（岩土工程专业论文）钱塘江河道形成及古河道承压水性状研究.pdf

摘要 摘要 在存有承压水的地区，随着基坑开挖深度的不断加深，基底隔水层厚度越来越薄。承压 水有可能项破坑底而发生突涌、隆起，造成基坑围护结构失稳，最终酿成基坑工程中的重大 事故。 杭州市庆春路钱塘江过江隧道工程中所遇到的钱塘江古河道承压水给基坑工程造成了 很大的困难。钱塘江过江隧道工作井是目前紧临钱塘江开挖基坑中深度最深的一个工程，尚 属首例，没有工程经验可以借鉴。因此对于钱塘江古河道的情况也没有比较全面的资料。 本文首先简单介绍了“古河道学”与古河型的演化。包括“古河道学”的研究对象、内 容、方法和意义，总结各种古河型的演变模式以及影响河型演变的各种影响因素。本文主要 通过历史地理文献( 包括正史、专志、地方志及相关历史文献等) 分析法；室内地形图、影像 图( 包括航空相片、卫星相片、彩红外片等) 判读、标描法；野外地貌考察与访问法介绍钱塘 江的现状和形成过程。包括考察钱塘江的河源和河口位置和钱塘江河口的形成过程及其历史 变迁。通过文献调查和数据分析，确定出比较准确的钱塘江河口和河源位置。通过历史文献 调查介绍钱塘江形成的地质环境、喇叭形河口的形成、杭州湾两岸岸线变迁、流路变迁、河 口边滩近期变化及产生河道变迁的原因。综合各历史文献调查结果，估计钱塘江古河道承压 水埋藏的位置和范围以及调查研究承压水性状。根据目前钱塘江过江隧道工作井面临的钱塘 江古河道承压水问题，总结了承压水基坑工程的特点及影响因素。在介绍目前比较常用的承 压水基坑突涌稳定计算方法及各自优缺点的基础上，结合庆春路过江隧道江北工作井突涌计 算采用的经典的压力平衡法，分析所采用方法的合理性和不合理性，并分析最终采用此方法 的原因。当突涌系数不满足稳定要求时，应采取承压水处理措施。本文中介绍了承压水降水 的基本理论和明沟排水与井点降水等处理方法，以及各种方法的优缺点和适用条件。庆春路 过江隧道江南工作井降水方案采用的隔水帷幕结合井点降水方案来解决钱塘江古河道承压 水问题。避免了单独采用隔水帷幕费用大、施工困难的缺点和单独采用井点降水不安全的缺 点，在经济和安全两个方面均获得了良好的效果。同时也为同地区今后类似工程提供了很好 的借鉴经验。 关键词：河道演变古河道承压水突涌降水 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ea r e a 、) l ，i mc o n f m e dw a t e r , s e p a r a t i o nl a y e ru n d e rt h eb a s ew i l lb et h i n n e ra n dt h i n n e r 谢t l lt h ei n c r e a s i n gd e p t ho ft h ef o u n d a t i o np i t c o n f i n e dw a t e rm a yr u s hf o r t ha n du p h e a v e ， c a u s i n gt h ee x t e r i o rp r o t e c t e dc o n s t r u c t i o nu n b a l a n c ea n df i n a l l yb r i n g i n gu pt h em o s td a n g e r o u s a c c i d e n ti nt h ec o n s t r u c t i o no ft h ef o u n d a t i o np i t t h eq i a n t a n g j i a n gr i v e rc r o s s i n gt u n n e li nq i n g c h u nr o a di nh a n g z h o uw a sf a c i n gt h e s e r i o u sp r o b l e mw h i c hi sc a u s e db yt h ec o n f i n e dw a t e ri nt h ep a l e o c h a n n e lo fq i a n t a n g j i a n gr i v e r t h es h i e l dt b ml a u n c h i n gs h a f to ft h eq i a n t a n g j i a n gr i v e rc r o s s i n gt u n n e li so n eo ft h ed e e p e s t f o u n d a t i o np i tc l o s et ot h eq i a n t a n g j i a n gr i v e r t h e r ei sn or e f e r e n c ee x p e r i e n c et ot a k ea si ti st h e f i r s tc o n s t r u c t i o n h e n c et h e r ei sn om o r ec o m p l e t e l yi n f o r m a t i o na b o