河海大学工程地质第三章

1、第三章 水流的地质作用与库坝区渗漏的工程地质条件分析,3.1河流的地质作用与河谷地貌,3.2地下水的主要类型与特征,3.3岩溶及岩溶水,3.4水库与坝区渗漏的工程地质条件分析,河谷的组成,由河流作用所形成的谷地称为河谷。河谷的形态要素包括谷坡和谷底两大部分,谷底中包括河床及河漫滩。河床是指平水期河水占据的谷底，也称为河槽。河漫滩是经常被洪水淹没的谷底部分,谷坡是河谷两侧因河流侵蚀而形成的岸坡。古老的谷坡上常发育有洪水不能淹没的阶地，阶地是被抬升的古老的河谷谷底。谷坡与谷底的交界称为破麓，谷坡与山坡交界的转折处称为谷缘，也称为谷肩,3.1河流的地质作用与河谷地貌,1.河流的地质作用,河流的侵蚀作

2、用河流在流动过程中，以其自身的动力（活力）以及所携带的泥沙对河床的破坏，使期加深，加宽和加长的过程。分为化学和机械两种方式，以后者居多。按侵蚀方向可分为下蚀作用和侧蚀作用,河流的下蚀作用把河水以及携带的碎屑物质对河床底部产生破坏，使河谷加深、加长的过程。 在河流的上游以及山区河流，由于河床的纵比降和流水速度大，就能产生较强的下蚀能力，这样使河谷的加深速度快于拓宽速度，从而形成在横断面上呈“V”字形的河谷,下蚀图例,河流的侧蚀作用河水以自身的动力及携带的砂石对河床两侧或谷坡进行破坏的作用。也称为旁蚀作用,侧蚀作用是平原区河流及河流下游的主要侵蚀形式,侧蚀作用的结果使河床弯曲、谷坡后退。河谷加宽,

3、河流的侧向侵蚀，导致中下游河曲的形成和发展,在横向环流的作用下，凹岸下部岩石不断破碎被掏空，同时上部的岩石夜随之崩塌。破坏下来的岩石碎屑被单向环流的底流搬运到河流的凸岸沉积。其作用结果使：河床的凹岸不断向谷坡方向后退，而凸岸不断前伸，河道的曲率逐渐增加，使原来弯曲较小或较平直的河床变得更弯曲，形成河曲,大幅度弯曲的河曲在洪水期中可能被取值，遗留的河道形似牛轭，形成牛轭湖,河流的搬运作用,河流的搬运作用既有机械搬运，夜有化学搬运，但以机械搬运作用为主，包括推移、跃移和悬移三种方式,在河流中、上游水急、颗粒较大，推移、跃移和悬移三者共存，且推移、跃移更重要一些，在中下游则似跃移和悬移更重要。颗粒的

4、搬运方式不是固定不变的，随着流速增大，推移可变为跃移，跃移夜可变为悬移，流速降低时，则发生相反的转变,河流的搬运能力不仅与流速、流量有关，还与流域内自然条件有关,河流的沉积作用,当河水的流速减小，或进入河流的碎屑过多，超出河流的搬运能力时，则发生沉积，形成冲积我,河流发生沉积作用有三个主要场所，一是河流汇入其他相对静止的水体处，如河流入海、入湖以及支流入主流处，二是河床纵剖面坡度有陡变缓处，一般来说河流中、下游地势较平坦，沉积作用明显;三是河流的凸岸，由单向环流侵蚀凹岸，其产生的碎屑在凸岸沉积,由于河流沉积作用的影响，其结果能形成下列几种常见的地貌,冲积扇：由于冲积物形成的扇形碎屑堆积，若为冲

5、积、洪积物堆积则称为冲积洪积扇,三角洲：在河流入海处形成的堆积，如珠江三角洲、长江三角洲,冲积平原：由冲积物所形成的平原，如华北平原、江汉平原,沙洲（心滩与江心洲）：沙洲是在河身宽阔处，水流流速减小，由泥、砂、砾石等碎屑物沉积而成，沙洲沉积多不稳定,2.河床地貌,山区河床地貌,山区河床的形态很复杂，其横剖面呈深而窄的”v“形，河床纵剖面比降很大，床面起伏，常发育有岩槛、石滩、深槽、跌水瀑布等阶梯状地形,岩槛由剑英岩石横于河床底部形成，因形似门槛而得名，当岩槛高度大于河水深度，使局部河床呈悬崖状阶梯时，就会形成跌水瀑布,石滩又称为礁滩，是指隐藏在水下的巨大岩石露头，石滩有的与岸边相连，有的孤立于

