CH河流侵蚀和淤积的工程地质

工程地质学ENGINEERINGGEOLOGY主讲人：刘岁海lecturer：LiuSuihai

河流作用河流通過

、

和

塑造地貌。而河流的

是決定河流進行不同作用的主要因素。侵蝕作用搬運作用沉積作用能量流速第十二章河流侵蚀和淤积的工程地质研究概述河流的动力学特征岩土的临界流速及河床的稳定性山区和平原河流侵淤作用的特征与河流侵淤作用有关的工程地质问题河流的开发与整治主要内容(MainTopics)第一节概述河流的侵蚀和淤积是改变地表形态最重要的因素之一。影响河流侵蚀和淤积的因素很多，但水流与河床相互作用是引起河流发展和变化的根本因素。水流：水位、流量、流速、水流结构和含沙量等河流河床：河床的平面及断面形态、纵横坡降、组成床底及床岸物质河流的空间形态河流的空间形态河流在纵向的特征河流的空间形态河流在横向的特征（河谷要素）河谷河流侵蚀出的槽形凹地。谷底河谷底部较平坦的部分。河床河水占据的沟槽。谷坡谷底至分水岭的斜坡。阶地谷坡上的阶梯状平台。河流的侵蚀作用：河流在从高处向低处流动过程中，以自身的化学动力(溶解力)和机械动力(水力)，并以携带的泥沙和砾石作工具，不断地破坏河床的过程。按侵蚀作用的方向分为三种类型：河流的下蚀作用：河水对河床底部岩石破坏，使河谷加深的过程。河流的侧蚀作用：河水对河床岩石破坏，使河谷拓宽的过程。向源侵蚀：向下侵蚀又称为加深作用，常出现在瀑布或水水坝下方，流水水急速由高高往下侵蚀，使得河床床加深。河流的下蚀蚀作用下蚀作用的的过程河流的下蚀蚀作用下蚀作用的的结果———峡谷地貌虎跳峡三峡河流的侧蚀蚀作用由于河水惯性离离心力的作用使河河水冲向弯弯曲河床的的凹岸，造造成凹岸被被侵蚀，而而凸岸水流流减缓，在在凸岸河水水携带的泥泥沙就会沉沉积，河床床不断加宽宽，河曲的的曲度变大大，形成蛇曲河。蛇曲河最最后会裁弯弯取直。废废弃的弯曲曲河道称为为牛轭湖。凸岸沉积凹岸侵蚀河流的侧蚀蚀作用侧向侵蚀又称为加宽作用，弯曲的河道，，水流向两侧侵蚀，使得河床床加寬。外外侧的流速比內內侧快。蛇曲河下蚀作用与与侧蚀作用用的关系时间上河流发育的的早期以下蚀作用为为主，随着着坡度减小小，逐渐转转为以侧蚀蚀作用为主主。空间上河流的上游游以下蚀作用为为主，河流流的下游以以侧蚀作用用为主。向源侵蚀又称为加长作用。河流源头部分受地下下湧出的泉泉水或雨水水影响，常会造成河道往往上加长现象。河流的沉积积作用河流搬运物物从河水中中沉积下来来的过程称河流沉积积作用。。河流沉积作作用的主要要方式是机械沉积作作用。引起河流机机械沉积作作用的主要要原因是河水流速的降低，导致机械械动能的减减小，使河河流的搬运运能力降低低而发生沉沉积。根据沉积的的部位分为为：山口沉积作用谷底沉积作作用河口沉积作作用山口沉积作用谷底沉积作作用河口沉积作作用河流的沉积积作用山口沉积作用山口沉积作用用：来自山区区的河流流，携带带着大量量机械搬运运物到山口开开阔的平平地上，，由于河床坡降降减小，水水流无地地形约束束而散开开，河水动力力突然大大大减小，，机械搬搬运能力力迅速降降低，搬搬运物就就会山口口沉积下下来。山口沉积积物常形形成扇状状地貌：：冲积扇。河流的沉沉积作用用谷底沉积积作用：谷底包括括两部分分。一部部分是被被河水所所覆盖的的河床，在河床床上产生生的沉积积作用称称河床沉积积；另一部部分是平平水位时时谷底未未被河水水所淹没没的平坦坦地形———河漫滩。河漫滩沉积心滩地貌貌边滩地貌貌河流的沉沉积作用用河口沉积积作用：河口是河河流最主主要的沉沉积场所所。当河河流入湖湖泊、海海洋时受受湖水或或海水的的顶托，流速迅迅速减小小，使河河水搬运运能力减减弱甚至至消失，，大量机机械搬运运物质在在河口沉沉积下来来。另一一方面由由于湖水水、海水水中富含含有电解解质，当当河流中中以胶体体搬运的的溶运物物与湖水水、海水水相混合合后，海海水中的的电解质质破坏了了胶体的的稳定性性，致使使胶体凝凝聚，而而沉积在在河口。。河流的沉沉积作用用在河流流流入湖泊泊或海洋洋的地方方，河流流沉积物物常形成成锥形的的沉积地地貌（其其外形象象三角形形）称为为三角洲。河流怎样运送搬运物？懸移溶液推移躍移河流能量量愈高，能运送的搬运物就愈大大。