水工地质3(地表地质作用)

第三章

区域构造稳定性与地表地质作用第三节河流（地表水）地质作用第二节风化作用第四节岩溶地质作用区域构造稳定性与地表地质作用本章结构第一节地震与区域构造稳定性区域构造稳定性与地表地质作用第一节地震与区域构造稳定性

地震:

指地壳浅表岩层中弹性波传播所引起的震动，是地壳运动的一种特殊形式。

1．定义：（1）构造地震（占90%）：即地壳运动引发的地震，这些区域稳定性研究的重点。2．地震的分类依据——成因的不同。区域构造稳定性与地表地质作用第一节地震与区域构造稳定性（2）火山地震（占7%）：因火山喷发引起的地面谐同震动。区域构造稳定性与地表地质作用第一节地震与区域构造稳定性（3）陷落地震（3%±）：因地面物质因失去下部物质支撑而附落触底引起的震动。

区域构造稳定性与地表地质作用第一节地震与区域构造稳定性（4）诱发地震：指人为工程原因（如水库蓄水、地下注水、核试验等）所引发的地壳岩石应力提前释放。区域构造稳定性与地表地质作用第一节地震与区域构造稳定性即地震作用范围内地面上出现的破坏和震害。依据具体表现形式的不同又可分为振动破坏效应和地面破坏效应两大类。3．地震效应（后果）区域构造稳定性与地表地质作用第一节地震与区域构造稳定性区域构造稳定性与地表地质作用第一节地震与区域构造稳定性（1）振动破坏效应——指由地震力（即波动惯性力）直接引起的建筑物破坏，其效应大小与地震的震级有直接关系。导致建筑的水平滑动或晃动，共振等。

区域构造稳定性与地表地质作用第一节地震与区域构造稳定性①震级：表明地震力大小的量级

其中1级释放能力为2×106焦耳，每增大一级，能量大体增加50倍，地壳岩石中发生的最大地震震级不会超过8.9级，因为地壳岩石圈不能承受大于8.9级地震的能量传递。

区域构造稳定性与地表地质作用第一节地震与区域构造稳定性表

各级地震的能量ME（J）ME（J）ME（J）12.0×10652.0×10128.53.6×101726.3×10766.3×10138.91.4×101832.0×10972.0×1015

46.3×101086.3×1016

区域构造稳定性与地表地质作用第一节地震与区域构造稳定性当地震波周期≈建筑自振周期时→引起强烈共振→建筑严重受损。

②周期与频率：振动要素中，周期与频率对建筑物的安全性影响显著。一般的地震，震波主频在2-8HZ，周期在0.5-0.125秒间变动。一般建筑物的自振周期在0.1-2.5秒之间，低层建筑<高层建筑区域构造稳定性与地表地质作用第一节地震与区域构造稳定性*地震波周期随距震中距离增大而变大，故有远离震中处低层建筑完好而高层建筑严重受损现象。同样，因为深厚土层自振周期大于坚硬岩石层和薄土层区，故在同样距离上，深厚土层区及其建筑物更易于发生共振而产生严重破坏（黄土区则更应重视高层建筑的抗震设计）。区域构造稳定性与地表地质作用第一节地震与区域构造稳定性岩土层卓越周期平均值：

Ⅰ——稳定岩层0.15sⅡ—一般岩层0.27sⅢ——松软岩层0.4sⅣ——异常松软岩层0.5s*卓越周期：某建筑场地岩土经试验测试得到的自振周期。区域构造稳定性与地表地质作用第一节地震与区域构造稳定性（2）地面破坏效应——即地震引起的地面构成岩土体的破坏形式与后果。依形成条件、破坏规模与范围可分为三大类型：①断裂效应：即地震断层、地震裂缝②斜坡效应：地震引起的边坡物质滑移如剥落、崩塌、滑坡、蠕滑等。

