2.4 河流泥沙分析方法

2.4.1 泥沙颗粒分析

泥沙颗粒的分析包括：测定样品的颗粒大小、测量样品中不同粒径组的沙量（用质量占沙样总质量的百分数表达）。

2.4.1.1 泥沙颗粒测量方法

泥沙颗粒分析有野外现场分析及室内分析，取样现场分析（D＞2mm）可采用筛析法、尺量法。室内分析（D＜2mm）可采用筛析法、粒径计法、吸管法、消光法、离心沉降法、激光粒度仪法。颗粒分析方法按照粒径的测量方法进行分类。

1.直接量测法

（1）尺量法。用卡尺或直尺在野外现场直接量测泥沙样品的尺寸，适用于测量粒径大于100mm的大颗粒。

（2）容积法。将颗粒放入水中，根据它排开水的体积，计算颗粒的等容粒径。

（3）筛析法。适用于分析粒径为0.1～100mm的砂、砾石和卵石样品。

2.沉降法

（1）清水沉降法。适应于粒径为0.05～2.0mm沙量较少时的泥沙颗粒分析，主要有粒径计、沉沙计和累计沉降管等。

（2）混匀沉降法。适用于粒径为0.002～0.05mm（或0.1mm）的泥沙颗粒分析，这类方法主要有吸管法、比重计法、底漏管法、消光法等。

（3）离心沉降法。适应于粒径小于0.005mm的胶粒分析。

3.激光粒度仪

适用于快速泥沙颗粒分析。各分析方法的适用粒径范围及沙量要求见表2-3。

泥沙颗粒分析方法种类较多，适用时根据具体情况而定。对于大于100mm的颗粒，一般采用直接测量法；沙量较多的粗砂、砾石和卵石样品可采用筛析法；沙量较少，粒径在0.05～2.0mm范围内的粗、中、细砂，可采用清水沉降法做分析；对于粒径小于0.05mm的细砂样品，则视沙量的多少和设备条件分别选用比重计、吸管、底漏管和消光法等；含胶粒较多的极细泥沙样品，则可采用离心沉降法或激光粒度仪法。对于粒径分布范围较大的天然河流泥沙，需要运用几种方法结合进行分析。

4.Mastersizer 3000激光粒度仪

该分析方法基于激光光散射技术表征颗粒样品粒径分布，通过测量在不同角度的散射光光强，代入合适的散射模型，通过反演运算，其对应散射光分布与实测的散射光分布最接近，即可得到样品颗粒的粒径分布结果。基于仪器的设计原理，体积分布结果能反应Mastersizer 3000对样品的敏感性，所以通常使用体积分布结果。同时，在假设颗粒为实心球体的前提下，也可通过数学运算推导出长度分布，表面积分布及数量分布结果。

粒径测试范围为0.01～3500μm。目前该方法正处于比测试验过程中。

2.4.1.2 泥沙粒径和级配的表达

1.泥沙粒径的表示方法和相互关系

天然粒径具有不规则形状，同一颗粒运用不同的颗粒分析方法测定，会得出不同的结果。粒径就有不同的表达方法。

（1）三轴平均粒径。泥沙在相互垂直的长、中、短三轴上长度的平均值，尺量法所得的结果常用这种粒径表达。

（2）等容粒径。与泥沙颗粒同一体积的球体直径，容积法所得的结果常用的粒径表达。

（3）投影粒径。系圆的直径，此圆在颗粒具有最大稳定度的平面上，正好包围它的投影图像。

（4）筛析粒径。筛析法所得的粒径，其值等于颗粒恰能通过的正方形筛孔的边长。

（5）沉降粒径。在同一沉降液中，在同一温度条件下与某给定颗粒具有同一比重和同一沉速的球体直径。

对于粒径范围很宽的泥沙样品，常需要采用几种不同的分析方法，颗粒级配常出现不连续现象，为使几种颗粒分析方法所得的级配曲线保持连续光滑，国际标准提出了沉降粒径、筛析粒径和投影粒径之间的近似关系为

式中：D_sd为沉降粒径；D_sa为筛析粒径；D_sp为投影粒径。

2.泥沙粒径分级方法

河流泥沙颗粒级配采用Φ分级法划分，也可采用其他分级法划分。Ф分级法基本的粒径分级为：0.002mm、0.004mm、0.008mm、0.016mm、0.032mm、0.063mm、0.125mm、0.25mm、0.5mm、1.0mm、2.0mm、4.0mm、8.0mm、16.0mm、32.0mm、64.0mm、128mm、250mm、500mm、1000mm。

当采用以上粒径级不足以控制级配曲线形式时，可由Φ组距中插补粒径级。计算平均粒径的组距分为：0.001～0.002mm、0.002～0.004mm、0.004～0.008mm、0.008～0.016mm、0.016～0.031mm、0.031～0.045mm、0.045～0.062mm、0.062～0.088mm、0.088～0.125mm、0.125～0.25mm、0.25～0.35mm、0.35～0.50mm、0.50～0.70mm、0.70～1.0mm、1.0～1.5mm、1.5～2.0mm、2.0～4.0mm、4.0～8.0mm、8.0～12.0mm、12.0～16.0mm、16.0～24.0mm、24.0～32.0mm、32.0～48.0mm、48.0～64.0mm、64.0～90.0mm、90.0～128mm、128～250mm、250～350mm、350～500mm、500～700mm、700～1000mm。

根据野外实际勘测的泥沙颗粒分级情况，大于2mm的泥沙计算平均粒径的组距分为：5～10mm、10～25mm、25～50mm、50～75mm、75～100mm、100～150mm、150～200mm、大于200mm。

