第八章河流侵蝕及沉積

第八章

河流侵蝕與沉積的

工程地質(zhì)研究

西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院2009.2基本要求：掌握河流侵蝕與沉積的基本概念。

了解河流力學(xué)特征、河流侵蝕沉積規(guī)律、河流工程地質(zhì)問(wèn)題分析和河流的開(kāi)發(fā)與整治等內(nèi)容。課程內(nèi)容：

8.1基本概念及研究意義

8.2河流水動(dòng)力學(xué)特征

8.3水流對(duì)河床的作用及河床的穩(wěn)定性

8.4河床演變的某些基本規(guī)律

8.5河流工程地質(zhì)問(wèn)題分析

8.6河流開(kāi)發(fā)整治的一般原則

8.1基本概念及研究意義河流的侵蝕、沉積作用：是河流地質(zhì)作用的重要形式，是改變地形最重要的地質(zhì)作用之一，兩者既相互依存又相互制約，此長(zhǎng)彼伏。河流搬運(yùn)作用：介于侵蝕與沉積作用之間的過(guò)渡過(guò)程。換句話說(shuō)，侵蝕與沉積作用平衡時(shí)，河流地質(zhì)作用以搬運(yùn)為主。河流的變化與發(fā)展是水流與河床相互作用的結(jié)果。8.1基本概念及研究意義8.1基本概念及研究意義水流特征：河水水位、流量、流速場(chǎng)、水流結(jié)構(gòu)(流態(tài))以及含砂量等；河床特征：河床河岸組成物質(zhì)特征、河床坡度及河床平面、斷面幾何形態(tài)等；水流作用于河床,使河床發(fā)生變化,河床又反作用于水流;使水流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,二者既相互依存,又相互作用,從而推動(dòng)著河流不斷地變化和發(fā)展。水流、河床的作用方式：泥沙交換。（1）通過(guò)泥沙的淤積使河床升高;（2）通過(guò)泥沙的沖刷使河床降低。8.1基本概念及研究意義研究意義：1.研究河流地質(zhì)作用具有重要的工程地質(zhì)意義。河流地質(zhì)作用（侵蝕、沉積、搬運(yùn)）及其產(chǎn)物（松散堆積物、下切、壩基滲漏、砂土振動(dòng)液化等）：（1）影響著建筑物的安全、經(jīng)濟(jì)和正常使用；（2）威脅著河流工程（如橋墩、港口）淤塞，降低其效能。河流改造工程（在河流上修建水工建筑），由于改變了河流的侵蝕、搬運(yùn)、淤積規(guī)律及其環(huán)境因素，便會(huì)產(chǎn)主不同程度的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，特別是一些大型水工建設(shè)，如三門(mén)峽水庫(kù)、龍羊峽水庫(kù)等。

8.1基本概念及研究意義2.了解河流地質(zhì)作用的規(guī)律，對(duì)指導(dǎo)工程建設(shè)具有重要的地質(zhì)意義。如修建一個(gè)港口，首先要正確地確定港址。港址選擇除了考慮國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要以及陸域條件外，還必須調(diào)查過(guò)去地質(zhì)歷史時(shí)期所形成的沖積物特征，并論證相應(yīng)的工程地質(zhì)問(wèn)題,還必須弄清河道的沖淤變化規(guī)律，盡可能選擇沖淤變化不大或沖淤變化正朝著有利于港口建設(shè)方向發(fā)展的地段建港，如果不能滿足要求，應(yīng)制訂整治的措施。8.1基本概念及研究意義課程內(nèi)容：

8.1基本概念及研究意義

8.2河流水動(dòng)力學(xué)特征

8.3水流對(duì)河床的作用及河床的穩(wěn)定性

8.4河床演變的某些基本規(guī)律

8.5河流工程地質(zhì)問(wèn)題分析

8.6河流開(kāi)發(fā)整治的一般原則

一、河水水流的紊流特征河水水流一般都是紊流。其最基本的特征是，即使在流量不變的情況下，流場(chǎng)中任一點(diǎn)的流速和壓力也隨時(shí)間呈不同規(guī)則的脈動(dòng)（圖8-1）。由圖可知,任一時(shí)刻的流速可表示為：式中V為瞬時(shí)流速；為時(shí)均流速；V’為脈動(dòng)流速。在恒定流中，V’不隨時(shí)間而變,且V’的時(shí)均值為零，即，式中，T為時(shí)間段。8.2河流的動(dòng)力學(xué)特征研究表明，水流中某點(diǎn)的最大瞬時(shí)流速Vmax和最小小瞬時(shí)流速Vmin之間的關(guān)系為即有：式中：K是比例常數(shù)，相當(dāng)于該點(diǎn)瞬時(shí)流速V在足夠長(zhǎng)時(shí)間間隔中，偏離它的平均流速的均方差σ與V的比值，即K＝σ/,其值與雷諾數(shù)Re有關(guān)，介于0.1-0.5之間，若取K=0.1，則各流速之間的關(guān)系為：8.2河流的動(dòng)力學(xué)特征此外，紊流具有擴(kuò)散性質(zhì),使水層之間產(chǎn)生能量、動(dòng)量和質(zhì)量的傳遞。紊流中作脈動(dòng)的不是單個(gè)水質(zhì)點(diǎn)，而是相互有關(guān)的水質(zhì)點(diǎn)聚合成的水團(tuán)。水團(tuán)有大有小，并且在運(yùn)動(dòng)中不斷地分裂聚合，隨著這些變化，水團(tuán)的大小也不斷地發(fā)生變化。這樣的水團(tuán)一般稱為紊流漩渦。紊動(dòng)漩渦和脈動(dòng)流速是密切聯(lián)系著的，脈動(dòng)流速大的紊流漩渦尺寸也大，反之亦然；但大尺度紊動(dòng)漩渦的脈動(dòng)頻率低，小尺度脈動(dòng)頻率高。（8.6）水流是泥沙運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，水流流速場(chǎng)和水流紊動(dòng)有密切關(guān)系，水流挾帶泥沙更是靠著水流中紊動(dòng)漩渦的支持才能維持其懸浮狀態(tài)。水流的平均流速并不均勻。流速在靠近水面處最大，向河底均勻地減小，在靠近河底的一層中減小到最大流速的40-50％。近河底處僅十分之幾毫米的薄水層中，流速才急劇地減小，此層稱為邊界層。河底處流速近于零。土石顆粒直徑一般比邊界層的厚度大得多，故它總受到流速相當(dāng)大的水流作用（圖8.2）。8.2河流的動(dòng)力學(xué)特征