u tt h et h ep a l e o c h a n n e lo f q i a n t a n g j i a n gr i v e r t h i st h e s i sf i r s t l yg a v eab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h et h e o r yo fp a l e o c h a n n e la n dt h ee v o l v e m e n t o fp a l e o c h a n n e l i n c l u d i n gt h es t u d yo b j e c t s ，c o n t e n t s ，m e t h o d sa n dm e a n i n g so ft h et h e o r yo f p a l e o c h a n n e l ，t h e nd r e wac o n c l u s i o nf o rt h ee v o l v e m e n ts t y l eo fp a l e o c h a n n e la n da l lk i n d so f f a c t o r st h a te f f e c ti t a sw e l l t h i st h e s i su s em a n ya n a l y s i sm e t h o d ss u c ha s a n a l y s i sw i t h d o c u m e n to fh i s t o r i c a lg e o g r a p h y ( i n c l u d i n go f f i c i a lh i s t o r y , c h o r o g r a p h ya n dp e r t i n e n th i s t o r i c a l l i t e r a t u r e ) ；r e l i e fm a pi nd o o r s ，s t r i o g r a p h ( i n c l u d i n ga e r i a lp h o t o ，s a t e l l i t ep h o t o ，c o l o ri n f r a r e d f i l m ) t oi d e n t i f i c a t i o na n dp o i n t i l l i s m ；p h y s i o g n o m yi n s p e c t i o ni nw i l da n dm e t h o do fa c c e s st o i n t r o d u c et h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dt h ep r o c e s so fi t sf o r m i n g ，i n c l u d i n gi n s p e c t i o ni nt h er i v e r h e a d a n dt h ee s t u a r yp o s i t i o no fq i a n t a n g j i a n gr i v e r t h ef o r m a t i o no ft h ee s t u a r ya n dt h eh i s t o r y t r a n s i t i o na sw e l l a c c o r d i n gt ot h ed o c u m e n ti n v e s t i g a t i o na n dd a t aa n a l y s i s ，d e t e r m i n e dt h e r e l a t i v e l ye x a c tp o s i t i o no ft h ee s t u a r ya n dr i v e r h e a d a c c o r d i n gt ot h ed o c u m e n ti n v e s t i g a t i o n ， i n t r o d u c et h ef o r m a t i o no fg e o l o g i ce n v i r o n m e n ta n dd i v e r g i n gr i v e r h e a d ，t h et r a n s i t i o no f b i l a t e r a ls h o r e l i n ea l o n gh a n g z h o ub a ya n ds t r e a m , t h er e c e n tc h a n g e so fm a r g i n a lb a n ki nt h e r i v e r h e a da sw e l la st h er e a s o n sl e a d i n gt ot h er i v e r w a y st r a n s i t i o n s y n t h e s i z i n gt h er e s u l