工程地质-3水利工程地质

工程地质-3水利工程地质第3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河流的地质作用一、河流的地质作用1、侵蚀作用2、搬运作用和沉积作用二、河谷地貌1、河谷的类型及特征2、河床地貌特征3、河漫滩4、河流阶地三、第四纪沉积物的工程地质特征1、坡积物2、洪积物3、冲积物4、黄土3.2地下水的特征1、地下水的性质2、地下水的主要类型与特征3、环境水对混凝土的腐蚀性3.1河流的地质作用在自然界，水有气体、液体和固体三种不同状态，它们存在于大气中，覆盖在地球表面上和存在于地下土、石的孔隙、裂隙或空洞中，可分别称为大气水、地表水和地下水。大气水、地表水和地下水之间不间断的运动和相互转化，称为自然界中水的循环。

一、河流的地质作用由降水或由地下涌出地表的水汇集在地面低洼处，在重力作用下经常地或周期性地沿流水本身造成的河谷流动，这就是河流。河流的地质作用分为侵蚀作用、搬运作用和沉积作用三种形式。1、侵蚀作用河流的侵蚀作用包括机械侵蚀和化学侵蚀两种；河流的侵蚀按侵蚀作用方向分为下蚀作用和侧向侵蚀作用等形式。

下蚀作用：向源侵蚀：下蚀作用在河流源头表现为河谷不断地向分水岭方向扩展延伸，使河流增长。即为向源侵蚀。河流袭夺：侵蚀能力较强的水系，可以把另一侧侵蚀能力较弱的水系的上游支流劫夺过来。侧向侵蚀作用：2、搬运作用和沉积作用河流将其携带的物质向下游运送的过程称为河流的搬运作用。河流搬运能力的大小，取决于河流的流量和流速，其中流速的影响最大。流水搬运的方式可分为物理搬运和化学搬运两大类。物理搬运的物质主要是泥砂石块，化学搬运的物质则是可溶解的盐类和胶体物质。物理搬运又可分为悬浮式、跳跃式和滚动式三种方式。相应的搬运物质分别称为悬移质和推移质。

被搬运物质的质量与流速的六次方成正比，流速增加1倍，被搬动物质的质量将增加至64倍。悬移质和推移质可以相互转换。化学搬运的距离最远，水中各种离子和胶体颗粒多被搬运到湖、海盆地中，当条件适合时，在湖、海盆地中产生沉积。良好的分选性和磨圆度是河流沉积物区别于其他成因沉积物的重要特征。

二、河谷地貌地貌与地形的区别：地形只是指单纯的地表起伏，而地貌除指地表起伏形态外，还包含其形成原因、时代、发展和分布规律等特征。大型的地貌主要是由内力地质作用形成的，如大陆、海洋、山岳、平原等。小型的地貌则主要是外力地质作用所形成的，如山峰、山脊、冲沟、河谷等。河谷；河床；河漫滩；阶地；谷肩：是谷坡上的转折点，是计算河谷宽度、深度和河谷制图的标志。

二、河谷地貌1、河谷的类型及特征根据横断面形态特征分类

1）峡谷河谷的横断面呈V形，谷地深而狭窄，谷坡陡峭甚至直立，谷坡与河床无明显的分界线，河谷几乎被河床全部占据。隘谷：两岸近直立，谷底全被河床占据。长江三峡

2）浅槽谷又称U形河谷或河漫滩河谷。河谷横剖面较宽、浅，谷面开阔，谷坡上常有阶地分布，谷底平坦，常有河漫滩分布，河床只占谷底的一小部分。多形成于低山、丘陵地区和平原地区。

3）屉形谷屉形横断面形态为宽广“”形。河谷谷坡基本上不存在，阶地也不甚明显，只有浅滩、河漫滩、江中滩、叉河等发育。浅滩：为高程在平水位以下的各种形态的泥沙堆积体，包括边滩、心滩、沙梗等。心滩不断淤高，其高程超过平水位时就转换为江心洲。河流以侧蚀作用和堆积作用为主。多分布在河流下游、丘陵和平原地区。根据河流与地质构造的关系分类

