第十五章海(湖)边岸磨蚀与堆积的工程地质分析

1、p海湖边岸在自然营力的作用下总是在不断改变海湖边岸在自然营力的作用下总是在不断改变着。在各种外动力中，海湖边岸地带被着。在各种外动力中，海湖边岸地带被波浪波浪和和岸流岸流对岸边的改造作用最为强烈。对岸边的改造作用最为强烈。p波浪和岸流的作用：波浪和岸流的作用：p一方面冲击或磨蚀着边岸；一方面冲击或磨蚀着边岸；p另一方面则又将冲蚀下来的物质或其它来源的另一方面则又将冲蚀下来的物质或其它来源的泥沙搬运至某些岸段堆积起来。泥沙搬运至某些岸段堆积起来。p这两方面的作用可引起岸的进退，改变着水下这两方面的作用可引起岸的进退，改变着水下岸坡的坡度和港湾的深浅。岸坡的坡度和港湾的深浅。15.1 15.1 基

2、本概念及研究意义基本概念及研究意义15.2 15.2 波浪和岸流的一般特征波浪和岸流的一般特征p15.2.1 15.2.1 波浪的一般特征波浪的一般特征p引起波浪的因素很多，最主要的因素是风。风作用于水面引起波浪的因素很多，最主要的因素是风。风作用于水面造成的压力差和风与水面的摩擦力迫使水面波动，使水质造成的压力差和风与水面的摩擦力迫使水面波动，使水质点在顺风方向的垂直断面上作单向轨道运动。当水质点运点在顺风方向的垂直断面上作单向轨道运动。当水质点运动至轨迹线最高点时，该处水面凸起形成波峰。当水质点动至轨迹线最高点时，该处水面凸起形成波峰。当水质点运动至最低点时则该处水面凹陷形成波谷。运动至最

3、低点时则该处水面凹陷形成波谷。风向波高（h）波长（L）p波浪的要素：波浪的要素：p波高：波峰和波谷之间的高差波高：波峰和波谷之间的高差p波长：两峰或两谷之间的距离波长：两峰或两谷之间的距离p周期：相邻两波峰或波谷通过一固定点所需时间周期：相邻两波峰或波谷通过一固定点所需时间p波速：波浪推进速度波速：波浪推进速度p决定波浪规模的主要因素：决定波浪规模的主要因素：p风速风速WW：p风的作用时间风的作用时间ththp风在水面的吹程风在水面的吹程DD一般滨海地区所见大浪波高一般滨海地区所见大浪波高3-3-5m5m，波长，波长40-80m40-80m；大洋中所；大洋中所见的最大波高可达见的最大波高可达2

4、0m20m，最大，最大波长超过波长超过800m800m。15.2 15.2 波浪和岸流的一般特征波浪和岸流的一般特征p15.2.2 15.2.2 岸流的一般特征岸流的一般特征p在岸边地带，尤其是海岸地带，常常发育一种沿岸或离岸在岸边地带，尤其是海岸地带，常常发育一种沿岸或离岸的水流，统称为岸流。的水流，统称为岸流。 造成岸流的原因：造成岸流的原因：（1 1）最主要与风浪在岸边造成的雍水现象有关。）最主要与风浪在岸边造成的雍水现象有关。（2 2）边岸地区的风或海流也可引起沿）边岸地区的风或海流也可引起沿岸流动，流速一般不超过岸流动，流速一般不超过1010厘米厘米/ /秒秒。（3 3）水温和盐度的

5、差异也可能引起岸）水温和盐度的差异也可能引起岸流，速度更小。流，速度更小。（4 4）有潮汐的海区，潮汐作用也是改）有潮汐的海区，潮汐作用也是改造岸边的重要动力。造岸边的重要动力。15.2 15.2 波浪和岸流的一般特征波浪和岸流的一般特征海平面风向（a）（b）图15-5 推向岸边的风浪引起的岸流示意图（a）-离岸回流；（b）-沿岸水流风向海15.3 15.3 海海( (湖湖) )边岸磨蚀与堆积的边岸磨蚀与堆积的基本规律基本规律p波浪和岸流可能通过两种方式来改造边岸。波浪和岸流可能通过两种方式来改造边岸。一种是波浪对岸坡曲直接冲击磨蚀，多发生于一种是波浪对岸坡曲直接冲击磨蚀，多发生于水下岸坡较陡