河流中,河床表面高低不平,在突出床面的泥沙顆粒后面,水流會(huì)發(fā)生不同程度的分離,在分離面上卷起漩渦（圖8-3a）,因而,河床周界都是產(chǎn)生紊動(dòng)漩渦的場(chǎng)所。在河床周界附近一旦產(chǎn)生漩渦,其頂部旋轉(zhuǎn)分速與當(dāng)?shù)厮髁魉俜较蛞恢?；而底部則相反（圖8-3b），由此形成的流速水頭生了向上的壓差,使漩渦離開(kāi)河底上升.與此同時(shí)，漩渦還被水流帶向下游。這樣，來(lái)自河底的漩渦逐漸擴(kuò)散遍布全部水流，是整個(gè)水流都具有紊動(dòng)的特征。漩渦在河床周界剛產(chǎn)生時(shí),其尺度受到空間的限制,在上升過(guò)程中直徑逐漸擴(kuò)大。大尺度漩渦挾帶泥沙進(jìn)入主流區(qū),是泥沙懸浮的主要?jiǎng)恿?。二、主流和副流河流中的水體存在著多種方向的運(yùn)動(dòng)。水流沿著河槽總方向的流動(dòng)稱為主流，它一般是在重力作用下產(chǎn)生的，在流動(dòng)過(guò)程中，水流的流線是基本平行的，水流的流速向量也是互相平行的，且都平行于河槽的軸線。副流是在水流內(nèi)部產(chǎn)生的一種大規(guī)模的水流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在這種流動(dòng)中，流線大多呈封閉曲線，副流有時(shí)在主流的邊緣上流動(dòng),有時(shí)則與主流疊加在一起,使整個(gè)水流呈螺旋式的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。副流與紊動(dòng)漩渦不同。紊動(dòng)漩渦一般尺度較小,并且常常是沒(méi)有規(guī)則的,而副流一般規(guī)模較大，而且它們的位置和影響范圍都比較固定。副流可以由重力所引起,也可以由其它作用力(內(nèi)、外力)所引起,它是引起泥沙橫向輸移的主要?jiǎng)恿?，是形成河槽形狀多樣化的重要原因。?duì)泥沙運(yùn)動(dòng)和河床演變影響較大的副流主要有離心力副流、摩擦力副流和異重流。8.2河流的動(dòng)力學(xué)特征當(dāng)水流發(fā)生局部變形時(shí),會(huì)產(chǎn)生分離現(xiàn)象,在分離面上將出現(xiàn)摩擦力,在這個(gè)力的作用下形成的副流,稱為摩擦力副流。河床縱剖面和橫斷面突然變化處所產(chǎn)生的副流就是由摩擦力所引起的。摩擦流通常不疊加在主流上,而是在與主流相接觸處作封閉曲線運(yùn)動(dòng)。由于水流中含沙量或含鹽量分布不均勻,引起水流中不同地區(qū)的重率差異,水流會(huì)從重率大的地方流向重率小的地方,這種副流稱為異重流。它通常出現(xiàn)在水庫(kù)、引水渠和船閘引航道等處,對(duì)這些地區(qū)的泥沙運(yùn)動(dòng)和河床演變有重要的影響。副流包括常見(jiàn)的橫向環(huán)流,而橫向環(huán)流則具有多種成因,離心力副流只是其中的一種.8.2河流的動(dòng)力學(xué)特征三、橫向環(huán)流在彎曲河道中水流作曲線運(yùn)動(dòng)，因此，它受到慣性離心力F的作用,這種力的方向指向水流流線的外法線方向,其數(shù)值可表示為式中，m的質(zhì)量；V為水質(zhì)點(diǎn)的縱向流速；R為水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)跡線的曲率半徑。由于離心力的作用，自由水面的平衡狀態(tài)遭到破壞，因而水面將相應(yīng)的調(diào)整，凹岸水位升高。從而形成橫向水面比降(圖8-4)。根據(jù)水體的橫向動(dòng)力平衡條件,可以推得橫比降Jy的計(jì)算公式為:式中:U為垂線平均流速；g為重力加速度:r為流線曲率半徑:a0為流速分布不均勻系數(shù),一般情況下a0接近于1.0.8.2河流的動(dòng)力學(xué)特征如只要求平均的橫比降,則可用下式式中：U為斷面平均流速;R為平均曲率半徑。由于沿y軸的不同水柱,其垂線縱向平均流速U和曲率半徑R均不相同,因而Jy也不相等,放整個(gè)斷面上的水面線不是一條直線，而是一條曲線。在彎曲的河道中，水柱所受的力有離心力F、水壓力差P和底部摩擦力T，且有：8.2河流的動(dòng)力學(xué)特征摩擦力T數(shù)值較小，可以近似忽略不計(jì)。分析離心力F和壓力差p可知,F與V2成正比，而V沿水深分布不均勻,自河底向水面增大，故離心力F自河底向水面增大；而壓力差p與橫比降Jy成比例,Jy沿水深不變,故p也沿水深不變（p＝Jy?pw?g，pw為水的密度；g為重力加速度）。F與p二者合成的結(jié)果,上層水體所受的力指向凹岸,發(fā)生向凹岸的流動(dòng),而下層水體所受的力指向凸岸，發(fā)生向凸岸的流動(dòng),結(jié)果形成一個(gè)封閉的環(huán)流(圖8-5a)，環(huán)流與主流配合起來(lái),使河道中的水流呈螺旋狀前進(jìn)〈圖8-5b)。這種環(huán)流當(dāng)凹岸在右側(cè)時(shí)為順時(shí)針?lè)较?凹岸在左側(cè)時(shí)為逆時(shí)針?lè)较颉Ｉ鲜鲈?在凹岸往往被沖刷而形成深潭,而在凸岸接受堆積而形成淺灘,從而使同一水流斷面上既有侵蝕作用有又沉積作用。而且河床也發(fā)生了側(cè)向移動(dòng)，凹岸不斷后退，突岸不斷前進(jìn)，使河流的蛇曲愈來(lái)愈發(fā)育.這種現(xiàn)象在平原河流中是屢見(jiàn)不鮮的.8.2河流的動(dòng)力學(xué)特征橫向環(huán)流作用的結(jié)果,使蛇曲發(fā)育的平原河流中總是深槽和淺檻交替出現(xiàn)(圖8-6).而由基巖組成河床的山區(qū)河流,河床中深槽的形成原因則要復(fù)雜得多,它固然與橫向環(huán)流的作用有一定的關(guān)系,但更主要的是取決于當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)結(jié)構(gòu)及巖性條件,往往在斷裂帶、裂隙密集帶以及軟弱巖體分布的部位出現(xiàn)深槽,給水工建筑物的施工和地基處理造成困難。8.2河流的動(dòng)力學(xué)特征在北半球,無(wú)論是南北向河流，還是東西向河流都是指向右岸的，從而形成傾向左岸的橫比降，右岸沖刷，左岸堆積，而在南半球則反之（8-7）。這種力作用，使得平直河段也可產(chǎn)生不對(duì)稱的順時(shí)針?lè)较驒M向環(huán)流。而在河灣地帶，離心力和科氏力則相互影響,從而使環(huán)流加強(qiáng)或削弱。實(shí)際上,因水文條件和河底地形不同,橫向環(huán)流比較復(fù)雜。由于橫向環(huán)流的存在,由水面至深度的水流有較大的速度,侵蝕河床，從深處向上升的底流速度小，使泥沙淤積。即橫向環(huán)流的存在使得水流在同一時(shí)間內(nèi)，既有侵蝕作用又有淤積作用,結(jié)果造成河曲；而河曲又反過(guò)來(lái)加強(qiáng)橫向環(huán)流。8.2河流的動(dòng)力學(xué)特征橫向環(huán)流還可由地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的科里奧利(Coriolis)力作用所形成。地球自轉(zhuǎn)時(shí)不同緯度上各點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度不同。對(duì)河流產(chǎn)生的慣性力(即科氏力)在赤道處最大。課程內(nèi)容：

