第三章泥沙颗粒基本特性某一河段内水流中的泥沙颗粒既可能直接来自于流域、也可能是从上游河床上冲刷起动而来的。

水体挟带了大量泥沙颗粒后，可能会引起某些物理特性发生变化，如流变性质等。

3.1 风化过程从流域中输运到河流里的泥沙中，既有粗大的卵砾石和沙粒，也有细小的粘土颗粒。

粗泥沙源自岩石和矿物风化而成的碎屑，而地表土的流失是细颗粒的来源。

3.1.1 风化岩石和矿物在地表(或接近地表)环境中，受物理、化学和生物作用，发生体积破坏和化学成分变化的过程，称为风化作用。

风化作用受气候、岩石成分、结构构造、植被、地形和时间等因素影响。

在风化的初期，以物理风化为主。

物理风化作用使岩石在原地发生崩解，形成残留于原地的岩石碎屑，物理风化作用形成的岩石碎屑最小粒径可达0.02mm左右，岩石化学成分基本不变，只能形成少量的蛭石、伊利石、绿泥石等风化程度较低的粘土矿物。

在物理风化作用的基础上，进一步发生化学风化(溶解、水解、碳酸盐化等)。

卤族元素(I，F，Cl ，Br)和氯化物(KCl，NaCl)容易随水流失，而碳酸盐和硫酸盐难于溶解，以含钙矿物(方解石CaCO3，石膏CaSO4)等形式残留在风化层中，使Ca相对富集,故称这一阶段为钙质残留阶段或富钙阶段。

化学风化作用的深入进行将使硅酸盐矿物晶体破坏，铝硅酸盐矿物分解出的另一部分硅和铝在地表结合形成各种粘土矿物,其化学通式为Al2O3·m SiO2·n H2O,依地表水介质环境由弱碱性→酸性的变化，分别形成伊利石(水云母)、蒙脱石(胶岭石)与高岭石等粘土矿物。

通常蒙脱石、高岭石形成于湿润气候条件，而伊利石则是较干冷气候条件的产物。

化学风化作用的最后阶段，硅酸盐全部分解，地表粘土矿物也可分解，可以迁移的元素均已析出。

风化碎屑中主要形成大量铁、铝和SiO2胶体矿物，以水铝石(A12()3·n H2O，铝土矿，或有Fe、Mn混入)、水赤铁矿(Fe2O3·3H2O)、褐铁矿(Fe2O3)、针铁矿等为主。

这些矿物在地表条件下稳定，并大量残留在原地，使风化产物中铁、铝相对富集，形成富含高价铁的粘土，即红土。

气候是影响风化作用的主要因素。

不同气候下残积物(风化壳)的类型、分层结构和厚度都不同。

在相同的气候条件下，基岩性质对残积物有重要影响，可溶性岩石(石灰岩、白云岩、大理岩、石膏及其他生物化学岩类等)风化时，溶解物大部分被水介质搬运走，岩石中原有的粘土、铁、铝等杂质聚集成残积粘土层，通常经高价铁染红，称为赭土，它不同于完全由次生粘土组成的红土。

