第12章河流侵和蝕淤積的工程地質(zhì)研究

1、河流的侵蝕和淤積是改變地表形態(tài)最重要的因素之一。影響河流侵蝕和淤積的因素很多，但水流與河床相互作用是引起河流發(fā)展和變化的根本因素。水流：水位、流量、流速、水流結(jié)構(gòu)和含沙量等河流河床：河床的平面及斷面形態(tài)、縱橫坡降、組成床底及床岸物質(zhì)據(jù)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)狀態(tài) 層流:水質(zhì)點(diǎn)作井然有條、互不混雜的運(yùn)動(dòng)時(shí)稱為層流。紊流:水質(zhì)點(diǎn)作不規(guī)則的相互混雜運(yùn)動(dòng)的時(shí)稱為紊流。主流：河流中水體在在作用下沿河槽總方向運(yùn)動(dòng)者，其流線和速度向量基本平行，且大致平行于河槽軸線。副流：在各種因素作用下，水流內(nèi)部產(chǎn)生的有規(guī)律、大規(guī)模的水體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)者。它呈螺旋式前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，它引起泥沙橫向移動(dòng)，形成河槽形狀的多樣化。據(jù)水流所圍繞的旋轉(zhuǎn)軸方向

2、不同，分為縱軸、橫軸、斜軸及豎軸副流四類。橫向環(huán)流：指旋轉(zhuǎn)軸與河流總方向一致的副流，它是由地球自轉(zhuǎn)引起的科氏力、河道水位漲落、離心力的作用等。其中彎道河流水流離心力作用是最主要的原因。橫向環(huán)流的形成使得水流的流速在同一橫斷面上表現(xiàn)出具有一定規(guī)律的變化：1.在凹岸表流下沉轉(zhuǎn)為底流的部位，由于重力作用，水流流速遞增，易將泥沙帶走，形成侵蝕深潭，同時(shí)使凹岸不斷向外側(cè)后退；2.在底流上升為表流部位，則要克服重力，水流流速遞減，易于造成凸岸淤積，形成淺灘，同時(shí)使凸岸不斷向河床推進(jìn)。從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)看，水流作用于河床巖土上的推移力及上托力大于巖土的強(qiáng)度時(shí)，將發(fā)生侵蝕和搬運(yùn)，否則，河床不會(huì)遭受侵蝕而形成淤積。河

3、床組成物質(zhì)抵抗水流作用的能力，取決于組成河床的巖土類型、巖土物理力學(xué)性質(zhì)、土的顆粒組成、土顆粒大小和形狀等。假設(shè)凸出于河床中的巖體高為h，寬為b，長為l，水流速度為U，其流向與hl面垂直，則巖體所受水動(dòng)壓力P為：其中：0 -水流不均勻系數(shù)； 水的密度在P作用下引起可能滑動(dòng)面(bl)上的剪應(yīng)力，則：若巖體的抗剪斷強(qiáng)度為S，即：S=C+tg其中：C-內(nèi)聚力；-作用于剪斷面上的正應(yīng)力當(dāng)=s 時(shí)的水流速度，稱為侵蝕臨界流速Ucr，則：對(duì)于堅(jiān)硬完整的巖石，其內(nèi)聚力C很大，故當(dāng)bh時(shí)侵蝕臨界流速很大，約為50-150m/s。天然河流流速很少大于10m/s，因而堅(jiān)硬完整巖石不可能遭受水流侵蝕。但強(qiáng)度低或裂隙

4、發(fā)育的巖體，將會(huì)遭受侵蝕作用。無粘性的卵、礫、砂粒，在水流作用下其起動(dòng)條件是不同的，設(shè)直徑為d的球狀顆粒，所受的水動(dòng)壓力為P，則而顆粒的內(nèi)磨擦阻力為T，則：式中：f-滾動(dòng)磨擦系數(shù)；m-顆粒質(zhì)量；-顆粒密度當(dāng)=T時(shí)，顆粒處于極限平衡狀態(tài)，此時(shí)水流速度稱為推移臨界流速Ucr，即：當(dāng)d Ucr 時(shí)，顆粒將沿河床滾動(dòng)或滑動(dòng)，這時(shí)被搬運(yùn)的顆粒叫推移質(zhì)。當(dāng)U Ucr時(shí)，可使沿河床移動(dòng)的顆粒離開河床，懸浮于水流中，這時(shí)搬運(yùn)的顆粒叫懸移質(zhì)。土顆粒的懸移與水流縱向流速的鉛直分量有關(guān)。河流中紊流的平均流速U與其鉛直分速大體上成正比，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得為：即直徑為d的顆粒懸移臨界流速為其推移臨界流速Ucr的12-20倍，