1）纵谷特征：河谷延伸方向与岩层走向或地质构造线方向一致。河流是沿软弱岩层、断层带、向斜或背斜轴等发育而成。分为向斜谷、背斜谷、单斜谷、断层谷、地堑谷等

2）横谷特征：河谷延伸方向与岩层走向或地质构造线方向近于垂直。根据两岸谷坡对称情况分类分为对称谷和不对称谷

2、河床地貌特征岩坎、石滩、深槽和深潭（1）岩坎和石滩

（2）深槽和深潭3、河漫滩4、河流阶地

阶地的成因河流阶地是在地壳的构造运动与河流的侵蚀、堆积作用的综合作用下形成的。当河漫滩、河谷形成之后，由于地壳上升或侵蚀基准面相对下降，原来的河床或河漫滩遭受下切，而没有受到下切的部分就高出于洪水水位之上，变成阶地，于是河流又在新的平面上下切河床。此后，当地壳构造运动处于相对稳定期或下降期时，河流纵剖面坡度变小，流水动能减弱，河流下蚀作用变弱或停止，侧蚀和沉积作用增强，于是又重新扩宽河谷，塑造新的河漫滩。在长期的地质历史过程中，若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。紧邻河漫滩的一级阶地形成的时代最晚，一般保存较好；依次向上，阶地的形成时代愈老，其形态的完整性相对越差。阶地的类型由于构造运动和河流地质过程的复杂性，河流阶地的类型是多种多样的。一般可以将其分为下列三种主要类型：1、侵蚀阶地侵蚀阶地主要是由河流的侵蚀作用形成的，基岩裸露，其上没有或仅有很少的冲积物，多发育在构造抬升的山区河谷中。2、基座阶地阶地面由两种物质组成，上部为河流的冲积物，下部是基岩或其他类型的沉积物。主要是由于地壳抬升、河流下切侵蚀形成的，在形成过程中河流下切侵蚀深度超过了原来冲积物的厚度，切至基岩内部而成。如果基座阶地形成以后，由于气候或构造的原因，在新一轮的河流侵蚀——堆积过程中，河谷中堆积较厚的冲积物，超过阶地基座高度并把基座覆盖起来，称为覆盖基座阶地

3、堆积阶地：阶地全由河流冲积物组成。在河流中下游最为常见。它的形成过程，首先是河流侧向侵蚀，展宽谷底，同时发生大量堆积，形成宽阔的河漫滩，然后河流强烈下切侵蚀，形成阶地。一般河流下切侵蚀的深度不超过冲积层的厚度，因此，整个阶地全由松散的冲积物组成。根据河流下切侵蚀深度与多级堆积阶地之间的接触关系，堆积阶地可分为内迭阶地与上迭阶地二种。1)上迭阶地河流在切割河床堆积物时，切割的深度逐渐减小，侧向侵蚀也不能达到它原有的范围，新阶地的堆积物完全迭置在老阶地的堆积物上，这种形式的堆积阶地称为上迭阶地。2)内迭阶地河流切割河床堆积物时，每次下切的深度大致相同，而堆积作用逐次减弱，每次河流堆积物分布的范围均比前次小，新的阶地套在老的阶地之内，这种形式的堆积阶地称为内迭阶地。

三、第四纪沉积物的工程地质特征1、坡积物雨水或雪水将高处的风化碎屑物质洗刷而向下搬运，或由本身的重力作用，堆积在平缓的斜坡或坡脚处，成为坡积物。2、洪积物由洪水堆积的物质，简称洪积物，它是组成洪积物的堆积物。洪积物是山区溪沟间歇性洪水挟带的碎屑物质，一般堆积在山前沟口。属快速流水搬运，因此一般颗粒较粗，除砂、砾外，还有巨大的块石，分选性也差，大小混杂。因为洪流搬运距离不长，碎屑滚圆度不好，多呈次棱角状。层理面不清，斜层理和交错层理发育。

3、冲积物河流冲积作用形成的堆积物，叫做冲积物，它是组成冲积平原的堆积物。冲积物具有良好的分选性，随着搬运能力的减弱，总是粗的、比重大的先沉积，细的、比重小的后沉积。因此，在河谷内随着水流的变化，冲积物呈有规律的分布。如在河流的纵向分布上，冲积物粒径从上游到下游逐渐减小。沿河流横向分布，冲积物粒径从河床中部到岸边逐渐变细。冲积物的颗粒具有良好的磨圆度，一般都有比较清晰的层理。河流沉积物的特点，随着在河流的不同地段而不同，并且表现在不同的地貌形态上。如河床沉积、河漫滩沉积和河口区沉积等。1）山区河流冲积物2）山前河流冲积物3）平原河流冲积物4、冰积物凡是由冰川作用形成的堆积物，均为冰积物。冰积物可分为冰碛和冰水沉积物两种基本类型冰碛：是由冰川融化使冰川携带的物质直接堆积而形成的。冰水沉积物：是经过冰水搬运的冰碛物发生沉积作用而形成的。

