工程地質(zhì)學(xué)第十二章河流侵蝕和淤積的工程地質(zhì)研究

1、工程地質(zhì)學(xué)ENGINEERING GEOLOGY第十二章河流侵蝕和淤積的工程地質(zhì)研究河流作用河流通過(guò)、和塑造地貌。而河流的是決定河流進(jìn)行不同作用的主要因素。侵蝕作用搬運(yùn)作用沉積作用能量流速第十二章 河流侵蝕和淤積的工程地質(zhì)研究概述河流的動(dòng)力學(xué)特征巖土的臨界流速及河床的穩(wěn)定性山區(qū)和平原河流侵淤作用的特征與河流侵淤作用有關(guān)的工程地質(zhì)問題河流的開發(fā)與整治主要內(nèi)容(Main Topics)第一節(jié)概述河流的侵蝕和淤積是改變地表形態(tài)最重要的因素之一。影響河流侵蝕和淤積的因素很多，但水流與河床相互作用是引起河流發(fā)展和變化的根本因素。水流：水位、流量、流速、水流結(jié)構(gòu)和含沙量等河流河床：河床的平面及斷面形態(tài)、縱

2、橫坡降、組成床底及床岸物質(zhì)河流的空間形態(tài)河流的空間形態(tài)河流在縱向的特征河流的空間形態(tài)河流在橫向的特征（河谷要素）河谷 河流侵蝕出的槽形凹地。谷底 河谷底部較平坦的部分。河床 河水占據(jù)的溝槽。谷坡 谷底至分水嶺的斜坡。階地 谷坡上的階梯狀平臺(tái)。河流的侵蝕作用：河流在從高處向低處流動(dòng)過(guò)程中，以自身的化學(xué)動(dòng)力(溶解力)和機(jī)械動(dòng)力(水力)，并以攜帶的泥沙和礫石作工具，不斷地破壞河床的過(guò)程 。按侵蝕作用的方向分為三種類型：河流的下蝕作用：河水對(duì)河床底部巖石破壞，使 河谷加深的過(guò)程。河流的側(cè)蝕作用：河水對(duì)河床巖石破壞，使河谷 拓寬的過(guò)程。向源侵蝕：向下侵蝕又稱為加深作用，常出現(xiàn)在瀑布或水壩下方，流水急速由

3、高往下侵蝕，使得河床加深。河流的下蝕作用下蝕作用的過(guò)程河流的下蝕作用下蝕作用的結(jié)果峽谷地貌虎跳峽三峽河流的側(cè)蝕作用 由于河水慣性離心力的作用使河水沖向彎曲河床的凹岸，造成凹岸被侵蝕，而凸岸水流減緩，在凸岸河水?dāng)y帶的泥沙就會(huì)沉積，河床不斷加寬，河曲的曲度變大，形成蛇曲河。蛇曲河最后會(huì)裁彎取直。廢棄的彎曲河道稱為牛軛湖。凸岸沉積凹岸侵蝕河流的側(cè)蝕作用側(cè)向侵蝕 又稱為加寬作用，彎曲的河道，水流向兩側(cè)侵蝕，使得河床加寬。外側(cè)的流速比內(nèi)側(cè)快。蛇曲河下蝕作用與側(cè)蝕作用的關(guān)系時(shí)間上河流發(fā)育的早期以下蝕作用為主，隨著坡度減小，逐漸轉(zhuǎn)為以側(cè)蝕作用為主?？臻g上河流的上游以下蝕作用為主，河流的下游以側(cè)蝕作用為主。向

