《自然地质作用》PPT课件.ppt

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1、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

2、，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

3、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

4、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

5、-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

6、 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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、，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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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

25、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。,