6、河床。石滩形成原因有两个：一是顺河走向的岩性不均一，造成抗冲刷力弱的岩石河床深，抗冲刷力强的岩石河床浅，形成水下石滩;二是来源于谷坡崩塌、滑坡或两岸支沟冲入的巨大岩块，滞留水中，成为石滩,深槽指在山区河床中，由断裂破碎带、裂隙密集带、软弱岩层或囊状风化带等抗冲刷力较弱的部位，因冲刷的不均匀性而成为特别深的槽形洼地。河床深槽是由河底的漩涡带动软砾石不断磨蚀作用形成的，大多分布于河流侵蚀作用强度极大的河谷河段,平原区河床地貌,平原区河床形态虽较规则，但它在水流的作用下变化很大，大多成曲流及汊河。河床横剖面呈宽而浅的”u“形,边滩在河道拐弯处，由横向环流作用，造成凹岸底层水流中携带的泥砂至凸岸浅水流

7、速缓慢处沉积，形成水下沙滩，逐渐发展，露出水面称为边滩。大多发育分布在河湾地段的凸岸,滨河床砂坝河砂嘴河流边滩的出现，反过来又增强横向环流的强度，使凹岸强烈冲蚀后退，凸岸则进一步强烈堆积前伸，结果在边滩上形成高出边滩呈堤状的泥砂堆积体，称为滨河床砂坝。在边滩临河床一侧形成斜长的堆积体，称为砂嘴,心滩与江心洲指位于河床中枯水期出露水面的水下浅滩，主要发育于地势低平、河面突然展宽的河段中。洪水时期，因中央主流线的流速大，河水上涨形成壅水，河水面平凸，使表流流向两岸，形成底流辐聚式堆称环流，造成两岸侵蚀，河床中央底部堆积称为心滩，心滩继续不断的扩大以致露出水面，就形成江心洲,汊河河流从某点开始向下游

8、分流的支河道。它是由河床心滩的出现，水流分汊形成的。一般以两汊较为常见，也有三汊或多汊的汊河，主要随心滩数的多少而定,深槽与浅滩平原区河床中侵蚀较深的长条凹槽，称为深槽。在相邻两个深槽间的过渡段内，水流速度较缓、携砂能力弱，泥砂容易淤积，形成相对高起的淤积带，叫做浅滩,河漫滩在河床两侧，洪水季节被淹没，枯水季节露出地表的一部分谷底，山区河漫滩较少出现，多在河曲的凸岸或局部河谷开阔地段才有，范围也大,河流阶地在河谷地貌的形成和发展过程中，不同时期的河漫滩，由于受到地壳构造运动与河流侵蚀、堆积作用的综合影响，呈阶梯状分布于河谷谷坡上的地貌,阶地在河床下切侵蚀的基础上才能形成。引起河床下切侵蚀的主要

9、 原因是地壳的升降运动。当地壳相对稳定和下降时，河流以侧向侵蚀为主，塑造河漫滩，堆积冲积物。然后地壳上升，侵蚀基准面相对下降，河流垂直侵蚀作用加强，下切河漫滩，形成阶地陡坎,如果地壳发生多次升降运动，则引起河流侵蚀与堆积交替发生从而在河谷中形成多级阶地。由河漫滩向上依次称为一级阶地、二级阶地、三级阶地等，阶地的位置越高，其形成的年代越早,根据阶地的结构和形态特征，河流阶地可以划分为三种类型：侵蚀阶地、基座阶地和堆积阶地。堆积阶地是根据组成阶地的冲积物厚度与下切深度的关系，可以分为内叠阶地和上叠阶地,3.冲积物成分、结构和构造,冲积物是指河流沉积的物质。河流的流速从上游到下游逐渐减少。因此上游沉