8.1基本概念及研究意義

8.2河流水動(dòng)力學(xué)特征

8.3水流對(duì)河床的作用及河床的穩(wěn)定性

8.4河床演變的某些基本規(guī)律

8.5河流工程地質(zhì)問(wèn)題分析

8.6河流開(kāi)發(fā)整治的一般原則

一、水流對(duì)河床的作用1.侵蝕作用

河流侵蝕作用是由多種因素決定的,如河床巖體的強(qiáng)度、河水含砂量等,但更主要的因素是河水的流速。假設(shè)凸出于河床中的巖體高度為h,寬為b,長(zhǎng)為l(圖8-8),河水流速為V,則垂直于流向的斷面上,巖體所受水動(dòng)壓力P為:式中:α為與水流狀態(tài)有關(guān)的系數(shù),可實(shí)測(cè)?？梢?jiàn)，流速V的大小對(duì)水動(dòng)壓力P的大小起很重要的作用,而河水含砂量的多少取決于河水密度ρw的大小。8.3水流對(duì)河床的作用及河床的穩(wěn)定性巖體受水動(dòng)壓力的作用,有可能沿其底面(圖8-8中虛線所示)滑動(dòng)破壞,此時(shí)由水動(dòng)壓力P引起的可能滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力τ為：若巖體抗剪強(qiáng)度為s,如果τ<s,即流速較小時(shí)。巖體不會(huì)破壞;如果流速V增加到臨界值Vcr,時(shí),τ=s,巖體處于極限平衡狀態(tài):一旦流速V超過(guò)Vcr，τ>s時(shí),巖體遭到侵蝕破壞，由上面的公式可導(dǎo)出臨界流速Vcr。對(duì)于整體的硬巖體來(lái)說(shuō),內(nèi)聚力C是很大的,故當(dāng)b≈h的情況下，侵蝕臨界流速Vcr也很大,是天然河流最大流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的數(shù)值,因此,自然河流不可能侵蝕完整的巖體,只能沿著巖體內(nèi)聚力很小的裂隙進(jìn)行侵蝕.8.3水流對(duì)河床的作用及河床的穩(wěn)定性

以上在推導(dǎo)Vcr公式時(shí),假定水流方向垂直于沖刷面。若流向與沖刷面有一偏角,此偏角換算出實(shí)際流速V在垂直于沖刷面方向的分速,然后再與Vcr相比較,以判斷凸出巖體是否被沖刷掉。在水工建筑物和橋梁建筑中研究河床的沖蝕深度問(wèn)題具有實(shí)際意義。如壩后沖刷坑可能影響到大壩以及其它水工建筑物的穩(wěn)定性。

以上討論的是由堅(jiān)硬巖體組成的河床侵蝕問(wèn)題.關(guān)于由松軟土組成的河床侵蝕原理,基本上與侵蝕堅(jiān)硬巖體的河床相同。但由于土的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)小于巖體,且土在水中物理力學(xué)性質(zhì)往往容易惡化,所以土的Vcr值較小,而且它與侵蝕作用的關(guān)系也相當(dāng)復(fù)雜。而對(duì)于無(wú)粘性的砂土、礫土等的侵蝕問(wèn)題,實(shí)際上是搬運(yùn)作用的問(wèn)題。因?yàn)檫@類土體沒(méi)有內(nèi)聚力,只要水流能推動(dòng)土粒移動(dòng)或懸浮,也就使之遭到侵蝕破壞。8.3水流對(duì)河床的作用及河床的穩(wěn)定性2.搬運(yùn)和沉積作用河流能否搬運(yùn)水流中的土石顆粒，起決定作用的因素仍然是河水的流速。搬運(yùn)方式有兩種：一種是流水使砂礫等沿河底推移；另一種則是細(xì)小物質(zhì)在水中呈懸浮狀態(tài)移動(dòng)，稱懸浮。砂礫在河床中受流水作用，假設(shè)顆粒為球狀，直徑為d，則由式（8-10)可知其所受到的水動(dòng)壓力為：而砂礫滾動(dòng)阻力T為：式中:f為滾動(dòng)摩擦系數(shù)；M為顆粒質(zhì)量。M=π(ρ-ρw)d8/6為顆粒密度。如P=T，則土顆粒處于極限平衡狀態(tài)，此時(shí)的水流流速稱為推移臨界流速Vcr‘，亦即由松散土構(gòu)成的河床的侵蝕沖刷臨界速度。8.3水流對(duì)河床的作用及河床的穩(wěn)定性由有：

