CH河流侵蝕和淤積的工程地質(zhì)

工程地質(zhì)學(xué)ENGINEERINGGEOLOGY主講人：劉歲海lecturer：LiuSuihai

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(wèn)題河流的開(kāi)發(fā)與整治主要內(nèi)容(MainTopics)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(lèi)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(chēng)為加深作用，常出現(xiàn)在瀑布或水水壩下方，流水水急速由高高往下侵蝕，使得河床床加深。河流的下蝕蝕作用下蝕作用的的過(guò)程河流的下蝕蝕作用下蝕作用的的結(jié)果———峽谷地貌虎跳峽三峽河流的側(cè)蝕蝕作用由于河水慣性離離心力的作用使河河水沖向彎彎曲河床的的凹岸，造造成凹岸被被侵蝕，而而凸岸水流流減緩，在在凸岸河水水?dāng)y帶的泥泥沙就會(huì)沉沉積，河床床不斷加寬寬，河曲的的曲度變大大，形成蛇曲河。蛇曲河最最后會(huì)裁彎彎取直。廢廢棄的彎曲曲河道稱(chēng)為為牛軛湖。凸岸沉積凹岸侵蝕河流的側(cè)蝕蝕作用側(cè)向侵蝕又稱(chēng)為加寬作用，彎曲的河道，，水流向兩側(cè)侵蝕，使得河床床加寬。外外側(cè)的流速比內(nèi)內(nèi)側(cè)快。蛇曲河下蝕作用與與側(cè)蝕作用用的關(guān)系時(shí)間上河流發(fā)育的的早期以下蝕作用為為主，隨著著坡度減小小，逐漸轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為以側(cè)蝕蝕作用為主主。空間上河流的上游游以下蝕作用為為主，河流流的下游以以側(cè)蝕作用用為主。向源侵蝕又稱(chēng)為加長(zhǎng)作用。河流源頭部分受地下下湧出的泉泉水或雨水水影響，常會(huì)造成河道往往上加長(zhǎng)現(xiàn)象。河流的沉積積作用河流搬運(yùn)物物從河水中中沉積下來(lái)來(lái)的過(guò)程稱(chēng)河流沉積積作用。。河流沉積作作用的主要要方式是機(jī)械沉積作作用。引起河流機(jī)機(jī)械沉積作作用的主要要原因是河水流速的降低，導(dǎo)致機(jī)械械動(dòng)能的減減小，使河河流的搬運(yùn)運(yùn)能力降低低而發(fā)生沉沉積。根據(jù)沉積的的部位分為為：山口沉積作用谷底沉積作作用河口沉積作作用山口沉積作用谷底沉積作作用河口沉積作作用河流的沉積積作用山口沉積作用山口沉積作用用：來(lái)自山區(qū)區(qū)的河流流，攜帶帶著大量量機(jī)械搬運(yùn)運(yùn)物到山口開(kāi)開(kāi)闊的平平地上，，由于河床坡降降減小，水水流無(wú)地地形約束束而散開(kāi)開(kāi)，河水動(dòng)力力突然大大大減小，，機(jī)械搬搬運(yùn)能力力迅速降降低，搬搬運(yùn)物就就會(huì)山口口沉積下下來(lái)。山口沉積積物常形形成扇狀狀地貌：：沖積扇。河流的沉沉積作用用谷底沉積積作用：谷底包括括兩部分分。一部部分是被被河水所所覆蓋的的河床，在河床床上產(chǎn)生生的沉積積作用稱(chēng)稱(chēng)河床沉積積；另一部部分是平平水位時(shí)時(shí)谷底未未被河水水所淹沒(méi)沒(méi)的平坦坦地形———河漫灘。河漫灘沉積心灘地貌貌邊灘地貌貌河流的沉沉積作用用河口沉積積作用：河口是河河流最主主要的沉沉積場(chǎng)所所。當(dāng)河河流入湖湖泊、海海洋時(shí)受受湖水或或海水的的頂托，流速迅迅速減小小，使河河水搬運(yùn)運(yùn)能力減減弱甚至至消失，，大量機(jī)機(jī)械搬運(yùn)運(yùn)物質(zhì)在在河口沉沉積下來(lái)來(lái)。另一一方面由由于湖水水、海水水中富含含有電解解質(zhì)，當(dāng)當(dāng)河流中中以膠體體搬運(yùn)的的溶運(yùn)物物與湖水水、海水水相混合合后，海海水中的的電解質(zhì)質(zhì)破壞了了膠體的的穩(wěn)定性性，致使使膠體凝凝聚，而而沉積在在河口。。河流的沉沉積作用用在河流流流入湖泊泊或海洋洋的地方方，河流流沉積物物常形成成錐形的的沉積地地貌（其其外形象象三角形形）稱(chēng)為為三角洲。