10、积物多是成分复杂的粗大颗粒（2mm的砾石），向中下游，随着流速的逐渐减少，沉积物大多为成分比较简单的砂粒（2-0.05mm）逐渐过渡到粉粒（0.05-0.005mm）和黏粒（0.005mm,冲积物按形成部位可分为河床冲积物、河漫滩冲积物、牛轭湖冲积物等,河床冲积物,河床冲积物主要可划分为近主流线堆积和滨河床浅滩堆积,河漫滩相冲积物在洪水期，河漫滩上发生堆积，形成细粒的沉积物,冲积物从河床向坡麓可以将平坦河漫滩划分为三带,滨河床砂坝堆积带，是介于河漫滩相与河床相沉积物之间的产物,河漫滩沿河堆积带，是洪水中悬移质的主要沉积带，分布于滨河床砂坝以外。主要特征是粉土、粉质黏土互层，有时有细砂、粉砂或黏

11、土的薄层透镜体,河漫滩内部堆积带，位于离河较远的接近谷麓部分。沉积物主要是粉质黏土、黏土与粉土互层，具水平层理或隐层理。由于沉积缓慢，成土作用明显，常形成灰褐色的腐植土及草地土壤,平坦河漫滩上的河漫滩相冲积物位于河床相冲积物之上，构成冲积物的二元结构,牛轭湖沉积物,牛轭湖长年处于静水沉积过程，在洪水期有时粉泄部分洪水。牛轭湖沉积物是含有机质较丰富的黑色黏土、粉质黏土河粉土，有时有薄层透镜状粉砂和砂的夹层,三角洲沉积物,河流流入湖、海的地方叫河口。河口是河流最主要的沉积场所。一方面由于河流流入河口处水域骤然变宽，河水散开称为许多岔流，加之河水被湖水或海水阻挡，流速大减，机械搬运物便大量堆积下来，

12、河流机械搬运物的一半以上沉积于此。另一方面，河水中呈溶运的胶溶体的胶体粒子所带电荷被海水电解质中和后也会迅速沉淀。大量物质在河口沉积下来，从平面上看，外形象三角形或鸡爪形，所以叫三角洲,冲积物鉴别标志,冲积物的主要鉴别标志是,砾石成分复杂，往往具叠瓦状排列。砂和粉砂的矿物成分中，不稳定组分较多,碎屑物质的分选性较好。碎屑颗粒随水动力条件的改变，按大小、比重依次沉积,碎屑颗粒的磨圆度较高。冲积物通常经过长距离和多次的再搬运，由于磨蚀和碰撞造成较高的磨圆度,冲积物层理发育，类型丰富，层理一般倾向河流下游,冲积物常呈透镜状或豆荚状，少数呈板片状,冲积物往往具有二元结构，下部为河床沉积，上部为河漫滩沉

13、积,冲积物图,3.2地下水的主要类型与特征,地下水赋存于地表以下各类空隙空间中的各种状态的水,描述指标：孔隙率孔隙体积岩(土)总体积,孔隙水 赋存其中的地下水即为孔隙水,描述指标：裂隙率裂隙体积岩(土)总体积,裂隙水 赋存其中的地下水即为裂隙水,描述指标：溶隙率溶隙体积岩(土)总体积,岩溶水 赋存其中的地下水即为岩溶水,岩（土）体骨架颗粒间未被充填物完全占据的空间,岩体中由于各种成因而形成的裂隙空间,岩体中由于可溶岩类的溶解而形成的溶蚀空间,潜 水,承 压 水,裂隙水,溶隙水,岩（土）体渗透性,含水层：储存有地下水的透水层（多孔砂岩，裂隙发 育的碳酸岩、岩浆岩以及砂卵石层等,渗透系数K,I 水

14、力坡度,K 渗透系数（m/d, cm/s,达西定律适用范围：雷诺数10,雷诺数：表示惯性力与粘滞力之间关系的一个数， Re惯性力粘滞力,主要用途,透 水 率 q,确定方法 压水实验法,主要用途,防渗设计的依据之一,防渗效果评价指标之一,和单位吸水量的关系：1Lu0.01Lmin m 104Pa,K 与q的异同,不同之处,测试的对象不同,结果的精度不同,结果的使用不同,潜 水,特征,潜水面以上无稳定的隔水层,向水位低处渗流,水面形状与地面起伏有一定的一致性,相关 术语,潜水位：潜水面上任意一点的标高即为该点处的潜水位,潜水埋深：潜水面到地表的铅直距离,潜水（含水层）厚度：潜水面到隔水层顶板的铅直