③地基效应：包括地基沉降、砂土液化（流砂）、地基塌陷等。区域构造稳定性与地表地质作用第一节地震与区域构造稳定性*砂土液化：地震作用下，饱和粉、细砂地基中，砂粒结构瓦解，孔隙水压力骤升导致有效应力降至零，全部地基土体呈现液体状态的现象——地表开裂、喷砂、冒水、建筑下陷、漂浮或开裂等现象。砂土是否液化的判别方式有经验判定和标准贯入判定两种，具体判定可以参考《工程地质手册》和《岩土工程勘察规范》等工具书。地基土砂土液化引起地面不均匀沉降图区域构造稳定性与地表地质作用第一节地震与区域构造稳定性基本烈度:平均震级+地质地貌条件（据规范）

设计烈度:基本烈度+建筑物等级显然，对建筑物的稳定性而言，地基效应将产生最直接和最大的影响。（3）地震烈度振动破坏效应+地面破坏效应=烈度（基本烈度与设计烈度）区域构造稳定性与地表地质作用第一节地震与区域构造稳定性4.区域稳定性评价（1）区域稳定性的影响因素------以地震为中心

岩土特征构造作用地震作用

新构造运动重力梯度异常（地球物理异常）

区域构造稳定性与地表地质作用第一节地震与区域构造稳定性（2）区域稳定性评价内容区域地质构造断裂活动性区域重力场和热力场地震影响评价预测水库诱发地震区域构造稳定性与地表地质作用第一节地震与区域构造稳定性稳定区基本稳定区次稳定区不稳定区地震最大震级≤5.25≤5.5-5.756.5-7.0＞7.0基本烈度≤6≤78-9＞9水平加速度/g0.0620.1250.25-0.50＞0.5活动断裂年龄/×104a＞240或240-7373-66-1.1＜1.1活动速率/mm.a-10-0.10.1-10.1-10＞10综合评价不活动不活动或微活动较强活动现代强烈活动地球物理地壳应变能/J≤2.5×1063.4×106-4.7×1061.9×107-4.5×107＞4.5×107区域性重磁异常无不明显明显十分明显工程建设的适宜性及抗震措施适宜所有类型工程建筑，不需或作适当抗震设计适宜所有类型工程建筑，需抗震设计有条件适宜大型和生命性工程，需做专门抗震设计不适宜大型工程建筑区域稳定性分区表第二节风化作用风化作用(weathering)：在近地表条件下，坚硬的岩石、矿物在原地发生物理和化学变化，形成松散堆积物的过程。区域构造稳定性与地表地质作用一、风化作用的类型

依发生和影响因素的特点，风化作用可分为物理风化、化学风化和生物风化三种类型。

区域构造稳定性与地表地质作用第二节风化作用化学风化物理风化生物风化1.物理风化—指矿物、岩石的机械破碎。能引起岩石机械破碎的自然原因主要有：(1）地表温度的高频率，大幅度变化——如西北沙漠、岩漠地区。区域构造稳定性与地表地质作用第二节风化作用（3）盐分结晶——结晶前后溶液体积亦有变化，且盐分结晶后净水更易结冰。（2）冻融——指冰的撑胀作用，可形成“冰劈”，前提仍是温度变化较大。冰劈作用使岩石破裂。1.岩石本身的裂隙；2裂隙中的水结冰膨胀；3使岩石破碎。

区域构造稳定性与地表地质作用第二节风化作用（4）矿物吸水膨胀——粘土矿物尤甚，如蒙脱石吸水后对围岩有5000atm压力。

（5）岩石释重回弹——单向卸力导致岩石以外向内依次向外回弹破裂，这在地基开挖，洞室掘进中最常见。深成岩抬升到地表因压力减低岩石膨胀破碎，形成与地形面平行的节理（卸荷节理）

区域构造稳定性与地表地质作用第二节风化作用物理风化是以岩石崩解的形式产生大小混杂的岩石块，堆积在基岩面上或其周边。第二节风化作用区域构造稳定性与地表地质作用（1）溶解：一些可溶解的盐类，包括卤化物，硫酸盐和一些碳酸盐。（2）水化作用：即不含水矿物变含水矿物的反应。（硬石膏）CaSO4+2H2OCaSO4.2H2O(石膏)2.化学风化——指自然界的H2O、CO2、O2等因素与岩石和矿物中的某些成份发生化学反应，从而形成新矿物的过程。化学风化是风化作用中最重要的作用方式。在该过程中，主要的化学反应类型有：区域构造稳定性与地表地质作用第二节风化作用（3）水解反应：指H+和OH-与矿物中的某些离子置换形成新的矿物的过程，是RSiO3矿物风化的主要形式：如KAlSi3O8+H2OKOH+SiO2(胶)+Al4[Si5O12](OH)8