河流怎樣運(yùn)送搬運(yùn)物？懸移溶液推移躍移河流能量量愈高，能運(yùn)送的搬運(yùn)物就愈大大。巖石的礦礦物被河河水溶解解後，隨河水流流向下游游。溶解質(zhì)細(xì)小的砂砂泥懸浮浮在水，，隨河水流向下下游。懸移質(zhì)較重的石石塊沿河河床跳躍躍前進(jìn)。推移質(zhì)體積很大大的石塊塊沿河床床或。滾動(dòng)滑動(dòng)當(dāng)河流失去去能量時(shí)時(shí)會(huì)怎樣？河流能量量下降時(shí)時(shí)，先沉積。。接著是較細(xì)小小的石頭頭。最後是幼幼細(xì)的砂砂石如或。因此，靠靠近河口口處會(huì)有有較多，遠(yuǎn)離河河口處會(huì)會(huì)有較多多。黏土卵石卵石泥泥第二節(jié)河河流流的動(dòng)力力學(xué)特征征一、河流的紊紊流特征征據(jù)流體內(nèi)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)移動(dòng)狀狀態(tài)層流：水質(zhì)點(diǎn)作作井然有條條、互不不混雜的運(yùn)動(dòng)時(shí)時(shí)稱(chēng)為層層流。紊流：水質(zhì)點(diǎn)作作不規(guī)則的的相互混混雜運(yùn)動(dòng)動(dòng)的時(shí)稱(chēng)為為紊流。。二、橫向向環(huán)流主流：河流中水水體在重力作用用下沿河槽總總方向運(yùn)運(yùn)動(dòng)者，，其流線(xiàn)和速速度向量基本本平行，，且大致致平行于于河槽軸軸線(xiàn)。副流：在各種因素素作用下，，水流內(nèi)內(nèi)部產(chǎn)生生的有規(guī)規(guī)律、大大規(guī)模的的水體旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)者。它與與主流疊疊加，使使水流呈呈螺旋式前前進(jìn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)，它引起起泥沙橫橫向移動(dòng)動(dòng)，形成成河槽形形狀的多樣化。據(jù)水流所所圍繞的的旋轉(zhuǎn)軸方方向不同，分分為縱軸軸、橫軸軸、斜軸軸及豎軸軸副流四四類(lèi)。橫向環(huán)流流：指旋轉(zhuǎn)軸軸與河流流總方向向一致的的副流。是由地球球自轉(zhuǎn)引引起的科科氏力、、河道水水位漲落落、離心心力的作作用等。。其中彎彎道河流流水流離離心力作作用是最最主要的的原因。。橫向環(huán)流流的形成成使得水水流的流流速在同同一橫斷面上表現(xiàn)出出具有一一定規(guī)律律的變化化：1、在凹岸岸表流下下沉轉(zhuǎn)為為底流的的部位，，由于重重力作用用，水流流流速遞遞增，易易將泥沙沙帶走，，形成侵蝕深潭潭，同時(shí)使使凹岸不不斷向外外側(cè)后退退；2、在底流流上升為為表流部部位，則則要克服服重力，，水流流流速遞減減，易于于造成凸岸淤積積，形成淺淺灘，同同時(shí)使凸凸岸不斷斷向河床床推進(jìn)。。第三節(jié)巖巖土的的臨界流流速及河河床的穩(wěn)穩(wěn)定性一、臨界界流速水流作用用于河床床巖土上上的推移力及上托力大于巖土的強(qiáng)強(qiáng)度時(shí)，將發(fā)發(fā)生侵蝕和搬搬運(yùn)，否則，，河床不不會(huì)遭受受侵蝕而而形成淤淤積。河床組成成物質(zhì)抵抵抗水流流作用的的能力，取決于于組成河河床的巖巖土類(lèi)型型、巖土土物理力力學(xué)性質(zhì)質(zhì)、土的的顆粒組組成、土土顆粒大大小和形形狀等。。1、巖石的臨界流流速假設(shè)凸出出于河床床中的巖巖體高為為h，寬為b，長(zhǎng)為l，水流速度度為U，其流向向與hl面垂直，，則巖體體所受動(dòng)水壓力力P為：P=ρωU2hl*αα0/2其中：α0-水流不均均勻系數(shù)數(shù)；ρω–水的密度度在P作用下引引起可能能滑動(dòng)面面(bl)上的剪應(yīng)力τ，則：τ=P/bl=ρωU2h*α0/2b若巖體的抗剪斷強(qiáng)度為為S，即：S=C+σtgφ其中：C-內(nèi)聚力；φ-作用于剪斷面面上的正應(yīng)力力當(dāng)τ=s時(shí)的水流速度，稱(chēng)為侵蝕臨界流速速Ucr，則：Ucr=[2b(C+σtgφφ)/ρωhα0]1/2對(duì)于堅(jiān)硬完整整的巖石，其其內(nèi)聚力C很大，故當(dāng)b≈h時(shí)侵蝕臨界流速速很大，約為50-150m/s。