3.颗粒分析的上下限

颗粒分析的上限点，累计沙重百分数应在95%以上，当达不到95%以上时，应加密粒径级。级配曲线上端端点，以最大粒径或分析粒径的上一粒径级处为100%。

悬移质分析的下限点，分析至0.004mm，当查不出D₅₀时，应分析至0.002mm。推移质和床沙分析的下限点的累积沙重百分数应在10%以下。

4.泥沙颗粒级配表达方法

泥沙颗粒级配可用频率曲线和累积频率曲线表达。

（1）频率曲线。按各粒径组的含量（%）用柱状图表示。

（2）累积频率曲线：按相应于各粒径的累积沙重百分数（小于某粒径的累积沙重百分数）表示。曲线绘制方法，按所采用的坐标分为半对数图、对数—概率格图。

1）半对数图：横坐标表示粒径，用对数格，纵坐标表示小于某粒径的沙重百分数（%），用一般方格表示，见图2-29。

2）对数—概率格图：横坐标为粒径，用对数表示，纵坐标用概率格，表示小于某粒径沙重百分数，见图2-30。

图2-29 泥沙颗粒级配曲线（半对数格）

图2-30 泥沙颗粒级配曲线（对数—概率格）

3）方格图：用于Φ分级法。

2.4.1.3 试样制备

野外采集到的沙样，根据分析方法的要求分别进行处理，并制备成符合颗粒分析要求的试样。

1.试样保存

试样一般应即时进行分析，不宜保存过久，当不能及时分析时，应将试样进行妥善保存。对于由沙组成的床沙或沉积物样品，其中含一定数量的黏土，应在湿润的状态下保存，防止沙样因干燥而发生胶结。如果湿样需要保存较长时间，则应加入防腐剂做防腐处理，如需要保存干沙样，应采取冰冻干燥法进行处理。对于悬移质沙样，含有较多的粉沙和黏土，应在避光低温的条件下保存，防止有机物生长。

2.沙样分离

含有黏土、粉沙河砂粒的泥沙，需要运用筛析法、清水沉降法或浑匀沉降法等多种方法结合分析。需要运用孔径0.07mm（或0.062mm）的洗筛将沙样中的粗、细成分加以分离，也可将沙样注入盛清水的沉降管中用沉降法分离，沙样中如有杂草、贝壳等杂质应当除掉。

3.分样

（1）细泥沙（D<0.05mm）。含量较多的水样分沙方法，对于沙量较多，需要进行分沙处理的细泥沙含量较多的水样，可使用两分式分沙器（图2-31）或旋转式分沙器（图2-32）进行分沙。用两分式分沙器分沙时，应先将水样摇匀，然后将水样小股地、均匀往返地注入分沙槽内。用旋转式分沙器分沙时，转速应均匀，被分水样要适中并搅拌均匀后再注入分沙器漏斗中，注入的速度要均匀一致。如样品中不含大于0.05mm的泥沙，可采用在量筒内充分搅拌均匀后用吸管吸样分沙。

（2）床沙样品的分样方法。床沙样品数量较多需要分样时，根据沙样的干、湿情况分别采用下列方法。

1）干沙分样：将沙样堆放于光滑洁净的平板上，拌和均匀后堆成圆锥形，通过圆锥体顶点，用刀子将沙样分成四等分，取其相对的两分混合，此法称为四分法。

2）湿沙分样：在盛样容器内选择两三处，用薄壁管插入容器直至底部，取出管内沙样混合。

图2-31 两分式分沙器

图2-32 旋转式分沙器

1—漏斗；2—偏心管嘴；3—分隔漏斗；4—支承圆筒；5—摇把；6—中心轴；7—转动轴

4.有机质处理

当沙样中有机质含量大于1%时，应除去有机质。其基本方法和步骤如下：

（1）样品沉淀后，吸出上层清水，加入30～40mL纯水并搅拌均匀。

（2）根据沙洋重量，按每1g干沙沙样加入5mL 6%双氧水溶液，充分搅拌后，放置5～10min，然后试样移至电炉或酒精灯上，不时地进行搅拌。

（3）待气泡和响声消失后，必要时也可再加入一些双氧水，重复步骤（2），直至气泡与响声完全消失。

（4）将温度调高，煮沸样品2min左右，除去二氧化碳和余氧。

5.物理分散处理

用机械分散方法，使湿润沙样中相互黏结的颗糙进行分散，常用有研磨法、搅拌法、振荡法、冲击法、超声波法等方法。

（1）研磨法。用橡皮杆将湿润沙样研磨成黏糊状。

（2）搅拌法。在一根金属杆的上端，连接小型电动机，下端装两叶片。将此杆插入试样中，接上电源，借叶片的高速旋转作用，可在10min内使试样得到分散。

（3）振荡法。将盛有悬液的容器置于振荡机上振动。有效的振荡方法是在容量500mL的玻璃瓶中，装入250mL左右的试样，盖紧瓶塞，横卧在往复式的振动机上，使瓶中试样来回自行撞击，这种振荡方法可使失水胶结的试样在半小时内得到分散。

（4）冲击法。在一根金属杆的下端装一有机玻璃圆盘（直径略小于沉降筒内径），盘面钻若干个2mm小孔，使用时，握住金属杆上端，在盛试样的沉降筒内以每分钟往返30次速度上下往返搅拌1min，每次向下时，要强烈触及筒底。用吸管法分析时，用这种方法搅拌，可得到良好的分散效果。

