第八章河流侵蝕及沉積

第八章

河流侵蝕與沉積的

工程地質(zhì)研究

西安科技大學地質(zhì)與環(huán)境學院2009.2基本要求：掌握河流侵蝕與沉積的基本概念。

了解河流力學特征、河流侵蝕沉積規(guī)律、河流工程地質(zhì)問題分析和河流的開發(fā)與整治等內(nèi)容。課程內(nèi)容：

8.1基本概念及研究意義

8.2河流水動力學特征

8.3水流對河床的作用及河床的穩(wěn)定性

8.4河床演變的某些基本規(guī)律

8.5河流工程地質(zhì)問題分析

8.6河流開發(fā)整治的一般原則

8.1基本概念及研究意義河流的侵蝕、沉積作用：是河流地質(zhì)作用的重要形式，是改變地形最重要的地質(zhì)作用之一，兩者既相互依存又相互制約，此長彼伏。河流搬運作用：介于侵蝕與沉積作用之間的過渡過程。換句話說，侵蝕與沉積作用平衡時，河流地質(zhì)作用以搬運為主。河流的變化與發(fā)展是水流與河床相互作用的結(jié)果。8.1基本概念及研究意義8.1基本概念及研究意義水流特征：河水水位、流量、流速場、水流結(jié)構(gòu)(流態(tài))以及含砂量等；河床特征：河床河岸組成物質(zhì)特征、河床坡度及河床平面、斷面幾何形態(tài)等；水流作用于河床,使河床發(fā)生變化,河床又反作用于水流;使水流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,二者既相互依存,又相互作用,從而推動著河流不斷地變化和發(fā)展。水流、河床的作用方式：泥沙交換。（1）通過泥沙的淤積使河床升高;（2）通過泥沙的沖刷使河床降低。8.1基本概念及研究意義研究意義：1.研究河流地質(zhì)作用具有重要的工程地質(zhì)意義。河流地質(zhì)作用（侵蝕、沉積、搬運）及其產(chǎn)物（松散堆積物、下切、壩基滲漏、砂土振動液化等）：（1）影響著建筑物的安全、經(jīng)濟和正常使用；（2）威脅著河流工程（如橋墩、港口）淤塞，降低其效能。河流改造工程（在河流上修建水工建筑），由于改變了河流的侵蝕、搬運、淤積規(guī)律及其環(huán)境因素，便會產(chǎn)主不同程度的環(huán)境地質(zhì)問題，特別是一些大型水工建設(shè)，如三門峽水庫、龍羊峽水庫等。

8.1基本概念及研究意義2.了解河流地質(zhì)作用的規(guī)律，對指導工程建設(shè)具有重要的地質(zhì)意義。如修建一個港口，首先要正確地確定港址。港址選擇除了考慮國民經(jīng)濟建設(shè)的需要以及陸域條件外，還必須調(diào)查過去地質(zhì)歷史時期所形成的沖積物特征，并論證相應的工程地質(zhì)問題,還必須弄清河道的沖淤變化規(guī)律，盡可能選擇沖淤變化不大或沖淤變化正朝著有利于港口建設(shè)方向發(fā)展的地段建港，如果不能滿足要求，應制訂整治的措施。8.1基本概念及研究意義課程內(nèi)容：

8.1基本概念及研究意義

8.2河流水動力學特征

8.3水流對河床的作用及河床的穩(wěn)定性

8.4河床演變的某些基本規(guī)律

8.5河流工程地質(zhì)問題分析

8.6河流開發(fā)整治的一般原則

一、河水水流的紊流特征河水水流一般都是紊流。其最基本的特征是，即使在流量不變的情況下，流場中任一點的流速和壓力也隨時間呈不同規(guī)則的脈動（圖8-1）。由圖可知,任一時刻的流速可表示為：式中V為瞬時流速；為時均流速；V’為脈動流速。在恒定流中，V’不隨時間而變,且V’的時均值為零，即，式中，T為時間段。8.2河流的動力學特征研究表明，水流中某點的最大瞬時流速Vmax和最小小瞬時流速Vmin之間的關(guān)系為即有：式中：K是比例常數(shù)，相當于該點瞬時流速V在足夠長時間間隔中，偏離它的平均流速的均方差σ與V的比值，即K＝σ/,其值與雷諾數(shù)Re有關(guān)，介于0.1-0.5之間，若取K=0.1，則各流速之間的關(guān)系為：8.2河流的動力學特征此外，紊流具有擴散性質(zhì),使水層之間產(chǎn)生能量、動量和質(zhì)量的傳遞。紊流中作脈動的不是單個水質(zhì)點，而是相互有關(guān)的水質(zhì)點聚合成的水團。水團有大有小，并且在運動中不斷地分裂聚合，隨著這些變化，水團的大小也不斷地發(fā)生變化。這樣的水團一般稱為紊流漩渦。紊動漩渦和脈動流速是密切聯(lián)系著的，脈動流速大的紊流漩渦尺寸也大，反之亦然；但大尺度紊動漩渦的脈動頻率低，小尺度脈動頻率高。（8.6）水流是泥沙運動的動力，水流流速場和水流紊動有密切關(guān)系，水流挾帶泥沙更是靠著水流中紊動漩渦的支持才能維持其懸浮狀態(tài)。水流的平均流速并不均勻。流速在靠近水面處最大，向河底均勻地減小，在靠近河底的一層中減小到最大流速的40-50％。近河底處僅十分之幾毫米的薄水層中，流速才急劇地減小，此層稱為邊界層。河底處流速近于零。土石顆粒直徑一般比邊界層的厚度大得多，故它總受到流速相當大的水流作用（圖8.2）。8.2河流的動力學特征

