第九章地表水作用的工程地质研究
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授课题目
第九章地表水作用的工程地质研究
教学目的
要求
了解海(湖)岸带的动力工程地质研究；了解河流动力学特征；掌握河床演变的基本规律、河床的稳定性和坝闸下游河床再造、河道整治的工程措施；掌握泥石流的类型划分、泥石流的发生条件与形成机制。
主
要
内
容
第一节河流地质作用的工程地质研究
一、河流动力学特征
二、河床演变的基本规律
（一）物质的横向运动与水下岸坡的形成
1．物质的横向运移
2．水下岸坡的形成与演化
（二）物质的纵向运移与沉积物流
1．岸带上物质的纵向运移
2．沉积物质
四、影响海(湖)岸带演化的地质因素
（一）地形因素
（二）地质结构因素
1．岩土的性质
2．岩体结构
1）主要结构面倾向岸内；
2）主要结构面倾向岸外；
3）主要结构面产状近水平。
3．溃决型泥石流
三、泥石流的发生条件与形成机制
（一）泥石流的发生条件
1．固体物质
2．地形条件
3．气候条件
4．地质条件
5．其他条件
（二）泥石流的形成机制
1．土力类形成机制
2．水力类形成机制
四、泥石流特征指标的确定
（一）泥石流的重度
1．实测法
2．体积比法
（二）泥石流的流量
1．形态调查法
2．汇水面积法
3．配方法
（1）岩质河床的抗冲能力
河床岩石冲刷破坏的机制：
1）地质因素geological factor
冲刷破坏是由于挑射水流在岩石裂隙间产生脉动压力，使裂隙张开，岩块松动、晃动，相互磨损破坏，裂隙逐渐扩大，脉动压力也逐渐扩大，直至岩块被冲走带出。因此，盐块的水下重量和岩块间的摩阻力影响着岩石的抗冲能力。它与岩块的大小、重度、几何形状、相互位置及岩块间充填物的性质有关。
二、河床演变的基本规律
（一）河谷的形成和形态特征
1．山区河流mountainous area
（1）按其发育程度和形态特征可分为：
1）未成形河谷：隘谷defilo、障谷gorge和峡谷canyon；2）河漫滩河谷：flat valley
3）成形河谷：有阶地terrace发育。
（2）河谷的发育主要受构造控制：背斜谷anticlinal valley、向斜谷synclinal valley、断层谷fault valley、地堑谷graben valley等；
1．冲蚀（侵蚀erosion）（下蚀down cutting和侧蚀lateral erosion）
1）与流速垂直断面上突起体承受的动水压力（公式9-3）；
2）突起体在动水压力的反复作用下，沿可能滑动面产生的剪切应力（公式9-4）；
3）突起体抗冲稳定性判断；
①突起体的抗剪强度大于剪切应力——稳定；②突起体的抗剪强度小于剪切应力——不稳定；③突起体的抗剪强度等于剪切应力——极限状态
1．横向摆动：边滩的迁移、心滩冲刷和沙洲的下移（图9-7、9-8）
2．小改道：主槽在河床范围内突变性的摆动。
1）主流移夺另一股叉流；2）截弯取直cut-off：
3．大改道：河流袭夺其他河道或另辟新河道。
（三）河流的宽窄变化对河道演变的控制作用
三、河床的稳定性和坝闸下游河床再造
（一）河床稳定性stabilityof river bed
（2）悬浮质suspensionmatter的起动条件
1）悬浮于流体中的颗粒，其顶部流速大侧压力小，底部流速小侧压力大，由此产生对颗粒的上游力P2，如水流垂直分速度为U则P2为（公式9-9）；
2）当P2=W时，临界悬浮分速度Ukp（公式9-10）；3）悬浮临界流速υkp
3．沉积(deposition)
3．河流因素
五、海(湖)岸带岸坡及沿岸建物的防护