5、即：常用河床泥沙的粒徑與河床坡降之比表示河床的縱向穩(wěn)定性。式中：K1-河床穩(wěn)定性指數(shù)；J-河床坡降（mm/m） d50-無粘性土的平均粒徑（mm）K1值越大，則河床越不易被侵蝕沖刷，實(shí)際資料表明：.當(dāng)K1=15-20時(shí)，河床基本穩(wěn)定.當(dāng)K15時(shí)，河床泥沙在平水期也移動(dòng).當(dāng)K1=1時(shí)，不穩(wěn)定多數(shù)研究者根據(jù)河床橫向變形結(jié)果來分析其穩(wěn)定性，例如：阿爾杜寧提出：其中：K2-橫向穩(wěn)定指標(biāo)；Q-造床流量 B-與造床流量相應(yīng)的河寬； J-造床流量時(shí)水面坡降K2值越大河床越不穩(wěn)定。1. 以侵蝕作用為主，僅在寬緩河段及彎曲河段發(fā)生局部淤積。2. 河床演變的速度較緩慢，河床的形態(tài)、主流和副流位置比較固定，不會(huì)引起

6、航道的大變化。3. 河流流速大，輸沙能力強(qiáng)，河床以深切為主，小于2mm的顆粒一般多呈懸移質(zhì)，大于2mm的則多推移質(zhì)呈堆積物顆粒粗大，有卵、礫及漂石淤積。.1.坡度平緩，徑流系數(shù)小，匯流時(shí)間長，洪水的上漲和回落比較緩慢，一般流量較大，但流量和水位的變幅較易小，具穩(wěn)定的中水期。2.侵淤作用時(shí)間長，平原河流以淤積作用為主，其顆粒較小，分選性較好,厚度較大。3.河流橫向侵淤變化顯著，侵淤位置不固定。以水庫淤積較為典型在河流上筑壩抗高水位，庫區(qū)形成壅水，使得原來河流的侵蝕基準(zhǔn)面抬升，水流入庫過程中，水深和過水?dāng)嗝嫜亓鞒淘龃螅魉俳档?，來自上游的泥沙在庫區(qū)大量落淤，直接影響水庫的效益和使用壽命。水庫淤積形

7、式 1. 壅水淤積：攜帶泥沙的河流進(jìn)入水庫壅水段后，泥沙擴(kuò)散到全斷面，隨著水流挾沙能力沿流程降低，泥沙沉積于庫底，并形成上游粗、下游細(xì)有規(guī)律分布的三角洲，這種淤積稱為壅水淤積。當(dāng)庫容較大，泥沙顆粒較粗，庫區(qū)地形開闊，并常處高水位運(yùn)行時(shí)，易形成這種淤積。2.異重流淤積：多發(fā)生于多細(xì)粒泥沙河流中，當(dāng)入庫水流含沙量高，并有足夠流速時(shí)，渾水進(jìn)入壅水段后不與清水混淆擴(kuò)散而潛入清水下面，沿庫底向下游繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，并呆一直運(yùn)行到壩前。在回流作用下水庫變渾，細(xì)土粒緩入落于庫底。如及時(shí)開啟大壩排沙底孔閘門，異重流淤積物可隨水排出庫外。二、與河流侵蝕有關(guān)的工程地質(zhì)問題1.對(duì)天然河道上的橋渡工程墩臺(tái)基礎(chǔ)砌置地段的沖刷作用。2.河流上修水庫后，水庫下游河段的來水、來沙條件與建庫前相比發(fā)生了變化，即引起河流平衡條件的破壞，而導(dǎo)致下游河床的再造過程。不同部門對(duì)河流的開發(fā)和整治的目的和要求不同，按照沿河的規(guī)模和效果，可分為全面開發(fā)治理和局部整治兩大類。對(duì)某一河流全面開發(fā)治理，需在政府有關(guān)部門支持下，由工程地質(zhì)人員會(huì)同各產(chǎn)業(yè)部門的有關(guān)人員，對(duì)全流域進(jìn)行綜