花岗岩含有较多的硅铝，但含钙少，风化时可较快形成富含石英、高岭石的残积物。

页岩、板岩、千枚岩等缺乏钙质，一开始就进入硅铝阶段，形成粘土残积层。

而石英岩抗化学风化能力极强，一般只受物理风化而形成石英砂。

3.1.2 土壤土壤是以各种风化产物或松散堆积物为母质层，经过生物化学作用为主的成土作用改造而成的。

土壤具有植物生长所需有机质组分(腐殖质)和无机组分(N、P、K的化合物)、微量元素和水分与孔隙，这是土壤与风化残积物、松散堆积物的主要区别。

土壤位于残积物顶部，呈灰色—灰黑色，一般厚度为0.5～2.5m。

土壤形成时间比风化壳形成时间短得多，大约只需200～500年。

土壤类型主要取决于气候(决定水热条件)和植被(有机质来源)，而植被的发育程度又受气候控制。

因此，当气候条件发生变化时，土壤也会为适应新的气候条件而改变土壤类型，故土壤呈现可逆性变化。

气候分布具有地带性，所以土壤的类型也呈地带性分布。

我国热带和亚热带地区分布的土壤大多可归为红壤系列或富铝化土纲，而黄土地区黄土性土壤的主要类型为黑垆土、褐土、黄绵土、黑壮士、栗钙土和黑钙土等。

表2—1所示是我国主要土壤类型的分布。

黄土（loess）为干寒气候环境的产物，其形成始于早更新世。

应注意它是一种“母岩”而并不是真正的“土壤”。

主要特征包括黄色、无层理、粉粒结构、土质疏松、多大孔隙、具湿陷性。

具有层理和砂、砾石层的粉土状沉积物则称为次生黄土或黄土状岩石。

凡保持原始特性的黄土，都表现出土质疏松、多大孔隙、具湿陷性等特征。

各组黄土除沉积间断面外，均为块状结构，五层理。

(1)黄土侵蚀特性黄土的粒径组成以粉沙为主，孔隙大，富含碳酸盐。

黄土吸水后易崩解，并被水流搬运，抗侵蚀能力差，在各种营力作用下侵蚀强烈。

黄土组成较为单一，垂直节理发育，易形成陡壁，既有保护边坡的一面，也有崩塌不利的一面。

黄土沟谷的崩塌、滑坡、泻溜等现象显示了黄土的不稳定性，它不仅与黄土的松散特性有关，也与黄土常含有砂层、砂质黄土层，以及黄土和古土壤岩性特征不同所导致约含水量与透水性能差异有关。

(2)红壤侵蚀特性红壤抗蚀性和抗冲性的大小，与土壤中胶结物质的类型有关。

以有机物质胶结的土壤，具有较大的抗蚀性，而粘粒胶结的土壤则具有较大的抗冲性。

所以有机质含量较高的土壤表层，有较大的结构系数或较小的分散系数，抗蚀能力较强。

下部心土层和粘性母质的胶结物质，以粘粒和铁铝氧化物为主，所形成的团聚体水稳性较差，土壤孔隙较少，使土壤严重板结和坚实，故具有较大的抵抗径流机械破坏的能力。

有机质层流失后，有机质少的下部土层出露地表，将减低土壤的抗蚀能力。

由抗冲指数和水稳性指数综合指标确定的土壤耐蚀冲性表明，发育于变质岩的红壤及黄壤耐蚀冲性最强，而发育于花岗岩的红壤耐蚀冲性最小。

紫三土和发育于第四纪红土的红壤，其耐蚀冲性介于这两者之间。

表2-1 气候类型与土壤类型及中国的土壤分布表(曹伯勋 1995)3.2 单个颗粒的特性泥沙颗粒(或称“沉积物碎屑”)粒径变化范围较大(一般为0.001～100.0mm)，研究其运动时一般不能概化为连续介质，因此需要对单个泥沙颗粒的性质进行定量、精确的描述。

3.2.1 颗粒的大小—粒径泥沙颗粒的大小一般用粒径(size)来表示(某些学科中称“粒度”)。

常用的粒径定义和计算方法有如下几种。

1)等容粒径等容粒径(nominal diameter ，公称直径)为与泥沙颗粒体积相同的球体直径。

如果泥沙颗粒的重量W 和容重s γ(或体积V)可以测定，则其等容粒径可按下式计算：(2-1) 2)筛分粒径如果泥沙颗粒较细，不能用称重或求体积法确定等容粒径时，一般可以采用筛析法确定113366n s V W D ππγ⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭其筛分粒径(sieve diameter)。

