泥沙测验

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1、第第5章章 泥沙测验泥沙测验5.1 概概 述述 5.1.15.1.1泥沙测验的意义泥沙测验的意义 5.1.2 河流泥沙特性河流泥沙特性一、河流泥沙的分类一、河流泥沙的分类1.1.按运动形式按运动形式:悬移质、推移质、河床质。悬移质、推移质、河床质。悬移质悬移质:指悬浮于水中，随水流一起运动的泥沙；指悬浮于水中，随水流一起运动的泥沙；推移质推移质:指在河床表面，以滑动、滚动或跳跃形指在河床表面，以滑动、滚动或跳跃形 式前进式前进的泥沙；的泥沙；河床质河床质:是组成河床活动层处于相对静止的泥沙是组成河床活动层处于相对静止的泥沙2.按在河床中的位置按在河床中的位置:冲泻质和床沙质。冲泻质和床沙质。冲

2、泻质冲泻质:由更小的泥沙颗粒组成，能长期悬浮于由更小的泥沙颗粒组成，能长期悬浮于水中而不沉淀，在水中的数量多少，与水流的水中而不沉淀，在水中的数量多少，与水流的挟沙能力无关，只与流域内的来沙条件有关；挟沙能力无关，只与流域内的来沙条件有关；床沙质床沙质:河床质的一部分，与水力条件有关，当河床质的一部分，与水力条件有关，当流速大时，可以成为推移质和悬移质，当流速流速大时，可以成为推移质和悬移质，当流速小时，沉积不动成为河床质。小时，沉积不动成为河床质。二、泥沙二、泥沙脉动现象脉动现象三、悬移质泥沙的断面分布三、悬移质泥沙的断面分布垂线分布垂线分布:含沙量含沙量从水面向河底呈递增趋势。呈上小下从水

3、面向河底呈递增趋势。呈上小下大的曲线形态。大的曲线形态。横向分布横向分布:随流速和水深的变化而变化，但随流速和水深的变化而变化，但较流速横向较流速横向分布变化小。分布变化小。四、泥沙测验术语四、泥沙测验术语（1 1）全沙输沙量）全沙输沙量S S（kg.tkg.t)S=WS=Ws s+W+Wb b W Ws s和和W Wb b分别为某时段通过测验断面悬移质和推移质输沙干沙重。分别为某时段通过测验断面悬移质和推移质输沙干沙重。(2)(2)悬移质悬移质含沙量含沙量:指单位体积水样中所含干沙的重量。指单位体积水样中所含干沙的重量。Cs=Ws/VCs=Ws/V Cs Cs含沙量，含沙量，kgkgm m3

4、 3或或g gm m3 3 Ws Ws水样中干沙的重量，水样中干沙的重量，g g或或kgkg；V V水样的体积，水样的体积，m m3 3 。（3 3）输沙率）输沙率:是指单位时间内通过某一过水断面的干沙重量，是断面流量是指单位时间内通过某一过水断面的干沙重量，是断面流量与断面平均含沙量的乘积。与断面平均含沙量的乘积。Qs=QQs=Q*Cs Cs Q Q断面流量，断面流量，m m3 3s s Qs Qs断断面输沙率面输沙率，t ts s或或kg/skg/s（4 4）断沙）断沙CsCs断：断：悬移质断面平均悬移质断面平均含沙量含沙量 kgkgm m3 3（5 5）单样含沙量）单样含沙量CsuCsu

5、:断面上有代表性的垂线或测点悬移质含沙量断面上有代表性的垂线或测点悬移质含沙量.kg.kgm m3 3（6 6）侵蚀模数）侵蚀模数MsMs：流域内单位面积上每年的输沙总量流域内单位面积上每年的输沙总量.t/km.t/km2 2.a .a Ms=S/A Ms=S/A五、河流泥沙测验的内容五、河流泥沙测验的内容 悬移质、推移质的数量悬移质、推移质的数量 悬移质、推移质的颗粒级配悬移质、推移质的颗粒级配 河床质的颗粒级配河床质的颗粒级配 六、六、测验方法介绍测验方法介绍 (一一)分析法：通过采样器采样分析。经过量积、沉淀、分析法：通过采样器采样分析。经过量积、沉淀、过滤、烘干、称重等手续，得出一定体

