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1、土木工程地质讲义,第一编 动力地质作用与不良地质现象第一章 地壳与地质作用第二章 活断层与地震防灾规划第三章 滑坡与泥石流第四章 岩溶第五章 渗透变形与地面沉降第六章 河流侵蚀与淤积第七章 地裂缝与采空区塌陷,地表流水的地质作用,地表水的分类暂时性流水的地质作用经常性流水的地质作用河流的侵蚀作用河流的搬运作用河流的沉积作用与河流侵淤作用有关的工程地质问题河流的开发与整治,地表水地质作用：分为暂时性流水地质作用和经常性流水地质作用。本讲将讨论暂时性流水和经常性流水地质作用，以及由这些地质作用形成的堆积物、地貌形态及其特征和工程地质性质。,地表水也称为地面流水，包括片流、洪流和河流，后两者也称为线
2、流。片流是降雨或阵雪时产生的暂时性水流，由无数股无固定流路的细小水流，顺斜坡呈片状流动、对地面进行洗刷，同时产生坡积物。片状水流作用范围广泛，能造成严重的水土流失增加河流的含砂量。洪流是当片流遇到凹凸不平的地面时，水便集中到低洼的沟中流动，形成洪流。河流是经常性流水它的水源除大气阵水、片流和洪流之外，高山上的冰、雪融化水和地下水都可能是它的重要水源。地面流水直接流入同一条河流的区域叫流域，流域之间的高地称为分水岭，流域内大大小小的河流汇集成的水网，叫水系。线状水流对地面造成线状侵蚀，其结果形成线状伸展的沟槽及相应的堆积物。其中，由暂时性的线状水流冲刷地表面形成的沟槽，称为冲沟，其堆积物称为洪积
3、物；而经常性的线状水流则形成河谷及冲积物。,思考题1,根据流水中水质点的运动方式，流水可分为层流和紊流。层流即水质点在流动过程中，相对位置保持平行的一种水流。紊流水质点在流动过程中，彼此相对位置随时变换。紊流产生的上举力，是泥沙悬浮的主要原因。流水从层流能为紊流的速度称为临界速度：,式中：Re为雷诺数，为流体粘度，单位为Pa*S，为流体密度，d为管径；为临界速度。Re的物理含义为流体惯性力与流体粘滞力之间的比率关系。Re 越大，即惯性力越大，愈容易出现紊流。一般2320时为层流，2320时为紊流。,EXIT,思考题2,对于地下水而言，作雷诺数10的层流运动时，适用于渗透定律（达尔西定律）来计算
4、。而非线性渗透定律（AChezy定律），适用于地下水运动速度相当块 的情况。,暂时性流水的地质作用,1.雨蚀作用：雨蚀作用可分为机械作用(降雨时雨滴以加速度冲击地面)和化学作用(雨水的化学溶蚀作用）。雨蚀作用的强度取决于：（1）降雨量和阵雨速度（2）斜坡坡度与性质，此外，风向也有定的关系。,2.片流的地质作用片流的地质作用也称为洗刷作用，即片流沿整个斜坡把细小的松散颗粒冲洗至斜坡下部。洗刷作用强度与气候、地形及地面岩性和植被有关。部分在缓坡或坡脚处堆积下来，形成坡积物。坡积物结构松散，孔隙度高，压缩性大，抗剪强度低，在水中容易崩解。在山区的河谷谷坡和山坡上坡积物广泛分布，这对基坑开挖、开渠、修
5、路等危害很大。在坡积物上修建建筑物时，还应注意地基的不均匀沉降问题。当线路通过坡积物时，应查明其厚度及物理力学性质，正确评价建筑物的稳定问题。,3.洪流的地质作用：洪流的地质作用也称为冲刷作用，即洪流以巨大的机械力猛烈冲刷沟底及沟壁岩石。冲刷作用的强度与气候、地形、地面岩性和植被有关。冲刷作用形成洪积物以及洪积扇，广泛分布于山间盆地周缘和山前倾斜平原，有时形成泥石流,EXIT,思考题3,经常性流水的地质作用,最常见的经常性流水是河流。河流所流经的槽状地形称为河谷，河谷是由谷底和谷坡两大部分组成。谷底包括河床及河漫滩，河床是指平水期河水占据的谷底，或称河槽；河漫滩是河床两侧洪水时才能淹没的谷底部