（5）超声波法。将频率100Hz的高频电流加在两个极板上，极板之间有一石英片，电极通电后，石英片会发生同频的机械振荡，这些高频波经油和容器传入盛样试管，可使黏结的沙样得到分散。

6.反絮凝处理

主要针对粒径小于0.062mm的泥沙样品，用沉降法进行分析，需要进行絮凝处理。

（1）反凝剂选择。反凝剂的选择应根据泥沙颗粒表面电化学性质而定，其选择有以下要求：

1）当可溶盐的pH值等于或大于7时，选用六偏磷酸钠，当pH值大于7时，选用氢氧化钠。

2）反凝剂用量，为试样可溶盐的1.5～2.0倍，无实测资料时，可每克沙加2mL。当反凝剂用量的体积大于试样体积的2%时，应减少试样的沙重和重新估算反凝剂的用量。

（2）反凝剂的配置和贮存。

1）配制标准溶液。称51g六偏磷酸钠溶于水中，搅拌至完全溶解，再加纯水稀释至1000mL，贮存在磨口玻璃瓶中，使用期不超过3个月。

2）配制C（NaOH）=0.5mol/L标准溶液。迅速称取20g氢氧化钠，加纯水搅拌溶解，冷却后，再加纯水稀释至1000mL，贮存于带皮塞的玻璃瓶中，使用有效期不超过3个月。

使用时，先倒出适量的反凝剂于玻璃杯中，从杯中吸取需要量，剩余的舍弃。不得用吸管由试剂瓶内直接吸取。

（3）絮凝处理步骤有以下过程：

1）用1mm孔径洗筛除去样品中的杂质。

2）用0.062mm孔径洗筛将试样分成两部分。筛上部分不作反凝处理，筛下部分如沙量过多，应进行分样。

3）将试样移入沉降分析筒内，加纯水至有效容积2/3处，用搅拌器强烈搅拌2～3min，搅拌速度每分钟往返不少于30次。

4）按上述要求，选用和加入反凝剂，再搅拌2min，加纯水至规定刻度，静置1.5h后，即可进行分析。

7.分析用水

为了使泥沙颗粒分析处于标准条件下进行，使不同河流或同一河流不同时期的颗粒分析成果能互相比较，颗粒分析用水要使用蒸馏水或用离子交换树脂制取的无盐水，分析用水应经过检验符合以下要求：

（1）Cl^-：分别取10～20mL水样，装入两个小试管中，将数滴1%的硝酸银滴入任一试管中，不出白色，其透明度与未加试剂的另一试管相同。

（2）总硬度：取10mL水样，先加入1mL氨缓冲溶液，然后再加入1滴铬黑T指示剂，水样呈纯蓝色，而不显紫红色。

（3）pH值：5～7。

（4）：取10mL水样放入小试管内，加入0.5N氯化钡溶液3mL，加热后不发生浑浊现象。

为了比较天然泥沙用无盐水分析和用天然河水分析的颗粒分析成果，部分国家还规定每年要进行一定数量的对比分析。凡用天然水进行分析时，室内的各项沙样处理均用天然水进行。

2.4.1.4 砂、卵石颗粒级配测定

砂、卵石颗粒级配的测定运用的主要方法有尺量法、筛分析法、粒径计法等方法。

1.尺量法

（1）使用尺量法的主要设备的要求如下：

1）分离筛，孔径32mm，外框直径400mm。

2）游标卡尺，分度值0.1mm。

3）台秤或杆秤，分度值10g，药物天平分度值1g。

（2）分析步骤与技术要求如下：

1）将全部样品用32mm孔径筛分离，筛下部分，视沙量多少按不同方法进行处理。①床沙样品粒径大于16mm的颗粒占总重的90%以上时，可在现场用16mm孔径筛进行分离。筛上部分全部用于分析，筛下颗粒称其重量后直接参加颗粒级配计算。②床沙样品中粒径大于16mm的颗粒少于90%，且砾石、砂粒的重量超过3kg时，用16mm孔筛将全部样品进行分离，筛上全部作为分析试样。筛下部分，在现场称其湿沙重，用四分法取1～3kg装入塑料袋，防止水分损失，带入室内进行分析。

2）筛上卵石颗粒，依粒径大小次序排列后，分成若干自由组，其中最大粒径列为第一组。

3）每组挑选最大一颗或两颗用游标卡尺量其二轴，求出几何平均粒径。当整个样品卵石数量少于15颗时，应逐颗测量。各组最大颗粒的粒径为

式中：D_i为颗粒长轴方向的长度，mm；a、b、c分别为卵石的长、宽、厚，mm。

4）分别称量各组沙重。

（3）实测颗粒级配计算如下：

1）小于某粒径沙重百分数计算公式为

式中：P_i为全样小于某粒径沙重百分数，%；W_sui为卵石部分小于某粒径的累积沙重，g；W_su为筛上颗粒的干沙重，g；W_sL为筛下颗粒的干沙重，g。

2）根据实测粒径和累积沙重百分数点绘颗粒级配曲线，从图上摘录规定粒径级及相应的累积沙重百分数。

2.筛分析法

（1）筛析机理。沙样过筛率与过筛时间的关系曲线有急变、过渡和缓变三段。急变段沙样过筛时间快，关系线坡度大，在几率纸上呈直线，在过渡区，沙样过筛速率逐渐减弱。关系线呈曲线，至缓变段，因过筛时间已经很长，能过筛而仍留在筛上的沙样，其粒径与筛网孔径相当接近，就沙样过筛很慢，曲线坡度平缓。要使所有粒径小于筛孔的沙样全部过筛，筛析时间必须极长。试验表明，沙样的筛析级配是一个不确定的数值，它随振筛时间、振筛方法、使用套筛的级数、沙样数量和干湿程度、筛网的制作材料、筛孔的均匀程度等多种因素有关。任一条件发生变化，都将给筛析成果带来影响。如要获得一个可供比较的颗粒级配成果，必须使用标准的分析筛，限定使用条件，并严格执行操作规程。

