(1)不同粒径级的颗粒所形成的土壤具有不同的力学性质。例如，大于2m的颗粒 形成的土壤无毛细力，颗粒松散，其间不相连续：2~0.05mm的颗粒之间具有毛细力，但 无粘结性：0.05~0.005mm的颗粒含水时具有粘结性：小于0.005mm的颗粒间不仅含水时 具有粘结性，失水后粘结力反而增强，这种粘结性对泥沙的运动起者重要作用。此外，泥 沙在水流中的输移方式和沉降规律等都与泥沙粒径有着密切的关系。 (2)不同粒径级的颗粒具有不同的矿物组成。大颗粒如漂石、卵石、砾石等实际属于 岩屑，因此通常与母岩中原有的多矿物成分相同；沙粒与岩石中原生矿物颗粒尺度相近，所 以它们往往由单矿物如石英、长石、云母等主要造岩矿物组成：较细的粉粒多由抗风化能力 较强的石英等矿物或难溶的碳酸盐组成：更细的粘粒由几乎都是由次生矿旷物及腐殖质组成。 (3)不同粒径级的颗粒具有不同的物理化学特性。例如，泥沙的比重、容重、颗粒形 态、颗粒表面吸附水膜对泥沙运动的影响等，均与泥沙粒径大小直接有关。如颗粒的形态是 各式各样的：常见的砾石、卵石，外形化较圆滑，有圆球状的，有椭球状的，也有片状的。 均无尖角和棱线，沙类和粉土类泥沙外形不规则，尖角和棱线都比较明显。粘士类泥沙一般 都是棱角峥嵘，外形十分复杂。 第五节河流泥沙的几何特性 泥沙的几何特性系指泥沙颗粒的形状和大小，或者说泥沙颗粒的形状与粒径。 正如前面提到的，泥沙的形状是各式各样的。 泥沙颗粒的不同形状与它们在水流中的运动状态密切相关。较粗的颗粒沿河底推移前 进，碰撞的机会较多，碰撞时动量较大，容易磨成较为圆滑的外形：较细的泥沙颗粒随水流 浮游前进，碰撞的机会较少，碰撞时动量较小，不易磨损，因此能够保持棱角静嵘的外形 一、泥沙的粒径 泥沙的粒径是泥沙颗粒大小的量度，由于泥沙颗粒形状不规则，不易确定其直径，通常 所说的粒径为泥沙的等容粒径的简称。所谓等容粒径，就是体积与泥沙颍粒相等的球体的直 径。设某一颗沙的体积为V,则其等容粒径为 ds/6)月 (1-15) π 常用单位为mm,对较大的粒径也用cm作单位。 如采可以把泥沙看成精球体，因球体的体积为“查a,6:c为频球格的长、中，后 三轴.而球体的体积为4 ,令两者相等，可以看到 6 d=abc (1-16) 流域规划办公室水文局.长江水文技术交流.1975年第3期 21
也就是椭球体的等容粒径即为共长、中，短轴长度的几何平均值。 对单顺的卵石、既石，可以直接称重，再除以泥沙的容重，就可以代入式(1-15)求得 等容粒径，或者直接测量长、中、短三轴大小计算其几何平均值：可以通过测量沙粒的中轴 长度来代替等容粒径，而对于无法直接测量的较细的颗粒，在通常情况下根本不可能采用这 样的办法确定它们的粒径。在实际工作中，对于不易直接测量其体积长、中、短轴长度的泥 沙，通常采用另外两种方法确定其粒径。 对较粗天然沙粒测量成果的统计分析表明，沙粒的中轴长度，和其长、中、短三轴的几 何平均值（即等容粒径）接近相等且咯大。这样在实际中，对于粒径在0.062一32.0mm之 间的沙粒，一般采用筛析法。我国采用公制标准筛，筛号和孔径的关系如表15。不难设想， 用筛析法量得的粒径应相当于各粒径组界限沙粒的中轴长度。可以近似地看成等容粒径，或 者直接称为筛径。 表15公制标准筛筛号和孔径关系表 孔径 孔径 筛号 孔径 筛号 孔径 孔径 筛号 筛号 孔径 筛号 (mm) (mm) (mm) (mm) 筛号 (mm) (mm) 36.3582.38161.19400.42700.2102000.074 4 4.76102.0200.84500.2971000.1492700.053 53.36121.68300.59600,.2501400.1054000.037 对于粒径在0.062mm以下粉粒和粘粒，已不可能进一步筛分，只能采用沉降法，如比 重计法、粒径计法、吸管法等。