6、积浑水中的干沙过滤、烘干、称重等手续，得出一定体积浑水中的干沙重量重量,即测点含沙量。即测点含沙量。采样器采样器:横式采样器、普通瓶式采样器、皮囊积式采样横式采样器、普通瓶式采样器、皮囊积式采样器等。器等。优点优点:仪器的进口流速等于天然流速仪器的进口流速等于天然流速,结构简单结构简单,操作方便操作方便,适用于各种情况下的逐点法或混合法取样适用于各种情况下的逐点法或混合法取样.缺点缺点:不能克服泥沙的脉动影响不能克服泥沙的脉动影响,干扰水流干扰水流.（二）物理法：（二）物理法：将仪器或测量探头直接放入水中测点位置，用物理方将仪器或测量探头直接放入水中测点位置，用物理方法通过仪器间接测得该处的含

7、沙量。法通过仪器间接测得该处的含沙量。(1)同位素测沙仪同位素测沙仪：利用射线穿过水样时，强度将发生衰减的原理，其衰利用射线穿过水样时，强度将发生衰减的原理，其衰减程度与水样中含沙量的大小有关，根据射线衰减强度反减程度与水样中含沙量的大小有关，根据射线衰减强度反求水中的含沙量。求水中的含沙量。(2)光电测沙仪光电测沙仪(3)超声波测沙仪超声波测沙仪（原理同同位素测沙仪）（原理同同位素测沙仪）(4)振动管测沙仪振动管测沙仪 单位体积的物质的固有频率与其质量（密度）有关，单位体积的物质的固有频率与其质量（密度）有关，密度越大振动频率越高，测定金属传感器的振动频率来确密度越大振动频率越高，测定金属传

8、感器的振动频率来确定含沙量。定含沙量。仪器法可直接测得单点含沙量，不需要做水样处理，仪器法可直接测得单点含沙量，不需要做水样处理，适用与水文自动测报系统。适用与水文自动测报系统。振动式测沙仪振动式测沙仪l目的目的:用比较精确的方法用比较精确的方法,测得单位时间内通过的测得单位时间内通过的悬移质的悬移质的干沙重干沙重,结合同时测得的流量资料确定断面平均含沙量结合同时测得的流量资料确定断面平均含沙量,建立单、断沙关系或断沙过程线以推求不同时期的断面建立单、断沙关系或断沙过程线以推求不同时期的断面含沙量含沙量.l原理原理:把过水断面划分成若干个部分把过水断面划分成若干个部分,在每块面积上测速、在每块

9、面积上测速、测沙，得到每部分的输沙率，断面输沙率即为各部分之测沙，得到每部分的输沙率，断面输沙率即为各部分之和。和。（与流量相同）（与流量相同）5.2 悬移质输沙率测验悬移质输沙率测验l测验方法测验方法 1.1.仪器仪器法法:(1)(1)直接测量法直接测量法 在一个测点上，用一个仪器直接测得时段平均悬移在一个测点上，用一个仪器直接测得时段平均悬移质输沙率。质输沙率。由各测点之和求得断面输沙率由各测点之和求得断面输沙率.(2)(2)间接测量法间接测量法 在一个测点上，分别用两个仪器几乎同时进行时段在一个测点上，分别用两个仪器几乎同时进行时段平均含沙量和时段平均流速的测量，两者乘积得测点输平均含沙

10、量和时段平均流速的测量，两者乘积得测点输沙率沙率,由各测点求得断面输沙率由各测点求得断面输沙率.要求要求:水流不受扰动，仪器进口流速等于或接近天然流速水流不受扰动，仪器进口流速等于或接近天然流速.特点特点:误差大，不能保证仪器进口流速等于天然流速误差大，不能保证仪器进口流速等于天然流速 。2.分析法分析法:采取与流量模相同的概念采取与流量模相同的概念.(1)(1)将断面分割成许多平行的垂直部分块将断面分割成许多平行的垂直部分块.(2)(2)求得每部分的输沙率求得每部分的输沙率.(3)(3)累加得断面输沙率累加得断面输沙率.要求要求:在测沙的同时测流在测沙的同时测流.5.2.1 5.2.1 分析