6、分，而枯水时则露出水面。谷坡是河谷两侧的岸坡。谷坡下部常年洪水不能淹没并具有陡坎的沿河平台叫阶地。河水在流动时，对河床进行冲刷破坏、并将所侵蚀的物质带到适当的地方沉积下来，故河流的地质作用可分为侵蚀作用、搬运作用和沉积作用。,河谷的组成,河床,河漫滩,谷坡,阶地,平水位,洪水位,思考题4,EXIT,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），并以携带的泥沙砾石作工具，不断破坏河床，这个过程叫侵蚀作用。包括：（1）溶蚀作用河水是溶剂，以溶解方式破坏岩石，称为溶蚀作用。（2）水力作用河流以水力侵蚀河床，叫水力作用。（3）磨蚀作用河流以水流中携带的泥砂
7、砾石作工具磨损河床，称磨蚀作用。,思考题5,河流侵蚀作用的类型：按侵蚀作用方向，分为下蚀作用和侧蚀作用两种。（1）下蚀作用：河流侵蚀河床底部岩石，使河床降低的作用称河流的下蚀作用。下蚀作用使河床不断加深，切刻出一条条槽形凹地，称河谷。河谷底部较平坦的部分叫谷底。谷底、河床和谷坡是河谷横剖面的形态要素。,在河流下蚀作用下，河谷不断加深。下蚀作用明显表现在河流的上游。河流下蚀作用过程中，往往在河床上形成急流和瀑布。,急流：河床坡降大、岩性坚硬不平的河段河水湍急者称为急流。瀑布：是一种明显跌水的现象，河流凌空而下。凡是河床上出现陡坡的地方均可形成爆布。河流的源头大多有跌水，那里的下蚀力最大，与瀑布后
8、退一样，河谷因源头后退而向游推进。因此，河流形成之后，河谷内源头伸长，这个过程称为河流的溯流侵蚀。,河流的溯流（源）侵蚀,加拿大尼阿加拉瀑布的后退,1927 1905 1870 1842 1819 1764 1678,由于各条河流的水量、河源地面坡度、岩性及构造等因素的不同，特别是河床纵比降的不同，导致各河有不同的溯源侵蚀速度。当两条河流向同一分水岭溯源侵蚀时，有可能发生河流A溯源侵蚀进入河流B的河谷内，因A河床比B河床低，河流A把河流B的水夺走，这种现象叫河流袭夺。河流B叫断头河，河流A叫袭夺河。,A,A,A,B,B,B,下蚀作用的极限：河流下蚀作用不是无止境的，河面下降到趋近海平面时，河水
9、不再具有位能差，流动趋向停止，下蚀作用也就停止了。所以，理论上海平面是所有入海河流下蚀作用的极限。我们把下蚀作用的权限称为侵蚀基准面。显然，海平面是最终侵蚀基准面。但侵蚀基准面以下可有局部的下蚀作用发生。,（2）侧蚀作用河水侵蚀河床两壁或谷坡，使河床左右迁徙和谷坡后退的作用，称河流的侧蚀作用。侧蚀作用使谷坡麓后退，导致上部脱落和滑坡，随使河谷加宽。,侧蚀作用使河谷加宽,侧蚀作用的原因：是因为河水流动不是直线水流。河水在惯性离心力驱使之下向弯道（河谷）的凹岸偏离，从而产生单向环流。河水在科里奥利力的作用下也有侧蚀。此外，由于山崩、滑坡、支流注入等原因，往往在河床的一侧有碎屑物堆积，迫使直线型河流
10、变为弯道型河流，从而产生侧蚀作用。,侧蚀作用塑造河谷的过程：单向环流使侧蚀作用方向时而指向河流的右岸，时而指向河流的左岸，从而使河床、河谷弯曲。凹岸不断后退，凸岸不断前伸，河道的曲率不断增加，河曲位置逐渐下移。这种河流称为曲流。曲流在谷底上所占地面叫曲流带，其横向距离叫曲流带宽度。曲流在洪水的冲激之下，河水从上游一个河弯直接流入下游相邻的一个河弯，而它们之间的一个河弯，不再有河水流通。泥沙不断淤积，终于堵塞，转变为湖泊，因其外形似牛轭，故称牛轭湖,河曲的扩大,曲流与截弯取直,思考题6,上述过程称曲流的截弯取直。我国曲流最发育的河流为下荆江。,下荆江河道历史变迁图,（3）下蚀作用与侧蚀作用的关系