t so f t h ed o c u m e n ti n v e s t i g a t i o n ，e s t i m a t et h ep o s i t i o na n dr a n g eo ft h ec o n f i n e dw a t e rs a v e da n ds t u d y o nt h ec h a r a c t e ro ft h ec o n f i n e dw a t e r a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e mo fc o n f i n e dw a t e ri n q i a n t a n g j i a n gp a l e o c h a n n e lf a c e d ，g e tac o n c l u s i o no nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n di m p a c tf a c t o r so n t h ef o u n d a t i o np i te n g i n e e rw i t hc o n f i n e dw a t e r o nt h eb a s eo ft h ei n t r o d u c t i o nt ot h es t a b l e c a l c u l a t i o nm e 吐l o d 锄dt h e u s e p a r a t ea d v a n t a g ef o rs a f e t yc o e f f i c i e n to fp i p i n go f f o u n d a t i o np i t w i t l lc o 以n e dw a t e r c o m b i n ew i t hc l a s s i c sp r e s s u r ee q u i l i b r i u mt h a tt h es h i e l dt b m l a u n c h i n g 妇ni i l1 1 0 m lo fq i a n t a n g j i a n gr i v e ro ft h eq i a n t a n g j i a n gr i v e rc r o s s i n gt u n n e la d o p t e dt o c a l c l l l a t i o n 。a n a l y z e dw h e t h e rt h em e t h o d i ss u i t a b l eo rn o t ，a n da n a l y z et h er e a s o nw h ya d o p tt h i s m e d 娜w h e n t h es a f e t yc o e f f i c i e n to fp i p i n gi sn o ts a t i s f a c t i o nt ot h er e q u e s t ，w es h o u l d t a | t h ea c t i o r 塔t 0t h ec o n f i n e dw a t e r a n da l s oi n t r o d u c et h eb a s i ct h e o r yo fd e w a t e r i n go f c o n f i i l c dw a t e ra n dt h ep r o c e s s i n gm e t h o do ft h eg u t t e rd r a i n a g ea n d w e l lp o i n tp r e c i p i t a t i o n a n d a l s ot 【l er e l a 石v em e r i t sa n da p p l i c a b l ec o n d i t i o no fk i n d sm e t h o d s t h es h i e l dt b ml a u n c h i n g s h a ni ns o u t ho fq i a n t a n g j i a n gr i v e ra d o p t e dt h ei m p e r v i o u sc u r t a i ns y n t h e s i z i n gw i t hw e l lp o i n t p r e c i p i 伽o nt od e a lw i t ht h ep r o b l e m , a v o i d i n g t h ew e a k n e s so fi m p e r v i o u sc u r t a i no rw e l lp o i n t p r e c i p i t a t i o na d o p t e ds i n g l y i tm a k e s ag o o de f f e c to ft h et w oa s p e c t si ne c o n o m ya n ds a f