11、法悬移质测验分析法悬移质测验原理：原理：断面输沙率断面输沙率:Qs=Csi qi=qsi 测次要求测次要求:主要分布在洪水期主要分布在洪水期,平枯水期少些平枯水期少些;含沙量很小时可以不测含沙量很小时可以不测;输沙率测验次数应满足建立推算输沙率用的关系曲线为输沙率测验次数应满足建立推算输沙率用的关系曲线为原则原则.5.2.2 5.2.2 测验步骤测验步骤一一.布设测沙垂线布设测沙垂线1.1.布设原则布设原则:大致均匀大致均匀,中泓密中泓密,两边疏两边疏,以能控制含沙量以能控制含沙量横向变化横向变化,正确测定断面输沙率为原则正确测定断面输沙率为原则.B B50m n 5条条B50m n 3条条2

12、.2.布设方法布设方法:(1)(1)等部分宽中心线法等部分宽中心线法:均匀布线法均匀布线法.按垂线数目等分水面按垂线数目等分水面宽宽,在每部分水面宽中心采样在每部分水面宽中心采样.适用河流适用河流:流速横向变化均匀流速横向变化均匀.(2)(2)等流量中心法等流量中心法:据流量测验成果据流量测验成果,计算各部分流量累积计算各部分流量累积百分率与起点距百分率与起点距DiDi的关系的关系,均匀布设测沙垂线均匀布设测沙垂线.如布设如布设5 5条条线线,位置应在位置应在10%,30%,50%,70%,90%10%,30%,50%,70%,90%相应的相应的DiDi处处.适用河流适用河流:断面冲淤较大断面

13、冲淤较大,主流不稳定主流不稳定.(3)(3)固定垂线法固定垂线法:测沙垂线与测速垂线相同测沙垂线与测速垂线相同,可随流速垂线可随流速垂线固定固定.(.(我国水文站多用我国水文站多用)适用河流适用河流:主流稳定主流稳定,河床冲淤较小河床冲淤较小.二二.垂线上悬移质测验方法垂线上悬移质测验方法 目的目的:推求垂线平均含沙量推求垂线平均含沙量;分析研究含沙量沿垂线的分析研究含沙量沿垂线的分布规律分布规律.方法方法:积点法、积深法和垂线混合法积点法、积深法和垂线混合法.1.1.积（选）点法积（选）点法 在测沙垂线有代表性的相对位置上，逐点测取水样，在测沙垂线有代表性的相对位置上，逐点测取水样，同时测流

14、速，按流速加权的原理计算垂线平均含沙量。同时测流速，按流速加权的原理计算垂线平均含沙量。畅流期：一、二、三、五和七点法畅流期：一、二、三、五和七点法封冻期：一、二、六点法封冻期：一、二、六点法 优点优点:可测得断面上含沙量的变化可测得断面上含沙量的变化,便于对沙样进行颗粒便于对沙样进行颗粒分析分析.2.2.积深法积深法:用积时式采样器在垂线上均匀提放用积时式采样器在垂线上均匀提放,采取整个垂线上的水样采取整个垂线上的水样.经经处理求得的含沙量即为垂线平均含沙量处理求得的含沙量即为垂线平均含沙量.注意注意:采样时均匀下放采样时均匀下放,均匀提升双程取样均匀提升双程取样.优点优点:垂线平均含沙量代

