工程地質(zhì)-3水利工程地質(zhì)

工程地質(zhì)-3水利工程地質(zhì)第3章水流的地質(zhì)作用與庫壩區(qū)滲漏的工程地質(zhì)條件分析3.1河流的地質(zhì)作用一、河流的地質(zhì)作用1、侵蝕作用2、搬運(yùn)作用和沉積作用二、河谷地貌1、河谷的類型及特征2、河床地貌特征3、河漫灘4、河流階地三、第四紀(jì)沉積物的工程地質(zhì)特征1、坡積物2、洪積物3、沖積物4、黃土3.2地下水的特征1、地下水的性質(zhì)2、地下水的主要類型與特征3、環(huán)境水對混凝土的腐蝕性3.1河流的地質(zhì)作用在自然界，水有氣體、液體和固體三種不同狀態(tài)，它們存在于大氣中，覆蓋在地球表面上和存在于地下土、石的孔隙、裂隙或空洞中，可分別稱為大氣水、地表水和地下水。大氣水、地表水和地下水之間不間斷的運(yùn)動(dòng)和相互轉(zhuǎn)化，稱為自然界中水的循環(huán)。

一、河流的地質(zhì)作用由降水或由地下涌出地表的水匯集在地面低洼處，在重力作用下經(jīng)常地或周期性地沿流水本身造成的河谷流動(dòng)，這就是河流。河流的地質(zhì)作用分為侵蝕作用、搬運(yùn)作用和沉積作用三種形式。1、侵蝕作用河流的侵蝕作用包括機(jī)械侵蝕和化學(xué)侵蝕兩種；河流的侵蝕按侵蝕作用方向分為下蝕作用和側(cè)向侵蝕作用等形式。

下蝕作用：向源侵蝕：下蝕作用在河流源頭表現(xiàn)為河谷不斷地向分水嶺方向擴(kuò)展延伸，使河流增長。即為向源侵蝕。河流襲奪：侵蝕能力較強(qiáng)的水系，可以把另一側(cè)侵蝕能力較弱的水系的上游支流劫奪過來。側(cè)向侵蝕作用：2、搬運(yùn)作用和沉積作用河流將其攜帶的物質(zhì)向下游運(yùn)送的過程稱為河流的搬運(yùn)作用。河流搬運(yùn)能力的大小，取決于河流的流量和流速，其中流速的影響最大。流水搬運(yùn)的方式可分為物理搬運(yùn)和化學(xué)搬運(yùn)兩大類。物理搬運(yùn)的物質(zhì)主要是泥砂石塊，化學(xué)搬運(yùn)的物質(zhì)則是可溶解的鹽類和膠體物質(zhì)。物理搬運(yùn)又可分為懸浮式、跳躍式和滾動(dòng)式三種方式。相應(yīng)的搬運(yùn)物質(zhì)分別稱為懸移質(zhì)和推移質(zhì)。

被搬運(yùn)物質(zhì)的質(zhì)量與流速的六次方成正比，流速增加1倍，被搬動(dòng)物質(zhì)的質(zhì)量將增加至64倍。懸移質(zhì)和推移質(zhì)可以相互轉(zhuǎn)換?；瘜W(xué)搬運(yùn)的距離最遠(yuǎn)，水中各種離子和膠體顆粒多被搬運(yùn)到湖、海盆地中，當(dāng)條件適合時(shí)，在湖、海盆地中產(chǎn)生沉積。良好的分選性和磨圓度是河流沉積物區(qū)別于其他成因沉積物的重要特征。

二、河谷地貌地貌與地形的區(qū)別：地形只是指單純的地表起伏，而地貌除指地表起伏形態(tài)外，還包含其形成原因、時(shí)代、發(fā)展和分布規(guī)律等特征。大型的地貌主要是由內(nèi)力地質(zhì)作用形成的，如大陸、海洋、山岳、平原等。小型的地貌則主要是外力地質(zhì)作用所形成的，如山峰、山脊、沖溝、河谷等。河谷；河床；河漫灘；階地；谷肩：是谷坡上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，是計(jì)算河谷寬度、深度和河谷制圖的標(biāo)志。