5、黄土黄土是第四纪以来，在干旱、半干旱气候条件下形成的一种特殊的陆相松散堆积物。黄土在世界上分布很广，其分布面积达1300万平方公里，欧洲、北美、亚洲均有分布。主要分布地带位于中亚至我国西北、华北和东北一带，其中黄河中上游地区的黄土高原是世界上最大的黄土分布区，它的范围大致北起阴山，南至秦岭，西抵日月山，东到太行山，横跨青海、宁夏、甘肃、陕西、山西、河南6省，面积64万平方公里，约占我国陆地面积的6.6%，比法国和瑞士的面积总和还要大。一般黄土覆盖厚度在100米以下，我国陇东、陕北、晋西黄土层最厚，六盘山以东到吕梁山西侧黄土厚度在100米～200米之间，兰州地区黄土分布的面积和厚度居世界之冠，平均达300米以上。黄土的基本特征如下：（1）颜色为淡黄、褐色或灰黄色（有时老黄土可能呈褐红色）；（2）粒度成分以粉土（0.075～0.005mm）颗粒为主，含量约占60～70%，一般不含粒径＞0.25mm的颗粒；（3）含各种可溶盐，尤其富含碳酸盐主要为CaCO3，一般含量为10～30%，可形成钙质结核（姜结石）；（4）孔隙多且大，结构疏松，孔隙度多为33～64%，有肉眼可见的大孔隙或虫孔、植物根孔等；（5）无层理，但有垂直节理和柱状节理。天然条件下能保持近直立的边坡；由于黄土的柱状节理发育，并且垂直方向的渗透系数大于水平方向的渗透系数，因此在黄土中钻探时，泥浆易沿节理流失。具有上述几项特征的土称为标准黄土，只具有其中部分特征的黄土则称为黄土状土或黄土质土。

3.2地下水的特征埋藏和运移在地表以下岩土空隙中的水称为地下水。地壳表层10km以内的范围，都或多或少存在着空隙，特别是浅部1~2km范围内，空隙分布较为普遍。岩石的空隙既是地下水储存场所，又是地下水的渗透通道，空隙的多少、大小及其分布规律，决定着地下水分布与渗透的特点。1、地下水的性质物理性质：温度、颜色、透明度、气味、味道、密度和导电性化学性质：地下水的酸碱度、硬度和矿化度。

1、地下水的性质物理性质：温度、颜色、透明度、气味、味道、密度和导电性化学性质：地下水的酸碱度、硬度和矿化度一、温度：地下水的温度变化主要受气温和地温的影响。埋藏深度不同的地下水，具有不同的温度变化规律。深层地下水的温度变化很小。二、颜色：地下水的颜色一般无色，取决于它的化学成分和悬浮于其中的杂质。测定地下水颜色的方法：取两支无色透明玻璃试管，一支装蒸馏水，一支装被测地下水，在管下衬以白纸，自上而下观测其颜色。

三、透明度：

地下水的透明度取决于水中固体与胶体悬浮物的含量。常见的地下水一般是透明的。地下水按透明度分为四级：透明的、微浊的、浑浊的和极浊的。透明度的测定方法：通过盛水样的试管，以看清3mm粗线的水深来确定。四、气味：地下水一般是无气味的，但当其中含有某些离子或某种气体时，则出现特殊的气味。例如：水中含有H2S气体时，具有臭鸡蛋气味；水中亚铁盐含量很高时具有铁腥气味；含有腐殖质时具有腐草（沼泽）气味。水的气味在低温时很难判断，加热到40℃时气味最明显。五、味道：

用嘴尝。地下水的味道取决于它的化学成分。六、比重：地下水的比重取决于其中所溶解盐分的含量。地下淡水的比重通常认为与化学纯水的比重相同，其数值为1。水中溶解的盐分越多，比重越大，有的可达。七、导电性：

地下水的导电性取决于其中所含电解质的数量和质量，即各种离子的含量与其离子价。离子含量愈多，离子价愈高，则水的导电性愈强。此外水温对导电性也有影响。八、放射性

地下水在不同程度上都含有放射性，含量多少取决于水中所含放射性元素的数量。在地下水中目前已发现60多种不同元素。储存和运动于放射性矿床及酸性火成岩分布区的地下水，其放射性相应增强。化学性质：地下水的酸碱度、硬度和矿化度化学成分：地下水不是纯水，是化学成分十分复杂的天然溶液。组成地壳的87种稳定元素中，在地下水中已发现70余种。

（1）主要的气体成分：O2、N2、CO2和H2S

（2）主要的离子成分有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-一般情况下，随着地下水含盐量的变化，其中占主要地位的离子成分也随之发生变化。含盐量低的水常以HCO3-

HCO3-、Ca2＋或HCO3-、Mg2＋为主；中等含盐量的常以SO42-、Na＋或SO42-、Ca2＋为主；含盐量高的水则以Cl-、Na＋为主。地下水的酸碱度、硬度和矿化度酸碱度(pH值)

