CH12河流侵蚀和淤积的工程地质研究

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，常出现在瀑布或水坝下方，流水急速由高往下侵蚀，使得河床加深。河流的下蚀作用下蚀作用的过程河流的下蚀作用下蚀作用的结果——峡谷地貌虎跳峡三峡河流的侧蚀作用由于河水惯性离心力的作用使河水冲向弯曲河床的凹岸，造成凹岸被侵蚀，而凸岸水流减缓，在凸岸河水携带的泥沙就会沉积，河床不断加宽，河曲的曲度变大，形成蛇曲河。蛇曲河最后会裁弯取直。废弃的弯曲河道称为牛轭湖。凸岸沉积凹岸侵蚀河流的侧蚀作用侧向侵蚀又称为加宽作用，弯曲的河道，水流向两侧侵蚀，使得河床加寬。外侧的流速比內侧快。蛇曲河下蚀作用与侧蚀作用的关系时间上河流发育的早期以下蚀作用为主，随着坡度减小，逐渐转为以侧蚀作用为主。空间上河流的上游以下蚀作用为主，河流的下游以侧蚀作用为主。向源侵蚀又称为加长作用。河流源头部分受地下湧出的泉水或雨水影响，常会造成河道往上加长现象。河流的沉积作用河流搬运物从河水中沉积下来的过程称河流沉积作用。河流沉积作用的主要方式是机械沉积作用。引起河流机械沉积作用的主要原因是河水流速的降低，导致机械动能的减小，使河流的搬运能力降低而发生沉积。根据沉积的部位分为：山口沉积作用谷底沉积作用河口沉积作用山口沉积作用谷底沉积作用河口沉积作用河流的沉积作用山口沉积作用山口沉积作用：来自山区的河流，携带着大量机械搬运物到山口开阔的平地上，由于河床坡降减小，水流无地形约束而散开，河水动力突然大大减小，机械搬运能力迅速降低，搬运物就会山口沉积下来。山口沉积物常形成扇状地貌：冲积扇。河流的沉积作用谷底沉积作用：谷底包括两部分。一部分是被河水所覆盖的河床，在河床上产生的沉积作用称河床沉积；另一部分是平水位时谷底未被河水所淹没的平坦地形——河漫滩。河漫滩沉积心滩地貌边滩地貌河流的沉积作用河口沉积作用：河口是河流最主要的沉积场所。当河流入湖泊、海洋时受湖水或海水的顶托，流速迅速减小，使河水搬运能力减弱甚至消失，大量机械搬运物质在河口沉积下来。另一方面由于湖水、海水中富含有电解质，当河流中以胶体搬运的溶运物与湖水、海水相混合后，海水中的电解质破坏了胶体的稳定性，致使胶体凝聚，而沉积在河口。河流的沉积作用在河流流入湖泊或海洋的地方，河流沉积物常形成锥形的沉积地貌（其外形象三角形）称为三角洲。河流怎样运送搬运物？懸移溶液推移躍移河流能量愈高，能运送的搬运物就愈大。岩石的礦物被河水溶解後，隨河水流向下游。溶解質細小的砂泥懸浮在水，隨河水流向下游。懸移質較重的石塊沿河床跳躍前進。推移質體積很大的石塊沿河床或。滾動滑動当河流失去能量時会怎樣？河流能量下降時，先沉積。接着是較細小的石頭。最後是幼細的砂石如或。因此，靠近河口處會有較多，遠離河口處會有較多。黏土卵石卵石泥泥第二节河流的动力学特征一、河流的紊流特征据流体内部质点移动状态层流：水质点作井然有条、互不混杂的运动时称为层流。紊流：水质点作不规则的相互混杂运动的时称为紊流。二、横向环流主流：河流中水体在重力作用下沿河槽总方向运动者，其流线和速度向量基本平行，且大致平行于河槽轴线。副流：在各种因素作用下，水流内部产生的有规律、大规模的水体旋转运动者。它与主流叠加，使水流呈螺旋式前进运动，它引起泥沙横向移动，形成河槽形状的多样化。