如Vcr′以m/s為單位,d以mm為單位,則根據(jù)實(shí)際觀測(cè)有:當(dāng)d<400mm,在進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查時(shí),可根據(jù)上式估計(jì)流速,或根據(jù)流速估計(jì)粒徑。當(dāng)水流流速很大時(shí),原來(lái)在河底推移的土石顆位相互碰撞而跳躍,甚至離開(kāi)河底面懸浮移動(dòng)。當(dāng)水流垂直向上的流速分量為U時(shí),浮力P’為顆粒發(fā)生懸浮，需要克服其重力Q：當(dāng)P=Q時(shí),土石顆拉開(kāi)始懸浮,此時(shí)垂直向上的水流分速稱為懸浮臨界分速Ucr,即：8.3水流對(duì)河床的作用及河床的穩(wěn)定性河流中的紊流,其瞬時(shí)流速V與垂直分速U大體成正比,由實(shí)驗(yàn)可得：則可得懸浮臨界流速即有：綜上，三種作用主要取決于其流速的大小，而流速隨時(shí)間和空間不斷地變化著（從上游到河口流速不同；在一個(gè)斷面的不同部位也有變化）。因此，三種作用是密切聯(lián)系的，在不同的地點(diǎn)，因具體條件差異而有不同的表現(xiàn)，其結(jié)果便形成了不同的侵蝕和堆積地貌。值得指出的是，由于各種副流的存在，使河流作用的過(guò)程更加復(fù)雜化。8.3水流對(duì)河床的作用及河床的穩(wěn)定性二、河床穩(wěn)定性1.造床流量在天然河流中，水位、流量等均是不斷變化的，在研究河床演變和從事工程規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，往往需要有確定的水位和流量作為依據(jù)；為此，提出了造床流量的概念。目前，廣泛使用的方法是采用平灘流量作為造床流量。所謂平灘流量是指當(dāng)水位達(dá)到河漫灘或邊灘灘緣高度時(shí)的相應(yīng)流量。這是因?yàn)楫?dāng)水位達(dá)到這一高度時(shí),水流的造床作用最大，水位再升高，造床作用不僅不增強(qiáng)，反而會(huì)有某些削弱。8.3水流對(duì)河床的作用及河床的穩(wěn)定性2.河床穩(wěn)定性指標(biāo)在河床演變研究中,有時(shí)并不需要對(duì)河床變形作出精確的定量計(jì)算,只要求對(duì)河床的穩(wěn)定性作出一般性的評(píng)價(jià),這時(shí)應(yīng)用河床穩(wěn)定性指標(biāo)十分方便。1)縱向穩(wěn)定性指標(biāo)河床的縱向穩(wěn)定性決定于水流對(duì)泥砂顆粒的作用力與河底泥砂抵抗運(yùn)動(dòng)的力之間的關(guān)系,故縱向穩(wěn)定性指標(biāo)可表示為：式中,τ為水流切力；τcr為泥沙起動(dòng)切力。

上式,可以改寫(xiě)成不同的形式:式中，V為平均流速:Vcr‘為臨界推移流速；H為平均水深；J為河流水面縱比降，d為河床泥沙粒徑。8.3水流對(duì)河床的作用及河床的穩(wěn)定性式(8-24)稱為洛赫金公式,如d以mm為單位,J以mm/m為單位(‰).我國(guó)河流的一些資料為：長(zhǎng)江荊江彎曲型河段K1=2.9~4.1；黃河高村以上游蕩型河段K1=0.31~0.43；黃河高村以下過(guò)渡性河段K1=0.42~0.54。(2)橫向穩(wěn)定性指標(biāo)河流橫向穩(wěn)定性多根據(jù)河床的橫向變形結(jié)果來(lái)分析。如阿爾杜寧公式為:式中：Q為造床流量；B為相應(yīng)于造床流量的河寬；J為相應(yīng)于造床流量的水而縱比降,K2應(yīng)愈大愈不穩(wěn)定,我國(guó)一些河流的K2指標(biāo)為：長(zhǎng)江荊江彎曲型河段K2＝0.64~1.15；黃河高村以上游蕩河段K2=2.23~5.41。8.3水流對(duì)河床的作用及河床的穩(wěn)定性(3)綜合穩(wěn)定性指標(biāo)將縱向穩(wěn)定性指標(biāo)與橫向穩(wěn)定性指標(biāo)聯(lián)系在一起,即得綜合性穩(wěn)定指標(biāo)。如黃河游蕩性指標(biāo)：式中：Bt為最大洪水河寬:B為平灘河寬.ΔQ為一次洪峰上漲幅度；Q為造床流量（平灘流量）；T為洪峰歷時(shí)。根據(jù)長(zhǎng)江及黃河資料有：K3>10游蕩型河段；K3<0.3非游蕩型河段；0.3<K3<10過(guò)渡型河段8.3水流對(duì)河床的作用及河床的穩(wěn)定性3、河相關(guān)系式處于平衡或準(zhǔn)平衡狀態(tài)的河流,其河床形態(tài)與流域來(lái)水、來(lái)砂條件和河床邊界條件之下最適宜的河床形態(tài)，因此，它對(duì)于預(yù)測(cè)河床變形、規(guī)劃河道整治工程都具有重要的意義。(l)河床縱剖面的河相關(guān)系一些人認(rèn)為,河床縱比降與河床沙粒徑間存在一定關(guān)系,如阿爾杜寧根據(jù)中亞河流資料得到d=4710J0.9

