工程地質課件第章地表水的地質作用

第五章地表水的地質作用及風化作用暫時性流水的地質作用及沉積物經(jīng)常性流水的地質作用及沉積物風化作用自然界的水及水環(huán)循水大氣降水地表水地下水雨雪冰雹霜河流湖泊海洋水庫渠道

一、基本概念：（一）地表水：也稱為地面流水，是指陸地表面流動著的液態(tài)水。它們在重力作用下，沿地表從高處向低處流動。地面流水主要來自大氣降水，其次來自冰雪融水和地下水。地面流水暫時性地面流水

長期性地面流水－

面（片）流：順斜坡無固定流道的、面狀流動的細小流水。

洪流：低洼的溝谷中呈線狀流動的暫時性地面流水。河流：具有一定河道的長期性地面流水。第一節(jié)地表水的地質作用及沉積物（二）沖溝與河谷：1、沖溝：由暫時性的線性水流沖刷地表而形成的溝槽；其堆積物稱為洪積物。2、河谷：由經(jīng)常性的線性水流沖刷地表而形成的溝槽；其堆積物稱為沖積物。（三）流域、分水嶺及水系：1、流域：地面流水直接流入同一條河流的區(qū)域。2、分水嶺：流域之間的高地。3、水系：流域內(nèi)大大小小的河流匯集的水網(wǎng)。（四）層流與紊流：1、層流：流線不相交的水流。2、紊流：流線相交的水流。二、暫時性流水的地質作用（一）雨蝕作用山坡上部經(jīng)雨滴的多次沖擊，物質遭受侵蝕，山坡下部不斷有激濺下落的泥沙堆積，使山坡變緩，這種地質作用稱為雨蝕作用?？煞譃闄C械作用（降雨時雨滴以加速度沖擊地面）和化學作用（雨水的化學溶蝕作用）。雨蝕作用的強度取決于：1、降雨量和降雨速度。2、斜坡坡度與性質。（二）片流的地質作用1、片流的地質作用：也稱為洗刷作用，面流在斜坡上流動過程中，可沖走細粒物質，并將這些物質帶到斜坡下部。面流的水動力微弱，僅能沖走顆粒較小的粉沙及泥土?？扇苄詭r石（石灰?guī)r）組成的山坡還能產(chǎn)生溶蝕作用，形成溶溝、石芽地貌。在山坡下部，無數(shù)細小股流水還具有一定的線狀侵蝕能力。坡面在小股流水沖刷作用下，出現(xiàn)無數(shù)小溝。山坡上裸露的土壤常受到面流的洗刷，產(chǎn)生大量的土壤流失。（1）降水量越大、越猛烈，洗刷作用強度越大；（2）坡度在40度左右的山坡洗刷作用強度最大；（3）山坡物質松散、無粘結性，洗刷作用強度大；（4）植被茂密的山坡幾乎不產(chǎn)生洗刷作用。2、坡積物的形成、特征及工程地質性質1）坡積物的形成片流侵蝕將斜坡上的松散物質向下搬運到緩坡或坡腳處堆積而形成的沉積物，稱為坡積物。2）坡積物的特征（1）分選性及磨圓度差；（2）無層理或層理不清晰；（3）組成成分與斜坡上部巖石性質有關；（4）顆粒大小由斜坡上部到坡腳由粗而細；（5）坡積物的厚度上部薄下部厚。3）坡積物的工程地質性質（1）孔隙率高、壓縮性大、抗剪強度低，在水中容易崩解；（2）顆粒大，透水性強；顆粒小，透水性弱；（3）當坡積物下伏基巖表面傾角較大、坡積物與基巖接觸處為粘性土而又有地下水沿基巖面滲流時，易發(fā)生滑坡，造成地基失穩(wěn)；（4）易產(chǎn)生不均勻沉降。3、崩積物與巖堆（1）崩積物：由重力作用所形成的崩塌產(chǎn)物堆積在陡坡下而形成。（2）巖堆：在陡坡的坡麓形成上部細粒、下部粗粒的半圓錐體地形。三、洪流的地質質作用及沉積物物洪（流）水特點點：具有突然然性，水量猛增增，水位暴漲，，上下游落差突突然增大，平時時溫馴的河流，，顯出排山倒海海之勢，也真有有雷霍萬鉤之力力。洪水所過，，田園廬舍成墟墟，這時水對地地面的破壞作用用，表現(xiàn)得非常明顯。