二、河谷地貌1、河谷的類型及特征根據(jù)橫斷面形態(tài)特征分類

1）峽谷河谷的橫斷面呈V形，谷地深而狹窄，谷坡陡峭甚至直立，谷坡與河床無明顯的分界線，河谷幾乎被河床全部占據(jù)。隘谷：兩岸近直立，谷底全被河床占據(jù)。長江三峽

2）淺槽谷又稱U形河谷或河漫灘河谷。河谷橫剖面較寬、淺，谷面開闊，谷坡上常有階地分布，谷底平坦，常有河漫灘分布，河床只占谷底的一小部分。多形成于低山、丘陵地區(qū)和平原地區(qū)。

3）屜形谷屜形橫斷面形態(tài)為寬廣“”形。河谷谷坡基本上不存在，階地也不甚明顯，只有淺灘、河漫灘、江中灘、叉河等發(fā)育。淺灘：為高程在平水位以下的各種形態(tài)的泥沙堆積體，包括邊灘、心灘、沙梗等。心灘不斷淤高，其高程超過平水位時(shí)就轉(zhuǎn)換為江心洲。河流以側(cè)蝕作用和堆積作用為主。多分布在河流下游、丘陵和平原地區(qū)。根據(jù)河流與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系分類

1）縱谷特征：河谷延伸方向與巖層走向或地質(zhì)構(gòu)造線方向一致。河流是沿軟弱巖層、斷層帶、向斜或背斜軸等發(fā)育而成。分為向斜谷、背斜谷、單斜谷、斷層谷、地塹谷等

2）橫谷特征：河谷延伸方向與巖層走向或地質(zhì)構(gòu)造線方向近于垂直。根據(jù)兩岸谷坡對稱情況分類分為對稱谷和不對稱谷

2、河床地貌特征巖坎、石灘、深槽和深潭（1）巖坎和石灘

（2）深槽和深潭3、河漫灘4、河流階地

階地的成因河流階地是在地殼的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與河流的侵蝕、堆積作用的綜合作用下形成的。當(dāng)河漫灘、河谷形成之后，由于地殼上升或侵蝕基準(zhǔn)面相對下降，原來的河床或河漫灘遭受下切，而沒有受到下切的部分就高出于洪水水位之上，變成階地，于是河流又在新的平面上下切河床。此后，當(dāng)?shù)貧?gòu)造運(yùn)動(dòng)處于相對穩(wěn)定期或下降期時(shí)，河流縱剖面坡度變小，流水動(dòng)能減弱，河流下蝕作用變?nèi)趸蛲Ｖ?，?cè)蝕和沉積作用增強(qiáng)，于是又重新擴(kuò)寬河谷，塑造新的河漫灘。在長期的地質(zhì)歷史過程中，若地殼發(fā)生多次升降運(yùn)動(dòng)，則引起河流侵蝕與堆積交替發(fā)生，從而在河谷中形成多級(jí)階地。緊鄰河漫灘的一級(jí)階地形成的時(shí)代最晚，一般保存較好；依次向上，階地的形成時(shí)代愈老，其形態(tài)的完整性相對越差。階地的類型由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和河流地質(zhì)過程的復(fù)雜性，河流階地的類型是多種多樣的。一般可以將其分為下列三種主要類型：1、侵蝕階地侵蝕階地主要是由河流的侵蝕作用形成的，基巖裸露，其上沒有或僅有很少的沖積物，多發(fā)育在構(gòu)造抬升的山區(qū)河谷中。2、基座階地階地面由兩種物質(zhì)組成，上部為河流的沖積物，下部是基巖或其他類型的沉積物。主要是由于地殼抬升、河流下切侵蝕形成的，在形成過程中河流下切侵蝕深度超過了原來沖積物的厚度，切至基巖內(nèi)部而成。如果基座階地形成以后，由于氣候或構(gòu)造的原因，在新一輪的河流侵蝕——堆積過程中，河谷中堆積較厚的沖積物，超過階地基座高度并把基座覆蓋起來，稱為覆蓋基座階地