(8-27)式中：d為床沙粒徑,以mm計(jì)；J為河床縱比降,以百分率計(jì)。對(duì)黃河干支流求得J=3.5d1.3(8-28)對(duì)長(zhǎng)江荊江段求得J=3.86d2.181(8-29)8.3水流對(duì)河床的作用及河床的穩(wěn)定性另一些人認(rèn)為流量是塑造河床縱剖面形態(tài)的主要因子,如雷布金根據(jù)蘇聯(lián)俄羅斯河流資料得出J=0.00378/Q0.35(8-30)式中：Q為平均流量,以m3/s計(jì)(2)河床橫斷面的河相關(guān)系河床寬度與深度也有一定的河相關(guān)系,可用下式表示K＝B0.5/H(8-31)同樣，K值愈大河床愈不穩(wěn)定.如：黃河下游游蕩性河段K=20-4，黃河下游彎曲性河段彎曲部分K=2-6，長(zhǎng)江荊江彎曲性河段K＝2-4。8.3水流對(duì)河床的作用及河床的穩(wěn)定性課程內(nèi)容：

8.1基本概念及研究意義

8.2河流水動(dòng)力學(xué)特征

8.3水流對(duì)河床的作用及河床的穩(wěn)定性

8.4河床演變的某些基本規(guī)律

8.5河流工程地質(zhì)問(wèn)題分析

8.6河流開(kāi)發(fā)整治的一般原則

一、河床演變的規(guī)律性河床演變是指河床在自然或在人工干擾時(shí)所產(chǎn)生的變化。主要包括河床在垂直和水平方向上的位移、河床的形狀尺寸的改變等。如，河床因沖刷而下切，因淤積而抬高；河流一岸沖刷，另一岸淤積而在平面上擺動(dòng)；河床中各種泥沙沖積物在水流作用下的移動(dòng)和變形等。河床演變是水流與河床相互作用的反映，而這種相互作用是通過(guò)它們之間的泥沙交換來(lái)實(shí)現(xiàn)。受紊動(dòng)水流特征制約。河底是泥沙交換的場(chǎng)所，若沖刷掀起的顆粒平均數(shù)等于沉積到河底的數(shù)量,則泥沙交換是平衡的，不會(huì)產(chǎn)生單向的河床變形；如交換不平衡，就會(huì)產(chǎn)生單向的河床變形，或沖刷或淤積。河床演變過(guò)程是水流與河床這對(duì)矛盾自動(dòng)調(diào)整的過(guò)程，通過(guò)河流的輸沙能力來(lái)實(shí)現(xiàn)。水流的輸沙能力是指在一定的條件下水流所能輸送的泥沙數(shù)量，它決定于水流的特性和水流中挾帶的泥沙顆粒的性質(zhì)。它與各要素之間的關(guān)系通常表示為：8.4河床演變的某些基本規(guī)律式中：ρ0為水流的輸沙能力,即飽和含沙量(kg/m3）；V為水流斷面平均流速(m/s)；ω為懸移質(zhì)泥沙平均沉速(m/s);K’為實(shí)測(cè)系數(shù)(kg/m3)。水流的輸沙能力與流速的立方成正比。任一河段，在一定水流和泥沙條件下，水流具有一定的輸沙能力。如果上游的來(lái)沙量與這一輸沙能力相適應(yīng)，則水流處于輸沙平衡狀態(tài)，水流與河床間的泥沙交換將達(dá)到平衡，此時(shí)河床既不沖刷，也不淤積。反之，水流處于輸沙不平衡狀態(tài)，水流與河床之間的泥沙交換是不平衡的，河床將發(fā)生相應(yīng)的沖刷變化當(dāng)上游的來(lái)沙量大于水流輸沙能力時(shí)，水流中過(guò)多的泥沙顆粒逐漸淤積，使河床淤高；當(dāng)來(lái)沙量小于輸沙能力時(shí)水流中不足的泥沙數(shù)量將逐漸自河底得到補(bǔ)充，使河床沖深。8.4河床演變的某些基本規(guī)律河床的沖淤變化使水流和泥沙條件改變,又引起輸沙能力的改變,從而又形成新的沖淤特征?？梢?jiàn),河床的沖淤變化起因于輸沙平衡的破壞。而河床沖淤變化又是向著恢復(fù)輸沙平衡的方向發(fā)展的，這種水流與河床的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用制約著河床演變過(guò)程的基本規(guī)律。對(duì)于山區(qū)河流、平原河流及潮汐河流,由于水流和河床因素皆不相同,因而其河床演化規(guī)律也是截然不同的。潮汐河流是河流匯入海洋的區(qū)段。在此區(qū)段內(nèi)，兼具有河流和海洋的動(dòng)力因素,形成了特殊的自然條件,產(chǎn)生了獨(dú)特的河床演變過(guò)程。以下對(duì)山區(qū)和平原河流的侵蝕、沉積規(guī)律加以討論。8.4河床演變的某些基本規(guī)律二、山區(qū)河流的侵蝕、沉積規(guī)律山區(qū)坡面陡峻、巖石裸露、徑流系數(shù)大、匯流時(shí)間短，因而河流洪水暴漲暴落，河流的流量變幅很大。加之河谷斷面狹窄，調(diào)蓄能力低，河流水位變幅也很大，洪枯水位差可達(dá)數(shù)米、數(shù)十米不等。河流水量的補(bǔ)給主要來(lái)自暴雨徑流，因而洪水期歷時(shí)短，枯水期歷時(shí)長(zhǎng)，缺少穩(wěn)定的中水期。山區(qū)河流的泥沙主要來(lái)自汛期暴雨的沖刷，平時(shí)極少。含泥沙量的大小主要取決于流域特征，當(dāng)流域巖石風(fēng)化強(qiáng)烈、植被覆蓋少時(shí)，含泥沙量自然較高，甚至在山洪暴發(fā)時(shí)形成泥石流，山區(qū)河流主要為水流下切，堆積很少，河床多為基巖，僅寬谷出處有卵石和礫石堆積。8.4河床演變的某些基本規(guī)律河谷的平面形態(tài)與地質(zhì)構(gòu)造及基巖性質(zhì)有密切關(guān)系，因構(gòu)造和巖性的差異，平面上河谷經(jīng)常呈狹谷段或?qū)捁榷蜗嚅g的藕節(jié)狀外形，而河谷寬窄處的沖積物特證也不相同，一般寬谷處階地發(fā)育，有河漫灘、心灘等，山區(qū)河流縱剖常呈上凸曲線型，同時(shí)，由于沿河構(gòu)造和巖性的差異，存在許多折點(diǎn)。