《自然地质作用》PPT课件.ppt

第三章 自 然 地 质 作 用教学要求：1、掌握河流地质作用及河流冲积特征 2、了解风化作用的类型与岩体风化的分级 3、熟悉影响斜坡稳定的主要因素及不稳定斜坡的防治措施 第1节 风 化 作 用 掌握风化作用的概念、了解风化作用的类型、掌握岩石风化层的主要地质特征与分类,地表或接近地表的岩石在大气、水和生物活动等因素的影响下，使岩石遭受物理的和化学的变化，称为风化。引起岩石这种变化的作用，称风化作用。风化作用能使岩石成分发生变化，能把坚硬的岩石变成松散的碎屑，降低了岩石的力学强度。风化作用又能使岩石产生裂隙，破坏了岩石的完整性，影响斜坡和地基的稳定。风化作用的类型1、物理风化作用 由于温度的变化，岩石孔隙、裂隙中水的冻融或盐类物质的结晶膨胀等作用，使岩石发生机械破碎的作用，称物理风化作用。,温度作用引起的岩石崩解过程示意,山体表面岩石的崩解碎裂,冰晶体对岩石的劈裂破坏示意,2、化学风化作用 化学风化作用指岩石在水和各种水溶液的作用下所引起的破坏作用 这种作用不仅使岩石破碎，更重要的是使岩石成分发生变化，形成新矿物。化学风化作用有水化作用、氧化作用、水解作用和溶解作用等。水化作用 水化作用是水和某种矿物结合。这种作用可使岩石因体积膨胀而致破坏。例如：CaSO4+2H2O-CaSO42H2O(硬石膏)（石膏）,氧化作用 氧化作用是氧和水的联合作用，对氧化亚铁、硫化物、碳酸盐类矿物表现比较突出 例如：2FeS2+7O2+2H2O-2FeSO4+2H2SO4(黄铁矿)（硫酸亚铁）黄铁矿风化后生成的硫酸对混凝土会起破坏作用。水解作用 水解作用是指矿物与水的成分起化学作用形成新的化合物。例如：4K(AlSi3O8)+6H2O-4KOH+Al4(Si4O10)(OH)8+8SiO2(正长石)（高岭石）（硅胶）水解作用会使岩石成分发生改变,结构破坏,从而降低岩石的强度,溶解作用 溶解作用是指水直接溶解岩石矿物的作用。例如：溶解作用促使岩石孔隙率增加，裂隙加大，使岩石遭受破坏。CaCO3+H2O+CO2-Ca(HCO3)2（碳酸钙）（重碳酸钙）3、生物风化作用 生物风化作用是指岩石由生物活动所引起的破坏作用。这种破坏作用包括 机械的（如植物根系在岩石裂隙中生长）化学的（如生物的新陈代谢中析出的有机酸对岩石产生的腐蚀、溶解）。此外，人类的工程活动也对岩石风化产生一定的影响。,树木根系对岩石的劈裂破坏示意,岩石风化层的垂直分带 为了说明岩体的风化程度及其变化规律，正确评价风化岩石对水利工程建设的影响，就必须对岩体按风化程度进行分级。分级的依据主要是：新鲜岩石和风化岩石的相对比例、褪色度、分解和崩解的程度，矿物蚀变及其次生矿物，间接指标如锤击反应、波速变化等情况。水利水电工程地质勘察规范（GB50287-99）将岩石按风化程度分为全风化、强风化、弱风化、微风化和新鲜岩石五个等级（表3-1）。,岩石风化的防治 岩石风化的防治方法主要有：1、挖除法 适用于风化层较薄的情况，当厚度较大时通常只将严重影响建筑物稳定的部分剥除。2、抹面法 用水和空气不能透过的材料如沥青、水泥、粘土层等覆盖岩层。3、胶结灌浆法 用水泥、粘土等浆液灌入岩层或裂隙中，以加强岩层的强度，降低其透水性。4、排水法 为了减少具有侵蚀性的地表水和地下水对岩石中可溶性矿物的溶解，适当做一些排水工程。只有在进行详细调查研究以后，才能提出切合实际的防止岩石风化的处理措施。,第2节 河流的地质作用 教学目的与要求：掌握河流地质作用及河流冲积物特征 河流是在河谷中流动的地面经常性流水 河谷包括谷坡和谷底 谷坡上有河流阶地 谷底可分为河床和河漫滩（图3-1）河流的地质作用可分为侵蚀作用、搬运作用和沉积作用。