3、堆積階地：階地全由河流沖積物組成。在河流中下游最為常見。它的形成過程，首先是河流側(cè)向侵蝕，展寬谷底，同時(shí)發(fā)生大量堆積，形成寬闊的河漫灘，然后河流強(qiáng)烈下切侵蝕，形成階地。一般河流下切侵蝕的深度不超過沖積層的厚度，因此，整個(gè)階地全由松散的沖積物組成。根據(jù)河流下切侵蝕深度與多級(jí)堆積階地之間的接觸關(guān)系，堆積階地可分為內(nèi)迭階地與上迭階地二種。1)上迭階地河流在切割河床堆積物時(shí)，切割的深度逐漸減小，側(cè)向侵蝕也不能達(dá)到它原有的范圍，新階地的堆積物完全迭置在老階地的堆積物上，這種形式的堆積階地稱為上迭階地。2)內(nèi)迭階地河流切割河床堆積物時(shí)，每次下切的深度大致相同，而堆積作用逐次減弱，每次河流堆積物分布的范圍均比前次小，新的階地套在老的階地之內(nèi)，這種形式的堆積階地稱為內(nèi)迭階地。

三、第四紀(jì)沉積物的工程地質(zhì)特征1、坡積物雨水或雪水將高處的風(fēng)化碎屑物質(zhì)洗刷而向下搬運(yùn)，或由本身的重力作用，堆積在平緩的斜坡或坡腳處，成為坡積物。2、洪積物由洪水堆積的物質(zhì)，簡稱洪積物，它是組成洪積物的堆積物。洪積物是山區(qū)溪溝間歇性洪水挾帶的碎屑物質(zhì)，一般堆積在山前溝口。屬快速流水搬運(yùn)，因此一般顆粒較粗，除砂、礫外，還有巨大的塊石，分選性也差，大小混雜。因?yàn)楹榱靼徇\(yùn)距離不長，碎屑滾圓度不好，多呈次棱角狀。層理面不清，斜層理和交錯(cuò)層理發(fā)育。

3、沖積物河流沖積作用形成的堆積物，叫做沖積物，它是組成沖積平原的堆積物。沖積物具有良好的分選性，隨著搬運(yùn)能力的減弱，總是粗的、比重大的先沉積，細(xì)的、比重小的后沉積。因此，在河谷內(nèi)隨著水流的變化，沖積物呈有規(guī)律的分布。如在河流的縱向分布上，沖積物粒徑從上游到下游逐漸減小。沿河流橫向分布，沖積物粒徑從河床中部到岸邊逐漸變細(xì)。沖積物的顆粒具有良好的磨圓度，一般都有比較清晰的層理。河流沉積物的特點(diǎn)，隨著在河流的不同地段而不同，并且表現(xiàn)在不同的地貌形態(tài)上。如河床沉積、河漫灘沉積和河口區(qū)沉積等。1）山區(qū)河流沖積物2）山前河流沖積物3）平原河流沖積物4、冰積物凡是由冰川作用形成的堆積物，均為冰積物。冰積物可分為冰磧和冰水沉積物兩種基本類型冰磧：是由冰川融化使冰川攜帶的物質(zhì)直接堆積而形成的。冰水沉積物：是經(jīng)過冰水搬運(yùn)的冰磧物發(fā)生沉積作用而形成的。