4、源侵蝕又稱為加長(zhǎng)作用。河流源頭部分受地下湧出的泉水或雨水影響，常會(huì)造成河道往上加長(zhǎng)現(xiàn)象。河流的沉積作用河流搬運(yùn)物從河水中沉積下來(lái)的過(guò)程稱河流沉積作用 。 河流沉積作用的主要方式是機(jī)械沉積作用。引起河流機(jī)械沉積作用的主要原因是河水流速的降低，導(dǎo)致機(jī)械動(dòng)能的減小，使河流的搬運(yùn)能力降低而發(fā)生沉積 。 根據(jù)沉積的部位分為：山口沉積作用谷底沉積作用河口沉積作用山口沉積作用谷底沉積作用河口沉積作用河流的沉積作用 山口沉積作用山口沉積作用：來(lái)自山區(qū)的河流，攜帶著大量機(jī)械搬運(yùn)物到山口開闊的平地上，由于河床坡降減小，水流無(wú)地形約束而散開，河水動(dòng)力突然大大減小，機(jī)械搬運(yùn)能力迅速降低，搬運(yùn)物就會(huì)山口沉積下來(lái)。山口沉

5、積物常形成扇狀地貌：沖積扇。河流的沉積作用 谷底沉積作用：谷底包括兩部分。一部分是被河水所覆蓋的河床，在河床上產(chǎn)生的沉積作用稱河床沉積；另一部分是平水位時(shí)谷底未被河水所淹沒的平坦地形河漫灘。 河漫灘沉積心灘地貌邊灘地貌河流的沉積作用河口沉積作用：河口是河流最主要的沉積場(chǎng)所。當(dāng)河流入湖泊、海洋時(shí)受湖水或海水的頂托，流速迅速減小，使河水搬運(yùn)能力減弱甚至消失，大量機(jī)械搬運(yùn)物質(zhì)在河口沉積下來(lái)。另一方面由于湖水、海水中富含有電解質(zhì)，當(dāng)河流中以膠體搬運(yùn)的溶運(yùn)物與湖水、海水相混合后，海水中的電解質(zhì)破壞了膠體的穩(wěn)定性，致使膠體凝聚，而沉積在河口。河流的沉積作用在河流流入湖泊或海洋的地方，河流沉積物常形成錐形的

6、沉積地貌（其外形象三角形）稱為三角洲。 當(dāng)河流失去能量時(shí)會(huì)怎樣？河流能量下降時(shí)，先沉積。接著是較細(xì)小的石頭。最後是幼細(xì)的砂石如或。因此，靠近河口處會(huì)有較多，遠(yuǎn)離河口處會(huì)有較多。黏土卵石卵石泥泥第二節(jié) 河流的動(dòng)力學(xué)特征 一、河流的紊流特征據(jù)流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)狀態(tài) 層流：水質(zhì)點(diǎn)作井然有條、互不混雜的運(yùn)動(dòng)時(shí)稱為層流。紊流：水質(zhì)點(diǎn)作不規(guī)則的相互混雜運(yùn)動(dòng)的時(shí)稱為紊流。二、橫向環(huán)流主流：河流中水體在重力作用下沿河槽總方向運(yùn)動(dòng)者，其流線和速度向量基本平行，且大致平行于河槽軸線。副流：在各種因素作用下，水流內(nèi)部產(chǎn)生的有規(guī)律、大規(guī)模的水體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)者。它與主流疊加，使水流呈螺旋式前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，它引起泥沙橫向移動(dòng)，形成河

7、槽形狀的多樣化。據(jù)水流所圍繞的旋轉(zhuǎn)軸方向不同，分為縱軸、橫軸、斜軸及豎軸副流四類。橫向環(huán)流：指旋轉(zhuǎn)軸與河流總方向一致的副流。是由地球自轉(zhuǎn)引起的科氏力、河道水位漲落、離心力的作用等。其中彎道河流水流離心力作用是最主要的原因。橫向環(huán)流的形成使得水流的流速在同一橫斷面上表現(xiàn)出具有一定規(guī)律的變化：1、在凹岸表流下沉轉(zhuǎn)為底流的部位，由于重力作用，水流流速遞增，易將泥沙帶走，形成侵蝕深潭，同時(shí)使凹岸不斷向外側(cè)后退；2、在底流上升為表流部位，則要克服重力，水流流速遞減，易于造成凸岸淤積，形成淺灘，同時(shí)使凸岸不斷向河床推進(jìn)。第三節(jié)巖土的臨界流速及河床的穩(wěn)定性 一、臨界流速水流作用于河床巖土上的推移力及上托力大