,图 1 河谷的组成 1河床；2河漫滩；3谷坡；4阶地；5平水位；6洪水位,3.2.1 河流的侵蚀作用 侵蚀作用是指河水冲刷河床，使岩石发生破坏的作用。破坏的方式主要是机械破坏（冲蚀和磨蚀）和化学溶蚀 河流以这两种方式不断刷深河床和拓宽河谷。按河流侵蚀作用方向，又可分垂直侵蚀和侧向侵蚀作用两种。1、垂直侵蚀作用 河流的垂直侵蚀作用是指河水冲刷河底、加深河床的下切作用。其侵蚀强度决定于河水具有的能量大小和河底的地质条件。2、侧向侵蚀作用 河流的侧向侵蚀作用是指河流冲刷两岸，加宽河床的作用。主要发生在河流的中下游地区。侧向侵蚀作用结果是使河谷愈来愈宽，河床愈来愈弯曲（图2），形成河曲。河曲发展到一定程度时，可使同一河床上、下游非常靠近，在洪水时易被冲开，河床便截弯取直。被废弃的弯曲河道便形成牛轭湖（图3）。,图3-2 侧蚀作用使河谷不断加宽,图3 河曲发展形成牛轭湖,二、河流的搬运作用 河流将其携带的物质向下游方向搬运的过程，称为河流的搬运作用。河水搬运物质能力的大小，主要取决于河水的流量和流速。三、河流的沉积作用 河流在河床坡降平缓地带及河口附近，河水的流速变缓，水流所搬运的物质在重力作用下，逐渐沉积下来，这种沉积过程称河流的沉积作用。所沉积的物质称冲积物（层）。河流搬运物质的颗粒大小和重量，严格受流速控制。当流速逐渐减缓时被搬运的物质就按颗粒大小和比重，依次从大到小、从重到轻沉积下来，因此冲积层的物质具明显的分选现象。上游及中游沉积物质多为大块石、卵石、砾石及粗沙等，下游沉积的物质多为中、细沙、粘土等。河流在搬运过程中，碎屑物质相互碰撞摩擦，棱角磨损，形状变圆，所以冲积层的颗粒磨圆度较好，多具层理，并时有尖灭、透镜体等产状,河流阶地河谷两岸由流水作用所形成的狭长而平坦的阶梯平台，称河流阶地。它是河流侵蚀、沉积和地壳升降等作用的共同产物。当地壳处于相对稳定的时期，河流的侧向侵蚀和沉积作用显著，塑造了宽阔的河床和河漫滩。然后地壳上升，河流垂直侵蚀作用加强，使河床下切，将原先的河漫滩抬高，形成阶地。若上述作用反复交替进行，则老的河漫滩位置不断抬高，新的阶地和河漫滩相继形成。因此，多次地壳运动将出现多级阶地。河流阶地主要可分三种类型：1、侵蚀阶地 侵蚀阶地特点是阶地面由裸露基岩组成，有时阶地面上可见很薄的沉积物图3-4（a）。侵蚀阶地只分布在山区河谷。它作为厂房地基或者桥梁和水坝接头是有利的。,图3-4 河流阶地类型示意图（a）侵蚀阶地(b)基座阶地(c)上迭阶地(d)内迭阶地,2、基座阶地 基座阶地由两层不同物质组成，由冲积物组成覆盖层，基岩为其底座图 4（b），它的形成反映河流垂直侵蚀作用的深度已超过原来谷底冲积层厚度，切人基岩。基座阶地在河流中比较常见。,3、堆积阶地 阶地的特点是沉积物很厚，基岩不出露，主要分布在河流的中下游地 区。它的形成反映河流下蚀深度均未超过原来谷底的冲积层，根据下蚀深度不同，堆积阶地又可分为上迭阶地和内迭阶地 图34（c）、（d）上迭阶地的形成是由于河流下蚀深度和侧蚀宽度逐次减小，堆积作用规模也逐次减小。说明每一次地壳运动规模在逐渐减小，河流下蚀均未到达基岩。内选阶地的特点是每次下蚀深度与前次相同，将后期阶地套置在先成阶地内。说明每次地壳运动规模大致相等。,河流侵蚀、淤积作用的防治 对于河流侧向侵蚀及因河道局部冲刷而造成的坍岸等灾害，一般采用护岸工程或使主流线偏离被冲刷地段等防治措施。1、护岸工程（1）直接加固岸坡 常在岸坡或浅滩地段植树、种草。