河流中,河床表面高低不平,在突出床面的泥沙顆粒后面,水流會發(fā)生不同程度的分離,在分離面上卷起漩渦（圖8-3a）,因而,河床周界都是產(chǎn)生紊動漩渦的場所。在河床周界附近一旦產(chǎn)生漩渦,其頂部旋轉(zhuǎn)分速與當?shù)厮髁魉俜较蛞恢?；而底部則相反（圖8-3b），由此形成的流速水頭生了向上的壓差,使漩渦離開河底上升.與此同時，漩渦還被水流帶向下游。這樣，來自河底的漩渦逐漸擴散遍布全部水流，是整個水流都具有紊動的特征。漩渦在河床周界剛產(chǎn)生時,其尺度受到空間的限制,在上升過程中直徑逐漸擴大。大尺度漩渦挾帶泥沙進入主流區(qū),是泥沙懸浮的主要動力。二、主流和副流河流中的水體存在著多種方向的運動。水流沿著河槽總方向的流動稱為主流，它一般是在重力作用下產(chǎn)生的，在流動過程中，水流的流線是基本平行的，水流的流速向量也是互相平行的，且都平行于河槽的軸線。副流是在水流內(nèi)部產(chǎn)生的一種大規(guī)模的水流旋轉(zhuǎn)運動。在這種流動中，流線大多呈封閉曲線，副流有時在主流的邊緣上流動,有時則與主流疊加在一起,使整個水流呈螺旋式的前進運動。副流與紊動漩渦不同。紊動漩渦一般尺度較小,并且常常是沒有規(guī)則的,而副流一般規(guī)模較大，而且它們的位置和影響范圍都比較固定。副流可以由重力所引起,也可以由其它作用力(內(nèi)、外力)所引起,它是引起泥沙橫向輸移的主要動力，是形成河槽形狀多樣化的重要原因。對泥沙運動和河床演變影響較大的副流主要有離心力副流、摩擦力副流和異重流。8.2河流的動力學特征當水流發(fā)生局部變形時,會產(chǎn)生分離現(xiàn)象,在分離面上將出現(xiàn)摩擦力,在這個力的作用下形成的副流,稱為摩擦力副流。河床縱剖面和橫斷面突然變化處所產(chǎn)生的副流就是由摩擦力所引起的。摩擦流通常不疊加在主流上,而是在與主流相接觸處作封閉曲線運動。由于水流中含沙量或含鹽量分布不均勻,引起水流中不同地區(qū)的重率差異,水流會從重率大的地方流向重率小的地方,這種副流稱為異重流。它通常出現(xiàn)在水庫、引水渠和船閘引航道等處,對這些地區(qū)的泥沙運動和河床演變有重要的影響。副流包括常見的橫向環(huán)流,而橫向環(huán)流則具有多種成因,離心力副流只是其中的一種.8.2河流的動力學特征三、橫向環(huán)流在彎曲河道中水流作曲線運動，因此，它受到慣性離心力F的作用,這種力的方向指向水流流線的外法線方向,其數(shù)值可表示為式中，m的質(zhì)量；V為水質(zhì)點的縱向流速；R為水質(zhì)點運動跡線的曲率半徑。由于離心力的作用，自由水面的平衡狀態(tài)遭到破壞，因而水面將相應的調(diào)整，凹岸水位升高。從而形成橫向水面比降(圖8-4)。根據(jù)水體的橫向動力平衡條件,可以推得橫比降Jy的計算公式為:式中:U為垂線平均流速；g為重力加速度:r為流線曲率半徑:a0為流速分布不均勻系數(shù),一般情況下a0接近于1.0.8.2河流的動力學特征如只要求平均的橫比降,則可用下式式中：U為斷面平均流速;R為平均曲率半徑。由于沿y軸的不同水柱,其垂線縱向平均流速U和曲率半徑R均不相同,因而Jy也不相等,放整個斷面上的水面線不是一條直線，而是一條曲線。在彎曲的河道中，水柱所受的力有離心力F、水壓力差P和底部摩擦力T，且有：8.2河流的動力學特征摩擦力T數(shù)值較小，可以近似忽略不計。分析離心力F和壓力差p可知,F與V2成正比，而V沿水深分布不均勻,自河底向水面增大，故離心力F自河底向水面增大；而壓力差p與橫比降Jy成比例,Jy沿水深不變,故p也沿水深不變（p＝Jy?pw?g，pw為水的密度；g為重力加速度）。F與p二者合成的結(jié)果,上層水體所受的力指向凹岸,發(fā)生向凹岸的流動,而下層水體所受的力指向凸岸，發(fā)生向凸岸的流動,結(jié)果形成一個封閉的環(huán)流(圖8-5a)，環(huán)流與主流配合起來,使河道中的水流呈螺旋狀前進〈圖8-5b)。這種環(huán)流當凹岸在右側(cè)時為順時針方向,凹岸在左側(cè)時為逆時針方向。上述原因,在凹岸往往被沖刷而形成深潭,而在凸岸接受堆積而形成淺灘,從而使同一水流斷面上既有侵蝕作用有又沉積作用。而且河床也發(fā)生了側(cè)向移動，凹岸不斷后退，突岸不斷前進，使河流的蛇曲愈來愈發(fā)育.這種現(xiàn)象在平原河流中是屢見不鮮的.8.2河流的動力學特征橫向環(huán)流作用的結(jié)果,使蛇曲發(fā)育的平原河流中總是深槽和淺檻交替出現(xiàn)(圖8-6).而由基巖組成河床的山區(qū)河流,河床中深槽的形成原因則要復雜得多,它固然與橫向環(huán)流的作用有一定的關(guān)系,但更主要的是取決于當?shù)氐牡刭|(zhì)結(jié)構(gòu)及巖性條件,往往在斷裂帶、裂隙密集帶以及軟弱巖體分布的部位出現(xiàn)深槽,給水工建筑物的施工和地基處理造成困難。8.2河流的動力學特征在北半球,無論是南北向河流，還是東西向河流都是指向右岸的，從而形成傾向左岸的橫比降，右岸沖刷，左岸堆積，而在南半球則反之（8-7）。這種力作用，使得平直河段也可產(chǎn)生不對稱的順時針方向橫向環(huán)流。而在河灣地帶，離心力和科氏力則相互影響,從而使環(huán)流加強或削弱。實際上,因水文條件和河底地形不同,橫向環(huán)流比較復雜。由于橫向環(huán)流的存在,由水面至深度的水流有較大的速度,侵蝕河床，從深處向上升的底流速度小，使泥沙淤積。即橫向環(huán)流的存在使得水流在同一時間內(nèi)，既有侵蝕作用又有淤積作用,結(jié)果造成河曲；而河曲又反過來加強橫向環(huán)流。8.2河流的動力學特征橫向環(huán)流還可由地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的科里奧利(Coriolis)力作用所形成。地球自轉(zhuǎn)時不同緯度上各點轉(zhuǎn)動的線速度不同。對河流產(chǎn)生的慣性力(即科氏力)在赤道處最大。課程內(nèi)容：