1、洪流的地質作作用：也稱沖刷作用，，洪流以巨大的的機械沖擊力猛猛烈沖刷溝底及及溝壁巖石的過過程。2、洪積物的形成成、特征及工程程地質性質1）洪積物的形成成（1）洪積物：洪流流把沖刷下來的的碎屑物質搬運運到山麓平原或或溝谷口堆積下下來而形成的沉沉積物，稱為洪洪積物。（2）洪積扇：洪流流攜帶大量泥沙沙、石塊到溝口口，由于坡度減減小，洪流無側側壁約束，水流流分散，動能迅迅速減弱，所搬搬運的碎屑物在在溝口大量沉積積，形成扇形堆堆積地貌。洪積扇(3)泥石流：是一種種由水充分浸潤潤飽和的大量泥泥、沙、石塊等等固體物質沿著著沖溝向下流動動的特殊洪流。。這種洪流突然然爆發(fā)，歷時短短暫，來勢兇猛猛，具有強大破破壞力。泥石流美國北京瑞士（4）沖沖溝：：洪流流的沖沖刷作作用形形成的的溝谷谷地貌貌。沖槽階階段下切階階段平衡階階段休止階階段2）洪積積物的的特征征（1）具有有一定定的分分選性性及磨磨圓度度；（2）有斜斜交層層理或或透鏡鏡體；；（3）顆粒粒大小小隨離離山坡坡由近近而遠遠，呈呈現(xiàn)由由粗而而細的的現(xiàn)象象。（1）靠近近山口口處，，粗粒粒碎屑屑的孔孔隙率率和透透水性性大、、壓縮縮性小小、承承載力力高，，是良良好的的天然然地基基；（2）遠離離山口口處，，細粒粒碎屑屑的沉沉積地地段，，如果果在沉沉積過過程中中受到到周期期性的的干燥燥，粘粘土顆顆粒發(fā)發(fā)生凝凝聚并并析出出可溶溶鹽分分時，，則洪洪積層層的結結構頗頗為結結實，，壓縮縮性小小、承承載力力較高高；（3）在中中間的的過渡渡地帶帶，因因常有有地下下水溢溢出，，水文文地質質條件件不良良，對對工程程建設設不利利。3）洪積積物的的工程程地質質性質質河流在在縱向向的特特征第二節(jié)節(jié)經(jīng)經(jīng)常性性流水水的地地質作作用及及沉積積物河谷：河河流流侵蝕蝕出的的槽形形凹地地，由由谷底底和谷谷坡構構成。。谷底：河河谷底底部較較平坦坦的部部分，，包括括河床床和河河漫灘灘。河床（河槽槽）：：平平水水期河河水占占據(jù)的的溝槽槽。河漫灘灘：河床床兩側側在有有洪水水時才才能淹淹沒的的谷底底部分分，而而枯水水期則則露出出水面面。谷坡：谷谷底至至分水水嶺的的斜坡坡。階地：谷坡坡上的的階梯梯狀平平臺。。河流在在橫向向的特特征一、侵侵蝕作作用河流在在從高高處向向低處處流動動過程程中，，以自自身的的化學學動力力(溶溶解力力)和和機械械動力力(水水力)，并并以攜攜帶的的泥沙沙和礫礫石作作工具具，不不斷地地破壞壞河床床的過過程。。按侵蝕蝕作用用的的方向向分為為兩種種類型型：1、河流流的下下蝕作作用：河水水對河河床底底部巖巖石破破壞，，使河河谷加加深的的過程程。2、河流流的側側蝕作作用：河水水對河河床巖巖石破破壞，，使河河谷拓拓寬的的過程程。河流的的侵蝕蝕作用用過程程河流的的下蝕蝕作用用的結結果－－峽谷谷地貌貌虎跳峽峽長江三三峽差異下下蝕作作用的的結果果瀑瀑布布河流的的側蝕蝕作用用：由于河河水慣慣性離離心力力的作作用使使河水水沖向向彎曲曲河床床的凹凹岸，，造成成凹岸岸被侵侵蝕。。而凸凸岸水水流減減緩，，在凸凸岸河河水攜攜帶的的泥沙沙就會會沉積積，河河床不不斷加加寬，，河曲曲的曲曲度變變大，，形成成蛇曲曲河。。蛇曲曲河最最后會會裁彎彎取直直。廢廢棄的的彎曲曲河道道稱為為牛軛軛湖凹岸侵侵蝕凸岸沉沉積河水對對河岸岸的侵侵蝕牛軛湖湖的形形成過過程下蝕作作用與與側蝕蝕作用用的關關系空間上上：河流的的上游游以下蝕作作用為為主，，河流流的下下游以以側蝕蝕作用用為主主。時間上：河流發(fā)育的早期以以下蝕作用為主，隨隨著坡度減小，逐逐漸轉為以側蝕作作用為主。