设颗粒最后停留在孔径为D 1的筛网上，此前通过了孔径(opening)为D 2的筛网，则可以确定颗粒的粒径范围为D 1<D<D 2。

在对大量颗粒作粒径分布分析时，这类颗粒可以归到“粒径小于D 2”的范围之中，以便绘制粒径的累积频率分布曲线。

表2—2列出了工程上常用的筛号与筛网孔径之间的对应关系。

对于两筛之间(D 1<D<D 2)的平均尺寸，可以用代数平均()122D D +、几何平均()12D D 、()12123D D D D ++等方法计算。

例2—1 证明筛分粒径相当于等容粒径。

证明 对形状不规则的泥沙颗粒，可以量测出其互相垂直的长、中、短三轴，以a,b,c 表示。

可以设想颗粒是以中轴通过筛孔的，因此筛析所得的是颗粒的中轴长度b 。

对粒径较粗的天然泥沙的几何形状作统计分析，结果可以表达如下式：()13b abc = (2-2)即中轴长度接近(实测结果为略大于)三轴的几何平均值。

如果把颗粒视为椭球体.则其体积为6V abcπ=等容粒径为(2-3) 因此，如果上述各假设成立，则筛析法所得到的泥沙颗粒粒径(颗粒恰好通过的孔径)接近于它的等容粒径。

3)沉降粒径对于粒径小于0.1mm 的细砂，由于各种原因难以用筛析法确定其粒径，而必须用水析法测量颗粒在静水中的沉速，然后按照球体粒径与沉速的关系式，求出与泥沙颗粒密度相同、沉速相等的球体直径，作为泥沙颗粒的沉降粒径(fall diameter)。

颗粒沉速及由沉速反算沉降粒径的计算方法将在后面讨论。

由于上述三种粒径的定义、测量方法和计算方法有较大差异，因此在提及泥沙颗粒的粒径时必须同时说明该粒径的测量或计算方法，以保证概念的明确。

由水利部颁布、1994年1月1日起实施的《河流泥沙颗粒分析规程》规定，泥沙颗粒的分类应符合表2—3。

表2-3 泥沙颗粒按粒径的分类注：上述分类的英文名称分别为：粘粒—clay ，粉粒—silt ，沙粒—sand.砾石—gravel ，卵石—cobble ，漂石一boulder3.2.2 颗粒的形状1. 泥沙颗粒的几何特征泥沙颗粒的几何特征可以从圆度、球度、整体形状、表面结构等方面来描述。

1)圆度圆度(roundness)是指颗粒棱和角的尖锐程度。

Wentworth 提出将圆度定义为r/R ，其中r 是颗粒最尖锐棱角的曲率半径，只是颗粒最大内切圆的半径。

这一定义对于三维物体的平面投影应用起来较为困难，因此后来Wadell 再将圆度定义为颗粒的平面投影图像上各角曲率半径r i 的平均值除以最大内切圆半径，即(2-4) 圆度相等的颗粒，形状可能大不相同，如图2—1。

2)球度()11336n V D abc π⎛⎫==⎪⎝⎭iN rRN∏=∑球度(sphericity)是Wadell 首先提出的，他所给的定义是与颗粒同体积的球体直径(等容粒径)和颗粒外接球直径之比。

形状不规则的泥沙颗粒，其球度可以通过量测出其互相垂直的长、中、短三轴来确定，即假定颗粒为椭球体，则其等容粒径为 (2-5)而外接球直径就是长轴直径a ，所以Wadell 所定义的球度ψ为(2-6) 有时采用形状系数(shape factor)来综合表示颗粒形状特点，定义如下：(2-7) 在研究颗粒的沉速时，使用形状系数作为参数能够得到较好的规律。

2. 泥沙颗粒的形状及其成因泥沙颗粒的最初形状取决于岩石母质和风化作用，随后在输运过程中因继续受到物理、化学及生物作用而不断改变其形状，改变的程度或最终形成的形状取决于搬运介质(水、空气、冰川运动)和搬运方式(滑动、滚动、跳动、悬浮或颗粒流等)。

据观察，岩石碎屑的圆度在流水搬运初期迅速增加，然后其增加速度变缓(即，砾石的磨损速度随着圆度增加而减少)，直至完全变圆为止，而其球度则以一个缓慢而稳定的速度增加。

3.2.3 颗粒的密度、容重和比重颗粒的密度 ρs 即颗粒单位体积内所含的质量，国际单位制单位为kg ／m 3或g/cm 3，工程中力常用t ／m 3。

容重γs 的定义是泥沙颗粒的实有重量与实有体积的比值(即排除孔隙率在()11336n V D abc π⎛⎫== ⎪⎝⎭1133216bc V a a ψπ⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭cSF ab=外)，国际单位制单位为N ／m 3，工程中常用kgf ／m 3。