（2）护岸：有抛石护岸和砌石护岸两种。即在岸坡砌筑石块（或抛石），以消减水流能量，保护岸坡不受水流直接冲刷。石块的大小，应以不致被河水冲走为原则。抛石体的水下边坡一般不宜超过1：1，当流速较大时，可放缓至1：3。石块应选择未风化、耐磨、遇水不崩解的岩石。抛石层下应有垫层。,2、约束水流顺坝和丁坝 顺坝又称导流坝，丁坝又称半堤横坝。常将丁坝和顺坝布置在凹岸以约束水流，使主流线偏离受冲刷的凹岸。丁坝常斜向下游，夹角为6070，它可使水流冲刷强度降低1015(图5）,约束水流、防止淤积 束窄河道、封闭支流、截直河道、减少河道的输砂率等均可起到防止淤积的作用。常采用顺坝、丁坝或二者组合使河道增加比降和冲刷力，达到防止淤积的目的。,第3节 岩溶 岩溶是指可溶性岩层（主要是石灰岩、白云岩及其他可溶性盐类岩石）分布地区，岩石长期受水的淋漓、冲刷、溶蚀等地质作用而形成的一些独特的地貌景观 如：溶洞、落水洞、溶沟、石林、石笋、钟乳石、暗河等。岩溶现象主要发育在碳酸盐类岩石分布地区，尤以南斯拉夫北部的喀斯特高原，为早期典型，因而国际上称喀斯特。,岩溶的形成条件 岩溶的发生与发展，受多种因素的影响。总的来说，岩溶发育的基本条件有：岩石的可溶性和透水性，水的溶蚀性和流动性 前者是产生的内在因素，后者是岩溶发生的外部动力1、岩石的可溶性 岩溶的发育必须有可溶性岩石的存在。根据岩石的溶解度，能造成岩溶的岩石可分三大组 碳酸盐类岩石，如石灰岩、白云岩和泥灰岩 硫酸岩类岩石，如石膏和硬石膏 卤素岩，如岩盐,岩溶的分布规律1、岩溶发育的垂直分带性 在岩溶地区地下水流动具有垂直分带现象，因而所形成的岩溶也带有垂直分带的特征（图8）。垂直循环带，或称包气带季节循环带或称过渡带 水平循环带或称饱水带 深部循环带2、岩溶分布的成层性 在地壳运动相对稳定时期，岩溶地区在垂直剖面上形成了上述岩溶发育的4个带，之后若地壳上升，地表河流下切，地下水位随之下降，原来处于季节循环带的部位就变为了垂直循环带，原来的水平循环带相应变为季节循环带，并依此类推。当地壳再处于稳定时期时，原来的季节循环带所形成的岩溶洞层位置已抬高。在其下部，新的季节循环带将会形成新的岩溶洞层，因而使岩溶的发育出现成层性。,3、岩溶分布的不均匀性(1)岩溶发育受岩性控制，一般情况下，质纯、层厚的石灰岩中，岩溶最为发育，形态齐全，规模较大，含泥质或其他杂质的岩层，岩溶发育较弱(2)岩溶发育受地质构造条件控制。岩溶常沿着区域构造线方向（如裂隙、断层走向及褶皱轴部）呈带状分布，多形成溶蚀洼地、落水洞、较大的溶洞及地下河等。,岩溶区的主要工程地质问题 碳酸盐类岩石在我国分布广泛，仅地表出露的面积就有120万km2，约占全国面积的12.5，尤其广西、贵州、滇东、湘西、鄂西、川东等地较为集中.由于岩溶的发育致使建筑物场地和地基的工程地质条件大为恶化，因此在岩溶地区修建各类建筑物时必须对岩溶进行工程地质研究，以预测和解决因岩溶而引起的各种工程地质问题。归纳起来，岩溶区的工程地质问题主要有以下两类。1.渗漏和突水问题 由于岩溶地区的岩体中有许多溶隙、溶洞、漏斗，若库、坝址选择不当或未能采取可靠的防渗措施，轻则降低水库效益，成为病险库，遗留后患；重则水库不能蓄水，或工程处理费用过高，在经济上造成不合理。在基坑开挖和隧洞施工中，岩溶水可能突然大量涌出，给施工带来困难。,2、地基稳定性及塌陷问题 坝基或其它建筑物地基中若有岩溶洞穴，将大大降低地基岩体的承载力，容易引起洞穴顶塌陷，使建筑物遭受破坏。