岩石的礦礦物被河河水溶解解後，隨河水流流向下游游。溶解質細小的砂砂泥懸浮浮在水，，隨河水流向下下游。懸移質較重的石石塊沿河河床跳躍躍前進。推移質體積很大大的石塊塊沿河床床或。滾動滑動当河流失去去能量時時会怎樣？河流能量量下降時時，先沉積。。接着是較細小小的石頭頭。最後是幼幼細的砂砂石如或。因此，靠靠近河口口處會有有較多，遠離河河口處會會有較多多。黏土卵石卵石泥泥第二节河河流流的动力力学特征征一、河流的紊紊流特征征据流体内内部质点点移动状状态层流：水质点作作井然有条条、互不不混杂的运动时时称为层层流。紊流：水质点作作不规则的的相互混混杂运动动的时称为为紊流。。二、横向向环流主流：河流中水水体在重力作用用下沿河槽总总方向运运动者，，其流线和速速度向量基本本平行，，且大致致平行于于河槽轴轴线。副流：在各种因素素作用下，，水流内内部产生生的有规规律、大大规模的的水体旋转转运动者。它与与主流叠叠加，使使水流呈呈螺旋式前前进运动动，它引起起泥沙横横向移动动，形成成河槽形形状的多样化。据水流所所围绕的的旋转轴方方向不同，分分为纵轴轴、横轴轴、斜轴轴及竖轴轴副流四四类。横向环流流：指旋转轴轴与河流流总方向向一致的的副流。是由地球球自转引引起的科科氏力、、河道水水位涨落落、离心心力的作作用等。。其中弯弯道河流流水流离离心力作作用是最最主要的的原因。。横向环流流的形成成使得水水流的流流速在同同一横断面上表现出出具有一一定规律律的变化化：1、在凹岸岸表流下下沉转为为底流的的部位，，由于重重力作用用，水流流流速递递增，易易将泥沙沙带走，，形成侵蚀深潭潭，同时使使凹岸不不断向外外侧后退退；2、在底流流上升为为表流部部位，则则要克服服重力，，水流流流速递减减，易于于造成凸岸淤积积，形成浅浅滩，同同时使凸凸岸不断断向河床床推进。。第三节岩岩土的的临界流流速及河河床的稳稳定性一、临界界流速水流作用用于河床床岩土上上的推移力及上托力大于岩土的强强度时，将发发生侵蚀和搬搬运，否则，，河床不不会遭受受侵蚀而而形成淤淤积。河床组成成物质抵抵抗水流流作用的的能力，取决于于组成河河床的岩岩土类型型、岩土土物理力力学性质质、土的的颗粒组组成、土土颗粒大大小和形形状等。。1、岩石的临界流流速假设凸出出于河床床中的岩岩体高为为h，宽为b，长为l，水流速度度为U，其流向向与hl面垂直，，则岩体体所受动水压力力P为：P=ρωU2hl*αα0/2其中：α0-水流不均均匀系数数；ρω–水的密度度在P作用下引引起可能能滑动面面(bl)上的剪应力τ，则：τ=P/bl=ρωU2h*α0/2b若岩体的抗剪断强度为为S，即：S=C+σtgφ其中：C-内聚力；φ-作用于剪断面面上的正应力力当τ=s时的水流速度，称为侵蚀临界流速速Ucr，则：Ucr=[2b(C+σtgφφ)/ρωhα0]1/2对于坚硬完整整的岩石，其其内聚力C很大，故当b≈h时侵蚀临界流速速很大，约为50-150m/s。天然河流流速速很少大于10m/s，因而，坚硬完整岩石石不可能遭受受水流侵蚀。但强度低或或裂隙发育的的岩体，将会会遭受侵蚀作作用。2、无粘结的卵、砾、砂粒粒的临界流速无粘性的卵、、砾、砂粒，，在水流作用用下其起动条件是不同的，设设直径为d的球状颗粒，所受的动水压力为P，则P=ρωU2πd2α0/8而颗粒的内磨擦阻力为T，则：T=f*m*g=fg*π(ρ-ρρω)d3/6式中：f-滚动磨擦系数数；m-颗粒质量；ρ-颗粒密度当ρ=T时，颗粒处于于极限平衡状态态，此时水流速速度称为推移临界流速速U′cr，即：U′cr=[4gf(ρ/ρω-1)d/3d0]1/2当d<400mm时，U′cr以m/s为单位，d以mm为单位时，据据实测可知：U’cr=0.2d1/2①当U>U′cr时，颗粒将沿沿河床滚动或或滑动，这时时被搬运的颗颗粒叫推移质。②当U<U′cr时，颗粒停在在原地，即形形成淤积。③当U>>U′cr时，可使沿河河床移动的颗颗粒离开河床床，悬浮于水水流中，这时时搬运的颗粒粒叫悬移质。3、土的临界流速土颗粒的悬移与水流纵向流流速的铅直分分量有关。河流中紊流的平均流速U与其铅直分速速ω大体上成正比比，根据实验验所得为：U/ω=α=12—20即直径为d的颗粒悬移临界流速速为其推移临界流速速U′cr的12--20倍，即：U″cr=(12--20)U″cr二、河床的稳稳定性1、纵向稳定指指标常用河床泥沙的粒粒径与河床坡降之比比表示河床的纵向稳稳定性。