第2章 基本知识
2.1 泥沙的特性及分类
2.1.1 泥沙的特性
2.1.1.1 泥沙的几何特性
泥沙的几何特性是指泥沙的形状、大小等。泥沙颗粒的形状及大小常用泥沙的几种代表粒径表示，泥沙颗粒的大小组成常用泥沙颗粒级配曲线表示。
1.泥沙的粒径
泥沙粒径的表示方法有等容粒径、筛径、标准沉降粒径、沉降粒径等。
（1）等容粒径指体积与泥沙颗粒相等的球体的直径，表达式为
式中：D为粒径，mm。
（2）筛径指颗粒恰能通过正方形筛孔的边长，作为近似，筛径可视为等容粒径。
（3）标准沉降粒径指与泥沙颗粒有同样容重，在水温24℃的静止的蒸馏水中，不受边界影响，与单颗粒泥沙有相等沉速的球体直径。
（4）沉降粒径指在同一流体中，相同条件下，与颗粒沉速相同的球体直径。
2.泥沙颗粒级配曲线
泥沙颗粒级配曲线有半对数级配曲线，还有频率曲线、累积频率曲线、微分粒配曲线等。
（1）河流泥沙由大小不等的非均匀沙组成，泥沙粒径组成变幅很大，考虑单颗泥沙的性质并无意义，必须考虑分级的平均值。通过颗粒分析，可以得出沙样中各粒径级的重量及小于某粒径的总重量，横坐标用对数坐标表示泥沙粒径，纵坐标为小于某粒径的沙重百分数（%），绘制半对数级配曲线见图2-1。
泥沙颗粒级配曲线直观反映了泥沙颗粒的大小及泥沙的均匀程度，从级配曲线图上看，Ⅰ曲线代表粒径较小的泥沙，且颗粒粒径较均匀，Ⅱ曲线代表泥沙颗粒较粗且泥沙相对不均匀。从级配曲线上，可以查出泥沙的特征粒径如D5、D10、D50等。
（2）频率曲线。以泥沙颗粒粒径为横坐标，以分级泥沙颗粒所占数目、体积或重量的百分数为纵坐标，作成柱状图。
（3）累积频率曲线。以泥沙颗粒粒径为横坐标，把各级泥沙颗粒所占百分数逐级累积作为纵坐标。
图2-1 半对数级配曲线图
（4）微分粒配曲线。泥沙粒径为横坐标，把每一级泥沙颗粒百分比除以上下限粒径值之差为纵坐标。
3.表征泥沙组成的特征值
（1）算术平均粒径Dpj，用以下关系式表示为
式中：Dpj为平均粒径；Di为第i组泥沙的代表粒径，将泥沙粒径分成若干组，取每组上下限粒径分别为Dmax、Dmin；Δpi为Di组泥沙所占重量百分比。
（2）几何平均粒径Dg，表达式为
当颗粒对数值接近高斯正态分布时，几何平均粒径Dg表达式为
（3）中值粒径D50，在颗粒级配曲线上，∑Δp为50%的粒径称中值粒径，如果泥沙颗粒级配曲线在半对数坐标上呈正态分布，泥沙中值粒径就等于几何平均粒径。
2.1.1.2 泥沙的重力性质
1.泥沙的容重
泥沙的容重是指泥沙实有重量与实有体积的比值，泥沙在水中的运动状态既与泥沙的容重有关，又与水的容重有关，常用相对值有效容重系数，其表达式为
式中：γs为泥沙容重；γ为水的容重。
2.泥沙的干容重
泥沙烘干后的重量与原沙样体积的比值称泥沙的干容重，容重γs、干容重γ′s与孔隙率e之间的关系表示为
（1）泥沙干容重与泥沙粒径的关系。根据已有资料，淤积泥沙干容重（干密度）与粒径相互间的关系见图2-2，从图2-2可以看出，泥沙的中值粒径愈细，其干容重就愈小，变化幅度就愈大，泥沙粒径较大，其干容重则大，变化幅度相对较小。
图2-2 淤积泥沙干密度与中值粒径关系图
（2）淤积物厚度与对干容重的影响。根据官厅水库资料（图2-3），淤积深度愈深，其干容重愈大，变化幅度愈小，淤积深度愈浅，干容重愈小，变化幅度愈大。
图2-3 淤积物干密度与淤积厚度关系图