常用的工程防护措施有：
1．防波堤；2．丁坝；3．护岸墙
4）确定极限状态时的临界流速（公式9-5）；
2．搬运（transportation）
（1）推移质traction matter的起动条件
1）推移质颗粒直径为d，则迎水面所受得动水压力为P1（公式9-6）；
2）颗粒滚动时，受河底摩擦阻力T为（公式9-7）；
3）当P=T，颗粒处于极限状态，推移质临界流速（公式9-8）；
2）水力因素hydraulic actor：挑流形式、单宽流量、入水流速和水垫厚度。
（2）形成冲刷坑的地质条件
1）断裂破碎带：往往控制着局部最大冲刷坑的位置、形状、范围（例如;双牌、丹江口）；2）缓倾的软弱结构面及软弱夹层较陡倾者，容易形成较深的冲刷坑；（如：新安江）；3）节理裂隙的密度越大，岩块体积越小，容易形成较深的冲刷坑。4）岩层产状
1．波浪运动与水深的关系
1）当水深H>λ/2时，水质点作圆周运动；
2）当水深H<λ/2时，水质点作椭圆周运动，水体运动的性质是具有波动特征的强尽水流，产生破浪。
2．波浪的能量
3．波浪的折射
（二）潮汐
是海水在月球和太阳引潮力作用州湾内的钱塘潮
（三）海流
三、海(湖)岸带物质运移及冲蚀、堆积的一般规律
4左建，郭成久等主编．水利工程地质．北京：中国水利水电出版社，2004
5孙文怀．工程地质与岩石力学．北京：中央广播电视大学出版社，2002
6李智毅，杨裕云主编．工程地质学概论．武汉：中国地质出版社，1994
7张倬元，王士天，王兰生编著．工程地质分析原理．北京：地质出版社，1981
8胡厚田．土木工程地质．北京：高等教育出版社，2001
重点与难点
河床演变的基本规律、河床的稳定性和坝闸下游河床再造，泥石流的类型划分、泥石流的发生条件与形成机制。
教学方法
手段（教具）
参考资料
1戚筱俊．工程地质及水文地质．北京：中国水利水电出版社，1997
2陈德基主编．水利工程勘测分册．北京：中国水利水电出版社，2004
3崔冠英主编，水利工程地质，北京：中国水利水电出版社，1999．
（3）冲刷坑深度的估算
2．泥质河床的再造问题
1）下泄清水时的河床再造；2）下泄浑水时的河床再造
四、河道整治的工程措施
（一）护岸工程
1．在岸坡或浅滩地段种草、植被，增加洪水季节河床的粗糙度，达到消能防冲的目的；
2．在岸坡上建筑石快或其他材料的护岸。
（二）调整水流1．导流；2．疏通与约束水流
第二节泥石流
三、河床的稳定性和坝闸下游河床再造
四、河道整治的工程措施
第二节泥石流
一、概述
二、泥石流的类型划分
三、泥石流的发生条件与形成机制
四、泥石流特征指标的确定
五、泥石流的防治
第三节海(湖)岸带的动力工程地质研究
一、慨述二、海(湖)岸带上水的动力因素
三、海(湖)岸带物质运移及冲蚀、堆积的一般规律
四、影响海(湖)岸带演化的地质因素
（二）坝（闸）下游河床再造
1．岩质河床的再造问题
从坝、闸和溢洪道宣泄下来的水流具有很大的能量，其宣泄方式有：
1）面流消能：适用于两岸岩石强度高；2）底流消能：有软弱夹层和岩石（破碎带）
3）挑流消能：要求河床的强度高；采用底流消能形式时，在下游易形成冲刷坑，构成临空面，危机坝基岩体的稳定。
一般采用挑射距离（L）与冲刷坑深度（d）的比值来粗略估计冲刷坑是否危机坡脚或大坝安全：1）岩层倾角较陡的基岩L/d>2.5安全；2）岩层倾角较缓的基岩L/d>5安全
（三）泥石流流速测定
1．粘性（结构型）泥石流
2．稀性（紊流型）泥石流
（四）最大一次淤积量的确定
1．平均厚度法
2．经验公式法
五、泥石流的防治
（一）防治措施的类型
（二）工程防治措施