11、下蚀作用和侧蚀作用共存于任何河流或河流的任何河段。河水对河床岩石下蚀的同时，也对河床两侧岩石进行侧蚀。由于各地河床的纵比降、岩性、构造等不同，两种作用的强度也就不同，或以下蚀为主，或以侧蚀为主。如果河流以下蚀作用为主，河谷横剖面形态呈V字形。如果河流只进行侧蚀作用，或以侧蚀作用为主，塑造出谷底宽平、横剖面槽形的河谷（U字形）。如下蚀作用和侧蚀作用同时等量进行的话，谷形不对称。,河谷横剖面形态,EXIT,思考题7,河流的搬运作用：河水中的物质。大部分是机械碎屑物，包括各种粒度的砾石、砂、粉砂和粘土，小部分为溶解于水中的盐和胶体，河流对前一种物质的搬运叫机械搬运，后一种叫化学搬运（溶运）。由于未达
12、到饱和，且河水中缺少电解质，河流的化学搬运故极少发生溶运物沉淀现象。,几条河流的溶运量,机械搬运方式：悬运、推运和跃运三种。如果上举力大于颗粒在水中的重量，这些颗粒将悬浮于水中运动，叫悬运。悬运靠紊流维持如果上举力小于颗粒在水中的重量，颗粒在水流冲力推动下，或沿河床滚动，或沿河床滑动，叫推运。还有一种中间状态，就是颗粒在水中的重力与上举力不相上下，时而重量大于上举力，时而重量小于上举力，河流在水流冲力同时作用下跳跃前进，叫跃运。河流的机械搬运力是指河流机械搬运最大颗粒的能力。河流机械搬运物的总重量称机械搬运量。,几条河流的机械搬运量,EXIT,河流的沉积作用特点河流沉积物是沉积岩的主要来源之一
13、，沉积岩中有我们不可缺少的能量资源，如石油、天然气和煤。河流基本上不发生化学沉积作用。主要是机械沉积作用，广泛发生在河流各处。河流发生机械沉积的原因是河流的减量、流速减小，尤其是流速减小，从而使河流的动力减小，使河流的搬运能力降低，或者携带碎屑物过多，超出河流的饱和搬运最时，多余的碎屑物就会发生沉积。河流发生机械沉积作用的主要场所有三：一是河流汇入其它相对静止的水体处。二是河流坡降变缓处。三是河曲的凸岸。河流机械搬运物的大小或重量，严格受流速控制。当河流流速逐渐减小时，机械搬运物就按粒径大小及颗粒形状或颗粒比重，依次从大到小，从重到轻，先后沉积下来，这个过程叫分选沉积作用。,思考题8,谷底沉积
14、作用：其沉积可分为河床相沉积和漫滩相沉积。上面是漫滩相沉积层，下面是河床相沉积层的结构，称二元结构。谷底沉积作用塑造出心滩和漫滩地形，心滩俗称江心洲。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，河床坡降明显减小，水流无地形约束而散开，河流动力大大减小，机械搬运能力迅速降低，导致分选沉积作用猛烈进行。沉积流在山口堆积成半圆锥形地貌，称为冲积锥。大河流出山口平地堆积成扇形，叫冲积扇。河口沉积作用：河口沉积物组成三角洲。三角洲是在特殊水文条件河泥沙条件下发育的，由顶积层、前积层、底积层和基岩组成。三角洲的形成条件：（1）河流机械搬运量大。（2）近河口海水（或湖水）浅。（3）