e t y a l o f f e r 锄e x c e n a l tr e f e r e n c ee x p e r i e n c et ot h es i m i l a rc o n s t r u c t i o ni nt h es a m ea r e ai nt h en e a r f u t u r e k e y w o r d s ：e v o l v e m e n t o fc h a n n e l ；p a l e o c h a n n e l ；c o n f m e dw a t e r ；i n r u s h i n go f s o i la n dw a t e r ；, d e w a t e r i n g u 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘鲎有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权迸鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：电话： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 1 1 1 课题背景 目前在基坑开挖过程中，随着基坑开挖深度的不断加深，在地层中存在承压水的情况下， 基底下部不透水层厚度越来越薄，承压水有可能顶破坑底而发生突涌、隆起，造成基坑围护 结构失稳，最终酿成基坑工程中最大的危险事故。目前对承压水的研究较少，杭州市庆春路 钱塘江过江隧道工程中遇到了钱塘江古河道承压水的问题，承压水的存在对工程安全产生严 重的威胁。 杭州市庆春路钱塘江隧道工程是杭州市“十一五”规划纲要中今后五年内浙江省省级重 点工程，是改变杭州市南北不均衡、实现南北联动和协调发展的重大工程，作为隧道施工的 先导和人、材、机出入口，挖深达2 3 9 9 6 m - - 2 9 3 5 7 m 的盾构工作井在整个工程中有着重大 的战略意义。 勘察报告中承压水含水层顶标高为- 3 2 6 7 一2 4 1 0 m ，与江南工作井东西线深基坑底标 高( 东线一2 3 5 5 7 m 、西线一2 2 9 8 6 m ) 非常接近，由于承压水水位属动态水位，抽水试验时承 压水静止水位实测为一2 5 8 m ，比勘察院实测标高一3 8 0 m 相差约i 3 m ，依江南工作井补勘报 告，承压水含水层地下水位随季节气候及钱塘江水位动态变化明显，据区域资料，动态交幅 一般在1 3 m 左右。依据抽水试验布置的j 1 、j 2 、j 3 等3 口抽水井连续开启抽水试验及同 时开启抽水试验结果分析，j 1 j 3 等3 口井同时停止抽水。 经过分析，坑外水位比坑内水位恢复快，总体上本工程水位恢复非常迅速，坑内在3 0 秒左右水位恢复最快达到3 0 0 9 ，坑外在3 0 秒水位恢复达到1 8 左右，坑外在1 2 0 秒水 位恢复达到5 2 左右，坑外在l o 分钟内水位恢复达到7 2 左右。勘查报告未有数据显示及 体现承压水回水及水位补充快速的设计工况。由于水文设计工况发生重大改变，单纯依靠降 压己无法满足基坑设计要求。根据浙江省建筑地基基础设计规范( 浙江省标准 d b3 3 1 0 0 1 2 0 0 32 0 0 3 0 6 2 0 ) 及国家建筑地基基础设计规范( 国家标准g b5 0 0 0 7 - 2 0 0 2 2 0 0 2 0 2 2 0 ) 等要求，需对基坑支护结构及降水进行深化设计。 基坑开挖如果采用全降压设计方案，设计及施工风险十分巨大。例如双路电源不能得到 1 0 0 保障，电源不能及时切换，因为降压井回水速度非常迅速要求双路电源在3 0 秒钟左右 必须切换到位，否则基坑开挖就会产生管涌的危险，受偶然因素的影响较多。 为了提高基坑设计抗风险能力，依据基坑设计抗风险要求，需对基坑进行深化设计，在 浙江大学硕士学位论文钱塘江河道形成及古河道承压水性状研究丁晓勇2 0 0 8 年5 月 基坑外设置隔渗帷幕结构，以部分隔断隔渗帷幕内外的卵砾石层内承压水的水力联系，并部 分阻隔承压水的快速补充。 1 - 1 2 课题意义 作为钱塘江下的第一个隧道工程，其工作具有极大的开拓意义和辐射效应。紧临钱塘江 垂直开挖如此深的基坑，在杭州没有先例，类似工程在全国也不多见，可资借鉴的经验十分 有限。如何“安全适用、技术先进、经济合理、确保质量、保护环境”地建好庆春路钱塘江 隧道工程，给我省岩土工程界提出了严峻的挑战。建好钱塘江隧道工程，对整个杭州市地下 工程的设计理论和施工技术都是次巨大的促进，具有极大的辐射效应。 深基坑工程中，地下水的控制处理是关键，遇到砂性土地基中赋存的承压水层，地下水 的控制处理影响因素多而复杂，更需认真对待。钱塘江过江隧道工作井是紧邻钱塘江开挖的 一项深基坑工程，其地质条件更为复杂。钱塘江古河道土层渗透系数大，承压水水位高，水 量丰富，补给充足。在这种地质条件下进行钱塘江过江隧道工作井基坑开挖，对于能否预测 和控制处理好承压水的影响，能否合理进行深基坑支护结构设计与施工是工作井基坑成败的 关键。