这些方法的基本原理是：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换算成粒径。所得粒径实际上为具有同样比重同样同速的球体直 径，也叫沉降粒径，或简称沉径 二、泥沙的粒配曲线 河流泥沙往往具有很强的非均匀性。通过对沙样颗拉组成的分析，得出其中各粒径级的 重量百分比或者小于某粒径的重量百分比，并据以绘制如图1-10所示的泥沙粒配曲线。 图1一10半对数坐标纸上的粒配曲线 粒配曲线可直接表现泥沙沙样粒径的大小和沙样的均匀程度，落在图1-10右边的曲线 (曲线Ⅱ)显然代表粒径较细的沙样：坡度较陡的曲线（曲线）则代表粒径均匀的沙样， 22
从粒配曲线上，可以查出小于某粒径的泥沙在总沙样中占的重量百分数，同时也可以查 出在总沙样中占某重量百分数的泥沙的上限粒径。后者通常以重量百分数为脚标，附注在粒 径d的右下角，表示该上限粒径，如d,、do、do…等。其中dso是一个十分重要的特征粒 径，称为中值粒径，它表示在全部沙样中，大于和小于这一粒径的泥沙重量刚好相等 d称为泥沙的平均粒径，可用下式表示 (1-17) d= ∑4 式中，d为第i组泥沙的代表粒径。将一个沙样按粒径大小分成若干组，定出每组上下 界限粒径d及da则d=dn十d,或d=d+d十d】 △p为粒径为 2 3 4组泥沙在整个沙样中所占重量的百分比。 通常泥沙的平均粒径与中值粒径d0并不相等，根据文献9，二者之间的关系应为 =d8 (1-18) 式中，ō为泥沙级配组成的均方差 从式(1-18)可以看出，只有在均方差G=0时，即均匀沙情况，才有d,d。由于天 然河流的泥沙总具有一定的不均匀性，即。总是一个大于零的数，故天然沙的平均粒径d 常常大于中值粒径d0 关于沙样的均匀程度，除可以用均方差σ表示之外，对一般河流泥沙来说，也常采用 如下形式的非均匀系数或称拣选系数 (1-19) 来表示。非均匀系数等于1，则沙样均匀：愈大于1，则愈不均匀。 第六节 细颗粒泥沙表面的物理化学性质 细颗粒泥沙表面的物理化学作用不可忽视，其许多性质都与表面面积有关。衡量颗粒表 面积相对大小的指标是比表面积。，它是颗粒表面积与颗粒体积之比 。=/gd=9 (1.20) 比表面积与粒径成反比，粒径越小，比表面积越大，颗粒表面的物理化学作用显得突出，常 对泥沙运动规律产生重要影响。 一、双电层与结合水 自然界的水往往并不十分纯，而是或多或少带有一些电解质。细顺粒泥沙在含有电解质 的水中，颗粒周围形成双电层。通常细颗粒泥沙的主要矿物成分是粘土矿物，它们在含有电 23
解质的水中会发生两种可能：一是电解质中的离子吸附在泥沙颗粒表面：另一是泥沙颗粒表 面的分子发生离解。不论哪种情况，一般都使泥沙颗粒表面带负电荷。这种表面带负电荷的 细顺粒泥沙在含有电解质水中，由于静电引力作用，吸引水中反号电荷（带正电荷）的离子， 这种被牢固吸附在紧邻颗粒表面周围的反离子层称为吸附层。吸附层的离子电荷还不足以平 衡颗粒表面的全部电荷，因此，在吸附层外还有一层与颗粒表面电荷的异号的反离子层，即 所谓的扩散层。扩散层中的离子，一方面受颗粒表面吸引：另一方面又有分子热运动，有向 外扩散的倾向。两方面的作用，形成扩散层的动平衡。