。

图3-2 河流泥沙运动形式 图3-3 天然河流卵石推移运动

现象

推移质是指沿河床附近滚动、滑动或跳跃运动的泥沙。推移质泥沙的运动特征是：走走停停，时快时慢，运动速度远慢于水流；颗粒愈大，停的时间愈长，走的时间愈短，运动的速度愈慢。推移质的运动状态完全取决于当地的水流条件。更进一步地，推移质又可划分为沙质推移质和卵石推移质两类。图3-3为天然河流卵石推移的运动现象。

悬移质是指随水流浮游前进的泥沙。这种泥沙的运动，有赖于水流中的紊动涡旋所挟持，在整个水体空间里自由运动，时而上升，时而下降，其运动状态具有随机性质，其运动速度与水流基本相同。

实践经验告诉我们，天然河流中运动的两类泥沙，从数量上说来，推移质相对较少，悬移质相对较多，山区河流则更为如此。一般说来，冲积平原河流携带的悬移质数量，往往为推移质的数十倍、数百倍甚至数千倍。

推移质泥沙尽管其相对数量不多，但因其颗粒较粗，对水利工程的危害极大。如在解决水库淤积问题中，处理推移质泥沙的难度往往要比处理悬移质大得多。因此对于推移质运动的观测与研究，同样是需要重视的。

从研究河床冲淤变化需要考虑，通常需要把悬移质泥沙进一步地按其粗细划分为床沙质与冲泻质两部分。悬移质中较粗的一部分泥沙叫做床沙质，它与水流条件的关系较密切，在河床组成中大量存在，能经常与河床上的床沙发生置换即参与造床，故又称造床质。悬移质中较细的一部分泥沙叫做冲泻质，它与水流条件的关系较差，在河床组成中很少有或没有，水流一般不能从当地河床取得足量补给，因而这部分泥沙又称之为非造床质。床沙质常处于挟沙饱和状态，而冲泻质则通常处于非饱和状态。冲泻质的来源主要是流域地表，而床沙质则多来源于上游河床。

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，即d=(6V/π)1/3 。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=

，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／m3。

泥沙的容重γS与密度ρs的关系：γS=ρs.g。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= = (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/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

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

，

，

，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

，

换算，即G =γ

，

V。

ω = (3-2)

为水的运

式中，Cd为阻力系数，与沙粒雷诺数Red有关，Red=ωd/ν，其中动粘滞性系数，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。