（3）淤积历时与对干容重的影响。干容重随着历时的增加会趋向一个稳定值，较粗颗粒泥沙（D>0.1mm），其干容重容易趋向稳定，初始干容重与最终干容重比较接近，较小颗粒泥沙（D<0.05mm）趋向稳定值的时间相对较长，初始干容重与最终干容重相差甚远。
泥沙干容重的计算，利用公式
图2-4 泥沙水下休止角与泥沙粒径的关系图
式中：δ为薄膜水厚度，4×10-4mm；D0为参考粒径，1mm。
3.泥沙的水下休止角
泥沙在静水中，由于泥沙颗粒之间的阻力作用，在静止时自成一定的坡度，坡面与水平面所成的角度θ称为泥沙的水下休止角，其正切值为泥沙的水下摩擦系数。
根据天津大学试验成果，泥沙水下休止角与泥沙粒径有关（图2-4），关系表达式为
式中：θ为水下休止角，（°）；D为泥沙粒径，mm。
试验表明，泥沙水下休止角不仅与泥沙粒径有关，还与泥沙级配及形状有关，不同类型的沙粒水下休止角存在较大差异。各种形状的抛石休止角与D50存在一定关系（图2-5），可以用于边坡稳定防护。
图2-5 抛石的休止角与中值粒径的关系
注：1in=25.4mm。
2.1.2 泥沙的分类
河流泥沙从不同的研究角度出发有不同的分类方法，如按照泥沙粒径的大小、泥沙的矿物组成、泥沙的运动方式等。
1.按泥沙粒径大小分类
河流泥沙的粒径范围变幅很大，山洪能挟待直径达数米的巨大块石，而平原河流则往往只能挟带极细的泥沙，粗细泥沙粒径相差上万倍。按照我国《土工试验规程》（JTG E40—2007）将泥沙进行分类，其方式见图2-6，按照《河流泥沙颗粒分析规程》（SL 42—2010），其分类方式见表2-1。不论按照那种方式，河流泥沙又可以分为泥、沙、石三大类，其中黏粒、粉沙属泥类，沙粒属沙类，砾石、卵石、漂石属石类。
图2-6 泥沙分类图
表2-1 河流泥沙分类
2.按泥沙矿物组成分类
不同粒径级的土粒具有不同的矿物组成，其相互关系见表2-2。大颗粒泥沙通常带有母岩中原有的多矿物结构；沙粒与岩石中原生矿物颗粒尺度相近，往往由单矿物如石英、长石、云母等主要造岩矿物组成；较细颗粒多由抗风化能力较强的石英等矿物或难溶的碳酸盐矿物组成，更细的黏粒基本是次生矿物及腐殖质组成。
表2-2 泥沙粒径分级与矿物成分的关系
注 1.
表示虽有存在，但含量基微。
2.
表示含量较多。
3.
表示含有一定数量。
4.空白栏表示不可能有该矿物存在。
3.按泥沙的运动方式分类
天然河流中的泥沙，按其运动方式可以分为运动和静止两类，组成河床静止不运动的泥沙称为床沙，运动的泥沙又分为推移质和悬移质两类。
推移质是指沿河床附近滚动、滑动或跳跃的泥沙，推移质的运动特点是走走停停，时快时慢，运动速度远慢于水流，颗粒越大，停留时间约长。推移质按照颗粒大小又分为沙质推移质和卵石推移质。推移质的运动状态取决于水流条件。
悬移质是指随水流漂浮前进的泥沙，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，运动速度与水流基本相同。
不同粒径的泥沙所形成的土壤具有不同的力学性质。如大于2mm以上的土粒形成的土壤无毛细力，颗粒间不相连结；2～0.05mm的土粒之间具有毛细力，但无黏结性；0.05～0.005mm的土粒含水时具有黏结性；小于0.005mm的土粒间不仅含水时具有黏结性，失水后黏结力反而增强。这种黏结性对泥沙的运动起着重要作用，泥沙在水流中的输移方式及沉降规律等，都与泥沙粒径有着密切关系。
不同的粒径级的土粒具有不同的物理化学性质，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。