地下水的酸碱度指的是氢离子浓度，常以pH值表示硬度：水中钙、镁离子的总量称水的硬度。

硬度可分为总硬度、暂时硬度和永久硬度。总硬度等于暂时硬度加永久硬度。

暂时硬度指水加热沸腾后所损失的Ca2+、Mg2+含量，此时仍保持在水中的Ca2+、Mg2+含量称永久硬度。硬度表示方法：

（1）mmol/l（毫克当量）

（2）德国度，1mmol/l=2.8德国度，1德国度相当于1L水中含10mgCaO或7.2mgMgO。生活饮用水水质标准规定水的硬度以CaCO3的mg/l表示。矿化度(M)

地下水中各种离子、分子与化合物的总量称矿化度(不包括游离气体)，以g/l或mg/l表示。是评价水质的重要指标。习惯上用105-110

C时将地下水样品蒸干后所得的干涸残余物总量来表示矿化度。饮用水总矿化度不应超过1.0g/l；灌溉用水总矿化度不应超过1.7g/l。2、地下水的主要类型与特征地下水分为包气带水、潜水和承压水包气带水潜水是埋藏在地表以下第一个连续、稳定的隔水层以上，具有自由水面的重力水。承压水是指存在于两个隔水层之间的含水层中，具有承压性质的地下水。地下水对工程问题的影响1、潜水位上升引起的工程地质问题(1)潜水位上升后，由于毛细水作用可导致土壤次生沼泽化、盐渍化，改变岩土体物理力学性质，增强岩土和地下水对建筑材料的腐蚀。在寒冷地区，可助长岩土体的冻胀破坏；(2)潜水位上升后，原来干燥的岩土被水饱和、软化，降低岩土抗剪强度，可诱发斜坡、岸边岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象；(3)崩解性岩土、湿陷性黄土、盐渍岩土等遇水后，可能产生崩解、湿陷、软化，其岩土结构破坏、强度降低、压缩性增大。而膨胀性岩土遇水后则产生膨胀破坏；(4)潜水位上升，可使洞室淹没，还可使建筑物基础上浮，危及安全。

2、地下水位下降引起的工程地质问题(1)地表塌陷岩溶发育地区，由于地下水位下降时改变了水动力条件，在断裂带、褶皱轴部、溶蚀洼地、河床两侧以及一些土层较薄而土颗粒较粗的地段，产生塌陷。(2)地面沉降地下水位的下降减小了土中的孔隙水压力，从而增加了土颗粒间的有效应力，有效应力的增加引起土的压缩，从而引发地面沉降。许多大城市过量抽取地下水致使区域地下水位下降从而引发地面沉降，就是这个原因。(3)海(咸)水入侵近海地区的潜水或承压含水层往往与海水相连，在天然状态下，陆地的地下淡水向海洋排泄，含水层保持较高的水头，淡水与海水保持某种动态平衡，因而陆地淡水含水层能阻止海水入侵。如果大量开发陆地地下淡水，引起大面积地下水位下降，可能导致海水向地下水含水层入侵，使淡水水质变坏。(4)地裂缝的产生与复活近年来，在我国很多地区发现地裂缝，西安是地裂缝发育最严重的城市。据分析这是地下水位大面积大幅度下降而诱发的。(5)地下水源枯竭、水质恶化盲目开采地下水，当开采量大于补给量时，地下水资源会逐渐减少，以致枯竭，造成泉水断流、井水枯干、地下水中有害离子量增多、矿化度增高。

3、地下水对钢筋混凝土的腐蚀

硅酸盐水泥遇水硬化，并且形成Ca(OH)2、水化硅酸钙CaOSiO2·12H2O、水化铝酸钙CaOAl2O3•6H2O等，这些物质往往会受到地下水的腐蚀。①结晶类腐蚀如果地下水中SO42-离子的含量超过规定值，那么离子将与混凝土中的Ca(OH)2

起反应，生成二水石膏结晶体CaSO4·2H2O，这种石膏再与水化铝酸钙CaOAl2O3·6H2O发生化学反应，生成水化硫铝酸钙(3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O)，习惯上称为水泥杆菌。由于水泥杆菌结合了许多的结晶水，因而其体积比化合前增大很多，约为原体积的221.86％，于是在混凝土中产生很大的内应力，使混凝土的结构遭受破坏。

②分解类腐蚀地下水中含有CO2，CO2与混凝土中的Ca(OH)2作用，生成碳酸钙沉淀。由于CaCO3不溶于水，它可填充混凝土的孔隙，在混凝土周围形成一层保护膜，能防止Ca(OH)2的分解。但是，当地下水中CO2的含量超过一定数值，而离子的含量过低，则超量的CO2再与CaCO3反应，生成重碳酸钙Ca(HCO3)2并溶于水。地下水的酸度过大，即pH值小于某一数值，那么混凝土中的Ca(OH)2也要分解，特别是当反应生成物为易溶于水的氯化物时，对混凝土的分解腐蚀很强烈。

③