8.1基本概念及研究意義

8.2河流水動力學特征

8.3水流對河床的作用及河床的穩(wěn)定性

8.4河床演變的某些基本規(guī)律

8.5河流工程地質(zhì)問題分析

8.6河流開發(fā)整治的一般原則

一、水流對河床的作用1.侵蝕作用

河流侵蝕作用是由多種因素決定的,如河床巖體的強度、河水含砂量等,但更主要的因素是河水的流速。假設(shè)凸出于河床中的巖體高度為h,寬為b,長為l(圖8-8),河水流速為V,則垂直于流向的斷面上,巖體所受水動壓力P為:式中:α為與水流狀態(tài)有關(guān)的系數(shù),可實測?？梢姡魉賄的大小對水動壓力P的大小起很重要的作用,而河水含砂量的多少取決于河水密度ρw的大小。8.3水流對河床的作用及河床的穩(wěn)定性巖體受水動壓力的作用,有可能沿其底面(圖8-8中虛線所示)滑動破壞,此時由水動壓力P引起的可能滑動面上的剪應力τ為：若巖體抗剪強度為s,如果τ<s,即流速較小時。巖體不會破壞;如果流速V增加到臨界值Vcr,時,τ=s,巖體處于極限平衡狀態(tài):一旦流速V超過Vcr，τ>s時,巖體遭到侵蝕破壞，由上面的公式可導出臨界流速Vcr。對于整體的硬巖體來說,內(nèi)聚力C是很大的,故當b≈h的情況下，侵蝕臨界流速Vcr也很大,是天然河流最大流速遠遠達不到的數(shù)值,因此,自然河流不可能侵蝕完整的巖體,只能沿著巖體內(nèi)聚力很小的裂隙進行侵蝕.8.3水流對河床的作用及河床的穩(wěn)定性

以上在推導Vcr公式時,假定水流方向垂直于沖刷面。若流向與沖刷面有一偏角,此偏角換算出實際流速V在垂直于沖刷面方向的分速,然后再與Vcr相比較,以判斷凸出巖體是否被沖刷掉。在水工建筑物和橋梁建筑中研究河床的沖蝕深度問題具有實際意義。如壩后沖刷坑可能影響到大壩以及其它水工建筑物的穩(wěn)定性。

以上討論的是由堅硬巖體組成的河床侵蝕問題.關(guān)于由松軟土組成的河床侵蝕原理,基本上與侵蝕堅硬巖體的河床相同。但由于土的抗剪強度遠小于巖體,且土在水中物理力學性質(zhì)往往容易惡化,所以土的Vcr值較小,而且它與侵蝕作用的關(guān)系也相當復雜。而對于無粘性的砂土、礫土等的侵蝕問題,實際上是搬運作用的問題。因為這類土體沒有內(nèi)聚力,只要水流能推動土粒移動或懸浮,也就使之遭到侵蝕破壞。8.3水流對河床的作用及河床的穩(wěn)定性2.搬運和沉積作用河流能否搬運水流中的土石顆粒，起決定作用的因素仍然是河水的流速。搬運方式有兩種：一種是流水使砂礫等沿河底推移；另一種則是細小物質(zhì)在水中呈懸浮狀態(tài)移動，稱懸浮。砂礫在河床中受流水作用，假設(shè)顆粒為球狀，直徑為d，則由式（8-10)可知其所受到的水動壓力為：而砂礫滾動阻力T為：式中:f為滾動摩擦系數(shù)；M為顆粒質(zhì)量。M=π(ρ-ρw)d8/6為顆粒密度。如P=T，則土顆粒處于極限平衡狀態(tài)，此時的水流流速稱為推移臨界流速Vcr‘，亦即由松散土構(gòu)成的河床的侵蝕沖刷臨界速度。8.3水流對河床的作用及河床的穩(wěn)定性由有：