同时，岩溶地区的土层特点是厚度变化大，孔隙比高，因此，地基很容易产生不均匀沉降，从而导致建筑物倾斜甚至破坏。在岩溶地区工程设计前，必须充分细致地进行工程地质勘察工作，搞清建筑地区岩溶的分布和发育规律，正确评价它对工程的影响和危害,斜坡在一定的自然条件和重力作用下，常使在其上的部分岩体发生变形和破坏，给各种建筑物（如水坝、隧洞、渠道、铁路、公路等）的建造和使用带来极大的困难和危害，有时甚至造成巨大的灾难。如意大利的瓦依昂拱坝，在1963年10月9日晚，由于库区左岸突然整体下滑，形成体积达2.4亿m3，下滑速度高达 28m/s的滑坡体。将坝前1.8km长的一段水库填满，掀起波浪高达70m，冲毁下游一个村庄，约有2400余人死亡。因此，边坡稳定性的研究在工程建设中是非常必要的。,第4节 与斜坡岩体稳定有关的地质作用,斜坡的破坏类型 斜坡岩体失稳破坏的类型主要有蠕变、剥落、崩塌和滑坡。1、蠕变斜坡上挤压紧密的岩石，在重力作用下发生长期缓慢变形及松动的现象，称蠕变。2、剥落 斜坡上的表层岩石，由于长期的物理风化作用而破碎成细小的岩片、岩屑，在重力作用下向坡下坠落和滚动的现象，称剥落。3、崩塌在斜坡的陡峻地段，大块岩体在重力作用下，突然迅速倾倒崩落，沿山坡翻滚撞击而坠落坡下的破坏现象，称崩塌。4、滑坡 斜坡上的岩体，在重力作用下，沿斜坡内一个或几个滑动面整体向下滑动的现象，称滑坡。大的滑坡规模可达几千立方米，甚至数亿立方米，常掩埋村镇，中断堵塞交通，给工程带来重大危害。,滑坡的组成及类型 一般滑坡由以下几部分组成（图10）滑坡体 与原岩分离并向下滑动的岩、土体称滑坡体。滑坡体前缘伸出部分称滑坡舌；因受推移挤压滑坡体前缘可隆起成鼓丘和鼓张裂隙 滑坡体的后缘因受张力而产生拉张裂隙 在滑坡体的两侧还可产生剪切裂隙 滑坡体上常可见到树木倾斜倒歪的醉汉林和马刀树 滑坡床 指在滑动面之下未滑动的稳定岩体。,滑动面 指滑坡体与滑坡床之间的分界面，一个滑坡可有一个或数个滑动面，滑动面的形状有直线、折线或圆弧等。滑坡壁、滑坡台阶、滑坡洼地。滑坡体下滑后，其后缘的滑动面在地表出现陡壁，称滑坡壁。由于滑坡体上各段的滑动速度不同或由于几个滑动面滑动的时间不同，可在滑坡体中出现阶梯状地面，称滑坡台阶。由于滑坡体的滑落，在滑坡台阶后部形成半圆形凹地，称滑坡洼地，有时可积水形成滑坡泉或滑坡湖滑坡的类型 滑坡按其物质组成可分为土层滑坡和岩层滑坡。按滑动面和层面关系，可分为均质滑坡、顺层滑坡和切层滑坡,均质滑坡 发生于均质岩层，如粘土、黄土、强风化的岩浆岩中的滑坡图3-11（a）。顺层滑坡 滑动面为岩层层面或不整合面的滑坡图3-11（b）。切层滑坡 滑动面切割多层岩层层面的滑坡图3-11（c）。,影响斜坡稳定的主要因素1、地形地貌 一般深切的峡谷，陡峭的岸坡地形容易发生边坡变形和破坏。例如我国西南山区沿金沙江、雅砻江及其支流等河谷地区边坡岩体松动破裂、蠕动、崩塌、滑坡等现象十分普遍。通常地形坡度越陡、坡高越大，对边坡稳定越不利。2、岩石（土）性质 岩性直接影响斜坡岩体的稳定性及其变形破坏形式。由坚硬块状及厚层状岩石（如花岗岩、石英岩、石灰岩等）构成的斜坡，一般稳定性程度较高，变形破坏形式以崩塌为主；由软弱岩石（如页岩、泥岩、片岩、千枚岩、板岩及火山凝灰岩等）构成的斜坡，岩层易风化且抗剪强度低，在产状较陡地段，易产生蠕动变形现象；当岩层层面（或片理面、裂隙面等）倾向与坡面坡向一致，岩层倾角小于坡角且在坡面出露时，极易形成顺层滑坡。,3、地质构造 地质构造包括褶皱、断裂构造及新构造运动特征 在褶皱、断裂发育地区，岩层倾角较陡，节理、断层纵横交错，是产生崩塌、滑坡的有利因素。