钾长石（肉红色）高岭石（4）氧化反应：指有e得失的化学反应，各变价元素如Fe、Mn、Cr等与之反应。对含变价元素的矿物尤为重要，如：

2FeSiO4+3H2O+O22Fe2O3.3H2O+2SiO2(胶)铁橄榄石赤铁矿区域构造稳定性与地表地质作用第二节风化作用5）碳酸化反应：指有CO2、CO32-和HCO3-1参与的化学反应

CaCO3+H2O+CO2Ca(HCO3)2

方解石重碳酸钙化学风化作用不但破坏地表岩体，也可使地下岩体、水下岩体产生腐蚀，形成隐伏忧患，因此在工程勘测中应予以充分考虑。区域构造稳定性与地表地质作用第二节风化作用3．生物风化作用生物化学风化——如腐殖酸、呼吸产生的CO2等的腐蚀。生物物理风化——如根劈、蚁穴区域构造稳定性与地表地质作用第二节风化作用根劈岩石表面生长的地衣生物风化作用其最重要的结果就是为风化产物提供大量的有机质成份，使风化母质最终形成具有农业生产力的土壤。区域构造稳定性与地表地质作用第二节风化作用

岩石的成份、结构、构造等对风化的强度有直接的影响，比如因溶解度不同，化学风化能力从强至弱是：卤化物＞硫酸盐＞碳酸盐而具有潜在破裂面的片岩、页岩就比厚层砂岩、片麻岩易风化得多。二、影响风化作用的主要因素1．矿物、岩石性质：区域构造稳定性与地表地质作用第二节风化作用鲍文反应序列：是随着岩浆温度由高到低慢慢冷凝，铁镁硅酸盐结晶序列-----橄榄石→辉石→角闪石→黑云母→正长石→白云母→石英问题：为什么矿物从岩浆中结晶出来的次序与地表矿物抗风化能力从弱到强的次序一致？形成时的温度压力条件与地表条件的差异！岩性软弱不同,造成差异风化作用，相对坚硬的岩石形成突起的地形区域构造稳定性与地表地质作用第二节风化作用2．地质构造：构造强烈发育区形成密集的各类次生结构面，导致风化作用容易发生。4．地形条件：（1）地势造成气候的垂直分带，从低→高，生物风化→物理风化。（2）地形也造成了风化类型的差异；陡坡：物理风化强盛；缓坡：化学风化、生物风化强盛。3．气候：湿热气候区岩石比干冷气候区岩石更易风化，如江西南部r风化层就可厚达数百米甚至千米。区域构造稳定性与地表地质作用第二节风化作用三、岩石风化层的垂直分带

地表岩石的风化强度总是从上至下依次减弱的，在垂直方向上可表现出明显的垂直分带现象。而在工程地质上一般将岩石风化层按工程建设的需要分为四个带，即：全风化层，强风化层，弱风化层和微风化层。

全风化层强风化层弱风化层微风化层基岩区域构造稳定性与地表地质作用第二节风化作用风化带主要地质特征风化岩纵波速与新鲜岩波速比全风化·全部变色，光泽消失；·岩石的组织结构完全破坏，已崩解成松散的土状或砂状，有很大的体积变化，但未松动，仍残留有原始结构特征；·除石英颗粒外，其余矿物大部分风化蚀变为次生矿物；·锤击有松软感，有凹坑，矿物手可捏碎，用镐可以挖动；<0.4强风化·大部分变色，只有局部岩块保持原有颜色；·岩石的组织结构大部分破坏，小部分岩石以分解或崩解成土，风化裂隙发育，有时含有大量次生夹泥；·除石英颗粒外，长石、云母已风化蚀变；·锤击哑声，岩石大部分变酥，易碎，用镐可以挖动，坚硬部分需爆破；0.4～0.6弱风化·岩石表面或裂隙面大部分变色，但断口保持新鲜岩石色泽；·岩石原始组织结构清楚完整，但风化裂隙发育，裂隙壁风化剧烈；·沿裂隙铁镁矿物氧化锈蚀，长石变得浑浊、模糊不清；·锤击哑声，开挖需爆破；0.6～0.8微风化·岩石表面或裂隙面有轻微褪色；·岩石组织结构无变化，保持完整组织结构；·大部分裂隙闭合，仅沿大裂隙有风化蚀变现象；·锤击发音声脆，开挖需用爆破；0.8～1.0岩石风化带的特点

