第一篇 黏性泥沙淤积固结特性
第一章 黏性泥沙淤积固结理论基础
第一节 黏性泥沙的基本性质
一、黏性泥沙的组成
自然界中的泥沙是岩石风化的产物，并随水流、重力、波浪等外力作用而冲刷、搬运、沉积。在河流泥沙中根据泥沙颗粒的大小，将泥沙分为沙、粉沙和黏粒三大类。一般黏性泥沙主要是由粉沙（d<0.05mm）和黏粒（d<0.005mm）组成，化学成分主要是铝或镁硅酸盐［1］。黏性土则是由黏性泥沙颗粒为主组成的集合体。其中，伊利石、蒙脱石、高岭石和绿泥石又是最主要的黏土矿物。
随着泥沙颗粒的不同，泥沙运动特点有着质的区别。对于较粗泥沙而言，泥沙颗粒较大，泥沙以单颗粒运动为主，而对于较细泥沙而言，颗粒间存在着絮凝作用，泥沙颗粒之间容易形成絮团，而以絮团形式运动。所以黏性泥沙和非黏性泥沙的划分又以是否发生絮凝作为分界线。钱宁和万兆惠［1］根据Mignio和黄河水利委员会水利科学研究所的工作，把发生絮凝的上限取为0.01mm。Methta和Lee［2］认为黏性泥沙和非黏性泥沙的分界粒径可取为0.02mm，张德茹和梁志勇［3］则根据试验数据指出，对于天然沙，大于0.03mm的泥沙颗粒絮凝作用不明显。张志忠［4］对长江口细颗粒泥沙的研究进行了总结，建议把0.032mm作为划分粗颗粒与细颗粒两种不同性质泥沙的界限。
事实上影响絮凝现象的因素是很多的，水体中电解质浓度的高低，直接决定了絮凝现象是否明显。在河流中，由于水体中的含盐量低，粒径小于0.01mm的泥沙颗粒才发生很明显的絮凝现象；而在河口海岸地区，水体中含盐量较高，粒径为0.03mm的泥沙颗粒就可发生明显的絮凝现象。因此，对于不同的水质和泥沙种类，絮凝的临界粒径可取为0.01～0.03mm，具体数值应由当地泥沙和水体环境条件而定。
同时在讨论非均匀泥沙的运动规律时，人们习惯于用泥沙的中值粒径来代表泥沙的特性。实际上在考虑非均匀沙的特性时，需要考虑泥沙整体中细颗粒的含量。具体到河流泥沙中，就是要考虑黏性细颗粒泥沙在泥沙群体中所占的比例。因为即使泥沙的中值粒径大于0.03mm，当泥沙群体中含有一定比例的细颗粒泥沙时，泥沙的沉降和在床面上的起动冲刷也更多地表现为细颗粒黏性泥沙的特征，而不是表现为中值粒径所代表的非黏性沙特征。这种现象说明，含有一定数量细颗粒黏性泥沙的混合沙也会发生絮凝，形成一定的结构，表现出与黏性泥沙相似的性质。因此，考虑实际环境下的非均匀沙运动特性时，应该把它作为非黏性沙还是黏性沙看待，不能只以其中值粒径作为依据，而必须根据泥沙是否运动形式不同，泥沙颗粒是否形成一定结构来判断。
由此可见，要想严格区分黏性泥沙与非黏性沙是比较困难的，在本书中所研究的黏性泥沙主要是指含有一定细颗粒泥沙，在天然水体中泥沙颗粒淤积固结后存在一个密实过程，并且淤积固结后在水流作用下难以起动和冲刷的细颗粒泥沙，因此，本书所定义的黏性泥沙范围是比较广泛的。
二、黏性泥沙的物理化学特性
黏性泥沙颗粒细，比表面积大，重量轻，颗粒表面存在一定的物理化学作用，有时甚至超过了颗粒自身的重力作用。所以黏性泥沙的物理化学作用常对它在水流作用下的起动、冲刷、输移、沉积有着十分重要的作用。
（一）双电层及吸附水膜