6、的海湖岸段；水下岸坡较陡的海湖岸段；另一种方式则是波浪和岸流引起的水流带动沉另一种方式则是波浪和岸流引起的水流带动沉积物的移动，使边岸遭受磨蚀或堆积。积物的移动，使边岸遭受磨蚀或堆积。p上述两方面的作用不仅使边岸横剖面不断发生上述两方面的作用不仅使边岸横剖面不断发生变化，同时也将引起岸线的不断变迁，使两者变化，同时也将引起岸线的不断变迁，使两者逐渐与具一定特征的波浪和岸流相适应。逐渐与具一定特征的波浪和岸流相适应。p15.3.1 15.3.1 波浪的冲蚀作用和侵蚀岸坡的演变波浪的冲蚀作用和侵蚀岸坡的演变u波浪冲击力的大小与波浪浪高有关；波浪冲击力的大小与波浪浪高有关；u波浪对岸坡的冲击力也与岸

7、坡坡度有关，坡愈陡、所承波浪对岸坡的冲击力也与岸坡坡度有关，坡愈陡、所承受的冲击力愈大；受的冲击力愈大；u岸坡后退的速度与组成岸坡的岸坡后退的速度与组成岸坡的u岩土体抗冲刷能力密切相关。岩土体抗冲刷能力密切相关。15.3 海海(湖湖)边岸磨蚀与堆积边岸磨蚀与堆积的基本规律的基本规律图 15-7 波 浪 冲 蚀 下 波 蚀 龛 的 形 成 与 岩 坡 的 后 退1-岸 边 悬 崖 ；2-波 蚀 龛 ；3-岸 滩 ；4-水 下 岸 坡 （ 水 下 磨 蚀 岸 坡 ） ；5-水 下 岸 坡 （ 水 下 堆 积 阶 地 ）p15.3.2 15.3.2 岸边沉积物的横向移动和水下岸坡的形成与演变岸边沉积

8、物的横向移动和水下岸坡的形成与演变p按物质的运动方式，沉积物大致可分为三种类型，即：按物质的运动方式，沉积物大致可分为三种类型，即：p(1)(1)推移质沉积物：粒径大于推移质沉积物：粒径大于2 2毫米，主要以沿底面往返毫米，主要以沿底面往返推移或滚动方式运动。推移或滚动方式运动。 p(2)(2)半悬移质沉积物：粒径半悬移质沉积物：粒径0.5-20.5-2毫米毫米 p(3)(3)悬移质沉积物：通常粒径小于悬移质沉积物：通常粒径小于0.50.5毫米。当波浪底流毫米。当波浪底流流速达到扼沙的悬移临界速度，泥沙即悬浮于水中，这流速达到扼沙的悬移临界速度，泥沙即悬浮于水中，这种现象多见于破浪线附近。种现

9、象多见于破浪线附近。15.3 海海(湖湖)边岸磨蚀与堆积边岸磨蚀与堆积的基本规律的基本规律15.3 海海(湖湖)边岸磨蚀与堆积边岸磨蚀与堆积的基本规律的基本规律- S2- S1S1S2S3图 1 5 - 9 在 波 浪 作 用 下 水 下 岸 坡 沉 积 物 跳 跃 迁 移 运 动轨 迹 示 意 图 （ 据 K . V o l l b r e c h t , 1 9 5 4 ）实 线 - 较 粗 颗 粒 运 动 轨 迹 ； 虚 线 - 较 细 颗 粒 运 动 轨 迹海 面海 面海 面图 15-11 在 波 浪 作 用 下 由 均 一 颗 粒 组 成 的 水 下 岸 坡 发 展 过 程 示 意

10、图（ 据 列 昂 节 夫 ）（ a）(b)(c)p15.3.3 15.3.3 沿岸沉积物的纵向移动及岸坡的演变沿岸沉积物的纵向移动及岸坡的演变p（1 1）沿岸沉积物的纵向移动）沿岸沉积物的纵向移动p当波浪斜向奔向边岸时，波浪的顺岸方向的分量将使沉积当波浪斜向奔向边岸时，波浪的顺岸方向的分量将使沉积物作沿岸的运动。物作沿岸的运动。当波浪斜向冲向岸滩时，岸滩上的当波浪斜向冲向岸滩时，岸滩上的沉积物可以在涌向岸滩的激浪流的沉积物可以在涌向岸滩的激浪流的拖带下作如图所示的运动，此时颗拖带下作如图所示的运动，此时颗粒随向岸流以锐角方向弃向岸滩，粒随向岸流以锐角方向弃向岸滩，尔后又随顺坡而下的离岸流滚回岸

