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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第十二章 河流的侵蚀和淤积,的工程地质研究,第一节 概述,第二节 河流的动力学特征,第三节 岩土的临界流速及河床的稳定性,第四节 山区和平原河流侵淤作用的某些特征,第五节 与河流侵淤作用有关的工程地质问题,第六节 河流的开发与整治,第十二章 河流的侵蚀和淤积,1,第一节 概述,河流的侵蚀和淤积是改变地表形态最重要的地质作用之一。,河流的地质作用与山区河谷地貌,河流的地质作用(侵蚀作用、搬运过作用、沉积作用),第一节 概述,2,河流的地质作用(侵蚀作用、搬运过作用、沉积作用),谷底,河 床,河漫滩,(下部常有阶地),被常年水流或经常性,洪水淹没的河谷部分,谷坡,河谷的组成,河流的地质作用(侵蚀作用、搬运过作用、沉积作用)谷底河,3,侵蚀作用,按 作 用,性质分为,机械侵蚀,化学侵蚀,按作用,部 位,分 为,下蚀,作用,对河床基岩的撞击、磨蚀、溶解,主要发生于河流的,上游段,,强弱决定于岩石的软硬、含砂量、流速(更重要),指:,下蚀作用,极限位置,海平面(称为基本或永久侵蚀基准面),主流对支流、河流入湖泊、水库的汇入,口(称为暂时或局部侵蚀面),向源,侵蚀,指:河谷形成后,河谷有向源头发展增长河,谷长度的趋势,形 成 的,地质条件,侧蚀,作用,指,:,河水环流对侧岸的掏蚀作用,,主要发生于河流的,中、下游段,作用,过程,截弯取直,侵蚀作用按 作 用机械侵蚀化学侵蚀按作用下蚀对河床基,4,影响河流侵蚀和淤积的因素,水流与河床的特征、流域内的气候特点、地层岩性、地质构造、土壤及植被发育情况等等。,水流和河床的相互作用是引起河流发展和变化的根本因素。,影响河流侵蚀和淤积的因素,5,表征水流和河床特征的要素,(,1,)表征水流特征的要素有:水位、流量、流速、水流结构和含沙量等。,(,2,)表征河床特征的要素有:河床平面和断面的几何形态,纵横坡降,组成床底及床岸的物质等。,阶地,洪水位,河床,河漫滩,平水位,谷坡,表征水流和河床特征的要素阶地洪水位河床河漫滩平水位谷坡,6,河流侵淤作用对人类生活和生产活动的影响,有利方面:河流的侵淤作用,为人类塑造了良田沃土和广阔的建筑场地,提供丰富的水能资源,开辟航运之便,且为现代化大型工程提供了丰富的天然建筑材料。,危害:威胁桥台、桥墩等跨河建筑物的特定和安全,使边岸坍塌,使航道和港口淤塞,使沿岸引水和取水工程失效等等。,研究意义:,从上述利弊可以看出,河流的侵淤对人类的影响,而人类活动引起河流侵淤规律的变化,因此,为合理开发和治理河流,做到兴利除害,研究和掌握河流的侵淤规律是很必要的。,河流侵淤作用对人类生活和生产活动的影响,7,第二节 河流的动力学特征,一、河流的紊流特征,二、横向环流,第二节 河流的动力学特征,8,一、河流的紊流特征,1,、河流运动时内部质点的运动状态可分为:,(,1,)层流:水质点做井然有序,互不混杂的运动,(,2,)紊流:水质点做不规则的相互混杂的运动。,紊流的基本特征:在流量不变的情况下,流场中任一点的流速和压力随着时间呈十分不规则的脉动,即过水断面上某一点瞬时流速的大小和方向均随时间呈不规则的变化,它是促使河床土石侵蚀搬运的根本因素。,河道水流一般都呈紊流。,一、河流的紊流特征,9,2,、时间平均流速,时间平均流速:在某一足够长的时间间隔内,任一点瞬时流速的平均值。,在河流过水断面上各点的时间平均流速是不同的。(如下图),在断面中上部最大,在断面下部及两侧最小,其余部分的流速介于两者之间。,2、时间平均流速,10,3,、造成水流对河床泥沙的侵蚀和搬运的原因,(,1,)河床表面低速流层的厚度极薄,仅对极细的泥沙颗粒起一定的屏蔽作用,而卵砾乃至部分砂粒的上部或大部已处于高速水流作用之中。,(,2,)河道水流呈紊流,而紊流具有脉动特征,且易形成紊动旋涡,这些紊动旋涡既有上下、左右、前后的运动,又有旋转运动,当达到一定流速时,即能掀起河床的泥沙。