如Vcr′以m/s為單位,d以mm為單位,則根據(jù)實際觀測有:當d<400mm,在進行工程地質(zhì)調(diào)查時,可根據(jù)上式估計流速,或根據(jù)流速估計粒徑。當水流流速很大時,原來在河底推移的土石顆位相互碰撞而跳躍,甚至離開河底面懸浮移動。當水流垂直向上的流速分量為U時,浮力P’為顆粒發(fā)生懸浮，需要克服其重力Q：當P=Q時,土石顆拉開始懸浮,此時垂直向上的水流分速稱為懸浮臨界分速Ucr,即：8.3水流對河床的作用及河床的穩(wěn)定性河流中的紊流,其瞬時流速V與垂直分速U大體成正比,由實驗可得：則可得懸浮臨界流速即有：綜上，三種作用主要取決于其流速的大小，而流速隨時間和空間不斷地變化著（從上游到河口流速不同；在一個斷面的不同部位也有變化）。因此，三種作用是密切聯(lián)系的，在不同的地點，因具體條件差異而有不同的表現(xiàn)，其結(jié)果便形成了不同的侵蝕和堆積地貌。值得指出的是，由于各種副流的存在，使河流作用的過程更加復雜化。8.3水流對河床的作用及河床的穩(wěn)定性二、河床穩(wěn)定性1.造床流量在天然河流中，水位、流量等均是不斷變化的，在研究河床演變和從事工程規(guī)劃設(shè)計時，往往需要有確定的水位和流量作為依據(jù)；為此，提出了造床流量的概念。目前，廣泛使用的方法是采用平灘流量作為造床流量。所謂平灘流量是指當水位達到河漫灘或邊灘灘緣高度時的相應流量。這是因為當水位達到這一高度時,水流的造床作用最大，水位再升高，造床作用不僅不增強，反而會有某些削弱。8.3水流對河床的作用及河床的穩(wěn)定性2.河床穩(wěn)定性指標在河床演變研究中,有時并不需要對河床變形作出精確的定量計算,只要求對河床的穩(wěn)定性作出一般性的評價,這時應用河床穩(wěn)定性指標十分方便。1)縱向穩(wěn)定性指標河床的縱向穩(wěn)定性決定于水流對泥砂顆粒的作用力與河底泥砂抵抗運動的力之間的關(guān)系,故縱向穩(wěn)定性指標可表示為：式中,τ為水流切力；τcr為泥沙起動切力。

上式,可以改寫成不同的形式:式中，V為平均流速:Vcr‘為臨界推移流速；H為平均水深；J為河流水面縱比降，d為河床泥沙粒徑。8.3水流對河床的作用及河床的穩(wěn)定性式(8-24)稱為洛赫金公式,如d以mm為單位,J以mm/m為單位(‰).我國河流的一些資料為：長江荊江彎曲型河段K1=2.9~4.1；黃河高村以上游蕩型河段K1=0.31~0.43；黃河高村以下過渡性河段K1=0.42~0.54。(2)橫向穩(wěn)定性指標河流橫向穩(wěn)定性多根據(jù)河床的橫向變形結(jié)果來分析。如阿爾杜寧公式為:式中：Q為造床流量；B為相應于造床流量的河寬；J為相應于造床流量的水而縱比降,K2應愈大愈不穩(wěn)定,我國一些河流的K2指標為：長江荊江彎曲型河段K2＝0.64~1.15；黃河高村以上游蕩河段K2=2.23~5.41。8.3水流對河床的作用及河床的穩(wěn)定性(3)綜合穩(wěn)定性指標將縱向穩(wěn)定性指標與橫向穩(wěn)定性指標聯(lián)系在一起,即得綜合性穩(wěn)定指標。如黃河游蕩性指標：式中：Bt為最大洪水河寬:B為平灘河寬.ΔQ為一次洪峰上漲幅度；Q為造床流量（平灘流量）；T為洪峰歷時。根據(jù)長江及黃河資料有：K3>10游蕩型河段；K3<0.3非游蕩型河段；0.3<K3<10過渡型河段8.3水流對河床的作用及河床的穩(wěn)定性3、河相關(guān)系式處于平衡或準平衡狀態(tài)的河流,其河床形態(tài)與流域來水、來砂條件和河床邊界條件之下最適宜的河床形態(tài)，因此，它對于預測河床變形、規(guī)劃河道整治工程都具有重要的意義。(l)河床縱剖面的河相關(guān)系一些人認為,河床縱比降與河床沙粒徑間存在一定關(guān)系,如阿爾杜寧根據(jù)中亞河流資料得到d=4710J0.9