15、表性好垂线平均含沙量代表性好,但反映不出含沙量在垂线上的变化但反映不出含沙量在垂线上的变化.3.3.垂线混合法垂线混合法 在垂线上不同测点位置按一定比例取样在垂线上不同测点位置按一定比例取样,混合处理求垂线平均含混合处理求垂线平均含沙量沙量.积时式采样器按取样历时定比混合：积时式采样器按取样历时定比混合：横式采样器按容积定比混合：横式采样器按容积定比混合：畅流期：三点法以畅流期：三点法以2:1;1,2:1;1,两点法：两点法：1:11:1封冻期：封冻期：两点法：两点法：1:11:1优缺点同上优缺点同上.积时式采样器历时比例积时式采样器历时比例采样 方法采样位置（相对水深）说明水面下0.20.6

16、0.8河底t:垂线采样总历时二点法t/2t/2三点法t/3t/3t/3五点法t/103t/103t/102t/10t/104.4.全断面混合法全断面混合法 指在断面上按一定的规则测取若干个水样，混在一起指在断面上按一定的规则测取若干个水样，混在一起处理求得含沙量，作为断面平均含沙量。处理求得含沙量，作为断面平均含沙量。方法方法:等部分流量法；等部分流量法；等水面宽、等速积深全断面混合法；等水面宽、等速积深全断面混合法；面积、历时加权混合法。面积、历时加权混合法。（1 1）等流量等容积全断面混合法）等流量等容积全断面混合法Cs=Cs=混合水样总沙重混合水样总沙重/混合沙样总容量混合沙样总容量步骤

17、步骤:计算各测速垂线的部分流量累计百分数计算各测速垂线的部分流量累计百分数.qiqi/Q/Q*100%100%.以部分流量累计百分数为纵坐标以部分流量累计百分数为纵坐标,起点距为横坐标起点距为横坐标,点绘关系图点绘关系图.根据测沙垂线数可查得响应的取样起点距根据测沙垂线数可查得响应的取样起点距.即为取样位置即为取样位置.在每条垂线上取相同体积的水样分析处理在每条垂线上取相同体积的水样分析处理.各垂线取的水样混合在一起各垂线取的水样混合在一起,作为一个水样处理作为一个水样处理,求得的即为断求得的即为断面平均含沙量面平均含沙量.（2 2）等宽等速积深全断面混合法）等宽等速积深全断面混合法适用条件适

18、用条件:稳定的单式河槽和使用积深采样器的测站稳定的单式河槽和使用积深采样器的测站.步骤步骤:根据测沙垂线数等分河面宽根据测沙垂线数等分河面宽,各测沙垂线位于各部分各测沙垂线位于各部分宽的中间宽的中间.用积深法双程取样用积深法双程取样,采样器提放速度应相等采样器提放速度应相等.测定各部分的干沙重和容积测定各部分的干沙重和容积.累积得断面平均含沙量累积得断面平均含沙量.（3）等面积等历时取样全断面混合法）等面积等历时取样全断面混合法 测沙垂线按等面积布设，在每条垂线上取样历测沙垂线按等面积布设，在每条垂线上取样历时相等。时相等。（4）面积历时加权法）面积历时加权法三三.相应单沙的测验相应单沙的测验

19、定义：定义：与断面输沙率同时施测的对应单样含沙量与断面输沙率同时施测的对应单样含沙量目的目的:建立单沙断沙关系建立单沙断沙关系,简化测验步骤简化测验步骤.取样要求取样要求:相应单沙要有足够的精度和代表性相应单沙要有足够的精度和代表性.作颗粒分析时应观测作颗粒分析时应观测水温水温.取样次数取样次数:在输沙率测验开始终了各取一次在输沙率测验开始终了各取一次.水情平稳时可取一次水情平稳时可取一次.变变化较大时适量增加化较大时适量增加.取样位置取样位置:所选位置测得的单沙能在较长时间内和断沙有较好的关系所选位置测得的单沙能在较长时间内和断沙有较好的关系,且取样方便且取样方便.取样方法取样方法:积深法或