1．护岸工程；2．拦挡工程；3．导排工程
第三节海(湖)岸带的动力工程地质研究
一、慨述
二、海(湖)岸带上水的动力因素
（一）波浪
1．河床稳定性一般由河床的稳定性系数（洛赫琴系数）f表示（公式9-12）
1）当f〉15-20时，河床基本稳定；2）当f <5时，河床泥沙在平水期也有移动；
3）当f≤1时，河床极不稳定；如果考虑水深对水流搬运能力的影响时，可用D50/HJ作为河床稳定性判别指标。H——与河漫滩齐平时的河床水位；
2．用河相关系的参数（阿尔图宁河宽稳定系数）评价河床稳定性：
（3）河床地貌river bed landform：岩槛、岩滩、深槽pool和瀑布waterfall；
（4）河谷覆盖层的厚度。
2．平原区河流
1）河谷类型：游荡型、叉道型、辨状、地上河
2）河床地貌river bed landform：心滩river island、岸滩、沙洲shoal；
（二）河床冲淤变化的过程及条件
课后作业与
思考题
第九章课后思考题与练习题第2题；
教学后记
讲稿
教学过程
时间分配
第九章与地表水作用有关的工程地质问题
第一节河流地质作用fluvial process的工程地质研究
一、河流动力学特征
（一）水流运动的几种形式
1．紊流turbulent flow、层流laminar flow和涡流
2．横向环流transversecircumfluence
1）单向横向环流——弯曲河段（图9-2、9-3）
2）双向横向环流（循底分流式）——宽阔或平直河段（平水期—边滩valley flat河漫滩）
3）双向横向环流（循底汇流式）——宽阔或平直的河段（洪水期—心滩river island）
4）混合（多向）式环流——宽浅的河道中，且河底的起伏变化大的情况。
（二）河流地质作用的水力学原理
一、概述
二、泥石流的类型划分
（一）按泥石流的流域地貌特征
1．标准型泥石流
2．河谷型泥石流
第九章地表水作用的工程地质研究
教学目的
要求
了解海(湖)岸带的动力工程地质研究；了解河流动力学特征；掌握河床演变的基本规律、河床的稳定性和坝闸下游河床再造、河道整治的工程措施；掌握泥石流的类型划分、泥石流的发生条件与形成机制。
主
要
内
容
第一节河流地质作用的工程地质研究
一、河流动力学特征
二、河床演变的基本规律
（一）物质的横向运动与水下岸坡的形成
1．物质的横向运移
2．水下岸坡的形成与演化
（二）物质的纵向运移与沉积物流
1．岸带上物质的纵向运移
2．沉积物质
四、影响海(湖)岸带演化的地质因素
（一）地形因素
（二）地质结构因素
1．岩土的性质
2．岩体结构
1）主要结构面倾向岸内；
2）主要结构面倾向岸外；
3）主要结构面产状近水平。
3．溃决型泥石流
三、泥石流的发生条件与形成机制
（一）泥石流的发生条件
1．固体物质
2．地形条件
3．气候条件
4．地质条件
5．其他条件
（二）泥石流的形成机制
1．土力类形成机制
2．水力类形成机制
四、泥石流特征指标的确定
（一）泥石流的重度
1．实测法
2．体积比法
（二）泥石流的流量
1．形态调查法
2．汇水面积法
3．配方法
（1）岩质河床的抗冲能力
河床岩石冲刷破坏的机制：
1）地质因素geological factor
冲刷破坏是由于挑射水流在岩石裂隙间产生脉动压力，使裂隙张开，岩块松动、晃动，相互磨损破坏，裂隙逐渐扩大，脉动压力也逐渐扩大，直至岩块被冲走带出。因此，盐块的水下重量和岩块间的摩阻力影响着岩石的抗冲能力。它与岩块的大小、重度、几何形状、相互位置及岩块间充填物的性质有关。
二、河床演变的基本规律
（一）河谷的形成和形态特征
1．山区河流mountainous area