二、搬運作用1、化學搬運：溶運：即易溶巖石石及礦物成分溶解解于河水，以離子子狀態(tài)進行搬運運。2、機械搬運１）懸運：即粘土土、粉砂等較小顆顆粒，由于流水的的紊流作用而呈呈懸浮狀態(tài)進行搬搬。２）托運（牽引搬搬運）：（1）推運：上舉力小小于顆粒在水中的的重力，顆粒粒在在水流沖力推動下下，沿河床滾動滑滑動。（2）躍運：上舉力基基本等于顆粒在水水中的重力力，顆粒在水流流沖力推動下，跳跳躍前進。懸運托運３、河流的搬運能能力和搬運量（1）搬運能力：河流能夠搬運多大大粒徑碎屑的能力力。它決定于流速。平坦河床上流速速小于18cm/s時，細小的顆粒也也難以移動。當流流速達70cm/s時，能搬運直徑數(shù)數(shù)厘米的顆粒。粒粒徑與水流速度的的平方成正比。（2）搬運量：河流能能夠搬運碎屑物質質的最大量。它決定于流速和流量。其中更重要的是是流量。長江在一一般的流速下攜帶帶的僅是粘土、粉粉沙和砂，但數(shù)量量巨大；相反，一一條快速的山間河河流可以攜帶巨礫礫，但搬運量很小小。河流沉積作用的主主要方式是機械沉沉積作用。引起河河流機械沉積作用用主要原因是河水水流速的降低，導致機機械動能的減小，，使河流的搬運能能力降低而發(fā)生沉沉積。根據(jù)沉積積的部位分為：1、山口沉積作用：來自山區(qū)的河流，，攜帶著大量機械械搬運物到山口開開闊的平地上，由由于河床坡降明顯顯減小，水流又無無地形約束而散開開，河水動力突然然大大減小，機械械搬運能力迅速降降低，搬運物就會會山口沉積下來。。山口沉積物常形形成扇狀地貌－沖沖積扇。三、沉積作用河流搬運物從河水水中沉積下來的過過程稱河流沉積作作用。2、谷底沉積作用谷底包括兩部分：：一部分是被河水水所覆蓋的河床，，在河床上產(chǎn)生的的沉積作用稱河床沉積；另一部分是平水水位時谷底未被河河水所淹沒的平坦坦地形稱為河漫灘。邊灘地貌心灘地貌3、河口沉積作用另一方面由于湖水水、海水中富含有電解質，，當河流中以膠體體搬運的溶運物與與湖水、海水相混混合后，海水中的的電解質破壞了膠膠體的穩(wěn)定性，致致使膠體凝聚，而而沉積在河口。在河流流入湖泊或或海洋的地方，河河流沉積物常形成錐形形的沉積地貌稱為為三角洲。河口是河流最主要要的沉積場所。當當河流入湖泊、海海洋時受湖水或海海水的頂托，流速速迅速減小，使河河水搬運能力減弱弱甚至消失，大量量機械搬運物質在在河口沉積下來。。密西西比三角洲4、沖積物河流的沉積作用指指河流搬運的一部部分碎屑物質，在在河谷的適當部分分由于流速降低而而發(fā)生的沉積。河流沉積的物質稱稱為沖積物。沖積積物是在流動的的水體中以機械方方式沉積的碎屑物物，具有下列基本本特征：１、分選性較好；；２、磨圓度較好；；３、成層性較清楚楚；４、發(fā)育二元結構；５、具有流水成因因的沉積構造：波波痕、砂丘交錯層層理。上游下游從上游到下游沉積積物逐漸變細5、河谷階地1）河谷階地：谷坡上的階梯梯狀平臺。由河漫灘算起，向向上依次稱為一級級階地、二級階地地等。一級階地形形成年代最新，一一般保存最好，時時代越老的階地，，保存越不完整。。2）河谷階地的形成成過程：地殼相對穩(wěn)定，，下蝕作用逐漸減減弱，側蝕作用增增強，發(fā)育較寬的的河漫灘，形成寬寬闊的谷底。地殼殼上升，河流縱比比降增加，下蝕作作用增強，河床下下降，原來寬闊的的谷底相對升高，，最終高于一般洪洪水期水面，從而而在河谷兩側形成成平坦的臺地。