区域构造稳定性与地表地质作用第二节风化作用第三节河流（地表水）地质作用对于陆地表面来说，地表流水的作用对于地质地貌状况的形成与改造有十分显著的作用。在流水的侵蚀或搬运沉积作用下，可形成陡峻的峡谷或是辽阔的冲洪积平原（华北平原、江汉平原等），流水的作用造就了许多建筑物场所的基础地质地貌条件，尤其是对水工建筑物更是如此。

区域构造稳定性与地表地质作用第三节河流（地表水）地质作用*地表流水类型：地表流水按流程和流动历时可分为两大类：（1）常年性流水（如河流）（2）暂时性流水沟谷洪流：股状片流：薄层或密集网络状区域构造稳定性与地表地质作用按侵蚀作用的方向，流水侵蚀可分为两种类型。1．下蚀作用（垂直侵蚀）：即水流及其携带的泥沙冲刷侵蚀河床底部，使其高程降低的作用。（1）作用机理①静水压力；②立轴涡旋流；③跌水的后退一、流水侵蚀的类型第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用壶口瀑布边的壶穴壶穴相连，河床下切第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用（2）作用结果：形成具有尖锐U形和V字形横剖面形态的峡谷，如金沙江虎跳峡、长江三峡，美国科罗拉多大峡谷等。

第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用美国犹他州河流下切作用形成的深切曲流第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用

即水流冲刷河谷两岸，使河谷加宽，流水活动范围加大的侵蚀作用（又称旁蚀作用）。（1）作用机理：横向环流作用。

流水在河弯处依惯性冲向凹岸凹岸涌水，形成横向环流2．侧蚀作用：第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用横向环流的产生第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用河流侧蚀示意第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用侵蚀凹岸堆积凸岸形成曲流和牛轭湖（2）作用结果：造成河床与河漫滩的分化，形成曲流和牛轭湖。第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用曲流第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用曲流和牛轭湖第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用河流的侵蚀和堆积作用不是可以无限制进行的，存在下蚀作用的极限——均衡纵剖面；而在侵蚀过程中，其强度最大点始终是在沟头（跌水）处，作用方式是溯源侵蚀。

二、河流地质作用特点与河流地貌1．河流地质作用特点第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用（1）均衡纵剖面：从河流纵向上看，流水的下蚀不是无限制发生的。河谷的纵剖面存在一个最理想的状态。在该形态的纵剖面上水流除了维持自身的流动外，再无任何余力输沙和进行侵蚀（耗能量小原理的内在要求）。

第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用*边坡纵剖面，形态上距均衡纵剖面越远，下蚀越强烈，对坡角建筑威胁越大。问：以下三种坡形，谁将发生最大的下蚀？直坡凸坡凹坡第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用（2）溯源侵蚀：流水侵蚀作用最强的沟头地段总是从下游不断向分水岭方向移动，这种趋势就称为溯源侵蚀。若溯源侵蚀越过了分水岭，则称为河流袭夺（黄土沟壑区建筑尤其应注意这一点）。第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用溯源侵蚀第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用①峡谷：指河床占据整个河谷底部，无河漫滩。②成形河谷：指有河床与河漫滩分化的河谷。③复杂河谷：指河床、河漫滩和河流阶地分化明显的河谷。2．河流地貌（1）河谷地貌类型第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用①河漫滩：指河谷中位于河床两侧，平时无水，洪水期被水淹没有河谷部分。河漫滩沉积具有典型的二元结构。作为建筑地基时，需考虑特殊的工程地质特点（傍水，施工前应充分考虑到降水的困难性）。