15、无强大的波浪或潮流。,基岩,底积层,前积层,顶积层,冲积物及其特征：河流沉积的碎屑物质统称冲积物。它们是各种粒度的砾石、砂、粉砂和粘土。冲积物具有与河流动力性质密切相关的特征：（1）清晰的层理。单层常延伸不远，在短距离内变薄而消失，呈侧向尖灭现象。（2）大砾石的最大扁平面，以大约1030度的角度倾向上游，并且在同一层中彼此依靠，排列成叠瓦状。（3）分选性良好。（4）磨圆度较好甚至良好。（5）冲积物全为机械碎屑，常含有有用矿物。,河床相砂层内部构造,EXIT,与河流侵淤作用有关的工程地质问题,1.与河流侵蚀有关的工程地质问题桥渡工程中的墩台基础的稳定安全问题：当河床由松散冲积物组成，墩台基础砌置
16、较浅，或未采用特殊的人工基础，在水流作用下墩台将失去稳定性，可能造成整座桥梁工程的倾斜破坏。其主要任务是预测水流对地基的最大冲刷深度，为保证墩台基础的稳定安全，应砌置在最大冲刷深度以下。因此，水流最大冲刷深度的确定，是关系到桥渡工程安全稳定和经济合理的重要课题,包达柯夫公式：,其中：h1为一般冲刷深度（冲刷后河床深度），h为冲刷前河床深度，p为冲刷系数。,其中：U1为河流天然平均流速，U0为组成河床的土粒的允许流速，m为指数。最大冲刷深度h=h1+h2,局部冲刷深度计算公式：,思考题9,2.与河流淤积作用有关的工程地质问题：这用值得指出的是地上悬河，它是平原河流的一种特殊类型。所谓地上悬河，是
17、指河床高于其两岸地面的河流。据研究，地上悬河的形成必须同时具备三个基本条件：河水中抛带着大量的敏感土粒；河水中有相当大部分为敏感水流；河流具有足够广阔可能被泛滥的而积。与河流淤积作用有关的工程地质问题以水库淤积较为典型，其影响也较深远。,水库淤积的形式，有壅水淤积和异重流淤积两种。携带泥沙的河流进入水库董水段后，泥沙扩散到全断面，随着水流搬运能力沿流程降低，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，这就是壅水淤积。,水库壅水淤积三角洲示意图,思考题10,异重流淤积多发生于多细粒泥沙河流中。当水库水流含沙量高，并有足够的流速时，浑水潜入清水下面，沿库底向下游继续运动，并可一直运行到
18、坝前，在回流作用下使水库变浑，细土粒缓缓落于库底。如果及时开启大坝排沙底空闸门，异重流淤积物能随水排出库外。,水库异重流淤积示意图,3.软土地基在软土地基层开挖沉基坑，必然会引起基坑的稳定问题与基底的隆起问题。由于基坑土体的挖除，支撑结构可能在单侧土压力作用下产生过大变形而失去稳定。基坑也有可能因土体的抗剪强度不足丧失稳定；也会因基底下过大的承压水作用造成基底上鼓现象；在沙地层中，还要防止由于管涌引起的基坑失稳，对基坑隆起的研究是现代深基坑工程控制环境影响的结果。,要保证深基坑工程的安全可靠和尽量少影响旧的建筑物和底下构筑物，就必须以以下几个方面加以研究：1.地基土卸荷再加载的变形特性，以及土
19、壤的蠕变，应力松弛特性。2.支撑结构的变形机理。3.基坑的隆起规律。4.基坑的失稳现象及演算方法。5.支撑结构的边形，基底隆起和地表沉降之间的关系。6.地基的加固的效应。,淤泥和淤泥质土是第四纪后期形成的海滨相，三角洲相，湖泊相等的粘性土沉积。这种土大部分是饱和的，且含有有机质，其天然含水量大于液限，空隙比大于1。当天然空隙比大于1.5时，称为淤泥。天然空隙比大于1小于1.5的粘土和粉质粘土分别称为淤泥质土及粉质粘土。,在工程上，常把淤泥和淤泥质土简称为软土。常根据地基土的排水条件和加荷的时间长短，采用不同的排水条件进行试验以取得抗剪强度指标。,在软土地基上修建建筑物，必须重视地基变形和稳定性