(8-27)式中：d為床沙粒徑,以mm計；J為河床縱比降,以百分率計。對黃河干支流求得J=3.5d1.3(8-28)對長江荊江段求得J=3.86d2.181(8-29)8.3水流對河床的作用及河床的穩(wěn)定性另一些人認為流量是塑造河床縱剖面形態(tài)的主要因子,如雷布金根據(jù)蘇聯(lián)俄羅斯河流資料得出J=0.00378/Q0.35(8-30)式中：Q為平均流量,以m3/s計(2)河床橫斷面的河相關(guān)系河床寬度與深度也有一定的河相關(guān)系,可用下式表示K＝B0.5/H(8-31)同樣，K值愈大河床愈不穩(wěn)定.如：黃河下游游蕩性河段K=20-4，黃河下游彎曲性河段彎曲部分K=2-6，長江荊江彎曲性河段K＝2-4。8.3水流對河床的作用及河床的穩(wěn)定性課程內(nèi)容：

8.1基本概念及研究意義

8.2河流水動力學特征

8.3水流對河床的作用及河床的穩(wěn)定性

8.4河床演變的某些基本規(guī)律

8.5河流工程地質(zhì)問題分析

8.6河流開發(fā)整治的一般原則

一、河床演變的規(guī)律性河床演變是指河床在自然或在人工干擾時所產(chǎn)生的變化。主要包括河床在垂直和水平方向上的位移、河床的形狀尺寸的改變等。如，河床因沖刷而下切，因淤積而抬高；河流一岸沖刷，另一岸淤積而在平面上擺動；河床中各種泥沙沖積物在水流作用下的移動和變形等。河床演變是水流與河床相互作用的反映，而這種相互作用是通過它們之間的泥沙交換來實現(xiàn)。受紊動水流特征制約。河底是泥沙交換的場所，若沖刷掀起的顆粒平均數(shù)等于沉積到河底的數(shù)量,則泥沙交換是平衡的，不會產(chǎn)生單向的河床變形；如交換不平衡，就會產(chǎn)生單向的河床變形，或沖刷或淤積。河床演變過程是水流與河床這對矛盾自動調(diào)整的過程，通過河流的輸沙能力來實現(xiàn)。水流的輸沙能力是指在一定的條件下水流所能輸送的泥沙數(shù)量，它決定于水流的特性和水流中挾帶的泥沙顆粒的性質(zhì)。它與各要素之間的關(guān)系通常表示為：8.4河床演變的某些基本規(guī)律式中：ρ0為水流的輸沙能力,即飽和含沙量(kg/m3）；V為水流斷面平均流速(m/s)；ω為懸移質(zhì)泥沙平均沉速(m/s);K’為實測系數(shù)(kg/m3)。水流的輸沙能力與流速的立方成正比。任一河段，在一定水流和泥沙條件下，水流具有一定的輸沙能力。如果上游的來沙量與這一輸沙能力相適應，則水流處于輸沙平衡狀態(tài)，水流與河床間的泥沙交換將達到平衡，此時河床既不沖刷，也不淤積。反之，水流處于輸沙不平衡狀態(tài)，水流與河床之間的泥沙交換是不平衡的，河床將發(fā)生相應的沖刷變化當上游的來沙量大于水流輸沙能力時，水流中過多的泥沙顆粒逐漸淤積，使河床淤高；當來沙量小于輸沙能力時水流中不足的泥沙數(shù)量將逐漸自河底得到補充，使河床沖深。8.4河床演變的某些基本規(guī)律河床的沖淤變化使水流和泥沙條件改變,又引起輸沙能力的改變,從而又形成新的沖淤特征?？梢?河床的沖淤變化起因于輸沙平衡的破壞。而河床沖淤變化又是向著恢復輸沙平衡的方向發(fā)展的，這種水流與河床的自動調(diào)節(jié)作用制約著河床演變過程的基本規(guī)律。對于山區(qū)河流、平原河流及潮汐河流,由于水流和河床因素皆不相同,因而其河床演化規(guī)律也是截然不同的。潮汐河流是河流匯入海洋的區(qū)段。在此區(qū)段內(nèi)，兼具有河流和海洋的動力因素,形成了特殊的自然條件,產(chǎn)生了獨特的河床演變過程。以下對山區(qū)和平原河流的侵蝕、沉積規(guī)律加以討論。8.4河床演變的某些基本規(guī)律二、山區(qū)河流的侵蝕、沉積規(guī)律山區(qū)坡面陡峻、巖石裸露、徑流系數(shù)大、匯流時間短，因而河流洪水暴漲暴落，河流的流量變幅很大。加之河谷斷面狹窄，調(diào)蓄能力低，河流水位變幅也很大，洪枯水位差可達數(shù)米、數(shù)十米不等。河流水量的補給主要來自暴雨徑流，因而洪水期歷時短，枯水期歷時長，缺少穩(wěn)定的中水期。山區(qū)河流的泥沙主要來自汛期暴雨的沖刷，平時極少。含泥沙量的大小主要取決于流域特征，當流域巖石風化強烈、植被覆蓋少時，含泥沙量自然較高，甚至在山洪暴發(fā)時形成泥石流，山區(qū)河流主要為水流下切，堆積很少，河床多為基巖，僅寬谷出處有卵石和礫石堆積。8.4河床演變的某些基本規(guī)律河谷的平面形態(tài)與地質(zhì)構(gòu)造及基巖性質(zhì)有密切關(guān)系，因構(gòu)造和巖性的差異，平面上河谷經(jīng)常呈狹谷段或?qū)捁榷蜗嚅g的藕節(jié)狀外形，而河谷寬窄處的沖積物特證也不相同，一般寬谷處階地發(fā)育，有河漫灘、心灘等，山區(qū)河流縱剖常呈上凸曲線型，同時，由于沿河構(gòu)造和巖性的差異，存在許多折點。