河漫滩河床河流阶地（2）河漫滩与河流阶地第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用河漫滩相（细粒）河床相（粗粒）易发管涌危害易发流土危害二元结构与工程地质特性河床相沉积河漫滩相沉积第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用②河流阶地：分布于河谷谷坡上由河流作用所形成的条带状平台，它是地壳的缓慢上升和相对平稳交替发生导致下蚀作和和侧蚀作和交替发育的结果。

第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用

原态地壳上升下蚀相对平稳侧蚀地壳上升下蚀相对平稳侧蚀地壳上升下蚀一级阶地形成河流阶地的形成过程第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用河流阶地的四种类型基岩阶地堆积阶地基座阶地埋藏阶地第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用①江心洲(心滩）：是河床中高出洪水面的堆积地貌，由双向环流作用生成（河流宽缓处）。

心滩

双向环流（3）河流冲积(Qal)地貌第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用河流双向环流（b，剖面图）形成江心洲（a，平面图）第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用水利枢纽施工次序②三角洲：河流入湖、入海口处由于水动力条件变弱而形成大量堆积形成的近似三角形地貌（崇明岛）。

海（湖）河第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用长江口尼罗河三角洲第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用密西西比河三角洲（鸟足状）

第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用①有可能产生较大量的沉降变形；②冲积物中的泥质夹层可能导致层间滑移，不均匀沉降；③局部适宜砂层可能有震动液化危险，同时施工时也存在降水困难问题，需有充分思想和设备准备。

③冲积平原：在河流中，下游地区由于河流分叉或濒繁改道而造成冲积物的大量大范围抛撒堆积而形成的平原地貌。河流冲积地貌中的冲积层在作为工程建筑地基时，主要注意三方面的问题：第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用冲积平原沟谷洪流地貌是沟谷洪流切割山谷或其携带物抛洒于沟段局部形成的，最重要的包括两类：1.侵蚀沟谷由洪流及其挟带的泥沙对山谷两壁或其谷底所造成的沟谷形态。按沟谷形成的时间次序和沟谷规模可分为四类：细浅沟——切沟——冲沟——坳沟三、沟谷洪流地貌第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用细浅沟——切沟冲沟——坳沟注：剖面1代表原始坡面；剖面2代表沟谷底部第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用黄土冲沟黄土切沟黄土沟壑区2.洪积扇由洪流挟带的泥砂在山口外堆积而成的扇形台地，其纵剖面形态接近三角形。第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用洪积扇第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用寒冷区的洪积扇干旱地区的洪积扇A．山口近处（Ⅰ区），构成是下砾上砂，有砂土液化的危险和管涌破坏危险，另外，也应对洪流、泥石流威胁进行评估；B.扇前端（Ⅲ区）物质构成细腻，多可作为良好地基，但应注意靠山口一侧开挖时有可能出现基坑涌水，影响施工的正常进行。

洪积扇物质(Qpl)组成特点是从巨砾→粉砂、粘土都有，总体从山口向外，粒度越来越细。作为建筑地基时可划分为两个带:第三节河流（地表水）地质作用区域构造稳定性与地表地质作用第四节岩溶作用区域构造稳定性与地表地质作用一、概念也称喀斯特（Karst），地下水，地表水对可溶性岩石（盐岩，石膏以及碳酸盐岩类）进行机械冲刷和化学溶蚀所形成的一系列洞、槽、山等特殊地貌的总和。

第四节岩溶作用区域构造稳定性与地表地质作用

岩溶区易发生地面崩陷，地下洞室涌水，坍塌等问题，危胁施工的正常进行和建筑的安全稳定.（广西70%以上水库常年蓄不满水）。

岩溶塌陷第四节岩溶作用区域构造稳定性与地表地质作用2、溶蚀性的水

多指水中含较多的CO2，压力大，温度高→CO2溶解度增大，故现代岩溶在我国多见于南岭以南亚热带地区（北方岩溶发育区代表该区某段时间内曾历亚热带气候）。二．岩溶发育的基本条件（四个）

1、可溶性岩石

较难溶的RCO3岩石为主，因盐岩、RSO4溶解度大而分布面积小，一溶全溶，无存留，不易保存成地貌。第四节岩溶作用区域构造稳定性与地表地质作用4、流动性的水

水必须是流动的，方可将溶蚀入水的Ca2+迅速运走，否则，水