（2）筛析仪器与要求。分析筛主要有大型圆孔筛、普通筛、小型筛、洗筛、微孔筛、烘箱等设备。其要求如下：

1）分析筛：筛孔为φ标准孔径系列尺寸。圆孔粗筛，在径为4mm以上各级，筛框尺寸有400mm和200mm两种。方孔编织筛，孔径为0.062～2mm各级，筛框尺寸有200mm和120mm两种。筛框均为硬质不变形的金属材料。网布为耐腐蚀、耐磨损和高强度铜丝编织。筛框无受压变形，框网焊接牢固，光滑无缝隙。编织筛的经纬线互相垂直、无扭曲、无断丝、触感无凹陷。

方孔编织筛，使用前或使用1～3年后，应用投影放大仪或高倍显微镜检测一次。当检测孔径与标号尺寸的偏差符合标准控制指标时方可使用。检测方法及容许偏差按附录规定执行。

2）振筛机：旋转敲击形式，附有定时控制器，运行时差为每15min不超过15s。

3）其他设备：分度值10mg和1mg的天平各一台；电热干燥箱、超声波清洗机、游标卡尺、软质毛刷、平口铲刀等。

（3）筛分析步骤如下：

1）对粒径大于2mm的颗粒：将圆孔粗筛，依孔径32.0mm、16.0mm、8.0mm、4.0mm筛组装成套；将试样置于套筛最上层，逐级手摇过筛，直至筛下无颗粒下落为止；当样品沙重过多时，可分几次过筛，同一组的颗粒，可合并称重计算。

2）对粒径小于2mm的颗粒：用外框200mm或120mm的方孔编织筛。依孔径2.00mm、1.00mm、0.5mm、0.25mm、0.180mm、0.125mm、0.090mm、0.062mm筛和底盘组装成套；将试样倒在套筛最上层，用软质毛刷抚平，加上顶盖；移入振筛机座上，套紧压盖板，启动振筛机，定时振筛15min。

3）逐级称量沙重：从最上一级筛盘中挑出最大颗粒，用游标卡尺量其三轴并称其重量，列为第一粒径组；分别称各级筛盘中的沙重，小于某粒径的沙重，为该筛孔以下各级沙重之和，由小到大，逐级累计，直至最大粒径。

4）当累计总沙重与备样沙重之差超过1%时，应重新备样分析。

（4）筛分析颗粒级配计算。

1）粒径2mm以上部分的小于某粒径沙重百分数按照式（2-18）进行计算。

2）粒径2mm以下部分的小于某粒径沙重百分数，无分样情况时为

有分样情况时为

式中：W_sLVi为筛下小于某粒径的沙重，g；W_sLV为筛下用于分析的分样沙重，g。

3）当分析筛孔径与规定粒径级不完全一致时，转换成规定的粒径级及相应的沙重百分数。

3.粒径计法

（1）粒径计法的主要仪器设备。粒径计法的主要仪器设备有粒径计管、注样器、洗筛、天平、温度表、接沙杯、电热干燥箱等。

图2-33 注样器纵剖面图

1）粒径计管。根据适用粒径范围和沙重不同，可分别选用不同规格，粒径计管见图2-33。管长1300mm，内径40mm，沉降距离1250mm，最大粒径观读沉距1000mm；管长1050mm，内径25mm，沉降距离1000mm，最大粒径观读沉距800mm两种。粒径计管下端80～100mm处，开始逐渐收缩至管底口内径8mm，管内壁光滑，管身顺直，中部弯曲矢距小于2mm。

粒径计管标记，应用钢尺测量，油漆刻划。沉降始线，由管的下口向上量至1250mm和1000mm水面线，在始线以上5mm处。最大粒径终止线，在始线以下1000mm和800mm处。

粒径计管应垂直安装在稳固的分析架上。分析架位置适中，光线明亮，避免热源影响和阳光直射，管高和两管间距以便于注样操作为宜。

2）注样器。注样器由带柄玻璃短管与皮塞组成，见图2-34。管长45mm，外径为34mm或22mm，柄长20～30mm。注样器盖为一圆薄片，直径略大于注样器外径，并用细线与管柄连接。

（2）分析试样制备。

1）试样经过大于1mm孔径洗筛除去杂质后，再经0.062mm孔径筛水洗过筛将其分离为两部分，筛上部分用本法分析。

2）当沙重超过本法规定范围时，可用两只或多只注样器盛装，分别分析，同粒径级的沙重可以合并。

3）将试样移入注样器，注入纯水至有效容积4/5处。

（3）分析步骤。分析步骤如下：

1）将粒径计管下端管口套上皮嘴，管内注入纯水至水面线。

2）为每只粒径计管配备5～6个接沙杯，并注满纯水。

3）观测管内水温，准备操作时间表和计时钟表。

4）将注样器加上盖片，手握注样器，拇指按住盖片，摇匀试样，在预定分析前10s将注样器倒立，松开拇指，将试样移入粒径计管内，按预定分析开始时间，迅速准时接触水面，同时开动秒表，旋紧皮塞，观读和记录最大粒径到达终线的时间。