而钱塘江古河道承压水层的形成过程与赋存特征、承压水深基坑底板的稳定性计算、 降水方法与降水设计和承压水深基坑的施工与监测等关键技术问题没有可借鉴的成熟经验。 为了杭州市庆春路钱塘江隧道工作井施工顺利，为了系统了解钱塘江古河道承压水层的性 状，提出钱塘江古河道承压水层的降水治理和支护结构设计施工方法，为以后工程建设提供 经验，结合杭州市庆春路钱塘江过江隧道工作井施工，开展钱塘江古河道承压水性状，钱塘 江过江隧道工作井地下承压水控制和深基坑支护结构设计、施工与监测等关键技术研究是非 常有意义的。 1 2 研究现状 记载有关钱塘江的历史资料众多，从众多的历史文献资料中可以看到自成国时纪录成文 的山海经到汉书地理志、北魏水经注、唐元和郡县志、北宋太平环宇记、 南宋淳熙新安志、舆地纪胜、方舆胜览、淳佑临安志、朝的大明一统志、清代 的嘉庆重修一统志及民国末年纂修的重修浙江通志稿和最新中外地名词典。前 后二干数百年，都记载了大量关于钱塘江河源河口以及整个钱塘江形成发展过程。其中大多 数的记载是以新安江为钱塘江的河源，部分把衢江作为钱塘江的正源。从战国时记录成文的 山海经到民国的重修浙江通志稿前后两千数百年，都是以新安江为钱塘江的正源。 明确以衢江为钱溏江正源则始于1 9 4 0 年出版的最新中外地名辞典。1 9 5 6 年的钱塘江流 2 第一章绪论 域查勘报告提出源于莲花尖之说。1 9 8 0 年浙江日报钱塘江探源一文提出源于休宁县的 青芝埭尖。 钱塘江河口的说法自古以来就有多种说法，大致上有鳖子门、海宁八堡和澉浦三种说法。 陈吉余先生在浙江学报第一期第二卷发表的杭州湾地形述要中指出：“如杭州湾者， 小尖山以下，汪洋浩渺，朝潮夕汐，海来海往，江水作用，微不足道，纯为海水作用之领域。 闸口以上，潮势徼弱，江岸之积蚀，河曲之下移，皆为江流作用所致。闸口至尖山之间，为 过渡地带，江流海流相交替，而海水之蚀积现象，尤为显著。因以闸口为钱塘江与杭州湾之 界限”。把闸口作为钱塘江的下界。 浙江省科学技术协会于1 9 8 3 年和1 9 8 5 年组织了所属的测绘、地理、水利和林学会等学会， 同浙江省测绘局、浙江省地质局、电力部华东勘测设计院、杭州大学、浙江省河口海岸研究 所、浙江省水文总站、省水电勘测设计院、省林业科学研究所等九个单位十四位科技大员组 成“浙江省科协钱塘江河源河口科学考察队”。先后对钱塘江的河源、河口进行了两次实地 科学考察。 ： 在众多文献中记载了大量钱塘江地质地貌、水文、降水、潮汐、泥沙输移和河道演变 等相关资料。其中钱塘江志较为全面详细地记载了钱塘江的水系的形成和变迁、地质地 貌、河床特征、气候、河道水流特征、水系及其环境、水系现状、航道港口资源、水产资源、 水力资源、涌潮、工业、农业、城镇、交通、政区和人口等。对钱塘江作系统全面的记述， 较为完整。 i 杭州市庆春路过江隧道工作井是第一次在杭州紧临钱塘江开挖承压水作用下的深基 坑，没有工程实例可以参考，也没有针对杭州钱塘江古河道承压水地质条件下的基坑工程的 底板突涌进行相关的研究。 目前，对于承压水基坑突涌稳定性的判断分析方法，不论是现行的基坑工程规范，还是 一般的教科书和工程设计施工手册里均采用经典的压力平衡理论，该理论只考虑了承压含水 层顶不透水层土体自重力引起的抗力，忽略了不透水层土体的抗剪强度，其计算结果显然不 合理。 在压力平衡法的基础上一些学者提出了考虑土体强度和刚度影响的均质连续梁、板分 析法。均质连续梁、板分析法主要是将坑底隔水层土体简化为均质、连续的梁或板，根据材 料力学或弹性力学理论，从强度破坏和刚度破坏的角度推导出基坑发生突涌破坏时临界厚度 公式。 带预应力均质连续梁、板分析法是在均质连续梁、板分析法基础上，考虑了基坑围护结 3 浙江大学硕士学位论文钱塘江河道形成及古河道承压水性状研究丁晓勇2 0 0 8 年5 月 构传给坑底隔水层土体侧向压力，根据弹性力学理论，从强度破坏角度推导出基坑发 生突涌破坏时临界厚度公式。 在带预应力均质连续梁、板分析法的础上提出了既考虑了隔水土层强度的影响，也考 虑了基坑平面尺寸的影响的条形基坑的突涌判别式以及在条形基坑基础上得到的圆形基坑 突涌判别式。 此外，还有以底板中的拉应力为零作为判据来确定基坑隔水土层的临界厚度，它考虑 了基坑平面尺寸的影响，但没有考虑土抗剪强度指标。 对于承压水基坑工程的设计施工，上海工程界以大量受承压含水层影响的深基坑工程的 实践为基础，从中总结并形成了一套针对承压水的设计和施工方法，对影响基坑工程的承压 水问题处理通常有“隔水”、“降压”及“封底”三种技术手段。 1 3 本文的主要内容 本文以杭州市庆春路过江隧道工程江南工作井工程项目为课题背景，针对工程中遇到 的钱塘江古河道承压水问题展开研究。第一，“古河道学”与古河型的演化。简单介绍“古 河道学”的研究对象、内容、方法和意义。总结各种古河型的演变模式以及影响河型演变 的各种影响因素。第二，钱塘江的形成过程和两岸承压水性状。对钱塘江流域水系的组成 进行调查，初步了解现在钱塘江水系的分布情况以其汇合支流，确定钱塘江的河源河口位 置。介绍钱塘江整个形成和演变过程，通过对历史上某些阶段钱塘江的流域分布图的比较， 从而初步确定出钱塘江古河道承压水的分布情况和承压水性状。第三，承压水基坑突涌稳 定计算和降水。