山區(qū)河流水面坡降大，絕大多數(shù)都超過(guò)1％,比降沿程分布極不均勻，因而河水流速較大，一般>2m/s，在某些急流河段，流速高達(dá)7-8m/s，但在緩流河段上，流速也有小于1m/s的。由于河床形態(tài)極不規(guī)則，河水流態(tài)十分紊亂，流象極為險(xiǎn)惡。由于河床上存在急彎等局部障礙物，這些地方往往產(chǎn)生較大的橫比降，引起較強(qiáng)的橫流。山區(qū)河流挾帶的泥沙多為細(xì)砂、粉砂和粘土,而河床的組成多為基巖、卵石和塊石，二者性質(zhì)迥然不同。因此，懸移質(zhì)含泥沙量一般處于不飽和狀態(tài)，挾運(yùn)的泥沙都可看作沖瀉質(zhì)。山區(qū)河流河床多為基巖構(gòu)成，僅在寬谷段有局部淤識(shí)，且主要為漂石和卵石。因顆粒較粗，只有在較大洪水時(shí)才能起動(dòng)，加上流速沿程變化的不連續(xù)性，因而推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)具有間歇性。8.4河床演變的某些基本規(guī)律總的說(shuō)來(lái)，山區(qū)河流由于河谷比降陡、平均流速高，水流具有較大的輸沙能力，且遠(yuǎn)大于其實(shí)際的輸沙量，故為侵蝕性河床，河床變形以下切為主。又因山區(qū)河床抗沖蝕能力很強(qiáng)，河床下切速度極其緩慢。因此，在一般工程問(wèn)題中，可以認(rèn)為基本上是不變的，即當(dāng)成固定河床看待。但在某些河段內(nèi)，在特殊的水文條件和邊界條件下，河床中也會(huì)產(chǎn)生卵石和泥沙堆積，并在水流作用下產(chǎn)生顯著的沖淤變形。如峽谷與寬谷相間地段的寬谷河床中可形成淺灘,汛末水位回落,河床刷深,從而產(chǎn)生以年為周期的沖淤變化.此外,山區(qū)河流還常因某些特殊外部因素作用,使河床產(chǎn)生劇烈沖淤變化。如地震、山崩、滑坡等地質(zhì)作用,能在極短時(shí)間內(nèi)將大量物質(zhì)推入河中,堵塞河床,劇烈地改變上下游水流情況,從而引起河床的急劇變化。泥石流擠壓主流通道，也會(huì)引起河床劇烈變化。8.4河床演變的某些基本規(guī)律三、平原河流的侵蝕、沉積規(guī)律大中型河流的中下游多流經(jīng)廣闊沖積平原地區(qū)，這類地區(qū)坡度平緩，土壤疏松，降水后徑流系數(shù)小，匯流時(shí)間長(zhǎng)。洪水的起漲和回落都比較平緩，持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)。故平原河流雖然流量較大，但流量和水位的變幅較小，具有穩(wěn)定的中水期。平原河流來(lái)沙量主要是流域表面的土壤侵蝕，且主要集中在汛期幾個(gè)月內(nèi)，特別是來(lái)自幾次較大的洪水過(guò)程。對(duì)不同年份而言，一般水量較豐年份帶來(lái)的泥沙量也較大。河流含沙量視流域的土壤、植被和水土保持情況不同而有很大的差別。平原河流以沉積作用為主，在河谷中形成了深厚沖積層，水流在沖識(shí)層中流過(guò)，塑造自己的河床形態(tài)。沖積層一般較厚，可達(dá)數(shù)十米甚至數(shù)百米。縱剖面上，平原河流多為下凹的曲線，沒(méi)有顯著的臺(tái)階狀變化，但由于水流與河床相互作用，常出現(xiàn)波浪狀起伏狀態(tài)，沿程深槽與淺灘相間；橫斷面上平原河流形態(tài)視不同河段而異，在順直過(guò)渡段多為對(duì)稱拋物線形或矩形，在彎曲河段彎頂多為不對(duì)稱三角形或拋物線型，在分叉河段中則為W形，而散亂河段則極不規(guī)則。8.4河床演變的某些基本規(guī)律平原河流水面比降小，一般在千分之一以下，甚至有不到萬(wàn)分之一的，因而水流平均流速也不大，一般在2-3m/S以下。水流流態(tài)平穩(wěn)，僅在一些局部地段會(huì)出現(xiàn)回流、橫流等流態(tài)，但強(qiáng)度通常不大。河流中懸移質(zhì)泥沙以砂、粉粒和粘土顆粒為主；推移質(zhì)泥沙多為中、細(xì)砂，只有出峽谷不遠(yuǎn)處才有一些小卵石。推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)以沙波形式進(jìn)行。平原河流河床演變主要表現(xiàn)為河床循環(huán)性的往復(fù)變形，特別是河床的平面變遷和河床中泥沙堆積體的運(yùn)動(dòng)變化。由于河床均由中、細(xì)砂等松散物質(zhì)組成，在水流作用下很容易發(fā)生變形，因此，平原河流沖淤變化較快，沖淤變化幅度也較大。地上懸河是平原河流的特殊類型，我國(guó)黃河下游便是典型的地上懸河。所謂地上懸河是指河床高于其兩岸地面的河流。這種河流的河床具有典型的易變性特點(diǎn)，使河道不斷擺動(dòng)，形成變動(dòng)的蛇曲帶，地上懸河地區(qū)沉積物在平面上往往呈網(wǎng)狀分布規(guī)律，由較粗的細(xì)砂粒和粗粉粒組成的蛇曲帶相沉積物呈現(xiàn)條帶狀分布的特點(diǎn)。而由細(xì)粉粒和粘粒組成的泛濫洼地相沉積物則被蛇曲分割為塊狀。在剖面上，則呈現(xiàn)蛇曲帶相沉積物和泛濫洼地相沉積物交替重疊分布。8.4河床演變的某些基本規(guī)律課程內(nèi)容：

