第八章河流侵蚀及沉积.ppt

第八章河流侵蚀与沉积的工程地质研究 西安科技大学地质与环境学院 2009.2 研究意义： 1. 研究河流地质作用具有重要的工程地质意义。 河流地质作用（侵蚀、沉积、搬运）及其产物（松散堆积物、下切、坝基渗漏、砂土振动液化等）：（1）影响着建筑物的安全、经济和正常使用；（2）威胁着河流工程（如桥墩、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），由于改变了河流的侵蚀、搬运、淤积规律及其环境因素，便会产主不同程度的环境地质问题，特别是一些大型水工建设，如三门峡水库、龙羊峡水库等。 2. 了解河流地质作用的规律，对指导工程建设具有重要的地质意义。 如修建一个港口，首先要正确地确定港址。港址选择除了考虑国民经济建设的需要以及陆域条件外，还必须调查过去地质历史时期所形成的冲积物特征，并论证相应的工程地质问题, 还必须弄清河道的冲淤变化规律，尽可能选择冲淤变化不大或冲淤变化正朝着有利于港口建设方向发展的地段建港，如果不能满足要求，应制订整治的措施。 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，即使在流量不变的情况下，流场中任一点的流速和压力也随时间呈不同规则的脉动（图8-1）。由图可知,任一时刻的流速可表示为： 式中V为瞬时流速； 为时均流速；V’为脉动流速。 在恒定流中，V’不随时间而变,且V’的时均值为零，即， 式中，T为时间段。 研究表明，水流中某点的最大瞬时流速Vmax和最小小瞬时流速Vmin之间的关系为 即有： 式中：K是比例常数，相当于该点瞬时流速V在足够长时间间隔中，偏离它的平均流速 的均方差σ与V的比值，即K＝ σ/ ,其值与雷诺数Re有关，介于0.1-0.5之间，若取K=0.1，则各流速之间的关系为： 二、主流和副流 河流中的水体存在着多种方向的运动。水流沿着河槽总方向的流动称为主流 ，它一般是在重力作用下产生的，在流动过程中，水流的流线是基本平行的，水流的流速向量也是互相平行的，且都平行于河槽的轴线。副流是在水流内部产生的一种大规模的水流旋转运动。在这种流动中，流线大多呈封闭曲线，副流有时在主流的边缘上流动, 有时则与主流叠加在一起,使整个水流呈螺旋式的前进运动。副流与紊动漩涡不同。紊动漩涡一般尺度较小, 并且常常是没有规则的,而副流一般规模较大，而且它们的位置和影响范围都比较固定。副流可以由重力所引起,也可以由其它作用力(内、外力)所引起,它是引起泥沙横向输移的主要动力，是形成河槽形状多样化的重要原因。对泥沙运动和河床演变影响较大的副流主要有离心力副流、摩擦力副流和异重流。 三、横向环流 在弯曲河道中水流作曲线运动，因此，它受到惯性离心力F的作用,这种力的方向指向水流流线的外法线方向,其数值可表示为 式中，m的质量；V为水质点的纵向流速；R为水质点运动迹线的曲率半径。 由于离心力的作用，自由水面的平衡状态遭到破坏，因而水面将相应的调整，凹岸水位升高。从而形成横向水面比降(图8-4)。根据水体的横向动力平衡条件,可以推得横比降Jy的计算公式为: 式中:U为垂线平均流速；g为重力加速度:r为流线曲率半径:a0为流速分布不均匀系数,一般情况下a0接近于1.0. 摩擦力T数值较小，可以近似忽略不计。分析离心力F和压力差p可知,F与V2成正比，而V沿水深分布不均匀,自河底向水面增大，故离心力F自河底向水面增大；而压力差p与横比降Jy成比例,Jy沿水深不变, 故p也沿水深不变（p＝Jy ? pw?g，pw为水的密度；g为重力加速度）。F与p二者合成的结果,上层水体所受的力指向凹岸,发生向凹岸的流动,而下层水体所受的力指向凸岸，发生向凸岸的流动,结果形成一个封闭的环流(图8-5a)，环流与主流配合起来,使河道中的水流呈螺旋状前进〈图8-5b)。这种环流当凹岸在右侧时为顺时针方向,凹岸在左侧时为逆时针方向。 横向环流作用的结果,使蛇曲发育的平原河流中总是深槽和浅槛交替出现(图8-6). 而由基岩组成河床的山区河流,河床中深槽的形成原因则要复杂得多,它固然与横向环流的作用有一定的关系,但更主要的是取决于当地的地质结构及岩性条件,往往在断裂带、裂隙密集带以及软弱岩体分布的部位出现深槽,给水工建筑物的施工和地基处理造成困难。 在北半球,无论是南北向河流，还是东西向河流都是指向右岸的，从而形成倾向左岸的横比降，右岸冲刷，左岸堆积，而在南半球则反之（8-7）。这种力作用，使得平直河段也可产生不对称的顺时针方向横向环流。而在河湾地带，离心力和科氏力则相互影响,从而使环流加强或削弱。 实际上,因水文条件和河底地形不同,横向环流比较复杂。由于横向环流的存在,由水面至深度的水流有较大的速度,侵蚀河床，从深处向上升的底流速度小，使泥沙淤积。即横向环流的