总结目前常用的突涌稳定的计算方法和采取的降水措施，分析各种计算方 法的优缺点及其适用条件。针对杭州庆春路过江隧道工作井采用的计算方法和降水方案， 对照其他方法，得出较为适用的杭州地区承压水基坑突涌稳定计算方法和降水方案。 4 第二章“古河道学”与古河型的演化 第二章“古河道学 与古河型的演化 2 1 “古河道学刀的研究对象、内容、方法和意义 在海底经常能发现河流、河口沉积物以及与水道相似的负地形，称为古河道、古三角洲 或古河口等等。由于陆架沉积地层的时间序列尚不健全，故大多认为这些古河道或古三角洲 是末次冰期的产物，原因是末次冰期时海面下降、陆架裸露、河流发育。事实上，由于第四 纪气候频繁波动，在末次冰期中就有3 次冰期，海面相应下降，造成陆架上尤其是外陆架上 陆相地层与海相地层频繁交替，形成不同时期的古三角洲和古河道。 “古河道学”是专门以“古河道”为研究对象的科学。它属于河流学、地貌学、地质学 的综合性学科，有其独特、完整的研究内容和系统、综合的研究方法。它应日益发展的生产 实践的需求而诞生，又为生产实践的进一步发展提供更多的科学依据。同时，它还可丰富已 有学科的理论，并为新学科的诞生提供理论基础。国内、外有关科学工作者结合生产实践， 已经对古河道做了较多地研究工作，发表了不少著作，积累了大量数据。并且，对其理论问 题也进行了初步探讨。可以看出，专门的研究对象，独特而完整的研究内容、系统与综合的 研究方法，构筑了“古河道学”的基本骨架。 2 1 1 “古河道学刀的研究对象 自然科学的研究对象是运动着的物质与物体。科学研究的区分，就是根据科学对象所具 有的特殊的矛盾性。因此，对于某一现象的领域所特有的某一种矛盾的研究，就构成某一门 学科的对象。古河道是自然因素或人为因素影响下引起的，河道变化过程中产生的，废弃河 道的形态物质体。 在古河道的形成、演化、埋藏、岩化、再出露的过程中，其河道的形成、演化、地貌类 型与组成物质，主要受河流学和沉积岩石学支配；其发育程度、空间分布与地域组合特征， 主要受地貌学控制；其埋藏、岩化和再出露的过程，主要受地质学制约。表明古河道这个客 观存在的事物及其运动形式的相互联系、相互渗透和相互转化是错综复杂的。它们不仅有纵 向联系，还有横向联系，还有纵、横交错的联系。事物及其运动形式的这种复杂系统，渗透 到物质的不同层次，成为科学研究的特殊对象。研究这种特殊对象的特殊矛盾性和特殊运动 形式的科学就是综合学科。具体到“古河道学”来说，就是用河流学、地貌学、地质学等多 种学科的理论和方法，从各个不同侧面研究古河道这个特殊的事物。因此，它是河流学、地 貌学、地质学的综合学科。 从河流学角度说，是枯水、平水、洪水期输水、输沙的通道。从地貌学角度说，由河床、 5 浙江大学硕士学位论文钱塘江河道形成及古河道承压水性状研究丁晓勇2 0 0 8 年5 月 心滩、边滩、自然堤等地貌类型组成。从地质学角度说，由主流相、心滩相、边滩相和自然 堤相，粒径大于0 0 7 4 r a m 的砂、砾石组成。该形态物质体，有的仍出露在地面，叫地面 古河道；有的被物质埋藏，叫埋藏古河道。在地面古河道中，依据形态特征，山区有垭口状 古河道，阶地状古河道和宽谷式古河道；平原有决口大溜，槽状洼地古河道和条状高地古河 道。在埋藏古河道中，有的被埋藏在水下，叫水下埋藏古河道( 简称水下古河道) ；有的被埋 藏在地下，叫地下埋藏古河道( 简称埋藏古河道) 。在地下埋藏古河道中，其组成物质，有的 未被压实、岩化，仍以松散物质状态保存，叫未岩化古河道( 一般所说的古河道均指未岩化 古河道) ；有的已被压实、岩化，叫岩化古河道。有的岩化古河道又出露在地层剖面中，叫 出露的岩化古河道。古河道是地质地貌领域中的一种特殊矛盾体。“古河道学”就是以 这个特殊领域内所具有的特殊的矛盾体为研究对象的学科。这是因为，古河道有其自身的发 展、演化规律。它原本由河流形成，但后来被河流废弃，没有地面径流，已不属于河流学的 研究对象。它有一部分出露在地面，或埋藏在水下，具有各种地貌特征；有一部分埋藏在地 下，构成了地层的组成部分，但仍保存着原来的地貌类型( 古地貌) 。它有的在前第四纪形成， 有的在第四纪形成，有的现在正在形成。它既不完全属于地貌学的研究对象，也不完全属于 地质学的研究对象。因此，就自然构成了“古河道学”的研究对象。 2 1 2 “古河道学的研究内容 “古河道学”是以古河道的形态一物质体为研究对象的科学，所以，其研究内容就应紧 紧围绕“古河道”这个特殊矛盾来展开。具体来说，大致有五个方面的内容： ( 1 ) 对古河道的既成事物及现存状态的研究 对既成事物及现存状态的研究是对任何一个矛盾体的最根本、最基础的研究。只有把既 成事物及现存状态搞清楚了，才能开展更广泛、更深入的研究。包括： 1 ) 古河道的含义及判别标志研究； 2 ) 古河道的形成原因、形态特征、类型划分与分布规律研究； 3 ) 古河道的组成物质或岩石性质的结构、构造特征研究； 4 ) 全球古河道的共性与个性研究等。 ( 2 ) 对古河道的发展、演化史的研究 自然界不是静止不动的。它不仅在空间上有一个不断分化的过程，而且在时间上也有个 前后相继的演化历史。只有了解其演化历史，才能根据过去，预测将来。这是现代科学研究 所必需的。