3）階地分類河流階地按成因可可以分為：（1）侵蝕型階地：完全由基巖組成成的階地（2）堆積（沖積）型型階地：完全由河流沉積積物組成的河流階階地。堆積階地還還可進一步分為上迭階地、內(nèi)迭階階地和埋藏階地。（3）基座型階地：下部為基巖上部部為河流沉積物的的階地。侵蝕型堆積型基座型在通常情況下，階階地是河谷地貌中中敷設線路的理想想地貌部位。當有有幾級階地時，除除考慮過嶺標高外外，一般以利用一、二級階地敷設線路為好好。風化作用是指地表表或接近地表的堅堅硬巖石、礦物在在原地與大氣、水水及生物接觸過程程中產(chǎn)生物理、化化學變化而形成松松散堆積物的全過過程。根據(jù)風化作用的因因素和性質可將其其分為三種類型：：1、物理風化作用；；2、化學風化作用；；3、生物風化作用。。第三節(jié)風化作作用一、風化作用的概概念和類型雅丹地貌臺灣女王頭云岡石窟1、溫度變化（熱脹脹冷縮）：在地表或接近地表表條件下，巖石、、礦物在原地產(chǎn)生生的機械破碎而不不改變其化學成分分的過程。（一）物理風化作作用溫差大的地區(qū)，在在白天當太陽光直直射時，巖石表層層增溫而膨脹，而而內(nèi)部膨脹小甚至至未發(fā)生變化。到到了夜晚氣溫驟降降，巖石表面收縮縮。這樣使其巖石石表面與內(nèi)部產(chǎn)生生應力差。這種生生應力差就會使巖巖石破裂。2、冰劈作用（凍脹脹）：貯藏在地表巖石空空隙中的液態(tài)水，，當溫度下降到攝攝氏零度以下時，，就會結冰，結冰冰后的體積體積增增大1／11左右右空隙中產(chǎn)生巨大大的，這種壓力就就會巖石裂開。3、鹽類結晶作用：：巖石裂隙中的水溶溶液由于水分蒸發(fā)發(fā)，鹽分逐漸飽和和，當氣溫降低、、溶解度減小時，，鹽分就會結晶出出來，對巖石裂隙隙產(chǎn)生壓力，逐漸漸促使巖石破裂。。在地下深處的巖石石承受巨大靜壓力力，其潛在膨脹力力是十分驚人。巖巖石從地下深處變變到地表條件時由由于上覆靜壓力減減小而產(chǎn)生張應力力形成一系列與地地表平行的宏觀和和微觀的內(nèi)部破裂裂面。形成這種裂裂隙構造的作用稱稱為剝離作用。4、巖石的釋荷作用用（二）化學風化作作用地表或接近地表條條件下，巖石、礦礦物在原地發(fā)生化化學變化而分解并并產(chǎn)生新物質的過過程。1、溶解作用：水或水溶液直接溶溶解巖石中礦物的的作用。CaCO3＋H2O+CO2Ca（HCO3）22、水化作用：巖石中某些礦物與與水化合形成新的的礦物，稱為水化化作用。硬石膏（CaSO4）吸水后形成石膏膏（CaSO4.2H2O），體積膨脹1.5倍，產(chǎn)生壓力，致致使巖石破裂。3、氧化作用大氣圈中氧含量為為20．1％。當當巖石和礦物暴露露于地表或位于地地表層時，某些礦礦物與大氣或水中中的氧化合形成新新礦物，稱為氧化化作用。4、碳酸化作用當水中溶有CO2時，與水結合形成成碳酸，碳酸根易易與礦物中的陽離離子化合成易溶于于水的碳酸鹽，從從而使水溶液對巖巖石中的礦物離解解能力加強，化化學反應速度加快快，這種化學作用用稱碳酸化作用。。4K[AlSi3O8](鉀長石)＋2CO2+4H2O2K2CO3+8SiO2+Al4[Si4O10][OH]8(高嶺石)5、水解作用水解作用的實質是是水的電離產(chǎn)物(H+及OH-)進入礦物晶格，分分別取代陽離子和和陰離子，從而使使礦物解體形成新新的含水礦物的過過程。4K[AlSi3O8]+6H2O4KOH+8SiO2+Al4[Si4O10][OH]8(鉀長石)(高嶺石)（三）生物風化作用生物對巖石、礦物物產(chǎn)生的破壞作用用。1、生物的機械風化化作用：主要發(fā)生生在生物的生命活活動過程中。