15、距离,指：地表以下第一个稳定隔水层以上的具有自由水面的重力水,可获取的工程信息,潜水与地表水流间相互补给关系,潜水的水力坡度,潜水面的埋深,含水层的厚度,Contouring the Water Table,承压水,特征,承压水受外界因素影响小,最适宜于形成承压水的地质构造,单斜 承压斜地,相关 术语,承压水位：地下水上升到含水层顶板以上某一高度稳定 不变时的水位,水 头：承压水位与隔水层顶板间的距离(正、负水头,自流水：为正水头时，隔水层顶板被打穿后承压水会 自行喷出地表,指: 充满于两个隔水层之间的含水层中,具有承压性质的地下水,据图可获取的工程信息,承压水位埋深,承压水水力坡度,承压水含

16、水层埋深,水头大小,请确定E点处承压水的: 1. 地面高程 2. 承压水位 3. 承压水含水层埋深 4. 水头大小 5. 承压水位埋深,3.3岩溶及岩溶水,岩溶发育的必要条件,发育可溶性的岩石,硫酸盐类岩石（石膏等,氯化盐类岩石（盐岩等,岩层的 透 水 性,透水性决定于,孔隙是否发育,风化程度如何,水的溶解能力,CO2含量越高，溶解力越强,水中CO2的来源,生物化学作用,水的运动状态,交替循环条件越好，岩溶越发育,岩溶形态的垂直分带,岩溶垂直发育带,水流特征：垂直运动,岩溶特点：岩溶连同性差,岩溶交替发育带,水流特征：水平、垂直两向流（分期,岩溶特点：岩溶连通性较好,岩溶水平 发 育 带,水流

17、特征：水平方向为主,岩溶特点：发育大量溶洞、暗河、地下湖泊,岩溶深部循环带,水流特征：不受基准侵蚀面的控制，在构造控制 下向更远更低的排泄区流动,岩溶特点：岩溶主要为溶隙和溶孔,注意,表层与深层岩溶发育的条件不同,完整的岩溶形态分带出现在厚层可溶岩、峡谷型河谷浅部,常出现近水平溶洞成层分布现象,岩 溶 水 和 裂隙水的特征,岩溶水的分布较裂隙水更不规律、更加集中,泉,即：地下水在地表的天然露头,接触泉,溢出泉,断层泉,下降泉,3.4水库及坝区渗漏的工程地质分析,坝区渗漏（绕坝渗漏、坝基渗漏,库水渗漏的主要途径,库区渗漏,永久性渗漏（通过一些集中的渗漏通道持续向库外渗漏,发生渗漏的地貌条件,对于

18、平原水库：有河曲发育或有古河床,宽大的断层破碎带、褶曲转折部位,发生渗漏的 地质 条件,分水岭地区有古河道或冰河沉积的砂石砾层分布,发生渗 漏的水 文地质 条 件,为承压水透水层在邻谷出露高程低于库水位,则可能渗漏,库区渗 漏判断 步 骤,了解有无渗漏通道,与水文地质条件,如分水岭和库水位的关系进行综合分析,坝区渗漏,按 渗 漏 路径分为,绕坝渗漏,均布风化裂隙,集中渗漏,通道为,岩溶通道,1) 松散地层 坝 区,峡谷坝区,易发生坝基渗漏,宽谷坝区,易发生坝基和绕坝渗漏,2) 裂隙岩层坝区,渗漏通道,顺河向沉积结构面、喷出岩中的柱状节理,河谷地貌 对渗漏的 影 响,喇叭型 河 谷,下窄上宽时，库水渗入条件好，排泄条件差,倾斜结 构面对 渗漏的 影 响,横向上， 一岸利渗，但排泄不畅，另一岸则相反,岩层倾下游,缓倾时易坝基渗漏;陡倾时,利渗不利排,岩溶地区渗漏的条件分析,指:可溶岩与非可溶岩的组合、埋藏条件与河谷的相互关系,纵向的张裂隙,易发生库区渗漏（分水岭单薄时更易发生,河 谷 地 质 结 构,有隔水层,横谷,坝区在地层向下游倾斜则易发生渗漏,岸边的卸荷裂隙