包括g 1 ) 水系变迁、河流改道、河床演变的过程、阶段与规律研究： 6 第二章“古河道学”与古河型的演化 2 ) 古河道形成的动力与机制研究； 3 ) 古河道形成的期次与时代研究； 4 ) 各期古河道的古河型与古水文研究等。 ( 3 ) 古河道与各种事物之间特定关系的研究 自然现象不是孤立存在的。它们之间处于相互联系、相互制约、相互发展的动态系统中。 其中一个因素改变，都会影响到整个系统的改变。为了全面把握自然发展变化的本质及其规 律性，必须对事物之间的特定关系进行深入探讨。包括： 1 ) 古河道与地质构造、新构造、气候变化、海平面变化、河流冲淤变化关系的研究； 2 ) 古河道发育程度与地理环境关系的研究； 3 ) 古河道形体规模与地质构造、地貌演化关系的研究； 4 ) 河流改道对地理环境的影响研究； 5 ) 人类活动对河流改道及古河道形成、演化的影响研究等。 ( 4 ) 古河道与国民经济建设关系的研究 科学研究的目的和所获得的真理性理论知识，归根结底是为实践服务的。不为实践服务 并接受其检验的科学，不是真正的科学。主要包括： 1 ) 古河道与资源赋存、圈闭、开采关系的研究； 2 ) 古河道与水资源调蓄及能源储存关系的研究： 3 ) 古河道与震害及其预防的研究； 4 ) 古河道的地基稳定性研究： 5 ) 古河道与作物布局及农田水利关系研究； 6 ) 古河道与旱、涝、碱、咸的综合治理研究； 7 ) 古河道与环境保护关系研究等。 ( 5 ) 古河道研究方法的研究 方法是人们认识、改造世界所应用的方式和手段。“古河道学”是一门新兴的学科。它 也必须有系统、完整、现代化的科学方法。主要包括野外研究方法和室内研究方法的研究。 正因为“古河道学”是河流学、地貌学、地质学的综合性学科，所以，其理论基础也主 要是河流学、地貌学与地质学。其中，尤以河流水文学、流水动力学、河流泥沙学、河流地 貌学、第四纪地质学、沉积岩石学、地层学、构造地质学( 甚至包括大地构造学和新构造运 动学) 与地质历史学等，与“古河道学”的关系更为密切。这是因为，河流水文学、流水动 力学、河流泥沙学为河道的形成、演化，物质结构、构造特征及河道类型提供了理论基础。 7 浙江大学硕士学位论文钱塘江河道形成及古河道承压水性状研究丁晓勇2 0 0 8 年5 月 河流地貌学为水系变迁、河流改道、河流地貌类型的形态特征、成因与划分等提供了理论基 础。沉积岩石学与第四纪地质学为古河道沉积相的划分，进而复原古地貌、乃至古地理环境 提供了理论基础。构造地质学为水系变迁、河流改道的动力与方向以及古河道的分布规律与 形体特征提供了理论基础。地质学与地质历史学为古河道的埋藏、岩化、出露及其分期、断 代提供了理论基础。所以说，若掌握“古河道学”，必须首先学习并掌握河流水文学、流水 动力学、河流泥沙学、河流地貌学、第四纪地质学、沉积岩石学、地层学、构造地质学与地 质历史学。没有这些学科理论做基础，就没有“古河道学”。 2 1 3 “古河道学的研究方法和意义 2 1 3 1 “古河道学的研究方法 “古河道学”是河流学、地貌学、地质学的综合性学科。所以，其实验装备和手段，也 就是研究方法，也主要继承了这三门学科的研究方法，从而构成了“古河道学”完整而系统 的研究方法。由于古河道的类型不同，其研究方法也不同。归纳起来有以下几种： ( 1 ) 地面古河道研究方法。地面古河道，在冲r 洪积平原地区，多为晚第四纪以来或历 史时期形成。地面有明显的地貌特征，有的为历史文献所记载，华北平原底板埋深5 8 m ； 在基岩出露的山区，多为新生代以来的地质时期形成。地面有明显的地貌遗迹，有的还保留 着河流相物质堆积。可采用如下法：1 ) 历史地理文献( 包括正史、专志、地方志及相关历史 文献等) 分析法；2 ) 室内地形图、影像图( 包括航空相片、卫星相片、彩红外片等) 判读、标 描法；3 ) 野外地貌考察与访问法；4 ) 地质剖面测量与描述法；5 ) 考古法；6 ) 地名、地物、地 植物等分析法；7 ) 浅钻法；8 ) 探槽法； ( 2 ) 地下埋藏古河道研究方法。地下埋藏古河道，又可以划分出：古河道底板埋深小于 3 0m 的浅部埋藏古河道和大于3 0m 的深部埋藏古河道两种。浅部埋藏古河道研究方法有：1 ) 电法勘探，包括电测深法和电测井法；2 ) 航空电磁法；3 ) 航空、航天遥感法；4 ) 钻探法。深 部埋藏古河道研究方法有：1 ) 地球物理勘探法，包括地面电法、核磁共振法、瑞雷波法、地 震波法、电磁波法等；2 ) 钻探法及电视测井法。 ( 3 ) 岩化古河道研究方法。1 ) 埋藏岩化古河道研究方法同深部埋藏古河道；2 ) 出露岩化 古河道，主要采用地质剖面测量与描述法。 ( 4 ) 水下古河道研究方法。水下古河道主要指海底或湖底古河道。其研究方法主要有： 1 ) 地形一地貌法；2 ) 地球物理勘探法，包括重力测量法，地震测量法和磁力测量法；3 ) 钻探 法。 ( 5 ) 各种类型古河道共用的方法。1 ) 室内样品分析、测试法，包括样品的粒度分析，矿 8 第二章“古河道学”与古河型的演化 物分析，古生物及微体古生物分析，各种微量元素分析，石英砂表面微结构分析以及各种方 法的年代测定。2 ) 数学方法，数学计算法在各门科学中的普遍运用是现代科学发展的重要特 点之一。