水流脉动速度越大,紊动旋涡的尺度越大,而大尺度的旋涡能携带河床泥沙进入主流区,并是泥沙悬浮的主要动力。,3、造成水流对河床泥沙的侵蚀和搬运的原因,11,二、横向环流,1,、主流:水体在重力作用下沿着河槽总方向运动者称为主流。,其流线和速度向量基本平行,且大致平行于河槽的轴线。(沿河槽纵向流动的方向),2,、副流:在各种因素下,水流内部质点产生有规律、大规模的水体旋转运动称为副流。,副流是引起泥沙横向移动的主要动力,是形成河槽形状多样化的重要原因。,根据水流所围绕的旋转轴方向不同,可以分为纵轴、横轴、斜轴及竖轴副流四类。,3,、横向环流:纵轴副流的旋转轴与河流总方向一致,这种副流又称横向环流。,造成横向环流的原因很多,诸如地球自转引起的科氏力,河道水位涨落,离心力作用等,其中弯道河流水流离心力作用是最主要的原因。,二、横向环流,12,横向环流作用的结果,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。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,而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。水流流速的上述变化规律是河流在同一断面上既有侵蚀又有淤积的一个极为重要的原因。,横向环流作用的结果,13,河谷弯曲,形成牛轭湖,河谷弯曲形成牛轭湖,14,凸岸堆积,凸岸堆积,15,凹岸冲刷、掏空、跨落,凹岸冲刷、掏空、跨落,16,第十二章河流侵蚀和淤积的工程地质研究教材课件,17,第三节 岩土的临界流速及河床的稳定性,一、临界流速,二、河床的稳定性,第三节 岩土的临界流速及河床的稳定性,18,一、临界流速,从动力学观点看,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,将发生侵蚀和搬运作用,否则,河床不会遭受侵蚀而形成淤积。,组成河床的物质抵抗水流作用的能力,与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有关。,1,、岩体,2,、无粘结的卵、砾和砂粒,一、临界流速,19,1,、岩体,假设凸出于河床中的岩体高度为,h,,宽为,b,,长为,l,,水流速度为,U,,其流向与,hl,面垂直(如图),则岩体所受水动压力,P,为,(,1,),在,P,作用下引起的可能滑动面(,bl,)上的剪应力,为,(,2,),若岩体抗剪断强度,S,为,(,3,),当,=S,时的水流速度,称为侵蚀临界流速,Ucr,,其值可由式,(2),和式,(3),求得,即,1、岩体 假设凸出于河床中的岩体高度为h,宽为b,长为,20,2,、无粘结的卵、砾和砂粒,在水流作用下其起动条件是不同的。假设直径为,d,的球状颗粒,所受的水动压力,P,为,(,5,),而颗粒滚动摩阻力,T,为,(,6,),当,P=T,时,则颗粒处于极限平衡状态,此时的水流速度为推移临界流速,其值可由式,(5),与式,(6),求得,即,d400mm,,以,m/s,为单位,d,以,mm,为单位时,根据实测可得,2、无粘结的卵、砾和砂粒,21,推移质:当水流流速大于临界流速时,颗粒将沿河床滚动或滑动,这时被搬运的颗粒叫做推移质;反之则颗粒停留于原地,即形成淤积。,悬移质:当水流速度较大时,可使沿河床移动的颗粒离开河床,悬浮于水流中,这时被搬运的颗粒叫做悬移质。,根据研究,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,w,大体上是成正比的。根据实验所得,1220,由此可知,直径为,d,的颗粒的悬移临界流速为其推移临界流速的,12-20,倍。即,推移质:当水流流速大于临界流速时,颗粒将沿河床滚动或滑动,这,22,理论与实践都表明,水流流速的微小变化就会引起其冲刷能力的显著改变。由于紊流流速具脉动特征,因而不同粒径的土粒在水流中的状态与水流流速之间的关系可用下图表示。