8.1基本概念及研究意義

8.2河流水動(dòng)力學(xué)特征

8.3水流對(duì)河床的作用及河床的穩(wěn)定性

8.4河床演變的某些基本規(guī)律

8.5河流工程地質(zhì)問(wèn)題分析

8.6河流開(kāi)發(fā)整治的一般原則

在河流上修建各種建筑物，必然會(huì)產(chǎn)生各種工程地質(zhì)問(wèn)題。特別是由于工程建筑的興建，必然對(duì)地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生各種影響，從而產(chǎn)生環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題。研究河流地質(zhì)作用的工程目的，正是為了預(yù)見(jiàn)工程建筑興建后可能產(chǎn)生的工程地質(zhì)問(wèn)題，并從工程要求、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境質(zhì)量角度綜合分析工程建筑的合理性，作出工程建筑的可行性結(jié)論，并為工程的處理、河流的整治提供有效的措施。8.5河流工程地質(zhì)問(wèn)題分析一、水庫(kù)淤積——壅水淤積、異重流淤積建庫(kù)后，因洪水期渾水進(jìn)入壅水段，泥沙擴(kuò)散到全斷面，隨著挾沙能力沿流程降低，泥沙沉積于庫(kù)底，且粗粒沉積于上游，細(xì)粒沉積在下游，形成淤積三角洲，這就是壅水淤積。由于三角洲過(guò)水?dāng)嗝鏈p小，流速增大，挾沙能力提高，淤積范圍便向下游推移，淤積物較均勻地分布于庫(kù)底，庫(kù)容逐漸為泥沙所填滿。壅水淤積所形成的三角洲不斷提高，庫(kù)尾水深不斷變淺，流速增大，同時(shí)使壅水末端向上游移動(dòng)（圖8-9)。其結(jié)果使淤積末端超過(guò)最高庫(kù)水位與原河床的平交點(diǎn)，形成翹尾巴。8.5河流工程地質(zhì)問(wèn)題分析水庫(kù)淤積末端的上延程度用上延系數(shù)來(lái)表示（圖8-10）：清水或少泥沙河流水庫(kù)ξ可小于1；多泥沙河流最大可達(dá)1.4~1.5。水庫(kù)翹尾巴形成,使得上游河床淤高,可引起許多不良后果,如淹沒(méi)、浸沒(méi)、地陷、航道紊亂、土攘鹽堿化等?？刂坡N尾巴,可通過(guò)控制庫(kù)水位(降低平交點(diǎn))或利用上游水庫(kù)泄放清水沖刷下游水庫(kù)末端等措施實(shí)現(xiàn)。異重流淤積：當(dāng)入庫(kù)水流含沙量高，并有足夠的流速時(shí)，渾水進(jìn)入壅水段后可不與清水混淆擴(kuò)散而潛入清水之下，沿庫(kù)底向下游繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，并可一直運(yùn)行到壩前，并在回流作用下使水庫(kù)變渾，細(xì)顆粒緩緩落于庫(kù)底(圖8-11)，多見(jiàn)于多泥沙河流中。如果及時(shí)開(kāi)啟排沙底孔閘門(mén)，異重流渾水即能排出庫(kù)外。對(duì)于異重流可建立其連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程，得出其運(yùn)動(dòng)和發(fā)展規(guī)律，并根據(jù)水流特征預(yù)測(cè)其淤積量。8.5河流工程地質(zhì)問(wèn)題分析二、壩下游河床再造建庫(kù)改變了下游河道的水動(dòng)力條件,破壞了河床原有平衡狀態(tài),引起下游河床再造，建立新的平衡河道。建庫(kù)后，下泄水流對(duì)下游河床產(chǎn)生沖刷作用。下游沖刷有時(shí)可達(dá)到很長(zhǎng)的距離。如漢江丹江口水庫(kù)自1974年建成以來(lái)，沖刷現(xiàn)象己擴(kuò)展到距大壩500km。沖刷：深切侵蝕和橫向擴(kuò)展。綜合影響可促使河流游蕩程度的改變，甚至發(fā)生河流型式的轉(zhuǎn)變。當(dāng)下切起主導(dǎo)作用時(shí)，河床往往向穩(wěn)定方向發(fā)展，原來(lái)的游蕩性河床向彎曲型轉(zhuǎn)化。而展寬作用起主導(dǎo)作用時(shí)，原來(lái)的彎曲型河床可向游蕩型轉(zhuǎn)化。如三門(mén)峽水庫(kù)修建后，下游河床下切作用加強(qiáng)使游蕩性河段表現(xiàn)出向?yàn)城秃恿靼l(fā)展。8.5河流工程地質(zhì)問(wèn)題分析三、河流地質(zhì)作用與工程建筑的關(guān)系侵蝕作用，威脅著緊靠河岸，甚至遠(yuǎn)離河岸建筑物的安全。河底沖刷，威脅跨河建筑物（如橋梁、堤壩）地基的穩(wěn)定性。側(cè)向侵蝕，會(huì)引起岸坡滑坡、崩塌等。搬運(yùn)和沉積作用，使碼頭、取水建筑物等發(fā)生淤塞降低效能。水庫(kù)淤積作用會(huì)降低水庫(kù)的效能；更為嚴(yán)重的是，由于河床的淤淺、淤高，形成地上懸河，在洪水季節(jié)造成河流決口，甚至改道，帶來(lái)極大的災(zāi)害。我國(guó)黃河下游河段就是這樣的河道。8.5河流工程地質(zhì)問(wèn)題分析壩后沖刷，也對(duì)水工建筑物穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。如湖南肖水雙牌電站支墩壩溢流段壩后沖刷坑對(duì)大壩穩(wěn)定性造成不良影響。