山區(qū)河流水面坡降大，絕大多數(shù)都超過1％,比降沿程分布極不均勻，因而河水流速較大，一般>2m/s，在某些急流河段，流速高達7-8m/s，但在緩流河段上，流速也有小于1m/s的。由于河床形態(tài)極不規(guī)則，河水流態(tài)十分紊亂，流象極為險惡。由于河床上存在急彎等局部障礙物，這些地方往往產(chǎn)生較大的橫比降，引起較強的橫流。山區(qū)河流挾帶的泥沙多為細砂、粉砂和粘土,而河床的組成多為基巖、卵石和塊石，二者性質(zhì)迥然不同。因此，懸移質(zhì)含泥沙量一般處于不飽和狀態(tài)，挾運的泥沙都可看作沖瀉質(zhì)。山區(qū)河流河床多為基巖構(gòu)成，僅在寬谷段有局部淤識，且主要為漂石和卵石。因顆粒較粗，只有在較大洪水時才能起動，加上流速沿程變化的不連續(xù)性，因而推移質(zhì)運動具有間歇性。8.4河床演變的某些基本規(guī)律總的說來，山區(qū)河流由于河谷比降陡、平均流速高，水流具有較大的輸沙能力，且遠大于其實際的輸沙量，故為侵蝕性河床，河床變形以下切為主。又因山區(qū)河床抗沖蝕能力很強，河床下切速度極其緩慢。因此，在一般工程問題中，可以認為基本上是不變的，即當成固定河床看待。但在某些河段內(nèi)，在特殊的水文條件和邊界條件下，河床中也會產(chǎn)生卵石和泥沙堆積，并在水流作用下產(chǎn)生顯著的沖淤變形。如峽谷與寬谷相間地段的寬谷河床中可形成淺灘,汛末水位回落,河床刷深,從而產(chǎn)生以年為周期的沖淤變化.此外,山區(qū)河流還常因某些特殊外部因素作用,使河床產(chǎn)生劇烈沖淤變化。如地震、山崩、滑坡等地質(zhì)作用,能在極短時間內(nèi)將大量物質(zhì)推入河中,堵塞河床,劇烈地改變上下游水流情況,從而引起河床的急劇變化。泥石流擠壓主流通道，也會引起河床劇烈變化。8.4河床演變的某些基本規(guī)律三、平原河流的侵蝕、沉積規(guī)律大中型河流的中下游多流經(jīng)廣闊沖積平原地區(qū)，這類地區(qū)坡度平緩，土壤疏松，降水后徑流系數(shù)小，匯流時間長。洪水的起漲和回落都比較平緩，持續(xù)時間也較長。故平原河流雖然流量較大，但流量和水位的變幅較小，具有穩(wěn)定的中水期。平原河流來沙量主要是流域表面的土壤侵蝕，且主要集中在汛期幾個月內(nèi)，特別是來自幾次較大的洪水過程。對不同年份而言，一般水量較豐年份帶來的泥沙量也較大。河流含沙量視流域的土壤、植被和水土保持情況不同而有很大的差別。平原河流以沉積作用為主，在河谷中形成了深厚沖積層，水流在沖識層中流過，塑造自己的河床形態(tài)。沖積層一般較厚，可達數(shù)十米甚至數(shù)百米。縱剖面上，平原河流多為下凹的曲線，沒有顯著的臺階狀變化，但由于水流與河床相互作用，常出現(xiàn)波浪狀起伏狀態(tài)，沿程深槽與淺灘相間；橫斷面上平原河流形態(tài)視不同河段而異，在順直過渡段多為對稱拋物線形或矩形，在彎曲河段彎頂多為不對稱三角形或拋物線型，在分叉河段中則為W形，而散亂河段則極不規(guī)則。8.4河床演變的某些基本規(guī)律平原河流水面比降小，一般在千分之一以下，甚至有不到萬分之一的，因而水流平均流速也不大，一般在2-3m/S以下。水流流態(tài)平穩(wěn)，僅在一些局部地段會出現(xiàn)回流、橫流等流態(tài)，但強度通常不大。河流中懸移質(zhì)泥沙以砂、粉粒和粘土顆粒為主；推移質(zhì)泥沙多為中、細砂，只有出峽谷不遠處才有一些小卵石。推移質(zhì)運動以沙波形式進行。平原河流河床演變主要表現(xiàn)為河床循環(huán)性的往復變形，特別是河床的平面變遷和河床中泥沙堆積體的運動變化。由于河床均由中、細砂等松散物質(zhì)組成，在水流作用下很容易發(fā)生變形，因此，平原河流沖淤變化較快，沖淤變化幅度也較大。地上懸河是平原河流的特殊類型，我國黃河下游便是典型的地上懸河。所謂地上懸河是指河床高于其兩岸地面的河流。這種河流的河床具有典型的易變性特點，使河道不斷擺動，形成變動的蛇曲帶，地上懸河地區(qū)沉積物在平面上往往呈網(wǎng)狀分布規(guī)律，由較粗的細砂粒和粗粉粒組成的蛇曲帶相沉積物呈現(xiàn)條帶狀分布的特點。而由細粉粒和粘粒組成的泛濫洼地相沉積物則被蛇曲分割為塊狀。在剖面上，則呈現(xiàn)蛇曲帶相沉積物和泛濫洼地相沉積物交替重疊分布。8.4河床演變的某些基本規(guī)律課程內(nèi)容：