5、黃土黃土是第四紀(jì)以來，在干旱、半干旱氣候條件下形成的一種特殊的陸相松散堆積物。黃土在世界上分布很廣，其分布面積達(dá)1300萬平方公里，歐洲、北美、亞洲均有分布。主要分布地帶位于中亞至我國西北、華北和東北一帶，其中黃河中上游地區(qū)的黃土高原是世界上最大的黃土分布區(qū)，它的范圍大致北起陰山，南至秦嶺，西抵日月山，東到太行山，橫跨青海、寧夏、甘肅、陜西、山西、河南6省，面積64萬平方公里，約占我國陸地面積的6.6%，比法國和瑞士的面積總和還要大。一般黃土覆蓋厚度在100米以下，我國隴東、陜北、晉西黃土層最厚，六盤山以東到呂梁山西側(cè)黃土厚度在100米～200米之間，蘭州地區(qū)黃土分布的面積和厚度居世界之冠，平均達(dá)300米以上。黃土的基本特征如下：（1）顏色為淡黃、褐色或灰黃色（有時(shí)老黃土可能呈褐紅色）；（2）粒度成分以粉土（0.075～0.005mm）顆粒為主，含量約占60～70%，一般不含粒徑＞0.25mm的顆粒；（3）含各種可溶鹽，尤其富含碳酸鹽主要為CaCO3，一般含量為10～30%，可形成鈣質(zhì)結(jié)核（姜結(jié)石）；（4）孔隙多且大，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙度多為33～64%，有肉眼可見的大孔隙或蟲孔、植物根孔等；（5）無層理，但有垂直節(jié)理和柱狀節(jié)理。天然條件下能保持近直立的邊坡；由于黃土的柱狀節(jié)理發(fā)育，并且垂直方向的滲透系數(shù)大于水平方向的滲透系數(shù)，因此在黃土中鉆探時(shí)，泥漿易沿節(jié)理流失。具有上述幾項(xiàng)特征的土稱為標(biāo)準(zhǔn)黃土，只具有其中部分特征的黃土則稱為黃土狀土或黃土質(zhì)土。

3.2地下水的特征埋藏和運(yùn)移在地表以下巖土空隙中的水稱為地下水。地殼表層10km以內(nèi)的范圍，都或多或少存在著空隙，特別是淺部1~2km范圍內(nèi)，空隙分布較為普遍。巖石的空隙既是地下水儲(chǔ)存場所，又是地下水的滲透通道，空隙的多少、大小及其分布規(guī)律，決定著地下水分布與滲透的特點(diǎn)。1、地下水的性質(zhì)物理性質(zhì)：溫度、顏色、透明度、氣味、味道、密度和導(dǎo)電性化學(xué)性質(zhì)：地下水的酸堿度、硬度和礦化度。

1、地下水的性質(zhì)物理性質(zhì)：溫度、顏色、透明度、氣味、味道、密度和導(dǎo)電性化學(xué)性質(zhì)：地下水的酸堿度、硬度和礦化度一、溫度：地下水的溫度變化主要受氣溫和地溫的影響。埋藏深度不同的地下水，具有不同的溫度變化規(guī)律。深層地下水的溫度變化很小。二、顏色：地下水的顏色一般無色，取決于它的化學(xué)成分和懸浮于其中的雜質(zhì)。測定地下水顏色的方法：取兩支無色透明玻璃試管，一支裝蒸餾水，一支裝被測地下水，在管下襯以白紙，自上而下觀測其顏色。

三、透明度：

地下水的透明度取決于水中固體與膠體懸浮物的含量。常見的地下水一般是透明的。地下水按透明度分為四級(jí)：透明的、微濁的、渾濁的和極濁的。透明度的測定方法：通過盛水樣的試管，以看清3mm粗線的水深來確定。四、氣味：地下水一般是無氣味的，但當(dāng)其中含有某些離子或某種氣體時(shí)，則出現(xiàn)特殊的氣味。例如：水中含有H2S氣體時(shí)，具有臭雞蛋氣味；水中亞鐵鹽含量很高時(shí)具有鐵腥氣味；含有腐殖質(zhì)時(shí)具有腐草（沼澤）氣味。水的氣味在低溫時(shí)很難判斷，加熱到40℃時(shí)氣味最明顯。五、味道：