生長長在巖石裂隙中的的植物，隨著根系系不斷地長大，對對裂隙壁產(chǎn)生擠壓壓，使巖石裂隙擴擴大，從而引起巖巖石破壞，這種作作用稱根劈作用。。2、生物的化學風化化作用：是通過生生物的新陳代謝及及生物死亡后的遺遺體腐爛分解來進進行的。植物和細細菌在陳代謝中常常常析出有機酸及及CO2。這些物質一方面酸酸化土壤，另一方方面腐蝕巖石。二、影響風化作用用的因素（一）巖性1、成因：巖漿巖中中的噴出巖、淺成成巖、深成巖抗風風化能力依次減弱弱。沉積巖比巖漿漿巖、變質巖抗風風化能力強。2、礦物成分：石英英、正長石、酸性性斜長石、角閃石石、輝石、基性斜斜長石、黑云母、、黃鐵礦抗風化能能力依次減弱；硅硅質膠結、鈣質膠膠結、泥質膠結抗抗風化能力依次減減弱；淺色礦物比比深色礦物抗風化化能力強。3、結構和構造：隱隱晶質、細粒顯晶晶質、粗粒結構抗抗風化能力依次減減弱；等粒結構比比斑狀結構抗風化化能力強；致密塊狀狀構造的的巖石比比層理、、片理發(fā)發(fā)育的巖巖石抗風風化能力力強。（二）地地質構造造地質構造造發(fā)育的的巖石，，節(jié)理裂裂隙發(fā)育育，易于于風化；；褶曲軸軸部、斷斷層破碎碎帶的巖巖石風化化程度較較高。（三）氣氣候因素素：影響風化化作用的的氣候因因素主要要指降水水量與溫溫度。降降水量豐豐富且水水循環(huán)快快的地區(qū)區(qū)有利于于化學風風化的進進行；而而溫度則則影象化化學反應應的速度度，水中中游離氧氧的含量量和水的的離解度度隨溫度度增高而而加大，，水中CO2含量雖隨隨溫度度增高而而減少，，但溫度度增高十十度，反反應速度度卻加快快一倍，，因此，，氧化作作用和水水溶液的的作用都都隨溫度度增高而而加快，，有利于于化學風風化作用用的進行行。而且且，氣候候控制著著數(shù)量和和類型，，它們對對風化作作用產(chǎn)生生各不相相同的影影象。地球氣候候的分帶帶性決定定了風化化作用速速度及其其產(chǎn)物類類型的分分帶性。。（四）地地形因素素：在相對高高程很大大的中低低緯度山山區(qū)，可可以看到到不同高高程上有有不同的的氣候帶帶因而有有不同類類型的風風化作用用。地形陡緩緩的不同同，風化化作用也也不同。。陡坡地地下水位位低，植植被稀少少，物理理風化相相對強烈烈，產(chǎn)物物不易保保留，未未風化巖巖石不斷斷暴露接接收風化化；緩坡坡平地化化學風化化和生物物風化相相對強烈烈，礦物物分解徹徹底，風風化產(chǎn)物物殘留原原地，母母巖被覆覆蓋，不不利于物物理風化化，最后后形成大大量粘土土和殘余余礦床。。坡向也有有影響，，中低緯緯度陽坡坡晝夜溫溫差大，，冰凍風風化比陰陰坡強烈烈，以至至陽坡比比陰坡更更凹凸不不平。三、風化化作用的的產(chǎn)物土壤：巖巖石經(jīng)經(jīng)過物理理風化作作用、化化學風化化作用之之后，再再經(jīng)過生生物風化化作用，，形成具具有礦物物質、腐腐殖質、、水和空空氣的松松散堆積積。殘積物：：巖石石經(jīng)過長長期風化化作用后后，形成成一些在在地表條條件穩(wěn)定定的產(chǎn)物物，（多多為鐵、、鋁的氧氧化物））殘留原原地。風化殼：：殘積積物、、土壤在在陸地的的地表形形成的一一層不連連續(xù)薄殼殼（層））。土壤殘積層基巖風化殼四、巖土土的工程程分類1、根據(jù)野外外鑒定特特征和風風化系數(shù)數(shù)、波速速比將巖巖石分為為分為未風風化、微微風化、、中等風風化、強強風化、、全風化化和殘積積土。詳詳見表5-1。2、根據(jù)堅堅硬程度