8、于巖土的強(qiáng)度時(shí)，將發(fā)生侵蝕和搬運(yùn)，否則，河床不會(huì)遭受侵蝕而形成淤積。河床組成物質(zhì)抵抗水流作用的能力，取決于組成河床的巖土類型、巖土物理力學(xué)性質(zhì)、土的顆粒組成、土顆粒大小和形狀等。1、巖石的臨界流速假設(shè)凸出于河床中的巖體高為h，寬為b，長(zhǎng)為l，水流速度為U，其流向與hl面垂直，則巖體所受動(dòng)水壓力P為：P=U2hl*0/2其中：0 -水流不均勻系數(shù)； 水的密度在P作用下引起可能滑動(dòng)面(bl)上的剪應(yīng)力，則：=P/bl= U2h*0/2b若巖體的抗剪斷強(qiáng)度為S，即：S=C+tg其中：C-內(nèi)聚力；-作用于剪斷面上的正應(yīng)力當(dāng)=s 時(shí)的水流速度，稱為侵蝕臨界流速Ucr，則：Ucr=2b(C+tg)/ h

9、0 1/2對(duì)于堅(jiān)硬完整的巖石，其內(nèi)聚力C很大，故當(dāng)bh時(shí)侵蝕臨界流速很大，約為50-150m/s。天然河流流速很少大于10m/s，因而，堅(jiān)硬完整巖石不可能遭受水流侵蝕。但強(qiáng)度低或裂隙發(fā)育的巖體，將會(huì)遭受侵蝕作用。2、無(wú)粘結(jié)的卵、礫、砂粒的臨界流速無(wú)粘性的卵、礫、砂粒，在水流作用下其起動(dòng)條件是不同的，設(shè)直徑為d的球狀顆粒，所受的動(dòng)水壓力為P，則P=U2d2 0 /8而顆粒的內(nèi)磨擦阻力為T，則：T=f*m*g=fg*(-)d3/6式中：f-滾動(dòng)磨擦系數(shù)；m-顆粒質(zhì)量；-顆粒密度當(dāng)=T時(shí)，顆粒處于極限平衡狀態(tài)，此時(shí)水流速度稱為推移臨界流速Ucr，即：Ucr =4gf(/-1)d/3d01/2當(dāng)dUc

10、r時(shí)，顆粒將沿河床滾動(dòng)或滑動(dòng)，這時(shí)被搬運(yùn)的顆粒叫推移質(zhì)。當(dāng)UUcr時(shí)，可使沿河床移動(dòng)的顆粒離開河床，懸浮于水流中，這時(shí)搬運(yùn)的顆粒叫懸移質(zhì)。3、土的臨界流速土顆粒的懸移與水流縱向流速的鉛直分量有關(guān)。河流中紊流的平均流速U與其鉛直分速大體上成正比，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得為：U/=1220即直徑為d的顆粒懸移臨界流速為其推移臨界流速Ucr的12-20倍，即：Ucr =(12-20) Ucr二、河床的穩(wěn)定性1、縱向穩(wěn)定指標(biāo)常用河床泥沙的粒徑與河床坡降之比表示河床的縱向穩(wěn)定性。K1=d50/J式中：K1-河床穩(wěn)定性指數(shù)；J河床坡降（mm/m） d50-無(wú)粘性土的平均粒徑（mm）K1值越大，則河床越不易被侵蝕沖刷。