在新构造运动强烈上升区，由于侵蚀切割，往往形成高山峡谷地形，斜坡岩体中广泛发育有各种变形和破坏现象。4、水的作用 地面水的侵蚀冲刷作用，可改变斜坡外形，造成坡脚掏空，影响斜坡岩体的稳定性。如河岸发生的塌岸和滑坡多在受流水侵蚀的岸边。地面水的入渗和地下水的渗流，对斜坡岩体的稳定性影响很大。地下水不仅增加了斜坡岩体的重量，产生了静水压力和渗透压力，还使渗流面上的物质软化或泥化，降低了其抗剪强度，导致岩体变形或滑动破坏,5、岩石的风化作用 风化作用会对斜坡岩体稳定产生较大影响。如物理风化作用使边坡岩体产生裂隙、粘聚力遭到破坏，促使边坡变形破坏；生物风化作用使边坡岩体遭受机械破坏（如裂隙中树根生长促发边坡岩体崩塌），或岩体被分解腐蚀而破坏。岩体风化程度不同，边坡的稳定性差异也很大，如微风化岩石，常可保持较陡的自然边坡，而强风化及全风化岩石，难以保持较陡的边坡，常需处理。6、地震 发生地震时，地震波引起的地震力是推动边坡滑移的重要因素。此外，在地震的作用下可使边坡岩体的结构发生破坏，出现新的结构面或使原有结构面张裂松弛，在地震力的反复作用下，边坡岩体易沿结构面发生位移变形，直至破坏。在砂土边坡中，易形成振动液化，边坡失稳,7、人为因素 人类活动对边坡稳定性的影响越来越严重，主要表现在人类修建各种工程建筑使边坡岩体承受工程荷载作用，在这些荷载作用下边坡会变形破坏 例如边坡坡肩附近修建大型工程建筑或废弃的土石堆积，使坡顶超载而导致边坡变形或破坏等。又如，人工开挖边坡，从底部向上开挖，会引起边坡失稳，造成人身事故。还有不合理的爆破工程，也会导致岩体松动，边坡失稳，这些在施工中应特别注意。,3.4.3 斜坡变形破坏的防治1、防治原则 防治原则应以防为主，及时治理，并根据工程的重要性制订具体整治方案。以防为主就是要尽量做到防患于未然 正确选择建筑物场地，合理制订人工边坡的布置和开挖方案。查清可能导致天然斜坡或人工边坡稳定性下降的因素，事前采取必要措施消除或改变这些因素，并力图变不利因素为有利因素，以保证斜坡的稳定性，甚至向提高稳定性的方向发展。及时治理就是要针对斜坡已出现的变形破坏情况，及时采取必要的增强稳定性的措施 由于水是能诱发滑坡或在滑坡发生后使它加剧的主要原因，因此在滑坡出现的初期阶段，常用的快速治理措施有：,削坡、减重、反压 这种方法主要是将较陡的边坡减缓或将其上部岩体削去一部分（图3-14），并把削减下来的土石堆于滑体前缘的阻滑部位，使之起到降低下滑力，又增加抗滑力，以增加边坡稳定性的目的。,图3-14 削坡处理示意图,锚固措施 这种方法主要是利用预应力钢筋或钢索锚固不稳定边坡岩体（图17），是一种有效的防治滑坡和崩塌的措施。具体作法，先在不稳定岩体上部布置钻孔，钻孔深度达到滑动面以下坚硬完整岩体中，然后在孔中放入钢筋或钢索，将下端固定，上端拉紧，常和混凝土墩、梁，或配合以挡墙将其固定。其他措施 除上述防治措施外，岩质边坡还可以采用水泥护面、抗滑桩、灌浆等，土质边坡可采用电化学加固法、焙烧法、冷冻法等措施，这些方法一般成本高，只有在特殊需要时使用。,本章作业 1、风化作用是怎样形成的？为什么要将岩体按风化程度分级？岩体按风化程度分级的依据及各类等级的特点如何？2、河流的地质作用有哪些？各有何不同特点？3、河流阶地是怎样形成的？它有几种类型？研究它有什么意义？4、岩溶的形成条件有哪些？5、根据岩溶发育的特点试述岩溶区的主要工程地质问题。6、斜坡稳定破坏有几种类型？7、结合影响斜坡岩体稳定的因素，试述不稳定斜坡的防治措施。,