20、垂线混合法积深法或垂线混合法.测次布置测次布置:主要布置在洪水期主要布置在洪水期,平枯水期适当布置平枯水期适当布置.取样容积：取样容积：保证精度保证精度精度要求精度要求:一类站单、断沙关系线的比例系数在一类站单、断沙关系线的比例系数在0.951.05之间，二、之间，二、三类站在三类站在0.931.07之间。之间。四四.悬移质水样处理悬移质水样处理水样处理水样处理:量积、沉淀、称重量积、沉淀、称重(沙样处理沙样处理),求得含沙量求得含沙量.沙样处理沙样处理:烘干法、过滤法、置换法。烘干法、过滤法、置换法。烘干法：烘干法：将浓缩后的水样放入烘箱进行烘干，冷却后称将浓缩后的水样放入烘箱进行烘干，冷却

21、后称得干沙重。得干沙重。过滤法过滤法:将滤纸铺在漏斗或专用的过滤筛上，将水样倒将滤纸铺在漏斗或专用的过滤筛上，将水样倒在滤纸上自然过滤；过滤后烘干、称重后减去滤纸重，在滤纸上自然过滤；过滤后烘干、称重后减去滤纸重，即得干沙重。即得干沙重。置换法置换法:利用已知的比重瓶置换出泥沙的体积利用已知的比重瓶置换出泥沙的体积.(1)将浓缩后的水样，装入比重瓶内称重，量比重瓶内水将浓缩后的水样，装入比重瓶内称重，量比重瓶内水温温;(2)比重瓶加浑水重等于比重瓶重加瓶内沙重和清水重；比重瓶加浑水重等于比重瓶重加瓶内沙重和清水重；(3)沙重等于干沙所占体积与干沙密度的乘积沙重等于干沙所占体积与干沙密度的乘积;

22、(4)比重瓶加清水重等于瓶重加清水所占容积与水的密度比重瓶加清水重等于瓶重加清水所占容积与水的密度的乘积的乘积.wSSSbwsVVVWW)(SSsVWwbwVWW(2)式式-(4)式得式得:泥沙沙重:)()(wwswwswsssWWkWWW)(wSSwwsVWW)(1wwswsSWWV要求:对比重瓶进行检定,求出比重瓶在不同温度下的瓶加水重,绘制工作曲线.即置换系数K随温度的变化值.以备查用.5.2.3 实测悬移质输沙率计算实测悬移质输沙率计算一、垂线平均含沙量计算：一、垂线平均含沙量计算：定义：在单宽流量中平均单位水体中所含的干沙重，可用单宽输沙定义：在单宽流量中平均单位水体中所含的干沙重，

23、可用单宽输沙率和单宽流量之比求的。率和单宽流量之比求的。二、断面输沙率和断面平均含沙量的计算二、断面输沙率和断面平均含沙量的计算计算部分输沙率计算部分输沙率.以测沙垂线为分界，计算垂线间部分平均含沙量和部分流量以测沙垂线为分界，计算垂线间部分平均含沙量和部分流量(以测速以测速垂线为分界垂线为分界)。二者乘积即为部分输沙率。二者乘积即为部分输沙率.岸边部分：以第岸边部分：以第1根和末根垂线平均含沙量代替。根和末根垂线平均含沙量代替。中间部分：两垂线算术平均。中间部分：两垂线算术平均。断面输沙率断面输沙率Qs:各部分之和各部分之和.断面平均含沙量断面平均含沙量:Cs=Qs/Q相应单沙相应单沙Csu

24、计算：算术平均法，输沙率加权平均法计算：算术平均法，输沙率加权平均法推移质及河床质泥沙测验推移质及河床质泥沙测验推移质输沙率是指单位时间内通过测验断面的推移质泥沙量，推移质输沙率是指单位时间内通过测验断面的推移质泥沙量，单位单位kg/s.l 测验方法测验方法 采样：把采样器放到河底直接采集推移质的沙样。采样：把采样器放到河底直接采集推移质的沙样。采样器分类：沙质和卵石两类。采样器分类：沙质和卵石两类。5.3 5.3 泥沙颗粒分析泥沙颗粒分析5.3.1 5.3.1 概述概述定义：定义：确定泥沙样品中各粒径组泥沙量占样品总量的百确定泥沙样品中各粒径组泥沙量占样品总量的百分数分数.测定泥沙粒径、各粒