天然河流流速速很少大于10m/s，因而，堅(jiān)硬完整巖石石不可能遭受受水流侵蝕。但強(qiáng)度低或或裂隙發(fā)育的的巖體，將會(huì)會(huì)遭受侵蝕作作用。2、無(wú)粘結(jié)的卵、礫、砂粒粒的臨界流速無(wú)粘性的卵、、礫、砂粒，，在水流作用用下其起動(dòng)條件是不同的，設(shè)設(shè)直徑為d的球狀顆粒，所受的動(dòng)水壓力為P，則P=ρωU2πd2α0/8而顆粒的內(nèi)磨擦阻力為T(mén)，則：T=f*m*g=fg*π(ρ-ρρω)d3/6式中：f-滾動(dòng)磨擦系數(shù)數(shù)；m-顆粒質(zhì)量；ρ-顆粒密度當(dāng)ρ=T時(shí)，顆粒處于于極限平衡狀態(tài)態(tài)，此時(shí)水流速速度稱(chēng)為推移臨界流速速U′cr，即：U′cr=[4gf(ρ/ρω-1)d/3d0]1/2當(dāng)d<400mm時(shí)，U′cr以m/s為單位，d以mm為單位時(shí)，據(jù)據(jù)實(shí)測(cè)可知：U’cr=0.2d1/2①當(dāng)U>U′cr時(shí)，顆粒將沿沿河床滾動(dòng)或或滑動(dòng)，這時(shí)時(shí)被搬運(yùn)的顆顆粒叫推移質(zhì)。②當(dāng)U<U′cr時(shí)，顆粒停在在原地，即形形成淤積。③當(dāng)U>>U′cr時(shí)，可使沿河河床移動(dòng)的顆顆粒離開(kāi)河床床，懸浮于水水流中，這時(shí)時(shí)搬運(yùn)的顆粒粒叫懸移質(zhì)。3、土的臨界流速土顆粒的懸移與水流縱向流流速的鉛直分分量有關(guān)。河流中紊流的平均流速U與其鉛直分速速ω大體上成正比比，根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)所得為：U/ω=α=12—20即直徑為d的顆粒懸移臨界流速速為其推移臨界流速速U′cr的12--20倍，即：U″cr=(12--20)U″cr二、河床的穩(wěn)穩(wěn)定性1、縱向穩(wěn)定指指標(biāo)常用河床泥沙的粒粒徑與河床坡降之比比表示河床的縱向穩(wěn)穩(wěn)定性。K1=d50/J式中：K1-河床穩(wěn)定性指指數(shù)；J－河床坡降（mm/m）d50-無(wú)粘性土的平平均粒徑（mm）K1值越大，則河河床越不易被被侵蝕沖刷。實(shí)際資料表明明：①.當(dāng)K1>=15-20時(shí)，河床基本本穩(wěn)定②.當(dāng)K1<5時(shí)，河床泥沙沙在平水期也也移動(dòng)③.當(dāng)K1<=1時(shí)，河床極不不穩(wěn)定2、橫向穩(wěn)定指指標(biāo)多數(shù)研究者根根據(jù)河床橫向變形形結(jié)果來(lái)分析其穩(wěn)定定性。例如：阿爾杜杜寧提出：K2=BJ0.2/Q0.5其中：K2－橫向穩(wěn)定指標(biāo)標(biāo)；Q－造床流量；B－與造床流量相相應(yīng)的河寬；；J－造床流量時(shí)水水面坡降。K2值越大河床越越不穩(wěn)定。第四節(jié)山區(qū)區(qū)和平原河流流侵淤作用的的特征一、山區(qū)河流流的侵淤特征1、以侵蝕作用為主，僅在寬寬緩河段及彎彎曲河段發(fā)生生局部淤積。。2、河床演變的速度較緩慢慢，河床的形形態(tài)、主流和和副流位置比比較固定，不不會(huì)引起航道道的大變化。。3、河流流速大，，輸沙能力強(qiáng)強(qiáng)，河床以深深切為主，小于2mm的顆粒一般多多呈懸移質(zhì)，，大于2mm的則多呈推移移質(zhì)，堆積物物顆粒粗大，，有卵、礫及及漂石淤積。。二、平原河流流的侵淤特征1、坡度平緩，，徑流系數(shù)小小，匯流時(shí)間間長(zhǎng)，洪水的的上漲和回落落比較緩慢，，一般流量較較大，但流量量和水位的變變幅較小，具具穩(wěn)定的中水水期。