5）当管口旋紧皮塞后，立即拔掉下管口皮嘴，放上第一个接沙杯。当第一组粒径沉降历时终了时，迅速将杯移开，同时换上第二个接沙杯，如此交替，直至最后一级。

6）将管内余样放入尾样杯，澄清后，将沉积泥沙移入小于0.062mm粒径级杯内。

7）各接沙杯澄清后，小心倾出上层清水，移入电热干燥箱，在100～105℃条件下烘至无明显水迹后，再继续烘干1h，切断电源。

8）待干燥箱内温度降至60～80℃后，将接沙杯移入干燥器内，加盖冷却至室温，逐个称重，并用下式计算各粒径组沙重。

式中：W_si为某粒径组沙重，g；W_sib为某粒径组沙、杯共重，g；W_b为某杯空杯重，g。

图2-34 粒径计管示意图

1—橡皮塞；2—玻璃管；3—盖子；4—线绳

（4）颗粒级配计算。

1）小于某粒径沙重百分数可比照式（2-18）进行计算。

2）粒径计分析成果，受群体沉降和扩散影响，应根据标样对实验分析确定的方法进行校正，校正后的颗粒级配，转换成规定的粒径级及相应的沙重百分数。

2.4.1.5 粉砂、黏性颗粒级配测定

粉砂、黏性颗粒级配测定有吸管法、消光法、离心沉降法等方法。

1.吸管法

（1）工作原理。吸管法又称土壤颗粒分析法，是用于小于0.05mm细泥沙颗粒分析的最可靠的常规分析方法，如0.05～0.1mm之间的泥沙含量不多时，也可延长至0.1mm。

假定沙样中有粗、中、细三种颗粒，并均匀分布于沉降筒各处。这时如从任何位置吸取某一容积V₀的悬液，并测定其沙量W_s，则悬液的总沙量W_s0为（V指悬液总容积）。

设在开始沉降后至t₁时刻，粗粒已全部通过h深度的AA′平面，这时AA′平面以上将不再有粗粒存在。在t₁时刻，虽有一部分中、细沙粒通过AA′平面，但该断面以上会有相同数量的同样大小的颗粒不断补充，故该处的中、细沙粒的含沙量保持不变。此时如正在AA′处吸取薄层水样，假定吸得的容积为V₁、沙重为W_s1，则全部悬液中的中、细沙粒总量W_s为。设中、细颗粒沙量在总沙量中所占的百分数为P₁（小于粗粒径的沙量百分数），则有，如V₀=V₁，则有。同理，可以求得小于其他粒径的沙量百分数，最后可得沙样的级配曲线。

（2）主要仪器设备。

1）吸管：吸管装置有手持式和机械式两种，吸样容积为20mL或25mL的玻璃质大肚形直管，底部封闭，进水口开在近底四周的侧壁上，孔眼4个，孔径为1.0～1.5mm。吸管吸样深度刻划，应加“吸管放入沉降筒内引起的水面上升距离”校正值，吸管的标称容积应经校核，当误差超过0.1mL时，吸样容积应加“改正值”或修正容积刻划。

2）吸祥装置吸样设备有手持式和机械式两种。

①手持式吸样装置由吸管、洗耳球和橡皮软管三部分组成，其型式见图2-35。吸样前，用手压扁洗耳球，因软管内有一直径比管径略大的钢球（或玻璃球），可以截断球和移液管的空气通道。当用手捏钢珠而挤压橡皮管时，即形成一小缝，使移液管与洗耳球间的空气通道流通，借洗耳球恢复原形所形成的负压便能吸取水样。

图2-35 手持式吸样装置

图2-36 机械吸样装置

②机械吸样装置有多种型式，最常用的是机械分析架和真空瓶吸样装置。机械分析架见图2-36，由升降架、吸管、简易负压吸液器和冲洗瓶等组成。吸管可绕主螺杆旋转，并可上下升降和前后微动。管上有两个活塞开关，分别用橡皮管连接于冲洗瓶和负压吸液器。负压吸液器系利用30mL的注射器制成，简便适用。

真空瓶吸样装置见图2-37，由真空瓶负压抽吸器、吸管升降架和吸管冲洗器等几个部分组成。其负压装置系一密封的真空瓶，真空度约为20265Pa，为吸样提供动力。吸管装在吸管架上，既可垂直移动又可左右移动，便于同时分析几个样品。吸管上带有三通开关，用以控制吸样、泄样和洗管等项动作。

图2-37 真空瓶吸样装置

③其他设备：量筒（容积为600mL或1000mL），洗筛，搅拌器，盛沙杯，天平或电子秤，干燥器，温度计，比重瓶等。

（3）分析步骤。

1）沙样制备：按吸管法的沙样粒径和沙量要求制备，试样应进行反凝处理，反凝试剂应在沙样浓缩后加入，加入前应将沙样摇散，然后加入试剂，随后再充分搅拌，使试剂能与沙样充分作用，静置一段时间后再进行颗粒分析。

2）将沙样摇匀，倒入量筒中，加无盐水至规定刻度后，测定浑液温度，然后用搅拌器强烈搅动10s，再在量筒内上下搅动1min（往返各30次），每次向下时均应较强烈地触及筒底，向上时，不能提出水面，以免浑液掺气。

3）取出搅拌器，将吸管垂直地于量筒中央插入到20cm深度处，吸样25mL注于盛沙杯中，用以测定总浓度。

4）再将搅拌器放入量筒内，搅拌1min，取出搅拌器，立即开动秒表计时。

5）根据悬液温度，位径分组和沉降距离，采用规定的沉速公式，可计算制定吸样时间表。等到各位径组的泥沙颗粒沉降至规定深度处之前约15s时，慢慢将吸管垂直地自量筒中央插入至预定深度，准备吸样。吸样开始时间，应按操作时间表中规定的正点时间提前。提前的时间，应为吸样历时的一半。