25、径组泥沙重量、绘制泥沙颗粒级配测定泥沙粒径、各粒径组泥沙重量、绘制泥沙颗粒级配曲线曲线内容：内容：掌握断面的泥沙颗粒级配分布及随时间的变化过程。掌握断面的泥沙颗粒级配分布及随时间的变化过程。了解洪峰时期泥沙颗粒级配的变化过程。了解洪峰时期泥沙颗粒级配的变化过程。建立单颗建立单颗-断颗关系，由单颗换算成断颗。断颗关系，由单颗换算成断颗。术语：术语：5.3.2 5.3.2 泥沙颗粒分析泥沙颗粒分析 l测次布置测次布置输沙率颗分测次，应以满足建立单颗输沙率颗分测次，应以满足建立单颗-断颗关系为原则，断颗关系为原则，主要应分布在含沙量较大的洪水期。主要应分布在含沙量较大的洪水期。l取样数量及沙样处理取

26、样数量及沙样处理 根据采用的分析方法、天平感量及粒径大小来确定根据采用的分析方法、天平感量及粒径大小来确定.l粒径级的划分及颗粒级配曲线的绘制粒径级的划分及颗粒级配曲线的绘制粒径级粒径级 (单位为单位为mm)mm)：0.005(0.005(或或0.007)0.007)，0.0100.010，0.0250.025，0.0500.050，0.1000.100，0.250.25，0.5000.500，1.001.00，2.002.00，5.005.00，10.010.0，20.020.0，50.0,100,200.50.0,100,200.泥沙颗粒级配曲线泥沙颗粒级配曲线:以粒径级为纵以粒径级为纵坐

27、标坐标,小于某粒径沙重的百分数为横坐标小于某粒径沙重的百分数为横坐标.点绘在点绘在几率格纸上几率格纸上或或单对数格纸上。单对数格纸上。l泥沙颗粒分析方法泥沙颗粒分析方法(一一)直接观测法直接观测法1.1.卵石粒径测定法卵石粒径测定法(粒径大于粒径大于20mm20mm)当颗分沙样是大的卵石或砾石时，可用卡尺直接测量卵石的长当颗分沙样是大的卵石或砾石时，可用卡尺直接测量卵石的长(a)(a)、宽宽(b)(b)、高、高(c)(c)三轴的尺寸，用几何平均或算术平均法求其平均粒径三轴的尺寸，用几何平均或算术平均法求其平均粒径D D：适用适用条件条件:粒径大于粒径大于20mm20mm的推移质和河床质的推移质

28、和河床质.2.2.筛分析法筛分析法(粒径粒径=0.06232mm=0.06232mm)3.3.显微镜法显微镜法4.4.称重法：依粒径大小排列称得各组的粒径的重量。称重法：依粒径大小排列称得各组的粒径的重量。(二二)水分析法水分析法 根据不同粒径的泥沙在静水中的沉降速度不同，利用有关沉速公根据不同粒径的泥沙在静水中的沉降速度不同，利用有关沉速公式，测定泥沙颗粒级配的一种方法。式，测定泥沙颗粒级配的一种方法。粒径计法、移液管法和消光法等。粒径计法、移液管法和消光法等。5.3.3 泥沙颗分资料的计算和整理泥沙颗分资料的计算和整理1.悬移质垂线平均颗粒级配的计算悬移质垂线平均颗粒级配的计算 积深法、垂线混合法或一点法颗分结果颗直接作为垂积深法、垂线混合法或一点法颗分结果颗直接作为垂线平均值。线平均值。积点法：采用测点输沙率加权平均积点法：采用测点输沙率加权平均2.断面平均颗粒级配的计算断面平均颗粒级配的计算 全断面混合法：颗分结果可直接作为断面平均颗粒级全断面混合法：颗分结果可直接作为断面平均颗粒级配。配。各垂线做颗分的采用垂线输沙率加权平均法：各垂线做颗分的采用垂线输沙率加权平均法：