据水流所围绕的旋转轴方向不同，分为纵轴、横轴、斜轴及竖轴副流四类。横向环流：指旋转轴与河流总方向一致的副流。是由地球自转引起的科氏力、河道水位涨落、离心力的作用等。其中弯道河流水流离心力作用是最主要的原因。横向环流的形成使得水流的流速在同一横断面上表现出具有一定规律的变化：1、在凹岸表流下沉转为底流的部位，由于重力作用，水流流速递增，易将泥沙带走，形成侵蚀深潭，同时使凹岸不断向外侧后退；2、在底流上升为表流部位，则要克服重力，水流流速递减，易于造成凸岸淤积，形成浅滩，同时使凸岸不断向河床推进。第三节岩土的临界流速及河床的稳定性一、临界流速水流作用于河床岩土上的推移力及上托力大于岩土的强度时，将发生侵蚀和搬运，否则，河床不会遭受侵蚀而形成淤积。河床组成物质抵抗水流作用的能力，取决于组成河床的岩土类型、岩土物理力学性质、土的颗粒组成、土颗粒大小和形状等。1、岩石的临界流速假设凸出于河床中的岩体高为h，宽为b，长为l，水流速度为U，其流向与hl面垂直，则岩体所受动水压力P为：P=ρωU2hl*α0/2其中：α0-水流不均匀系数；ρω–水的密度在P作用下引起可能滑动面(bl)上的剪应力τ，则：τ=P/bl=ρωU2h*α0/2b若岩体的抗剪断强度为S，即：S=C+σtgφ其中：C-内聚力；φ-作用于剪断面上的正应力当τ=s时的水流速度，称为侵蚀临界流速Ucr，则：Ucr=[2b(C+σtgφ)/ρωhα0]1/2对于坚硬完整的岩石，其内聚力C很大，故当b≈h时侵蚀临界流速很大，约为50-150m/s。天然河流流速很少大于10m/s，因而，坚硬完整岩石不可能遭受水流侵蚀。但强度低或裂隙发育的岩体，将会遭受侵蚀作用。2、无粘结的卵、砾、砂粒的临界流速无粘性的卵、砾、砂粒，在水流作用下其起动条件是不同的，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-ρω)d3/6式中：f-滚动磨擦系数；m-颗粒质量；ρ-颗粒密度当ρ=T时，颗粒处于极限平衡状态，此时水流速度称为推移临界流速U′cr，即：U′cr=[4gf(ρ/ρω-1)d/3d0]1/2当d400mm时，U′cr以m/s为单位，d以mm为单位时，据实测可知：U’cr=0.2d1/2①当UU′cr时，颗粒将沿河床滚动或滑动，这时被搬运的颗粒叫推移质。②当UU′cr时，颗粒停在原地，即形成淤积。③当UU′cr时，可使沿河床移动的颗粒离开河床，悬浮于水流中，这时搬运的颗粒叫悬移质。3、土的临界流速土颗粒的悬移与水流纵向流速的铅直分量有关。河流中紊流的平均流速U与其铅直分速ω大体上成正比，根据实验所得为：U/ω=α=12—20即直径为d的颗粒悬移临界流速为其推移临界流速U′cr的12--20倍，即：U″cr=(12--20)U″cr二、河床的稳定性1、纵向稳定指标常用河床泥沙的粒径与河床坡降之比表示河床的纵向稳定性。K1=d50/J式中：K1-河床稳定性指数；J－河床坡降（mm/m）d50-无粘性土的平均粒径（mm）K1值越大，则河床越不易被侵蚀冲刷。实际资料表明：①.当K1=15-20时，河床基本稳定②.当K15时，河床泥沙在平水期也移动③.当K1=1时，河床极不稳定2、横向稳定指标多数研究者根据河床横向变形结果来分析其稳定性。