2.2 河流泥沙沉积规律

2.2.1 泥沙的沉降

泥沙在静止的清水中等速下沉时的速度称为泥沙的沉降速度，即沉速。泥沙颗粒越大，沉速越大。泥沙在静水中的沉降时的运动状态与沙粒雷诺数有关，表达式为

式中：Re_D为沙粒雷诺数；ω为泥沙沉速；D为泥沙粒径；ν为水的运动黏滞系数。

当雷诺数很小时，泥沙基本上沿垂线下沉，泥沙附近的水体基本不发生紊乱现象，泥沙运动状态属于滞性状态；当雷诺数较大时，泥沙颗粒不沿垂线下沉，而是以极大的紊动状态下沉，附近的水体产生强烈的扰动或者涡动，这时泥沙的运动状态属于紊动状态。泥沙颗粒的沉降速度首先从球体颗粒的沉降，然后导出泥沙的沉速。

2.2.1.1 球体及泥沙沉速

斯托克斯利用黏滞性流体运动方程为基础，忽略因水流质点的加速度引起的惯性项，从理论上推导出了滞流区（Re_D<0.5）的球体沉速公式为

式中：γ_s、γ分别为沙粒及液体的容重；g为重力加速度。

紊流区（Re_D>1000）计算公式为

过渡区（0.5<Re_D<1000）计算公式为

C _D 为阻力系数，给定球体直径D、容重γ_s 及水温T后，可以求出，利用（图2-7），绘制（图2-8）关系曲线，查出Re_D 值，然后可以计算得到球体的沉速。

图2-7 C_D—Re_D关系曲线

张瑞瑾教授对沉速公式进行改正，得到适合与滞流区、紊流区及过渡区的综合计算公式为

2.2.1.2 影响沉速的主要因素

1.颗粒形状对沉速的影响

泥沙颗粒不是规则的球体，而是由各种形状组成。麦克诺恩对各种规则几何体在静水中沉降过程所受的阻力进行研究，并得出滞流区阻力计算公式为

修正系数K与几何形态系数具有相关关系，见图2-9。考虑形状影响沉速公式可表示为

式中：a、b、c为几何体互相垂直的三轴长度，为形态系数，对于同一几何平均直径D，泥沙形状越扁平，越小，阻力系数越大，沉速越小。

2.絮凝对沉速的影响

细颗粒泥沙由于表面积大，颗粒与颗粒之间彼此连结在一起形成絮团状态，其沉速远远大于单颗泥沙的沉速，当絮凝作用达到一定程度后，泥沙下沉速度就急剧减小。

3.含沙量对沉速的影响

当多颗泥沙分散在水体中沉降时，由于相互干扰，沉速小于单颗泥沙沉降速度，麦克诺恩等得出均匀沙含沙量对沉速影响的理论关系曲线（图2-10）。低浓度及高浓度含沙量对沉速的影响关系又存在差异。

图2-10 含沙量对沉速的影响（均匀石英沙）

S _w—含沙量（重量百分比）；ω—沉速；

ω ₀—清水中沉速；Re_D—沙粒雷诺数

非均匀沙由于泥沙颗粒大小不一，细颗粒泥沙沉速由于受到粗颗粒泥沙的沉降影响而发生改变，当泥沙发生絮凝时，絮凝团将会以不断加快的速度下沉，运动过程属于非恒定运动，水平断面泥沙的平均沉速将是时间的函数。

2.2.2 泥沙的搬运与沉积

2.2.2.1 泥沙的搬运

河流挟带泥沙及溶解质，推移河床沙砾向下游运动，称为搬运作用，泥沙的运动主要是推移及悬移。

1.推移

不能悬浮的大颗粒泥沙集中在河底，以滑动、滚动或低跳的方式移动，称为推移，水流中单颗泥沙的重量与启动流速的六次方成正比，当流速增加一倍时，推移搬运的重量将增加64倍，因此，山区河流可以搬运巨大的块石，而平原河流只能挟带较小的砂砾。大多数河流中，推移质只占搬运物质的7%～10%，当河床底部推移质数量达到一定量时，就会出现呈波状起伏的沙波体，大部分推移质以沙波的形式向前推移，由此可以利用沙波运动的速度及形态计算推移质输沙率。