6）吸到规定容积时，立即取出移液管放出吸液，并冲洗吸管，将水样烘干、称重。如经试验，精度符合要求时，也要采用置换法称重。

（4）颗粒级配计算。

1）粒径大于0.062mm筛上部分，小于某粒径沙重百分数可比照式（2-18）进行计算。

2）粒径小于0.062mm筛下部分，小于某粒径沙重百分数计算公式为

式中：W_sLi为筛下部分小于某粒径的吸样沙重，g；W_sLj为筛下部分试样搅拌均匀时的吸样沙重，g；a为吸样体积内分散剂重，g；C为某粒径组沙重与各组总沙重的比值。

当吸样容积多于或少于预定容积时，应乘以容积改正系数。

2.消光法

消光法适用于粒径0.005～0.05mm（不作消光系数改正）或0.002mm（作消光系数改正）及浓度为0.05%～0.1%的泥沙颗粒分析，有的仪器在将沙样分为小于0.05mm及0.05～0.25mm两类后分别分析，可将分析范围适当扩大。

（1）基本原理。光线通过有泥沙的浑液时，光线强度将被削弱，削弱的光强与泥沙的浓度成正比，通过测定光强的变化，可以得出泥沙浓度的变化，进而确定泥沙级配。光强与泥沙悬液浓度之间的关系表示为

式中：I₀、I分别为通过蒸馏水和泥沙悬液后的光强；e为自然对数的底；K为消光系数；S为透光层的含沙量；D为泥沙粒径；L为光线透过液层的厚度。

将关系式变为自然对数形式，则有

当K、L为常数时，透过浑液的光强变化是悬液平均粒径和含沙量的函数。实际工作中，并不直接测定透射光强，而是将透射光经过光电转换元件接收后，转换成为电量（电流或电压），由仪表显示记录。应用消光仪进行颗粒分析时，仪器将一个光源分为两个光路，同时分别透过容积尺寸相同的蒸馏水和泥沙混匀悬液，按适宜的移动速度自下而上地扫描。起初，沉降盒内泥沙刚开始沉降，两光路的光强读数的对数差最大。此后，由大到小的各种泥沙颗粒先后降到射光层底边以下，仪器的读数逐渐减小。记录笔随光线的扫描过程在记录纸上记下一条曲线。消光系数K实际上是随粒径而变化，研究表明，可以运用散射消光原理从理论上导出K随粒径而变化的规律，采用黄河、长江的泥沙样品，分选为若干组不同粒径的沙样，测定其消光系数，完全验证了上述规律。这样，在应用消光法分析时，只需对较细的粒径组采用消光系数改正，即可满足分析要求，使分析下限达到0.002mm。

（2）主要仪器。

1）光电颗粒分析仪专为河流泥沙分析而研制的仪器有GDY-1型和NSY-1型两种。①GDY-I型仪器：由光源电路、光学系统、沉降盒及传动系统、光电接收和记录显示等部分组成，沉降盒的沉降距离为10cm，分析泥沙的粒径范围为0.005～0.05mm。②NSY-I型仪器：沉降盒的高度为30cm.在沉降盒的底部装设孔口，在分析细颗粒部分时，可令悬液自孔口徐徐排出以降低液面，缩短分析历时，分析范围0.005～0.05mm，如将沙样大于和小于0.05mm两部分，分别放入沉降盒沉降并记录其光密度变化，用微处理机综合计算沙样级配，则分析范围可扩大为0.002～0.25mm。

2）其他仪器：自动记录仪、稳压器、量筒、搅拌棒、温度计、分沙器、洗筛和秒表等。

（3）沙样制备。按消光法分析的泥沙粒径范围和沙重要求制备沙样，其方法如下：

1）用分样器分取符合要求的沙重。

2）用置换法测定试样沙重。

3）将已知沙重的试样过0.062mm孔径的洗筛，筛上部分用其他方法测定颗粒级配，筛下部分接入500mL量筒中。

4）将量筒内试样加入适量的反凝剂，并加纯水300～500mL，充分搅拌分散，静置1.5h后作消光法分析。

（4）消光法操作步骤如下：

1）开机预热。

2）调试仪器：记录仪指针零点检查，走纸速度和扫描方式选择，沉降距离检查及仪器说明书要求的有关内容。

3）充分搅拌量筒中制备好的样品，停止搅拌的同时，随即用吸管吸取适量试样注入沉沙盒内，加纯水至满刻度线并测记水温。

4）搅拌沉降盒内试样使其均匀，停止搅拌的同时沉降计时开始。

5）在沉降过程中，根据选择的沉降扫描方式对试样进行扫描。

6）根据选用的仪器情况，事先输入或在分析结束后填写记录曲线速度、样品来源、取样日期、分析日期和试样水温等。

7）颗粒级配计算。

①筛上部分可比照式（2-18）进行计算。

②筛下部分小于某粒径沙重百分数计算为

式中：P_i为小于某粒径沙重百分数，%；D_j为某粒径组上、下限粒径的算术平均值，mm；u_j为某粒径组上、下限粒径相对应的光密度的差值；C某粒径组沙重与各组总沙重之比值；K_j为消光系数，当分析下限点为0.004mm时，消光系数可作常数处理。

3.离心沉降法

（1）仪器设备。

1）离心沉降颗粒分析仪：有清水沉降的阴盘式和浑匀沉降的直管式两种。根据层流区雷诺数的范围和泥沙样品情况，结合仪器特点，应对试样浓度的选用、沉降介质的配制、仪器转速的选定等与吸管法进行对比试验，具体确定该仪器的适宜浓度、沉降介质和仪器转速等适用技术条件。