20、问题。对一般浅基础而言，软土地基的容许承载力约为6080KG/m2。因此，如过不作任何处理，一般不能承受较大荷载，否则软土地基就有可能出现局部剪切乃至整体滑动的危险。此外，软土地基上建筑物的沉陷量和不均匀沉降也是比较大的。如果上部结构各部分荷载差异较大，建筑物的体形又比较复杂且土层又不均匀时，将会引起较大的不均匀沉降。沉降量过大和沉降时间过长，都会给建筑物设计标高的确定和建筑物内设备的安装带来麻烦，而不均沉降还可能造成建筑物开裂或严重影响建筑物的使用。在软土地基上的建筑物往往会出现地基强度和变形不能满足设计要求的问题，因而需要采取措施，进行地基处理，以提高软弱地基强度，保证地基的稳定，降低地基
21、压缩性，以减少基础沉降和不均匀沉降。,地基改良的目的是提高地基强度和减少变形。但需注意，有的情况下强度提高了，变形却没有减少。即当强度充分发挥时，发生了相当大的变形，从而引起钢结构或砼结构发生破坏，影响使用。另外还需注意：在已改良的地基土和未改良的地基土交接面处，由于土受干扰，强度较差，存在软弱层，因此，滑动面可能会通过此处。,软弱土地基处理方法大致可分为：硬压夯实、换土垫层、排水固结、振动及挤密以及化学加固五类。软土地基的各种处理方法中，以堆载预压法最简单。如果堆载用的土料能够既低廉又运输方便的话，可谓是一种稳妥的地基处理方法。软粘土中的水分，由于受荷载作用而被挤出，土的密度增加，从而强度提
22、高，压缩性降低。假如能辅以砂井或深井排水措施，那么预压加固效果会更好，固结时间可大大缩短。然而，作为预压用的土料未必很便宜和易于得到。因此，在上部结构设计时，必须考虑结构物能够承受某程度的均匀沉降和不均匀沉降，预有基础的残余沉降特别大的情况，对上部结构尚需采取特殊措施。,EXIT,河流的开发与整治（一）河流的全面开发治理既要考虑各部门的要求，又要考虑流域的气象、水文、地质、水利和水害情况，对全流域进行综合勘察，制定出综合开发治理方案。（二）河流的局部治理（1）河流侵蚀作用的治理防治措施分为两种：一为加固河岸，另一为改变冲刷地段的水流方向和速度。属于第一类的工程措施有抛石、草皮护坡、护岸墙等。属
23、于第二类的有导流堤、丁坝等导流建筑物。,导流堤与丁坝,（2）河流淤积作用的防治可分为：人工挖掘、改变水流速度和方向两种。例如我国古代的都江堰引水工程。,都江堰引水工程示意图,河流沉积作用与人类活动的关系,人类自古以来逐水而居，世界上绝大部分重要城镇，无不坐落在江河的两岸。随着城市建设和工农业生产的发展，对河流改造利用，以至于盲目的干扰变的越来越多。河流通过调整作用，对此自然会作出相应的反应。,城市建成以后，乡村风光一变而成为有铺面的道路，大片的不透水屋顶和蛛网密布的排洪管道，地面的入渗率，径流的模式和汇流时间都和以前大不一样了。由于排洪沟管化和地面铺盖，洪峰流量加大，形成时间提前。这样的清水进入下游河道以后，可能通过塌岸使河槽扩大。河漫滩土地平坦，水源丰富，从发展建设来说有很多有利条件。由于特大洪水出现的机遇较小，在经过长期的中枯水时期后，洪水的威胁在人们的记忆中逐渐被冲淡了，在缺乏统一规划的情况下，城市建设会不断向滩地发展，蚕食河流的一部分行洪通道。这样，在一旦发生特大洪水以后就会造成很大损失。1982年四川省洪灾之所以比较严重，在一定程度上就是因为在利用滩地过程中，增加了很多阻水建筑物的缘故。1973年美国密西西比河特大洪水，从水位看相当于二百年一遇，而从流量看，应该只相当于三十年一遇，其差别就是由于人为阻水工程所造成的。,