2、侵淤作用時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，平原原河流以淤積作用為主，其顆粒粒較小，分選選性較好,厚度較大。3、河流橫向侵侵淤變化顯著著，侵淤位置置不固定。三、地上懸河河－平原河流流的特殊類(lèi)型型地上懸河：河床高于其其兩岸地面的的河流。地上懸河形成成必須同時(shí)具具備的三個(gè)基基本條件：1、河水?dāng)y帶帶大量敏感土土粒（0.25-0.01mm）；2、河水中有相當(dāng)當(dāng)大部分為敏敏感水流（時(shí)時(shí)間平均流速速小于0.7m/s）；3、河流具有足夠夠廣闊可能被被泛濫的面積積。第五節(jié)與河河流侵淤作用用有關(guān)的工程程地質(zhì)問(wèn)題一、與河流淤積有關(guān)的工程地地質(zhì)問(wèn)題以水庫(kù)淤積較為典型在河流上筑壩壩提高水位，，庫(kù)區(qū)形成壅水，使得原來(lái)河河流的侵蝕基基準(zhǔn)面抬升，，水流入庫(kù)過(guò)過(guò)程中，水深深和過(guò)水?dāng)嗝婷嫜亓鞒淘龃蟠?，流速降低低，?lái)自上游游的泥沙在庫(kù)區(qū)大量落落淤，直接影影響水庫(kù)的效效益和使用壽壽命。水庫(kù)淤積形式式：1、壅水淤積：攜帶泥沙的河河流進(jìn)入水庫(kù)庫(kù)壅水段后，，泥沙擴(kuò)散到到全斷面，隨隨著水流挾沙沙能力沿流程程降低，泥沙沙沉積于庫(kù)底底，并形成上游游粗粗、、下下游游細(xì)細(xì)有規(guī)規(guī)律律分分布布的的三三角角洲洲，，這這種種淤淤積積稱(chēng)稱(chēng)為為壅水水淤淤積積。當(dāng)庫(kù)庫(kù)容容較較大大，，泥泥沙沙顆顆粒粒較較粗粗，，庫(kù)庫(kù)區(qū)區(qū)地地形形開(kāi)開(kāi)闊闊，，并并常常處處高高水水位位運(yùn)運(yùn)行行時(shí)時(shí)，，易易形形成成這這種種淤淤積積。。2、異重重流流淤淤積積：多發(fā)發(fā)生生于于多細(xì)細(xì)粒粒泥泥沙沙河河流流中，，當(dāng)當(dāng)入入庫(kù)庫(kù)水水流流含含沙沙量量高高，，并并有有足足夠夠流流速速時(shí)時(shí)，，渾渾水水進(jìn)進(jìn)入入壅壅水水段段后后不不與與清清水水混混淆淆擴(kuò)擴(kuò)散散而而潛入入清水水下下面面，，沿沿庫(kù)庫(kù)底底向向下下游游繼繼續(xù)續(xù)運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)，，并并一一直直運(yùn)運(yùn)行行到到壩壩前前。。在在回回流流作作用用下下水水庫(kù)庫(kù)變變渾渾，，細(xì)細(xì)土土粒粒緩緩緩緩落落于于庫(kù)庫(kù)底底。。如如及及時(shí)時(shí)開(kāi)開(kāi)啟啟大壩壩排排沙沙底底孔孔閘門(mén)門(mén)，，異異重重流流淤淤積積物物可可隨隨水水排排出出庫(kù)庫(kù)外外。。二、、與與河河流流侵蝕蝕有關(guān)關(guān)的的工工程程地地質(zhì)質(zhì)問(wèn)問(wèn)題題1、紊紊動(dòng)動(dòng)漩漩渦渦對(duì)對(duì)天天然然河河道道上上的的橋橋渡渡工工程程、、墩墩臺(tái)臺(tái)基基礎(chǔ)礎(chǔ)砌砌置置地地段段的的沖刷刷作作用用。2、壩后后再再造造：河流流上上修修水水庫(kù)庫(kù)后后，，水水庫(kù)庫(kù)下下游游河河段段的的來(lái)來(lái)水水、、來(lái)來(lái)沙沙條條件件與與建建庫(kù)庫(kù)前前相相比比發(fā)發(fā)生生了了變變化化，，即即引引起起河河流流平平衡衡條條件件的的破破壞壞，，而而導(dǎo)導(dǎo)致致下游游河河床床的的再再造造。3、壩頂頂溢溢流流第六六節(jié)節(jié)河河流流的的開(kāi)開(kāi)發(fā)發(fā)與與整整治治不同同部部門(mén)門(mén)對(duì)對(duì)河河流流的的開(kāi)開(kāi)發(fā)發(fā)和和整整治治的的目目的的和和要要求求不不同同按照照沿沿河河的的規(guī)規(guī)模模和和效效果果，，可可分分為為全面面開(kāi)開(kāi)發(fā)發(fā)治治理理和局部部整整治治兩大大類(lèi)類(lèi)一、、河河流