該壩址為中下泥盆統(tǒng)板巖、砂質(zhì)板巖、細(xì)砂巖、石英砂巖互層，巖層走向近南北，傾向西（下游）（圖8-12）為了保證壩基巖體穩(wěn)定，施工中對(duì)壩基下一定深度內(nèi)的軟弱破碎夾層進(jìn)行了開(kāi)挖處理。自1961年正式蓄水以來(lái)，大壩下游經(jīng)多次溢洪沖刷形成了沖刷坑，并逐年加深。1968年發(fā)生大洪水，當(dāng)庫(kù)水位升至169.59m(正常水位高170m)時(shí)溢洪，發(fā)現(xiàn)沖刷坑在原來(lái)的基礎(chǔ)上加深了3-8m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)原設(shè)計(jì)的預(yù)計(jì)深度，其中2-3支墩后深潭由于集中沖刷的結(jié)果，深度最大，將深部的軟弱破碎夾層切斷臨空，并使右岸邊坡下部掏空。這樣，一方面危及了大壩的安全，另一方面又嚴(yán)重地影響右岸灌溉渠道的穩(wěn)定。所以采用了錨索加固壩基，并將灌溉渠道從渠首至沖刷坑下游的一段改為隧洞引水。8.5河流工程地質(zhì)問(wèn)題分析現(xiàn)代河流沉積物的組成、分布及性質(zhì)與工程建筑的穩(wěn)定性關(guān)系甚大。如，華北山區(qū)深切河谷中堆積有深厚的卵石層，壩基滲漏問(wèn)題相當(dāng)嚴(yán)重。華北和東北兩大平原的河流堆積物，許多是具有觸變性的飽水粉細(xì)砂土，在1975年海城—營(yíng)口和1976年唐山—豐南兩次大地震時(shí)，大范圍砂土液化所造成的災(zāi)害極為嚴(yán)重。此外，由于河流侵蝕切割的卸荷作用，引起河谷臨空面附近巖體回彈變形、應(yīng)力重分布，而形成近平行臨空面的張性卸荷節(jié)理。通常在谷底以下可發(fā)育一組與基巖表面近于平行的水平板狀裂隙，一般開(kāi)口良好，甚至造成空洞，有的被水流進(jìn)一步?jīng)_蝕擴(kuò)大，形成河谷下的強(qiáng)滲透水帶。谷坡一帶由于側(cè)向臨空，卸荷裂隙的形成更加多樣化，這種卸荷裂隙的存在，是斜坡穩(wěn)定性的不利因素。8.5河流工程地質(zhì)問(wèn)題分析四、河流環(huán)境工程地質(zhì)兩個(gè)例子：埃及阿斯旺高壩1971年建成。（1）1981年11月發(fā)生5.3級(jí)水庫(kù)誘發(fā)地震，微震頻繁；（2）因水庫(kù)位于酷熱的努比亞沙漠上，蒸發(fā)量大，庫(kù)水含鹽量增加，加重了尼羅河下游沿岸耕地的鹽堿化；（3）由于下游地下水位降低，土地沙化加劇。（4）過(guò)去尼羅河每年的洪水可以挾帶大量淤泥堆積在下游沿岸的綠洲，并從土地中濾掉鹽分，水庫(kù)破壞了這個(gè)天然的再生和凈化系統(tǒng)，土地比以前貧瘠多了。（5）由于河水含沙量大幅度下降，泥沙的淤積不能彌補(bǔ)海水的沖刷，使尼羅河三角洲海岸不斷遭海水侵蝕，海岸線后退。（6）沙丁魚(yú)幾乎滅絕，下游居民血吸蟲(chóng)病發(fā)病率明顯增加。8.5河流工程地質(zhì)問(wèn)題分析三門(mén)峽水庫(kù)1960年建成。（1）泥沙淤積，庫(kù)容迅速損失，至1964年汛后，335m以下庫(kù)容已損失43%，年均損失近109m3，若不采取措施，水庫(kù)將在30年后失效。50年后全部淤滿。（2）水庫(kù)淤積范圍外延，嚴(yán)重威脅關(guān)中地區(qū)以西安為中心的工農(nóng)業(yè)基地，水庫(kù)蓄水后，庫(kù)周地下水位普遍上升。1960年9月至1961年底高水位蓄水期壩址段上升8——36m，庫(kù)區(qū)上游和渭河兩岸上升2-4m。（3）地下水位上升和浸沒(méi)所造成的主要危害是黃土濕陷、裂縫、滑坡、房屋和水井倒塌、地下水質(zhì)惡化、土地沼澤化和鹽漬化。（4）至1985年底庫(kù)區(qū)內(nèi)發(fā)生較大塌岸28處，增加了水庫(kù)泥沙量，侵占有效庫(kù)容，并破壞農(nóng)田，威脅村莊和人畜的安全。8.5河流工程地質(zhì)問(wèn)題分析對(duì)河流工程所產(chǎn)生的環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題的評(píng)價(jià)，應(yīng)在工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)環(huán)境地質(zhì)要素。如工程地質(zhì)條件、自然地理、地球化學(xué)特征，已有自然地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的評(píng)價(jià)；區(qū)域資源開(kāi)發(fā)利用對(duì)環(huán)境的影響，地區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化發(fā)展?fàn)顩r及可能采用的發(fā)展方案等，并在此基礎(chǔ)上利用系統(tǒng)工程、控制理論，采用推演、類比和物理模擬、數(shù)學(xué)模擬的方法，預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的類型、規(guī)模、分布、發(fā)生時(shí)間和對(duì)環(huán)境要素的影響；最終正確估價(jià)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量，為河流的開(kāi)發(fā)、工程建筑的興建提供依據(jù)。8.5河流工程地質(zhì)問(wèn)題分析課程內(nèi)容：

8.1基本概念及研究