11、實(shí)際資料表明：.當(dāng)K1=15-20時(shí)，河床基本穩(wěn)定.當(dāng)K15時(shí)，河床泥沙在平水期也移動(dòng).當(dāng)K1=1時(shí)，河床極不穩(wěn)定2、橫向穩(wěn)定指標(biāo)多數(shù)研究者根據(jù)河床橫向變形結(jié)果來(lái)分析其穩(wěn)定性。例如：阿爾杜寧提出：K2=BJ/Q其中：K2橫向穩(wěn)定指標(biāo)；Q造床流量；B與造床流量相應(yīng)的河寬；J造床流量時(shí)水面坡降。K2值越大河床越不穩(wěn)定。第四節(jié)山區(qū)和平原河流侵淤作用的特征一、山區(qū)河流的侵淤特征1、以侵蝕作用為主，僅在寬緩河段及彎曲河段發(fā)生局部淤積。2、河床演變的速度較緩慢，河床的形態(tài)、主流和副流位置比較固定，不會(huì)引起航道的大變化。3、河流流速大，輸沙能力強(qiáng)，河床以深切為主，小于2mm的顆粒一般多呈懸移質(zhì)，大于2mm的

12、則多呈推移質(zhì)，堆積物顆粒粗大，有卵、礫及漂石淤積。二、平原河流的侵淤特征1、坡度平緩，徑流系數(shù)小，匯流時(shí)間長(zhǎng)，洪水的上漲和回落比較緩慢，一般流量較大，但流量和水位的變幅較小，具穩(wěn)定的中水期。2、侵淤作用時(shí)間長(zhǎng)，平原河流以淤積作用為主，其顆粒較小，分選性較好,厚度較大。3、河流橫向侵淤變化顯著，侵淤位置不固定。三、地上懸河平原河流的特殊類型地上懸河：河床高于其兩岸地面的河流。地上懸河形成必須同時(shí)具備的三個(gè)基本條件：mm）；2、m/s）；3、河流具有足夠廣闊可能被泛濫的面積。第五節(jié)與河流侵淤作用有關(guān)的工程地質(zhì)問題一、與河流淤積有關(guān)的工程地質(zhì)問題以水庫(kù)淤積較為典型在河流上筑壩提高水位，庫(kù)區(qū)形成壅水，

13、使得原來(lái)河流的侵蝕基準(zhǔn)面抬升，水流入庫(kù)過(guò)程中，水深和過(guò)水?dāng)嗝嫜亓鞒淘龃?，流速降低，?lái)自上游的泥沙在庫(kù)區(qū)大量落淤，直接影響水庫(kù)的效益和使用壽命。水庫(kù)淤積形式 ：1、壅水淤積：攜帶泥沙的河流進(jìn)入水庫(kù)壅水段后，泥沙擴(kuò)散到全斷面，隨著水流挾沙能力沿流程降低，泥沙沉積于庫(kù)底，并形成上游粗、下游細(xì)有規(guī)律分布的三角洲，這種淤積稱為壅水淤積。當(dāng)庫(kù)容較大，泥沙顆粒較粗，庫(kù)區(qū)地形開闊，并常處高水位運(yùn)行時(shí)，易形成這種淤積。2、異重流淤積：多發(fā)生于多細(xì)粒泥沙河流中，當(dāng)入庫(kù)水流含沙量高，并有足夠流速時(shí)，渾水進(jìn)入壅水段后不與清水混淆擴(kuò)散而潛入清水下面，沿庫(kù)底向下游繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，并一直運(yùn)行到壩前。在回流作用下水庫(kù)變渾，細(xì)土粒緩緩落于庫(kù)底。如及時(shí)開啟大壩排沙底孔閘門，異重流淤積物可隨水排出庫(kù)外。二、與河流侵蝕有關(guān)的工程地質(zhì)問題1、紊動(dòng)漩渦對(duì)天然河道上的橋渡工程、墩臺(tái)基礎(chǔ)砌置地段的沖刷作用。2、壩后再造：河流上修水庫(kù)后，水庫(kù)下游河段的來(lái)水、來(lái)沙條件與建庫(kù)前相比發(fā)生了變化，即引起河流平衡條件的破壞，而導(dǎo)致下游河床的再造。3、壩頂溢流第六節(jié) 河流的開發(fā)與整治 不同部門對(duì)河流的開發(fā)和整治的目的和要求不同按照沿河的規(guī)模和效果，可分為全面開發(fā)治理和局部整治兩大類一、河流的全面開發(fā)治理對(duì)某一河流全面開發(fā)治理，需在政府有關(guān)部門主持下，由工程