2.悬移

粒径较小的泥沙，在水流中呈悬浮状态搬运称悬移，这部分泥沙称为悬移质。泥沙能悬浮在水中主要受紊流水质点垂直脉动流速的影响，当水流条件改变时，推移质与悬移质可以相互转化。

2.2.2.2 泥沙的沉积

当水流搬运力减弱时，搬运物不能全部被水流带走，其中较大较重的泥沙先沉降于河底。

图2-11 侵蚀、搬运、沉积与流速的关系

造成河流发生沉积作用的主要因素有：河床坡降减小，流速减慢，流量减小，泥沙增多，人工筑坝拦水等。

泥沙的沉积物具有较好的分选性，对于一条河流，从上游至下游，沉积物颗粒由粗变细。对于不同类型河流，山区型河流沉积物比平原河流的沉积物要粗，在河流沉积物的垂直分布上，呈现下部颗粒较粗，上部颗粒较细的特征。

河床的侵蚀、沉积及搬运具有一定的相关关系，一般上游陡峻的河床以侵蚀为主，下游平坦宽阔的平原河流以沉积为主，三者之间的关系见图2-11。

河流沉积物按照特征可以分为：坡积物、洪积物、泥石流沉积物、冰积物和湖积物等类型。

1.坡积物

坡积物主要包含受风化剥蚀产沙后残留原地或搬运距离不远的堆积，由地表径流的水力搬运在缓坡地段的堆积，以及在大坡度地段产生重力侵蚀的滑坡或崩塌。坡积物往往在山地丘陵平缓地段形成片状及带状堆积体，而在坡度较陡的山麓地带则易形成坡积锥和坡积裙。

2.洪积物

暂性洪流流出山口以后，由于断面突然变宽，坡度急剧减小，水流发生分散，流速降低，所挟带的大量固体物质在沟口外沉积下来，这种暂时性洪流堆积的松散物质称为洪积物。其形状呈扇形或锥形，又称洪积扇或洪积锥，相邻沟谷形成的洪积扇或洪积锥相连形成洪积裙，洪积裙不断地重叠堆积发展可形成山前洪积平原。洪积物的组成物质，从沟谷口至堆积边缘呈一定的变化规律，山口附近以粗粒物质为主，由大量的块石、巨砾夹砂组成，分选性不好，磨圆度差，层理不清晰，有时具有交错层或透镜体。在洪积扇边缘的物质颗粒较细，主要为亚砂土、亚黏土及黏土，有时夹砂砾透镜体，具有不规则的交替斜层理及下粗上细的递变层理，分选性较好。洪积物厚度有明显的规律变化，在山口厚度大，向扇体边缘逐渐变薄。

3.泥石流沉积物

泥石流是指含大量泥、砂、石块等固体物质和水的特殊洪流。泥石流冲出峡谷，在沟口，动能骤减，形成大片堆积。泥石流堆积物成分复杂、颗粒大小悬殊，无分选，层理不明显。大石块多悬浮于堆积体的顶部，两侧或前缘，砾石表面常有粗糙的无定向的斑状或纺锤状擦痕。堆积体常含有泥球或泥包砾，其形态呈垄岗状或舌状。

4.冰积物

冰积物是指由冰川地质作用形成的堆积物，又分为冰碛物、冰水沉积物和冰湖沉积物。

（1）冰碛物是冰川挟带的物质由于冰川融化而直接堆积起来，其特点是无分选，不具层理，粒度不均匀，往往有漂石、砾石、砂和黏土等混杂在一起。

（2）冰水沉积物是冰川的融水所堆积的物质，由于经过一段水流的搬运，冰水沉积物有一定分选和磨圆，具有明显的层理。

（3）冰湖沉积物是在冰川前缘洼地由于冰川融水注入湖泊而形成的堆积，主要为纹泥，其成分由粉细砂及黏土组成，深浅颜色相间，粗细交替，层理细薄明显。

5.湖积物

在湖泊地质作用下，堆积于湖盆内的沉积物称为湖积物，湖积物分为淡水湖和盐水湖沉积物。淡水湖沉积物与河流水流泥沙运动具有关联性。

在大陆潮湿地区，入湖河流多，水量大，湖泊多有出口，含盐量较少，形成淡水湖。淡水湖以碎屑沉积为主，也有化学盐类和生物沉积。淡水湖沉积物一般有湖岸向湖心粒度逐渐由粗变细，分带性十分明显。