所谓数学方法，就是应用数学所提供的概念、处理方式及技巧，对所要研究的对象 进行量的分析、描述、计算和推导，从而找出能以数学形式表达事物内在联系的一种方法。 “古河道学”的研究也引用了大量的数学方法。其中，尤其是通过粒度分析数据，对各期古 河道的古河型、古水文进行计算，从而为复原古地理环境提供了比较准确的量的概念。通过 测试数据对年代进行的计算，则提供了比较准确的时间概念。 2 1 3 2 “古河道学的研究意义 自然科学是知识形态的生产力。它与生产力诸要素相结合而发挥作用，使生产力随着自 然科学的发展而不断提高到新的水平。作为形态一物质体存在的古河道，已经在生产实践中 发挥了较大的作用。如果将实践中的感性认识上升到“古河道学”的理论高度，并以此来指 导生产实践，将会发挥更大的作用。诸如：地下水资源的开发、利用与调蓄，砂矿、铀矿、 石油、天然气、建筑材料等矿床的圈闭与开采，水利、交通、管道等大型 巳程选线与厂址选 择，农业布局与农田水利，震害危险区划分与预防，城市规划，文化旅游，f 环境保护等，都 与古河道密切相关。它对经济建设，既有有利的一面，也有不利的一面。如舸利用有利的面， 限制或防止不利的一面，“古河道学”的研究可以为其提供更系统、更淮确的科学依据。 “古河道学”是河流学、地貌学、地质学的综合性学科。通过古河道的研究，将人们 在实践中获得的大量感性知识，上升为理性知识，获得规律性的认识，并形成系统理论，不 但能构成“古河道学 自身的理论体系，还可以丰富、扩大河流学、地貌学与地质学的理论 体系。尤其是，它还会为新兴的边缘学科，如“古水文学”的诞生做催化剂，并为其提供理 论基础。 2 2 古河型演化 现代地表主要冲积河型包括辫状河流、分汉河流、弯曲河流、网状河流、顺直河流五类。 这些河型空间分布和转化涉及河型由上游向下游发生的变化及其原因。依据古代沉积地层记 录的河型信息，可以研究古代河型演化规律，进而结合w a l t h e r 相律判断现代河型空间分布 特征和演化趋势。 古代河流沉积体系垂向变化虽反映地表古河型随时间的演化特征，但要通过露头剖面来 揭示其转化模式却几乎不可能，因为很难找到规模巨大的理想剖商。不同河型各有独特的沉 积单元、沉积构造、沉积组合，加上已有比较系统和完善的研究方法，目前已能判别古代沉 9 浙江大学硕士学位论文钱塘江河道形成及古河道承压水性状研究丁晓勇2 0 0 8 年5 月 积地层中不同河型沉积特征，因此可以参照现代地表冲积河型的空间转化模式来解释古代河 型空间分布特征。 2 2 1 古河型演化模式的沉积体系分析 目前可见的主要有弯曲河流、辫状河流、网状河流这三大类沉积体系及与之有关的河型 演化。三类河型有以下六种主要转化模式：辫状体系一曲流体系、曲流体系一辫状体系、辫 状体系一网状体系、网状体系一辫状体系、网状体系一曲流体系和曲流体系一网状体系。 2 2 1 1 辫状体系一曲流体系( b r a i d e d - * m e a n d e r e df l u v i a ls y s t e m s ) 这是一种比较普遍的河型演化模式，国内外许多研究者都在古代河流沉积体系中发现过 由辫状河流向曲流河流的河型演化。例如：荷兰中部d e e s t 附近，在晚魏克塞尔冰期沉积层 k r e f t e n h e y e 组顶部，早期和晚期砂质点坝发育于砾质辫状河沉积物的上部。早期点坝层序 由小型河道构成，反映了流水的初始河道化，具有辫状河流向曲流河流转变期流量变化造成 的沉积特征，黏土质倾斜加积面指示了点坝的侧向加积单元：晚期点坝由一个切入辫状河平 原的大河道组成，代表一个发育完全的曲流河型。在阿勒罗德间冰期( 距今约1 1 矿年) 或早 新仙女木期( 距今约1 0 5 1 0 4 年) ，曲流河道被废弃，充填腐殖黑泥、泥炭和黏土等，点坝 停止发育。最后，点坝和废弃河道被全新世曲流河体系的泛滥平原沉积物所覆盖。 2 2 1 2曲流体系一辫状体系( m e a n d e r e d - * b r a i d e df l u v i a ls y s t e m s ) 河型因为气候变化而发生了周期性变化。在一个周期中，湿润气候期的年径流量分布比 较均匀，沿岸林木葱郁，土层较厚，带入下游的泥沙较少且粉砂、黏土占相当大比例，这时 发育曲流河型；当海洋性气候转变为大陆性气候后，出现洪水的频率加大，大量破坏流域内 植被，坡面水流的侵蚀作用加强，同时偶发的稀有洪水会先破坏湿润气候期形成的细粒河漫 滩沉积物，导致河谷下切，然后越来越多比较粗的泥沙又回淤河谷，河流的弯曲系数减小， 因此曲流河朝辫状河流发展。到下一个周期，湿润的气候又使淤积放慢，河道物质在垂向上 自下向上变细，基流加大，径流过程趋于均匀化，河型又恢复为弯曲的河道形态。 2 2 1 3 辫状体系一网状体系( b r a i d e d - a n a s t o m o s e df l u v i a ls y s t e m s ) 网状河流既常常出现在湿润气候带，也可以发育在于早气候区，因其河道不易侧向迁移， 故其河间地形成的钙质壳能够保存下来；而在相同气候条件下，辫状河河道可急剧变化，洪 泛平原不易形成钙质壳，即使曾经形成也难