黏性泥沙颗粒在含有电解质的水中会发生两种可能：一是电解质的离子中有一种离子能吸附在泥沙颗粒表面；二是泥沙颗粒表面的分子发生离解，把某种符号的离子释放到水中，而异号离子则留存在颗粒表面。不论哪种情况，都使泥沙颗粒表面带有一定符号的电荷。泥沙颗粒表面总是带有负电荷，由于电荷的静电吸引作用，异号离子分布在颗粒周围的水中，形成图1-1所示的双电层或反离子层［1］。
颗粒表面的电荷不仅吸引异号离子，也吸引水分子。水分子是由位于等腰三角形底角的两个氢原子（H+）和一个位于顶角的氧原子（O2-）所构成的偶极体。这样的偶极体可以为静电引力所吸引。在泥沙颗粒表面负电荷的作用之下，使靠近颗粒表面的水分子失去了自由活动的能力而整齐地、紧密地排列起来，这被称为黏结水。颗粒表面作用于黏结水的吸引力约1万个大气压。在这样大的压力下，黏结水的密度达到1.2～2.4g/cm3。由这样紧密地挤压在一起的水分子组成的黏结水，在力学性质上与固体物质完全相同，具有极大的黏滞性、弹性和抗剪强度。它也没有传递静水压力的能力。围绕在黏结水外面的水分子虽然也受到静电引力场的作用，但距离颗粒表面的距离愈远，静电引力场的强度愈小，水分子所失去的自由活动的能力也愈少，而且排列得比较疏松，不整齐，仅有轻微的定向。这部分水被称为黏滞水。黏滞水的密度虽没有黏结水那么大，但仍大于普通液态水，为1.3～1.74g/cm3，也具有较高的黏滞性和抗剪强度，不能传递静水压力。黏结水和黏滞水统称为束缚水，两者的区别在于是否能在水力或电场作用下发生相对于泥沙颗粒表面的移动。束缚水外面的水分几乎不再受静电引力的作用，保持着原有自由活动的能力，称为自由水。黏结水和它所含的离子与颗粒表面组成了双电层的内层（吸附层），黏滞水和它所含的离子则组成了双电层的外层（扩散层）。
图1-1 泥沙颗粒表面结构示意图
对于黏结水和黏滞水，其水分子部分地或全部地失去自由活动能力，在颗粒周围形成了一个水膜；此膜称为吸附水膜。吸附水膜是泥沙颗粒与水相互作用的产物，从力学性质上看，是固态相与液态相的过渡类型。吸附水膜的厚度主要取决于颗粒的矿物成分和水的化学成分，其厚度一般为0.1μm数量级。对于粗颗粒泥沙，水膜所占容积远小于泥沙的体积，作用不大；对于细颗粒泥沙，特别是粒径在1μm以下的泥沙来说，情况就不一样，当颗粒间薄膜水接触时同时也产生了黏结力，此时吸附水膜不但和泥沙颗粒不可分离，而且重要性超过了泥沙颗粒，这就是极细的泥沙颗粒的性质常因矿物组成和水中电解质的改变而有很大的不同的缘故。
（二）颗粒表面的主要作用力
范德华力是分子间的引力，力的作用范围很小，只有几个分子的距离，因此这种颗粒间引力只发生于颗粒间紧密接触点处。距离很近时，范德华力较大，但它随距离的增加而迅速衰减。经典概念的范德华力与距离的7次方成反比，当距离稍远时，这种力就不存在。范德华力也是除颗粒间薄膜水之外使黏性泥沙黏结在一起的又一主要原因［1］。
库仑力即静电作用力，是由于黏性颗粒表面带电荷而产生的。一般库伦力的大小与电荷间距离的平方成反比，而两个带同号电荷的平面间的斥力与平面间的距离则成更为复杂的关系，一般静电作用力随距离而衰减的速度远比范德华力慢，并且静电力可以是斥力或引力，视颗粒的排列情况而异。
胶结作用力是黏性泥沙颗粒间通过游离氧化物，碳酸盐和有机质等胶体而联结在一起的作用力，具有较高的强度。
毛细压力是由颗粒间毛细水的静水压力产生的，一般泥沙颗粒越细，毛细作用越强，而在饱和土体的内部则不存在毛细压力。