8.1基本概念及研究意義

8.2河流水動力學特征

8.3水流對河床的作用及河床的穩(wěn)定性

8.4河床演變的某些基本規(guī)律

8.5河流工程地質(zhì)問題分析

8.6河流開發(fā)整治的一般原則

在河流上修建各種建筑物，必然會產(chǎn)生各種工程地質(zhì)問題。特別是由于工程建筑的興建，必然對地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生各種影響，從而產(chǎn)生環(huán)境工程地質(zhì)問題。研究河流地質(zhì)作用的工程目的，正是為了預見工程建筑興建后可能產(chǎn)生的工程地質(zhì)問題，并從工程要求、經(jīng)濟效益和環(huán)境質(zhì)量角度綜合分析工程建筑的合理性，作出工程建筑的可行性結(jié)論，并為工程的處理、河流的整治提供有效的措施。8.5河流工程地質(zhì)問題分析一、水庫淤積——壅水淤積、異重流淤積建庫后，因洪水期渾水進入壅水段，泥沙擴散到全斷面，隨著挾沙能力沿流程降低，泥沙沉積于庫底，且粗粒沉積于上游，細粒沉積在下游，形成淤積三角洲，這就是壅水淤積。由于三角洲過水斷面減小，流速增大，挾沙能力提高，淤積范圍便向下游推移，淤積物較均勻地分布于庫底，庫容逐漸為泥沙所填滿。壅水淤積所形成的三角洲不斷提高，庫尾水深不斷變淺，流速增大，同時使壅水末端向上游移動（圖8-9)。其結(jié)果使淤積末端超過最高庫水位與原河床的平交點，形成翹尾巴。8.5河流工程地質(zhì)問題分析水庫淤積末端的上延程度用上延系數(shù)來表示（圖8-10）：清水或少泥沙河流水庫ξ可小于1；多泥沙河流最大可達1.4~1.5。水庫翹尾巴形成,使得上游河床淤高,可引起許多不良后果,如淹沒、浸沒、地陷、航道紊亂、土攘鹽堿化等?？刂坡N尾巴,可通過控制庫水位(降低平交點)或利用上游水庫泄放清水沖刷下游水庫末端等措施實現(xiàn)。異重流淤積：當入庫水流含沙量高，并有足夠的流速時，渾水進入壅水段后可不與清水混淆擴散而潛入清水之下，沿庫底向下游繼續(xù)運動，并可一直運行到壩前，并在回流作用下使水庫變渾，細顆粒緩緩落于庫底(圖8-11)，多見于多泥沙河流中。如果及時開啟排沙底孔閘門，異重流渾水即能排出庫外。對于異重流可建立其連續(xù)方程和運動方程，得出其運動和發(fā)展規(guī)律，并根據(jù)水流特征預測其淤積量。8.5河流工程地質(zhì)問題分析二、壩下游河床再造建庫改變了下游河道的水動力條件,破壞了河床原有平衡狀態(tài),引起下游河床再造，建立新的平衡河道。建庫后，下泄水流對下游河床產(chǎn)生沖刷作用。下游沖刷有時可達到很長的距離。如漢江丹江口水庫自1974年建成以來，沖刷現(xiàn)象己擴展到距大壩500km。沖刷：深切侵蝕和橫向擴展。綜合影響可促使河流游蕩程度的改變，甚至發(fā)生河流型式的轉(zhuǎn)變。當下切起主導作用時，河床往往向穩(wěn)定方向發(fā)展，原來的游蕩性河床向彎曲型轉(zhuǎn)化。而展寬作用起主導作用時，原來的彎曲型河床可向游蕩型轉(zhuǎn)化。如三門峽水庫修建后，下游河床下切作用加強使游蕩性河段表現(xiàn)出向灣曲曲型河流發(fā)展。8.5河流工程地質(zhì)問題分析三、河流地質(zhì)作用與工程建筑的關(guān)系侵蝕作用，威脅著緊靠河岸，甚至遠離河岸建筑物的安全。河底沖刷，威脅跨河建筑物（如橋梁、堤壩）地基的穩(wěn)定性。側(cè)向侵蝕，會引起岸坡滑坡、崩塌等。搬運和沉積作用，使碼頭、取水建筑物等發(fā)生淤塞降低效能。水庫淤積作用會降低水庫的效能；更為嚴重的是，由于河床的淤淺、淤高，形成地上懸河，在洪水季節(jié)造成河流決口，甚至改道，帶來極大的災害。我國黃河下游河段就是這樣的河道。8.5河流工程地質(zhì)問題分析壩后沖刷，也對水工建筑物穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。如湖南肖水雙牌電站支墩壩溢流段壩后沖刷坑對大壩穩(wěn)定性造成不良影響。該壩址為中下泥盆統(tǒng)板巖、砂質(zhì)板巖、細砂巖、石英砂巖互層，巖層走向近南北，傾向西（下游）（圖8-12）為了保證壩基巖體穩(wěn)定，施工中對壩基下一定深度內(nèi)的軟弱破碎夾層進行了開挖處理。自1961年正式蓄水以來，大壩下游經(jīng)多次溢洪沖刷形成了沖刷坑，并逐年加深。