,理论与实践都表明,水流流速的微小变化就会引起其冲刷能力的,23,二、河床的稳定性,目前,还没有理想的表征河床演变规律的理论公式。大多数研究者是根据实际观测和试验所总结的经验公式,分析水流要素与河床要素之间的经验公式,从宏观上对河床的稳定性作出概略的评价。,1,、纵向稳定指标,2,、横向稳定指标,二、河床的稳定性,24,1,、纵向稳定指标,由于水流流速与河床纵坡降有关,一般常用河床泥沙的粒径与河床坡降之比来表示河床的纵向稳定性,即,式中:,K,1,为河床稳定性系数;,d,50,-,为无粘性土的平均粒径(,mm,);,J,为河床坡降(,mm/m,),K,越大,则河床越不易被侵蚀冲刷。,实际资料表明,,当,K15-20,时,,河床基本稳定,仅在洪水期可以有一些泥沙移动;,当,K 5,时,,河床泥沙在平水期也有移动;,当,K1,时,,河床极不稳定。,1、纵向稳定指标,25,2,、横向稳定指标,由于影响河床横向变形的因素比较复杂,因此,大多数研究者不从直接影响因素出发,而根据河床横向变形结果来分析其稳定性。,例如:,阿尔杜宁,公式为,式中:,K,2,为横向稳定指标;,Q,为造床流量,是对河床形成作用最大的流量,实际应用中常以平滩流量表示;,B,为与造床流量相应的河宽;,J,为造床流量时水面坡降。,K,2,值越大越不稳定,。,2、横向稳定指标,26,第四节 山区和平原河流侵淤作用的某些特征,一、山区河流的侵淤特征,二、平原河流的侵淤特征,第四节 山区和平原河流侵淤作用的某些特征,27,1,、山区河流的特征:,河流的上游地区一般多位于山区,由于山区坡面陡峻,径流系数大,汇流时间短,加之河谷断面狭窄,对水流调蓄能力低,洪水暴涨暴落,河水的水位和径流量变幅很大,洪枯水位差可达数米或数十米不等。河床形态极不规则,故水流的流态十分复杂,常有回流、旋涡、跌水、横流等流态出现,流象极为险恶。,一、山区河流的侵淤特征,1、山区河流的特征:一、山区河流的侵淤特征,28,2,、山区河流的侵淤特征:,从总的来看,山区河流以侵蚀作用为主,仅在宽缓河段及弯曲河段发生局部淤积,山区河流流速大,输沙能力强,必然引起河床以深切为主,小于,2mm,的颗粒一般多呈悬移质,大于,2mm,的颗粒多呈推移质,堆积物颗粒粗大,有卵、砾及漂石淤积,山区河流的河床多为基岩、漂石、卵石等抗冲刷能力较强的物质组成,河流的深切和侧蚀作用均较缓慢。因此,整个河床演变的速度较缓慢,河床的形态、主流和副流的位置比较固定,不会引起航道的大变化。,此外,山区河流常因地震、山崩、滑坡及泥石流等,能在短时间内将大量物质推入河中,堵塞河流,有时形成堰塞湖,引起上下游水流状态的改变,从而导致河床的剧烈变化。,2、山区河流的侵淤特征:,29,二、平原河流的侵淤特征,1,、平原河流特征:,河流的下游及河口地区一般多为平原。平原地区坡度平缓,径流系数较小,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,具有稳定的中长期。,2,、平原河流的侵淤特征,不仅洪水期强烈进行侵淤作用,而且中长期这种作用仍在继续,因此平原河流的河床演变能够经常进行。从总的来看,这种河流以淤积作用为主,河床的横剖面形态变化复杂,易引起主流线的不断摆动,而且这种变化的速度比山区河流快得多,可能在较短时期内发生,因此对人类生活和生产活动带来不良后果。,二、平原河流的侵淤特征1、平原河流特征:,30,3,、地上悬河,是平原河流的一种特殊类型,是指河床高于其两岸地面的河流。,形成条件:,(,1,)河水中携带着大量的敏感土粒,其粒径为,0.25-0.01mm,;,(,2,)河水中有相当大部分为敏感水流,其时间平均流速小于,0.7m/s,;,(,3,)河流具有足够广阔可能被泛滥的面积。,演变特点:,河床不断淤高,沙洲移动迅速,河道外经常改变,冲淤变幅大,主槽摆动幅度和速度都很大,甚至发展成河流的改道。,危害,:对人类生活和生产活动危害最大。,3、地上悬河,31
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