（1）按其发育程度和形态特征可分为：
1）未成形河谷：隘谷defilo、障谷gorge和峡谷canyon；2）河漫滩河谷：flat valley
3）成形河谷：有阶地terrace发育。
（2）河谷的发育主要受构造控制：背斜谷anticlinal valley、向斜谷synclinal valley、断层谷fault valley、地堑谷graben valley等；
1．冲蚀（侵蚀erosion）（下蚀down cutting和侧蚀lateral erosion）
1）与流速垂直断面上突起体承受的动水压力（公式9-3）；
2）突起体在动水压力的反复作用下，沿可能滑动面产生的剪切应力（公式9-4）；
3）突起体抗冲稳定性判断；
①突起体的抗剪强度大于剪切应力——稳定；②突起体的抗剪强度小于剪切应力——不稳定；③突起体的抗剪强度等于剪切应力——极限状态
1．横向摆动：边滩的迁移、心滩冲刷和沙洲的下移（图9-7、9-8）
2．小改道：主槽在河床范围内突变性的摆动。
1）主流移夺另一股叉流；2）截弯取直cut-off：
3．大改道：河流袭夺其他河道或另辟新河道。
（三）河流的宽窄变化对河道演变的控制作用
三、河床的稳定性和坝闸下游河床再造
（一）河床稳定性stabilityof river bed
（2）悬浮质suspensionmatter的起动条件
1）悬浮于流体中的颗粒，其顶部流速大侧压力小，底部流速小侧压力大，由此产生对颗粒的上游力P2，如水流垂直分速度为U则P2为（公式9-9）；
2）当P2=W时，临界悬浮分速度Ukp（公式9-10）；3）悬浮临界流速υkp
3．沉积(deposition)
3．河流因素
五、海(湖)岸带岸坡及沿岸建物的防护
常用的工程防护措施有：
1．防波堤；2．丁坝；3．护岸墙
4）确定极限状态时的临界流速（公式9-5）；
2．搬运（transportation）
（1）推移质traction matter的起动条件
1）推移质颗粒直径为d，则迎水面所受得动水压力为P1（公式9-6）；
2）颗粒滚动时，受河底摩擦阻力T为（公式9-7）；
3）当P=T，颗粒处于极限状态，推移质临界流速（公式9-8）；
2）水力因素hydraulic actor：挑流形式、单宽流量、入水流速和水垫厚度。
（2）形成冲刷坑的地质条件
1）断裂破碎带：往往控制着局部最大冲刷坑的位置、形状、范围（例如;双牌、丹江口）；2）缓倾的软弱结构面及软弱夹层较陡倾者，容易形成较深的冲刷坑；（如：新安江）；3）节理裂隙的密度越大，岩块体积越小，容易形成较深的冲刷坑。4）岩层产状
1．波浪运动与水深的关系
1）当水深H>λ/2时，水质点作圆周运动；
2）当水深H<λ/2时，水质点作椭圆周运动，水体运动的性质是具有波动特征的强尽水流，产生破浪。
2．波浪的能量
3．波浪的折射
（二）潮汐
是海水在月球和太阳引潮力作用州湾内的钱塘潮
（三）海流
三、海(湖)岸带物质运移及冲蚀、堆积的一般规律
4左建，郭成久等主编．水利工程地质．北京：中国水利水电出版社，2004
5孙文怀．工程地质与岩石力学．北京：中央广播电视大学出版社，2002
6李智毅，杨裕云主编．工程地质学概论．武汉：中国地质出版社，1994
7张倬元，王士天，王兰生编著．工程地质分析原理．北京：地质出版社，1981
8胡厚田．土木工程地质．北京：高等教育出版社，2001
重点与难点
河床演变的基本规律、河床的稳定性和坝闸下游河床再造，泥石流的类型划分、泥石流的发生条件与形成机制。
教学方法
手段（教具）
参考资料
1戚筱俊．工程地质及水文地质．北京：中国水利水电出版社，1997