颗粒表面离子层与其周围的反离子层 (吸附层和扩散层)构成颗粒的双电层，双电层外属中性水。见图1一山。 颗粒表面的电荷不仅吸引异号离子，也吸引水分 子。由于水分子具有极性，即水分子中的氢原子和氧原 子不是均匀分布的，氢原子偏向一端，氧原子偏向另 端，这样，它就可以为静电引力所吸引。在泥沙颗粒表 面负电荷的作用下，靠近颗粒表面，在吸附层范围内的 水分子便失去了白由活动的能力而整齐地、紧密地排列 起来，这样被称为粘结水。据测定，颗粒表面作用于粘 中性水 结水的引力约为1万个大气压。在这样大的压力下，粘 结水的密度达到1.2~2.4g/cm3,平均为2g/cm3, 由这样紧密挤压在一起的水分子组成的粘结水，在力学 性质上与周体物质相同，具有极大的粘滞性、弹性和抗 剪强度。它也没有传递静水压力的能力。围绕在粘结水 图1一11双电层及束缚水示意图外面，在扩散层外围内的水分子因距颗粒表面较远，受 到的引力较小，水分子的排列比较疏松，仅有轻微的定向。这部分水被称为粘滞水。粘滞水 的索度没有粘结水那么大，但仍比普通液态水的要大，为1.3一1.7g/m:它也具有较大 的粘滞性和抗剪强度，不能传递静水压力。粘结水和粘滞水统称为束缚水。束缚水外的水分 子几乎不受静电引力的作用，在重力作用下能自由流动，称为自由水。 双电层的电位变化可由图看出。当泥沙颗粒表面带负电荷后，就有一定的电位值，此 电位值与扩散层外的自由电位之差称为热力学电位，或v电位。在吸附层内，电位线性降 落，所剩余的电位差，即吸附层与扩撒层交界面的电位与扩散层外自由电位之差称为电动电 位，或5电位。它在扩散层中按指数规律衰减。：电位直接决定了扩散层的厚度，因此扩散 层的厚度往往用飞电位来代表。飞电位的大小取决于颗粒表面的离子总数与吸附层内反离子 数的差值。 二、絮凝现象 细颗粒泥沙由于表面的物理化学作用，在一定的条件下颗粒间彼此凝聚在一起，形成较 大的聚集体，这种现象称为絮凝现象
浑水中的细颗粒泥沙，通过絮凝作用，颗粒间凝聚成团粒状态的聚集体称为絮团。随 着含沙浓度的增加和剪切速率的减小，絮团与絮团间会连接成更大的聚集体，并进一步发展 成范围较大的网状结构称为絮网。浑水中的这种絮凝现象，对浑水的性质及泥沙运动规律具 有重要的影响。 细颗粒泥沙的絮凝机理十分复杂，许多问题尚在深入研究中。通常认为，颗粒间是保 持分散还是趋于凝聚，决定于颗粒间的作用力或作用能，即决定于颗粒间的吸引作用能与挂 斥作用能的净能量。 第七节泥沙的重力特性 一、泥沙的一般重力特性 1.泥沙的容重与密度 泥沙各个颗粒实有重量与实有体积的比值，称为泥沙的容重或重度y,采用国际单位 为牛米3(Nmm),工程单位为吨力/米3(tfm)或公斤力/米3(kgm)。由于构成泥沙的 岩石成分不同，泥沙的容重y,也不相同，常以26kNm(国际单位)或2650kgm(工程 单位)为代表值 泥沙在水中的运动状态，既与泥沙的容重”，有关，又与水的容量y有关。在分析计算 中，常出现相对数值么一之，为了简便起见，令： a=2-y (1-21) y 若以P,、P分别代表泥沙、水的密度，则 a=e.-p α为无量纲值，可定名为有效容重系数或有效密度系数。在讨论一般性问题时，常取 a=1.65 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y',单位为Nm(工程单位为tm或k短m)。当河床发生冲淤变化时，泥沙干容重是 确定冲淤沙重量与体积关系的一个重要物理量，在分析计算中会经常遇到。 泥沙干容重y与粒径的大小、埋藏的深浅，以及淤积历时的长短有关，其变化幅度是