K1=d50/J式中：K1-河床稳定性指指数；J－河床坡降（mm/m）d50-无粘性土的平平均粒径（mm）K1值越大，则河河床越不易被被侵蚀冲刷。实际资料表明明：①.当K1>=15-20时，河床基本本稳定②.当K1<5时，河床泥沙沙在平水期也也移动③.当K1<=1时，河床极不不稳定2、横向稳定指指标多数研究者根根据河床横向变形形结果来分析其稳定定性。例如：阿尔杜杜宁提出：K2=BJ0.2/Q0.5其中：K2－横向稳定指标标；Q－造床流量；B－与造床流量相相应的河宽；；J－造床流量时水水面坡降。K2值越大河床越越不稳定。第四节山区区和平原河流流侵淤作用的的特征一、山区河流流的侵淤特征1、以侵蚀作用为主，仅在宽宽缓河段及弯弯曲河段发生生局部淤积。。2、河床演变的速度较缓慢慢，河床的形形态、主流和和副流位置比比较固定，不不会引起航道道的大变化。。3、河流流速大，，输沙能力强强，河床以深深切为主，小于2mm的颗粒一般多多呈悬移质，，大于2mm的则多呈推移移质，堆积物物颗粒粗大，，有卵、砾及及漂石淤积。。二、平原河流流的侵淤特征1、坡度平缓，，径流系数小小，汇流时间间长，洪水的的上涨和回落落比较缓慢，，一般流量较较大，但流量量和水位的变变幅较小，具具稳定的中水水期。2、侵淤作用时时间长，平原原河流以淤积作用为主，其颗粒粒较小，分选选性较好,厚度较大。3、河流横向侵侵淤变化显著著，侵淤位置置不固定。三、地上悬河河－平原河流流的特殊类型型地上悬河：河床高于其其两岸地面的的河流。地上悬河形成成必须同时具具备的三个基基本条件：1、河水携带带大量敏感土土粒（0.25-0.01mm）；2、河水中有相当当大部分为敏敏感水流（时时间平均流速速小于0.7m/s）；3、河流具有足够够广阔可能被被泛滥的面积积。第五节与河河流侵淤作用用有关的工程程地质问题一、与河流淤积有关的工程地地质问题以水库淤积较为典型在河流上筑坝坝提高水位，，库区形成壅水，使得原来河河流的侵蚀基基准面抬升，，水流入库过过程中，水深深和过水断面面沿流程增大大，流速降低低，来自上游游的泥沙在库区大量落落淤，直接影影响水库的效效益和使用寿寿命。水库淤积形式式：1、壅水淤积：携带泥沙的河河流进入水库库壅水段后，，泥沙扩散到到全断面，随随着水流挟沙沙能力沿流程程降低，泥沙沙沉积于库底底，并形成上游游粗粗、、下下游游细细有规规律律分分布布的的三三角角洲洲，，这这种种淤淤积积称称为为壅水水淤淤积积。当库库容容较较大大，，泥泥沙沙颗颗粒粒较较粗粗，，库库区区地地形形开开阔阔，，并并常常处处高高水水位位运运行行时时，，易易形形成成这这种种淤淤积积。。2、异重重流流淤淤积积：多发发生生于于多细细粒粒泥泥沙沙河河流流中，，当当入入库库水水流流含含沙沙量量高高，，并并有有足足够够流流速速时时，，浑浑水水进进入入壅壅水水段段后后不不与与清清水水混混淆淆扩扩散散而而潜入入清水水下下面面，，沿沿库库底底向向下下游游继继续续运运动动，，并并一一直直运运行行到到坝坝前前。。在在回回流流作作用用下下水水库库变变浑浑，，细细土土粒粒缓缓缓缓落落于于库库底底。。如如及及时时开开启启大坝坝排排沙沙底底孔孔闸门门，，异异重重流流淤淤积积物物可可随随水水排排出出库库外外。。二、、与与河河流流侵蚀蚀有关关的的工工程程地地质质问问题题1、紊紊动动漩漩涡涡对对天天然然河河道道上上的的桥桥渡渡工工程程、、墩墩台台基基础础砌砌置置地地段段的的冲刷刷作作用用。2、坝后后再再造造：河流流上上修修水水库库后后，，水水库库下下游游河河段段的的来来水水、、来来沙沙条条件件与与建建库库前前相相比比发发生生了了变变化化，，即即引引起起河河流流平平衡衡条条件件的的破破坏坏，，而而导导致致下游游河河床床的的再再造造。3、坝顶顶溢溢流流第六六节节河河流流的的开开发发与与整整治治不同同部部门门对对河河流流的的开开发发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规规模模和和效效果果，，可可分分为为全面面开开发发治治理理和局部部整整治治两大大类类一、、河河流