1968年發(fā)生大洪水，當庫水位升至169.59m(正常水位高170m)時溢洪，發(fā)現(xiàn)沖刷坑在原來的基礎(chǔ)上加深了3-8m,遠遠超過原設(shè)計的預計深度，其中2-3支墩后深潭由于集中沖刷的結(jié)果，深度最大，將深部的軟弱破碎夾層切斷臨空，并使右岸邊坡下部掏空。這樣，一方面危及了大壩的安全，另一方面又嚴重地影響右岸灌溉渠道的穩(wěn)定。所以采用了錨索加固壩基，并將灌溉渠道從渠首至沖刷坑下游的一段改為隧洞引水。8.5河流工程地質(zhì)問題分析現(xiàn)代河流沉積物的組成、分布及性質(zhì)與工程建筑的穩(wěn)定性關(guān)系甚大。如，華北山區(qū)深切河谷中堆積有深厚的卵石層，壩基滲漏問題相當嚴重。華北和東北兩大平原的河流堆積物，許多是具有觸變性的飽水粉細砂土，在1975年海城—營口和1976年唐山—豐南兩次大地震時，大范圍砂土液化所造成的災害極為嚴重。此外，由于河流侵蝕切割的卸荷作用，引起河谷臨空面附近巖體回彈變形、應力重分布，而形成近平行臨空面的張性卸荷節(jié)理。通常在谷底以下可發(fā)育一組與基巖表面近于平行的水平板狀裂隙，一般開口良好，甚至造成空洞，有的被水流進一步?jīng)_蝕擴大，形成河谷下的強滲透水帶。谷坡一帶由于側(cè)向臨空，卸荷裂隙的形成更加多樣化，這種卸荷裂隙的存在，是斜坡穩(wěn)定性的不利因素。8.5河流工程地質(zhì)問題分析四、河流環(huán)境工程地質(zhì)兩個例子：埃及阿斯旺高壩1971年建成。（1）1981年11月發(fā)生5.3級水庫誘發(fā)地震，微震頻繁；（2）因水庫位于酷熱的努比亞沙漠上，蒸發(fā)量大，庫水含鹽量增加，加重了尼羅河下游沿岸耕地的鹽堿化；（3）由于下游地下水位降低，土地沙化加劇。（4）過去尼羅河每年的洪水可以挾帶大量淤泥堆積在下游沿岸的綠洲，并從土地中濾掉鹽分，水庫破壞了這個天然的再生和凈化系統(tǒng)，土地比以前貧瘠多了。（5）由于河水含沙量大幅度下降，泥沙的淤積不能彌補海水的沖刷，使尼羅河三角洲海岸不斷遭海水侵蝕，海岸線后退。（6）沙丁魚幾乎滅絕，下游居民血吸蟲病發(fā)病率明顯增加。8.5河流工程地質(zhì)問題分析三門峽水庫1960年建成。（1）泥沙淤積，庫容迅速損失，至1964年汛后，335m以下庫容已損失43%，年均損失近109m3，若不采取措施，水庫將在30年后失效。50年后全部淤滿。（2）水庫淤積范圍外延，嚴重威脅關(guān)中地區(qū)以西安為中心的工農(nóng)業(yè)基地，水庫蓄水后，庫周地下水位普遍上升。1960年9月至1961年底高水位蓄水期壩址段上升8——36m，庫區(qū)上游和渭河兩岸上升2-4m。（3）地下水位上升和浸沒所造成的主要危害是黃土濕陷、裂縫、滑坡、房屋和水井倒塌、地下水質(zhì)惡化、土地沼澤化和鹽漬化。（4）至1985年底庫區(qū)內(nèi)發(fā)生較大塌岸28處，增加了水庫泥沙量，侵占有效庫容，并破壞農(nóng)田，威脅村莊和人畜的安全。8.5河流工程地質(zhì)問題分析對河流工程所產(chǎn)生的環(huán)境工程地質(zhì)問題的評價，應在工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，評價環(huán)境地質(zhì)要素。如工程地質(zhì)條件、自然地理、地球化學特征，已有自然地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問題的評價；區(qū)域資源開發(fā)利用對環(huán)境的影響，地區(qū)社會、經(jīng)濟、文化發(fā)展狀況及可能采用的發(fā)展方案等，并在此基礎(chǔ)上利用系統(tǒng)工程、控制理論，采用推演、類比和物理模擬、數(shù)學模擬的方法，預測可能產(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)問題的類型、規(guī)模、分布、發(fā)生時間和對環(huán)境要素的影響；最終正確估價環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量，為河流的開發(fā)、工程建筑的興建提供依據(jù)。8.5河流工程地質(zhì)問題分析課程內(nèi)容：

8.1基本概念及研究