11、尔后又随顺坡而下的离岸流滚回岸边，这样，在每一个波动周期内，边，这样，在每一个波动周期内，不同大小的颗粒分别沿岸跨越了不不同大小的颗粒分别沿岸跨越了不同大小的距离同大小的距离( (步程步程) )。15.3 海海(湖湖)边岸磨蚀与堆积边岸磨蚀与堆积的基本规律的基本规律海滩击岸流的途径波浪行进的方向FAOBCD123p（2 2）纵向沉积物对岸边的改造作用）纵向沉积物对岸边的改造作用p边岸形态的影响边岸形态的影响n 岸坡方向发生转折时岸坡方向发生转折时n 十分曲折复杂的岸坡十分曲折复杂的岸坡n 临近有岛屿时临近有岛屿时p岸区地质结构的影响岸区地质结构的影响a)a)岸区地质结构和所处地貌环境对岸线改造

12、的岸区地质结构和所处地貌环境对岸线改造的控制作用，要表现在两者确定了沉积物流的控制作用，要表现在两者确定了沉积物流的补给条件。补给条件。15.3 海海(湖湖)边岸磨蚀与堆积边岸磨蚀与堆积的基本规律的基本规律15.4 15.4 水库边岸再造和水库边岸再造和 滑体涌浪预测滑体涌浪预测p 水库形成以后，沿岸地区自然条件将发生显著变化，水库形成以后，沿岸地区自然条件将发生显著变化，不仅由于水位的升高造成河流局部侵蚀基准面和地下不仅由于水位的升高造成河流局部侵蚀基准面和地下水位的抬高，并引起水文动态变化，使水库边岸遭受水位的抬高，并引起水文动态变化，使水库边岸遭受强烈改造强烈改造。u 在水库的上游段，尤

13、其是比较狭窄河谷的水库中，在水库的上游段，尤其是比较狭窄河谷的水库中，水流仍可具有一定流速，改造岸坡的地表水作用可能水流仍可具有一定流速，改造岸坡的地表水作用可能仍以流水作用为主；仍以流水作用为主；u在水库的下游段，尤其在水而比较开阔的水库中，波在水库的下游段，尤其在水而比较开阔的水库中，波浪则可能成为地表水改造边岸的主要营力，库岸在波浪则可能成为地表水改造边岸的主要营力，库岸在波浪作用下将具有与海湖边岸类似的演变规律。浪作用下将具有与海湖边岸类似的演变规律。p水库边岸的再造不仅可能威胁沿岸建筑物的安全，并水库边岸的再造不仅可能威胁沿岸建筑物的安全，并可成为大量固体径流的来源，从而加速水库淤积

14、。可成为大量固体径流的来源，从而加速水库淤积。p边岸再造过程中导致的大型崩滑体边岸再造过程中导致的大型崩滑体( (包括主要因水文包括主要因水文地质条件的变更等因素引起的崩滑体地质条件的变更等因素引起的崩滑体) )突然掀起的巨突然掀起的巨浪，则可能造成灾难性事故。浪，则可能造成灾难性事故。p关键问题：关键问题：u冲蚀岸坡波浪浪高的预测；冲蚀岸坡波浪浪高的预测；u疏松土石岸坡再造规模的预测；疏松土石岸坡再造规模的预测；u下滑体造成的涌浪浪高的估算。下滑体造成的涌浪浪高的估算。15.4 15.4 水库边岸再造和水库边岸再造和 滑体涌浪预测滑体涌浪预测p15.4.1 15.4.1 冲蚀岸坡波浪浪高的预

15、测冲蚀岸坡波浪浪高的预测p首先应根据库区气象资料确定该区的主要风向，首先应根据库区气象资料确定该区的主要风向，判定库区遭受波浪作用的最强烈地段；进而预测判定库区遭受波浪作用的最强烈地段；进而预测到达该岸段的波浪波高。到达该岸段的波浪波高。15.4 15.4 水库边岸再造和水库边岸再造和 滑体涌浪预测滑体涌浪预测A6A5A4A3A2A1A0A6A5A4A3A2A1A0H6H5H4H3H2H1H6L6L5L4L3L2图 1 5 - 2 3 水 库 中 遭 受 波 浪 强 烈 冲 蚀 岸 段 及 沿 主 要 风 向 的 地 形 剖 面 图风 向p推算步骤：推算步骤：p（1 1）沿作用于预测岸段的）沿