例如：阿尔杜宁提出：K2=BJ0.2/Q0.5其中：K2－横向稳定指标；Q－造床流量；B－与造床流量相应的河宽；J－造床流量时水面坡降。K2值越大河床越不稳定。第四节山区和平原河流侵淤作用的特征一、山区河流的侵淤特征1、以侵蚀作用为主，仅在宽缓河段及弯曲河段发生局部淤积。2、河床演变的速度较缓慢，河床的形态、主流和副流位置比较固定，不会引起航道的大变化。3、河流流速大，输沙能力强，河床以深切为主，小于2mm的颗粒一般多呈悬移质，大于2mm的则多呈推移质，堆积物颗粒粗大，有卵、砾及漂石淤积。二、平原河流的侵淤特征1、坡度平缓，径流系数小，汇流时间长，洪水的上涨和回落比较缓慢，一般流量较大，但流量和水位的变幅较小，具稳定的中水期。2、侵淤作用时间长，平原河流以淤积作用为主，其颗粒较小，分选性较好,厚度较大。3、河流横向侵淤变化显著，侵淤位置不固定。三、地上悬河－平原河流的特殊类型地上悬河：河床高于其两岸地面的河流。地上悬河形成必须同时具备的三个基本条件：1、河水携带大量敏感土粒（0.25-0.01mm）；2、河水中有相当大部分为敏感水流（时间平均流速小于0.7m/s）；3、河流具有足够广阔可能被泛滥的面积。第五节与河流侵淤作用有关的工程地质问题一、与河流淤积有关的工程地质问题以水库淤积较为典型在河流上筑坝提高水位，库区形成壅水，使得原来河流的侵蚀基准面抬升，水流入库过程中，水深和过水断面沿流程增大，流速降低，来自上游的泥沙在库区大量落淤，直接影响水库的效益和使用寿命。水库淤积形式：1、壅水淤积：携带泥沙的河流进入水库壅水段后，泥沙扩散到全断面，随着水流挟沙能力沿流程降低，泥沙沉积于库底，并形成上游粗、下游细有规律分布的三角洲，这种淤积称为壅水淤积。当库容较大，泥沙颗粒较粗，库区地形开阔，并常处高水位运行时，易形成这种淤积。2、异重流淤积：多发生于多细粒泥沙河流中，当入库水流含沙量高，并有足够流速时，浑水进入壅水段后不与清水混淆扩散而潜入清水下面，沿库底向下游继续运动，并一直运行到坝前。在回流作用下水库变浑，细土粒缓缓落于库底。如及时开启大坝排沙底孔闸门，异重流淤积物可随水排出库外。二、与河流侵蚀有关的工程地质问题1、紊动漩涡对天然河道上的桥渡工程、墩台基础砌置地段的冲刷作用。2、坝后再造：河流上修水库后，水库下游河段的来水、来沙条件与建库前相比发生了变化，即引起河流平衡条件的破坏，而导致下游河床的再造。3、坝顶溢流第六节河流的开发与整治不同部门对河流的开发和整治的目的和要求不同按照沿河的规模和效果，可分为全面开发治理和局部整治两大类一、河流的全面开发治理对某一河流全面开发治理，需在政府有关部门主持下，由工程地质人员会同各产业部门的有关人员，对全流域进行综合勘查，然后制订出综合开发治理的方案。河流的全面开发治理既要考虑各部门的要求，又要考虑流域气象、水文、地质、水利与水害的不同。如黄河、淮河、海河的治理原则二、河流的局部整治1、河流侵蚀作用的防治(1)、加固河岸。措施有：抛石、草皮护坡、护岸墙。适用于松软土岸坡。(2)、改变冲刷地段的水流方向和速度。措施有：导流堤、丁坝等。2、河流淤积作用的防治(1)、人工挖掘(2)、改变水流速度和方向[思考题]1.解释主流、副流与横向环流。2.水流对河床稳定性的影响。3.山区与平原河流侵淤作用有什么不同。4.河流工程地质问题分析主要包括哪些内容？