2）其他设备：量筒、吸管、搅拌器、天平、洗筛、温度计等。

（2）沙样制备。

1）直管式离心沉降颗粒分析仪的试样制备，运用消光法沙样制备方法。

2）圆盘式离心沉降颗粒分析仪的试样制备包括：①按吸管法制备试样和进行分级吸液操作；②当吸管法分析至0.031mm或0.004mm时，再用吸管吸取小于0.031mm或0.004mm的试样，供作离心沉降分析。

（3）离心沉降分析的操作步骤如下：

1）开机预热。

2）对仪器进行检查调试。

3）输入专用程序。

4）输入测试粒径的分级数、预置各粒径级。

5）输入试样名称、取样地点、取样日期、分析日期、试样密度、沉降介质密度和黏度等。

6）选择分析方式。

7）圆盘式离心仪，从制备好的样品中吸取适量试样进行测试；直管式离心仪，可直接将消光法或吸管法分析的试样进行离心沉降分析。

8）测试完毕，计算机输出各种数据和沙重分布图表等打印结果。

（4）颗粒级配计算。

1）浑匀沉降分析的颗粒级配按式（2-25）计算。

2）清水沉降分析的颗粒级配计算为

式中：P_i为小于某粒径沙重百分数，%；ρ_j为时距Δt_j内的泥沙平均浓度；ω_j为时距Δt_j内的泥沙平均沉速；C为某组沙重与各组总沙重之比值。

3）同一样品的不同粒径级分别由不同方法测完时，应根据各颗分方法的分级沙重与总沙重的关系，将分段测定的颗粒级配合成为统一的小于某粒径沙重百分数。

2.4.2 容重分析

前面已经定义泥沙的容重是指泥沙实有重量与实有体积的比值，泥沙烘干后的重量与原沙样体积的比值称泥沙的干容重。长河段干容重观测目的是了解及研究干容重的沿程、横向变化，典型河段干容重观测目的是为了解及研究干容重沿厚度与横向的变化。干容重的变化与淤积物的密实及厚度关系较大，河道水库地形测量计算冲淤量为体积，需要换算成重量与区间输沙平衡法结果进行比较。

2.4.2.1 干容重测验方法

按淤积物类型可分成原状淤积物取样，非原状淤积物取样，模拟试验三类。按测验方法概括起来可分为坑测法、器测法、现场直接测定法三类。

2.4.2.2 干容重计算方法

（1）断面表层平均干容重采用河宽加权。水边有垂线时，采用左右水边的河宽，水边无垂线时采用有取样垂线间的实际代表河宽，但当距水边最近的垂线能代表水边的情况时，仍应以水边计算河宽，即

式中：为断面表层干容重；为相邻两垂线表层干容重。

（2）表层组成物质基本相同的河段，河段表层平均干容重r′_L采用断面表层平均干容重r′_D与河长加权计算。计算公式为

式中：ΔL_j（j+1）为两个断面间的间距；为上、下断面表层干容重。

（3）整体性淤积河段，采用多线多测点布置垂线观测时，按以下要求计算：

1）垂线平均干容重计算（近似公式）为

式中：为第i条垂线床面下第η个取样点的干容重；k_η为第η个取样点的干容重权重。

2）断面概化垂线分层平均干容重r′_Dη计算为

式中：k_Ai为第i条垂线的淤积面积权重，其中靠岸边第一条垂线为k_A1=（ΔA₁₂/2）/A，靠岸边最后一条垂线k_AN=（ΔA_（N-1）N/2）/A，其他为k_Ai=［（ΔA_i（i-1）+ΔA_（i+1）i）/2］/A；ΔA_（i+1）i为两条垂线间的面积；A为全部垂线间的淤积体总面积。

3）断面平均干容重计算为

4）物质组成基本相同的河段平均干容重，采用断面平均干容重以断面间淤积体积加权计算为

式中：k_Vj为第j个断面的积体积权重，其中靠下端第一断面k_V1=（ΔV₁₂/2）/V，靠上端最后一个断面k_VN=（ΔV_（N-1）N/2）/V，其他为k_Vj=［（ΔV_j（j-1）+ΔV_（j+1）j）/2］/V；ΔV_（j+1）j为两个断面间的体积；为第j断面干容重。

2.4.3 泥沙岩性鉴定及分析

2.4.3.1 泥沙岩性

由于勘测调查的主要工程位于长江流域，并且资料成果比较丰富，在此以长江流域观测的成果为例进行分析。

1.长江流域岩类

长江流域面积广大，地层发育齐全，自晚太古界以来，元古界、古生界、中生界至新生界的第四系地层均有出露，并有岩浆岩广泛分布。

（1）岩浆岩类。有块状侵入岩组的花岗岩、正长岩、闪长岩和花岗斑岩；块状喷出岩组的玄武岩、安山岩、英安岩、流纹岩、流纹斑岩和似层状火山碎屑岩组的凝灰集块岩、火山角砾岩、火山凝灰岩、凝灰岩、凝灰质砂砾岩、凝灰质页岩等。

（2）变质岩类。有块状变质岩组的大理岩、石英岩、片麻岩和混合岩；片状变质岩组的石英片岩、角闪片岩、云母片岩、绿泥石片岩和千枚岩和层状变质岩组的变质砂岩、硅质板岩、粉砂质板岩和泥质板岩等。