2陈德基主编．水利工程勘测分册．北京：中国水利水电出版社，2004
3崔冠英主编，水利工程地质，北京：中国水利水电出版社，1999．
（3）冲刷坑深度的估算
2．泥质河床的再造问题
1）下泄清水时的河床再造；2）下泄浑水时的河床再造
四、河道整治的工程措施
（一）护岸工程
1．在岸坡或浅滩地段种草、植被，增加洪水季节河床的粗糙度，达到消能防冲的目的；
2．在岸坡上建筑石快或其他材料的护岸。
（二）调整水流1．导流；2．疏通与约束水流
第二节泥石流
三、河床的稳定性和坝闸下游河床再造
四、河道整治的工程措施
第二节泥石流
一、概述
二、泥石流的类型划分
三、泥石流的发生条件与形成机制
四、泥石流特征指标的确定
五、泥石流的防治
第三节海(湖)岸带的动力工程地质研究
一、慨述二、海(湖)岸带上水的动力因素
三、海(湖)岸带物质运移及冲蚀、堆积的一般规律
四、影响海(湖)岸带演化的地质因素
（二）坝（闸）下游河床再造
1．岩质河床的再造问题
从坝、闸和溢洪道宣泄下来的水流具有很大的能量，其宣泄方式有：
1）面流消能：适用于两岸岩石强度高；2）底流消能：有软弱夹层和岩石（破碎带）
3）挑流消能：要求河床的强度高；采用底流消能形式时，在下游易形成冲刷坑，构成临空面，危机坝基岩体的稳定。
一般采用挑射距离（L）与冲刷坑深度（d）的比值来粗略估计冲刷坑是否危机坡脚或大坝安全：1）岩层倾角较陡的基岩L/d>2.5安全；2）岩层倾角较缓的基岩L/d>5安全
（三）泥石流流速测定
1．粘性（结构型）泥石流
2．稀性（紊流型）泥石流
（四）最大一次淤积量的确定
1．平均厚度法
2．经验公式法
五、泥石流的防治
（一）防治措施的类型
（二）工程防治措施
1．护岸工程；2．拦挡工程；3．导排工程
第三节海(湖)岸带的动力工程地质研究
一、慨述
二、海(湖)岸带上水的动力因素
（一）波浪
1．河床稳定性一般由河床的稳定性系数（洛赫琴系数）f表示（公式9-12）
1）当f〉15-20时，河床基本稳定；2）当f <5时，河床泥沙在平水期也有移动；
3）当f≤1时，河床极不稳定；如果考虑水深对水流搬运能力的影响时，可用D50/HJ作为河床稳定性判别指标。H——与河漫滩齐平时的河床水位；
2．用河相关系的参数（阿尔图宁河宽稳定系数）评价河床稳定性：
（3）河床地貌river bed landform：岩槛、岩滩、深槽pool和瀑布waterfall；
（4）河谷覆盖层的厚度。
2．平原区河流
1）河谷类型：游荡型、叉道型、辨状、地上河
2）河床地貌river bed landform：心滩river island、岸滩、沙洲shoal；
（二）河床冲淤变化的过程及条件
课后作业与
思考题
第九章课后思考题与练习题第2题；
教学后记
讲稿
教学过程
时间分配
第九章与地表水作用有关的工程地质问题
第一节河流地质作用fluvial process的工程地质研究
一、河流动力学特征
（一）水流运动的几种形式
1．紊流turbulent flow、层流laminar flow和涡流
2．横向环流transversecircumfluence
1）单向横向环流——弯曲河段（图9-2、9-3）
2）双向横向环流（循底分流式）——宽阔或平直河段（平水期—边滩valley flat河漫滩）
3）双向横向环流（循底汇流式）——宽阔或平直的河段（洪水期—心滩river island）
4）混合（多向）式环流——宽浅的河道中，且河底的起伏变化大的情况。
（二）河流地质作用的水力学原理
一、概述
二、泥石流的类型划分
（一）按泥石流的流域地貌特征
1．标准型泥石流
2．河谷型泥石流