用嘴嘗。地下水的味道取決于它的化學(xué)成分。六、比重：地下水的比重取決于其中所溶解鹽分的含量。地下淡水的比重通常認(rèn)為與化學(xué)純水的比重相同，其數(shù)值為1。水中溶解的鹽分越多，比重越大，有的可達(dá)。七、導(dǎo)電性：

地下水的導(dǎo)電性取決于其中所含電解質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量，即各種離子的含量與其離子價(jià)。離子含量愈多，離子價(jià)愈高，則水的導(dǎo)電性愈強(qiáng)。此外水溫對導(dǎo)電性也有影響。八、放射性

地下水在不同程度上都含有放射性，含量多少取決于水中所含放射性元素的數(shù)量。在地下水中目前已發(fā)現(xiàn)60多種不同元素。儲(chǔ)存和運(yùn)動(dòng)于放射性礦床及酸性火成巖分布區(qū)的地下水，其放射性相應(yīng)增強(qiáng)?；瘜W(xué)性質(zhì)：地下水的酸堿度、硬度和礦化度化學(xué)成分：地下水不是純水，是化學(xué)成分十分復(fù)雜的天然溶液。組成地殼的87種穩(wěn)定元素中，在地下水中已發(fā)現(xiàn)70余種。

（1）主要的氣體成分：O2、N2、CO2和H2S

（2）主要的離子成分有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-一般情況下，隨著地下水含鹽量的變化，其中占主要地位的離子成分也隨之發(fā)生變化。含鹽量低的水常以HCO3-

HCO3-、Ca2＋或HCO3-、Mg2＋為主；中等含鹽量的常以SO42-、Na＋或SO42-、Ca2＋為主；含鹽量高的水則以Cl-、Na＋為主。地下水的酸堿度、硬度和礦化度酸堿度(pH值)

地下水的酸堿度指的是氫離子濃度，常以pH值表示硬度：水中鈣、鎂離子的總量稱水的硬度。

硬度可分為總硬度、暫時(shí)硬度和永久硬度?？傆捕鹊扔跁簳r(shí)硬度加永久硬度。

暫時(shí)硬度指水加熱沸騰后所損失的Ca2+、Mg2+含量，此時(shí)仍保持在水中的Ca2+、Mg2+含量稱永久硬度。硬度表示方法：

（1）mmol/l（毫克當(dāng)量）

（2）德國度，1mmol/l=2.8德國度，1德國度相當(dāng)于1L水中含10mgCaO或7.2mgMgO。生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定水的硬度以CaCO3的mg/l表示。礦化度(M)

地下水中各種離子、分子與化合物的總量稱礦化度(不包括游離氣體)，以g/l或mg/l表示。是評(píng)價(jià)水質(zhì)的重要指標(biāo)。習(xí)慣上用105-110

C時(shí)將地下水樣品蒸干后所得的干涸殘余物總量來表示礦化度。飲用水總礦化度不應(yīng)超過1.0g/l；灌溉用水總礦化度不應(yīng)超過1.7g/l。2、地下水的主要類型與特征地下水分為包氣帶水、潛水和承壓水包氣帶水潛水是埋藏在地表以下第一個(gè)連續(xù)、穩(wěn)定的隔水層以上，具有自由水面的重力水。承壓水是指存在于兩個(gè)隔水層之間的含水層中，具有承壓性質(zhì)的地下水。地下水對工程問題的影響1、潛水位上升引起的工程地質(zhì)問題(1)潛水位上升后，由于毛細(xì)水作用可導(dǎo)致土壤次生沼澤化、鹽漬化，改變巖土體物理力學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)巖土和地下水對建筑材料的腐蝕。在寒冷地區(qū)，可助長巖土體的凍脹破壞；(2)潛水位上升后，原來干燥的巖土被水飽和、軟化，降低巖土抗剪強(qiáng)度，可誘發(fā)斜坡、岸邊巖土體產(chǎn)生變形、滑移、崩塌失穩(wěn)等不良地質(zhì)現(xiàn)象；(3)崩解性巖土、濕陷性黃土、鹽漬巖土等遇水后，可能產(chǎn)生崩解、濕陷、軟化，其巖土結(jié)構(gòu)破壞、強(qiáng)度降低、壓縮性增大。而膨脹性巖土遇水后則產(chǎn)生膨脹破壞；(4)潛水位上升，可使洞室淹沒，還可使建筑物基礎(chǔ)上浮，危及安全。