16、作用于预测岸段的主要风向切一地形剖面，主要风向切一地形剖面，按库底地形特征划分成若按库底地形特征划分成若干段落，确定每一段的长干段落，确定每一段的长度度(L(Li i，相当于风的吹程，相当于风的吹程) )和和平均水识平均水识(H(Hi i) )；p（2 2）确定风速以后，选定）确定风速以后，选定适当的诺谟图从背风岸开适当的诺谟图从背风岸开始利用该图按下图进行波始利用该图按下图进行波高计算。高计算。15.4 15.4 水库边岸再造和水库边岸再造和 滑体涌浪预测滑体涌浪预测h波 高 mT4h2h1T2T1T3H1H2T2T3L2T4L20L1LH2波 浪 冲 程 或 地 段 长图 15-25 计

17、算 波 浪 高 的 诺 谟 图 的 求 算 步 骤p15.4.2 15.4.2 水库边岸再造预测水库边岸再造预测p类比法、动力法、统计法、类比法、动力法、统计法、数值模拟、物理模拟法数值模拟、物理模拟法p（1 1）类比法）类比法p做预测岸坡的原始剖面做预测岸坡的原始剖面p预测水下岸坡预测水下岸坡p预测水上岸坡预测水上岸坡15.4 15.4 水库边岸再造和水库边岸再造和 滑体涌浪预测滑体涌浪预测Sh1h2H(H-hB)cthBNLhPMABM图 15-26 预 测 边 岸 再 造 规 模 的 类 比 法 图 解（ 据 . .卡 丘 金 ）1-设 计 低 水 位 ； 2-设 计 高 水 位p（2

18、2）水库边岸再造的超前新息预测法）水库边岸再造的超前新息预测法p外形再造预测外形再造预测岸坡变形破坏预测，充分利用岸岸坡变形破坏预测，充分利用岸坡演化进程中所测得的最新信息。坡演化进程中所测得的最新信息。图图15-28 水库蓄水后，岸坡演化机制模式转化的几种典型类型水库蓄水后，岸坡演化机制模式转化的几种典型类型15.4 15.4 水库边岸再造和水库边岸再造和 滑体涌浪预测滑体涌浪预测波 浪 爬 升 最 高 水 平 线岸 墙边 岸 斜 坡 护 坡防 蚀 护 堤0 - - 0图 1 5 - 3 8 护 岸 衬 砌 设 施 结 构 示 意 图p15.4.3 15.4.3 水库滑坡涌浪波高预测水库滑坡

19、涌浪波高预测p通用的美国土木工程学会建议的推算法：通用的美国土木工程学会建议的推算法：p假定沿滑体滑落于半无限水体中，且下滑高程假定沿滑体滑落于半无限水体中，且下滑高程大于水深，根据重力表面波的线性理论，推导大于水深，根据重力表面波的线性理论，推导出一个滑坡引起波浪的计算公式。出一个滑坡引起波浪的计算公式。p应用公式直接计算其过程十分复杂，但利用根应用公式直接计算其过程十分复杂，但利用根据公式计算确定的一些曲线图表能较简便地求据公式计算确定的一些曲线图表能较简便地求出距滑体落水点不同距离处的最大波高。出距滑体落水点不同距离处的最大波高。15.4 15.4 水库边岸再造和水库边岸再造和 滑体涌浪

20、预测滑体涌浪预测15.5 15.5 海海( (湖湖) )边岸及沿岸边岸及沿岸 建筑物的防护措施建筑物的防护措施p 护岸和护港有两个方面的目的：护岸和护港有两个方面的目的：p一方面是保护岸坡、港口免遭冲刷，以保证岸边建筑物的一方面是保护岸坡、港口免遭冲刷，以保证岸边建筑物的安全，防止引起斜坡显著变形或破坏；安全，防止引起斜坡显著变形或破坏；p另一方面是防止边岸、港口道遭受淤积，以保证港湾设施另一方面是防止边岸、港口道遭受淤积，以保证港湾设施及潮汐发电站等正常运行。及潮汐发电站等正常运行。p为了达到上述目的，应遵循以下防护原则：为了达到上述目的，应遵循以下防护原则：p (1)(1)根据海根据海( (湖湖) )边岸磨蚀、堆积规律，设置某些水工建筑边岸磨蚀、堆积规律，设置某些水工建筑物，改变波浪、岸流的作用方向，造