（3）沉积岩类。由层状碎屑和层状碳酸盐两个岩组组成。碎屑岩组中的砂质岩有石英砂岩、铁质与硅质砂岩、砂砾岩、长石砂岩和泥、粉质砂岩等；地层中碎屑岩组中的泥质岩有砂质页岩、硅质页岩和泥岩（黏土岩）及炭质页岩等。

2.长江流域沿干支流岩类

长江流域虽然各种岩类丰富，但沿干支流出现的岩类较为有限，就常见的岩石有如下特征：

（1）岩浆岩。常见的岩浆岩如下：

1）玄武岩。岩浆岩中一种分布最广的基性喷出岩。一般为黑色的细粒致密状岩石，往往具有气孔构造和杏仁状构造，六方柱形的柱状节理非常发育。具斑状结构，班晶为橄榄石、斜长石、辉石。野外还常见有具黑褐色，棕褐色等，所含班晶多少和大小均不一，少时仅具星点状或无，大时呈鸡屎堆或菊花状。

2）花岗岩。是岩浆岩中分布最广的深成酸性岩，也称花岗石，俗称麻石。特点是含SiO₂最高，主要由石英、长石和少量暗色矿物组成。颜色较浅，以灰白色和肉红色最为常见，具等粒结构和块状构造。按次要矿物成分的不同可分为黑云母花岗岩、角闪石花岗岩、闪云斜长花岗岩等。灰白色时常具一定的风化，强度不高，易碎裂解体。3）流纹岩。岩浆岩的一种，成分相当于花岗岩的喷出岩，常呈灰红色、紫色、灰绿色等。具斑状结构，班晶为石英和碱性长石，基质一般是致密的隐晶质或玻璃质，一般具流纹结构，性质坚硬致密，野外一般卵石粒径不大，色彩艳丽。

4）火山碎屑岩。岩浆岩的一种，火山喷发的碎屑经过堆积而成的岩石，多半成层，所以具有火成岩和正常沉积岩双重特征。火山碎屑的大小悬殊，都具棱角，按其大小可以分为火山集块岩、火山角砾岩、火山凝灰岩等三类。该岩类颜色一般较暗，胶结程度不稳定，有的含有气泡。

岩浆岩其他的种类还有斑岩、花岗斑岩、闪长岩、安山岩、凝灰岩等。

（2）其他类型。其他常见岩石如下：

1）石英岩。区域变质岩之一，由砂岩或化学硅质岩重结晶而成。主要矿物为石英，一般为浅色或白色，质密坚硬，但其颗粒常结成致密块状，肉眼不易区分。卵石表面光滑，黄褐色、或灰白色。硬度大，磨圆度较高。

2）板岩。区域变质中变质最浅的岩石。由页岩或凝灰岩变质而成。颗粒极细，颜色多为灰绿、暗红或黑，表面光滑，劈理极发育，故可剥离成坚硬的薄板。该种岩石多呈块状，一般运移不远，多为近源物质，极少成卵石状。

3）千枚岩。区域变质浅变质带的变质岩之一，由黏土岩或火山凝灰岩等变质而成。主要特征是能被剥离成叶片状的薄片，表面呈显著的丝绢光泽。该种岩性一般质软易碎。不能形成卵石。变质岩类另还有大理岩、片麻岩、角闪片岩、云母片岩、绿泥石片岩等，较为少见。

4）石灰岩。俗称青石，一种在海、湖盆地中生成的灰色或灰白色沉积岩。主要由方解石成分的微粒组成。岩石常有其他混入物如白云石、黏土矿物和石英等，依所含混入物的不同可分为白云质石灰岩、黏土质石灰岩和硅质石灰岩。类似的还有泥灰岩，当含动植物化石的还有竹叶状石灰岩、耳状石灰岩等。为白色、灰白色和灰黑色，呈致密块状，遇盐酸起泡。用小刀刻划有痕迹。

5）砂岩。颗粒直径为0.1～2mm经胶结而成的碎屑岩分布很广，碎屑成分中有石英、长石、云母、黏土矿物、岩石碎屑和重矿物等。按成分可分为石英砂岩、长石砂岩、硬砂岩和凝灰砂岩等。其中石英砂岩一般为黄褐色、灰白色，质硬，卵石表面光滑；当石英颗粒含量较少时，卵石表面多较粗糙，颜色为黄褐色、棕褐色、褐色灰绿色等。当碎屑颗粒较细时为粉砂岩，在野外如遇不能辨别的岩石同样应分类记载，样品带回实验室分析定名、验证或修正野外定名。

2.4.3.2 卵石的几何形态及磨圆度分析

1.卵石的形态分类

实测单颗卵石的a（长）、b（宽）、c（厚）三径，根据其比例分为圆球体、扁圆体、椭球体和长扁圆体等四类，判别式如下：

（1）当时：为圆球体，为扁圆体。

（2）当时：为椭球体，为长扁圆体。

2.卵石的球度

卵石的球度即卵石的形状接近球体的程度。球度系数用公式求得，φ值愈接近于1，球度系数愈大，反映形状愈圆。

式中：a、b、c分别为卵石长、宽、厚三径；φ为球度系数。

3.卵石的磨圆度

河床卵石在推移过程中，不断磨蚀而圆化，但由于受母岩的岩性、硬度、风化程度、河床坡降、糙率和搬运的距离远近等诸多因素影响产生差异，按卵石完全未磨蚀至全磨圆共划分为棱角状、次棱角状、次圆状、圆状和浑圆状等五级，并分别定为0、1、2、3、4级代入公式计算求得平均磨圆度p，即

式中：n₀、n₁、n₂、n₃、n₄等为相应磨圆级别的卵石个数；N为卵石总的个数。