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《泥沙运动力学》读书报告
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泥沙运动力学
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《泥沙运动力学》读书报告
摘要:泥沙运动力学是一门综合性基础技术科学,主要研究泥沙在重力、流水、波浪和风力等作用下的冲刷、搬运和沉积过程以及这些运动过程所造成的宏观地貌演变。微观上,泥沙颗粒在流体作用下起动、跳跃悬浮和沉降这些过程依赖于颗粒的物理性质、矿物成分和流体的力学特性和边界条件。宏观上,泥沙运动导致地貌发育和环境演变从更为长期的眼光看,泥沙运动是固体物质从山区搬向平原和海洋、造成冲积平原和三角洲、在海洋沉积形成岩石的循环中的重要一环。泥沙运动引起的环境变化对于生态学具有重要意义。
关键词:泥沙运动力学;非恒定流;河床演变;高含沙水流
1泥沙的形成及性质
泥沙是指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。岩石风化是产生泥沙最主要的来源。除此之外,生物的骨骼和介壳,火山爆发时喷出的火山灰、火山渣、飞石,海底或温泉外流的岩浆,陨石通过大气层时的分解物都可能成为泥沙颗粒。

组成泥沙的个别颗粒,其性质直接或间接的反应了泥沙过去的历史。例如泥沙的大小和移动介质及流动速度有关,泥沙的形状和圆度则涉及移动介质、移动距离及移动强度,矿质组成指出泥沙可能的来源和搬运距离,方位决定于水流运动的方向和泥沙沉淀时的受力情况,表面组织则反应泥沙受磨蚀的历史以及因溶解而起的变化。根据这些性质,泥沙的来源以及如何受力冲刷、移动和沉积的经过都可以得到一个概括的轮廓。
对于卵石以上的泥沙,一般常直接量测在三个成正交方向的直径,求出它们的平均值。由卵石以至细砂,筛析法是最简捷的决定颗粒大小的方法,由此所得到的结果只能指出泥沙大小介于上下两筛孔之间,亦即只能知道大小的范围,而不知其绝对值,在这一范围内的平均尺寸,可以采用代数平均D1+D22,也可以采用几何平均D1D2,也有采用13D1+D2+D1D2的;筛析法所提供的粒径,既不是泥沙颗粒的最大粒径,也不是最小粒径,而是介
于这两者之间的中间粒径。自细砂以下,其颗粒大小可用显微镜法或沉降法量测,前者所测得的只是某一个投影面上的尺寸,后者则根据泥沙的沉速反求与该颗沙粒比重相同、沉速相等的球体的直径(这一直径又称为沙粒的有效粒径或沉降粒径)。有效粒径不但和沙粒大小的绝对值有关,而且还包含了顺粒的形状及比重等因素,也有用同体积的球体的直径来表示泥沙颗粒大小的,这样求出的粒径称为等容粒径[[] 钱宁,[M].科学出版社,2003年8月,85-112.
]。
球体的沉速可以下式决定:
ω2=43CDρs-ρρgD (1)
CD=fRe=f(ωDν) (2)
式中,ω为球体沉速,Cd为阻力系数,ρs及ρ分别为球体及液体的密度;g为重力加速度;D为球径;Re为雷诺数;v为液体的运动黏性系数。

通常所谓泥沙,并不是指单独的泥沙颗粒,而是指无数不同大小、不同形状及不同矿质的泥沙颗粒的混合体。泥沙顺粒虽然并不胶结成一个整体,但是许多有关泥沙的性质却正因沙粒的集体存在而表现出来。

泥沙粒径的分配情况和均匀度不但直接反映母岩的性质和泥沙所受到的水流分选作用的强弱,而且和泥沙搬运量的大小也有密切关系。表示颗粒级配的方法很多,主要有三种惯用的方法:梯级频率图、累计频率曲线和微分频率曲线。

正像组成泥沙的各种颗粒大小并不一致那样,它们的方位也各有不同。泥沙颗粒方位分布的研究称为岩组分析。前面说过,泥沙颗粒的方位可以用长轴(或其他轴)的方位角及倾角来表示。如果我们设想把泥沙颗粒按照它的天然方位放在一个空心圆球的中心,把长轴延伸出去和南北半球壳各交在一个点,然后画出南半球的极坐标地图,这时长轴穿透球壳的点在极坐标地图上的位置就同时代表了泥沙颗粒的方位角及倾角。这样所得到的图称为岩组图,图上每一个点代表某一颗泥沙的长轴位置。如果这些点子群集在一起,正是说明泥抄在运动或沉积过程中取得了某种特殊的方位。为了更好地说明点群集中的程度,可以绘出单位面积内点子数目的等值线图,而且一般常用相对的数字来表示这些等值线。

泥沙中孔隙的容积占总容积的百分比称为孔隙率。泥沙孔隙率因沙粒的大小及均匀度、沙粒的形状、堆积的情况以及堆积后受力大小及历时久暂而有不同。
从理论上来说,泥沙的颗粒大小应该和孔隙率并无关系。但是实际上,细颗粒泥沙往往比粗颗粒泥沙含有更多的孔隙,这是由于细颗粒的表面面积相对较大,使得颗粒间的摩擦,吸附及搭成格架的作用增大的缘故。例如粗砂的孔隙率一般为39~41%,中砂为41~48%,细砂则为44~49 %。如果砂土中夹杂有少量粘土,孔隙率可以增加