2、地下水位下降引起的工程地質(zhì)問題(1)地表塌陷巖溶發(fā)育地區(qū)，由于地下水位下降時(shí)改變了水動(dòng)力條件，在斷裂帶、褶皺軸部、溶蝕洼地、河床兩側(cè)以及一些土層較薄而土顆粒較粗的地段，產(chǎn)生塌陷。(2)地面沉降地下水位的下降減小了土中的孔隙水壓力，從而增加了土顆粒間的有效應(yīng)力，有效應(yīng)力的增加引起土的壓縮，從而引發(fā)地面沉降。許多大城市過量抽取地下水致使區(qū)域地下水位下降從而引發(fā)地面沉降，就是這個(gè)原因。(3)海(咸)水入侵近海地區(qū)的潛水或承壓含水層往往與海水相連，在天然狀態(tài)下，陸地的地下淡水向海洋排泄，含水層保持較高的水頭，淡水與海水保持某種動(dòng)態(tài)平衡，因而陸地淡水含水層能阻止海水入侵。如果大量開發(fā)陸地地下淡水，引起大面積地下水位下降，可能導(dǎo)致海水向地下水含水層入侵，使淡水水質(zhì)變壞。(4)地裂縫的產(chǎn)生與復(fù)活近年來，在我國很多地區(qū)發(fā)現(xiàn)地裂縫，西安是地裂縫發(fā)育最嚴(yán)重的城市。據(jù)分析這是地下水位大面積大幅度下降而誘發(fā)的。(5)地下水源枯竭、水質(zhì)惡化盲目開采地下水，當(dāng)開采量大于補(bǔ)給量時(shí)，地下水資源會(huì)逐漸減少，以致枯竭，造成泉水?dāng)嗔?、井水枯干、地下水中有害離子量增多、礦化度增高。

3、地下水對鋼筋混凝土的腐蝕

硅酸鹽水泥遇水硬化，并且形成Ca(OH)2、水化硅酸鈣CaOSiO2·12H2O、水化鋁酸鈣CaOAl2O3?6H2O等，這些物質(zhì)往往會(huì)受到地下水的腐蝕。①結(jié)晶類腐蝕如果地下水中SO42-離子的含量超過規(guī)定值，那么離子將與混凝土中的Ca(OH)2

起反應(yīng)，生成二水石膏結(jié)晶體CaSO4·2H2O，這種石膏再與水化鋁酸鈣CaOAl2O3·6H2O發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化硫鋁酸鈣(3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O)，習(xí)慣上稱為水泥桿菌。由于水泥桿菌結(jié)合了許多的結(jié)晶水，因而其體積比化合前增大很多，約為原體積的221.86％，于是在混凝土中產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，使混凝土的結(jié)構(gòu)遭受破壞。

②分解類腐蝕地下水中含有CO2，CO2與混凝土中的Ca(OH)2作用，生成碳酸鈣沉淀。由于CaCO3不溶于水，它可填充混凝土的孔隙，在混凝土周圍形成一層保護(hù)膜，能防止Ca(OH)2的分解。但是，當(dāng)?shù)叵滤蠧O2的含量超過一定數(shù)值，而離子的含量過低，則超量的CO2再與CaCO3反應(yīng)，生成重碳酸鈣Ca(HCO3)2并溶于水。地下水的酸度過大，即pH值小于某一數(shù)值，那么混凝土中的Ca(OH)2也要分解，特別是當(dāng)反應(yīng)生成物為易溶于水的氯化物時(shí)，對混凝土的分解腐蝕很強(qiáng)烈。

③