地表流水的地质作用

时间：2022-01-28 百科知识版权反馈

【摘要】：雨水、融雪水对整个坡面所进行的这种比较均匀、缓慢和在短期内并不显著的地质作用，称为洗刷作用。

地表流水的地质作用_土木工程地质

7.2　地表流水的地质作用

在大陆上有两种地表流水：一种是时有时无的，如雨水、融雪水及山洪急流，它们只在降雨或积雪融化时产生，称为暂时流水；另一种是终年流动不息的，如河水、江水，称为长期流水。不论长期流水或暂时流水，在流动过程中都要与地表的土石发生相互作用，产生侵蚀、搬运和堆积作用，形成各种地貌和不同的松散沉积层。地表流水不仅是影响地表形态不断发展变化的一个带有普遍性的重要自然因素，而且是经常影响着工程的建筑条件。

7.2.1　暂时流水的地质作用

雨水降落到地面或覆盖地面的积雪融化时，其中一部分被蒸发，一部分渗入地下，剩下的部分则形成无数的网状坡面细流，从高处沿斜坡向低处流动，时而冲刷，时而沉积，不断地使坡面的风化岩屑和黏土物质沿斜坡向下移动，最后，在坡脚或山坡低凹处沉积下来形成坡积层。雨水、融雪水对整个坡面所进行的这种比较均匀、缓慢和在短期内并不显著的地质作用，称为洗刷作用。可以看出，雨水、融雪水的洗刷作用，一方面对山坡地貌起着逐渐变缓和均夷坡面起伏的作用，对坡面地貌形态的发展发生影响，另一方面伴随产生松散堆积物，形成坡积层。

洗刷作用的强度和规模，在一定的气候条件下与山坡的岩性、风化程度和坡面植物的覆盖程度有关，一般在缺少植物的土质山坡或风化严重的软弱岩质山坡上洗刷作用比较显著。

图7－3　坡积层示意图

1—基岩；2—坡积层

由坡面细流洗刷作用形成的坡积层（见图7－3），它顺着坡面沿山坡的坡脚或山坡的凹坡呈缓倾斜裙状分布，在地貌上称为坡积裙。坡积层的厚度，由于碎屑物质的来源、下伏地貌及堆积过程不同，变化很大，就其本身来说，一般是中下部较厚，向山坡上部逐渐变薄以至尖灭，坡积层可分为山地坡积层和山麓平原坡积层两个亚组。山地坡积层一般以亚黏土夹碎石为主，而山麓平原坡积层则以亚黏土为主，夹有少量的碎石。在我国北方干旱、半干旱地区的山麓平原坡积物，常具有黄土状的某些特征。

坡积层物质未经长途搬运，碎屑棱角明显，分选性不好，通常都是一些天然孔隙度很高的含有棱角状碎石的亚黏土。与残积层不同的是坡积层的组成物质经过了一定距离的搬运，形成间歇性的堆积，可能有一些不太明显的倾斜层理，同时与下伏基岩没有成因上的直接联系。

除下伏基岩顶面的坡度平缓者外，坡积层多处于不稳定状态。实践证明，山区傍坡工程挖方边坡稳定性的破坏，大部分是在坡积层中发生的。影响坡积层稳定性的因素，概括起来主要有三个方面：①下伏基岩顶面的倾斜程度；②下伏基岩与坡积层接触带的含水情况；③坡积层本身的性质。

当坡积层的厚度较小时，其稳定程度首先取决于下伏基岩顶面的倾斜程度，如下伏地形或岩层顶面与坡积层的倾斜方向一致且坡度较陡时，尽管地面坡度很缓，也易于发生滑动。山坡或河谷谷坡上的坡积层的滑动，经常是沿着下伏地面或基岩的顶面发生的。

当坡积层与下伏基岩接触带有水渗入而变得软弱湿润时，坡积层与基岩顶面的摩阻力将显著减低，更容易引起坡积层发生滑动。坡积层内的挖方边坡在久雨之后容易产生塌方，由此可见，水的作用是一个带有普遍性的原因。

由于坡积层的孔隙度一般都比较高，特别是在黏土颗粒含量高的坡积层中，雨季含水量增加，不仅增大了本身的重量，而且抗剪强度随之降低，因而稳定性就跟着大为减小，以粗碎屑为主组成的坡积层，其稳定性受水的影响一般不像黏土颗粒那样显著。

除此以外，在低山地区和丘陵地区还常有一种坡积－残积物的混合堆积层存在，并兼有二者的工程特性，实践中应予以注意。

山洪急流一般是由暂时性的暴雨形成的。山坡上的积雪急剧消融时也可产生山洪急流。山洪急流大都沿着凹形汇水斜坡向下倾泻，具有较大的流量和很高的流速，在流动过程中发生显著的线状冲刷，形成冲沟，并把冲刷下来的碎屑物质夹带到山麓平原或沟谷口堆积下来，形成洪积层。

（1）冲沟

冲沟虽然是一个地貌上的问题，但是在西北黄土高原地区，其形成和发展却对工程建筑条件产生重要影响，特别是对公路和铁路工程的建设与运营有着重大影响。如陕北的绥德、吴旗，陇东的庆阳、宁县，冲沟系统规模之大，切割之深，发展之快，均为其他地区所罕见。在那些地区，冲沟使地形变得支离破碎，路线布局往往受到冲沟的控制，不仅增加路线长度和跨沟工程，增大工程费用，而且经常由于冲沟的不断发展，截断路基，中断交通，或者由于洪积物掩埋道路，淤塞涵洞，影响正常运输。

冲沟是在一定的地形、地质和气候条件下形成的。它广泛地发育在土质疏松、缺少植被和暴雨较多地区的斜坡。在我国，气候干旱，暴雨径流较大的西北黄土分布地区，是冲沟发育比较典型的地区。

冲沟的发展，是以溯源侵蚀的方式由沟头向上逐渐延伸扩展的。在厚度很大的均质土分布地区，冲沟的发展大致可以分为以下四个阶段。

①冲槽阶段。

坡面径流局部汇流于凹坡，开始沿凹坡发生集中冲刷，形成不深的切沟。沟床的纵剖面与斜坡剖面基本一致〔见图7－4（a）〕。在此阶段，只要填平沟槽，注意调节坡面流水不再汇注，种植草皮保护坡面，即可使冲沟不再发展。

图7－4　冲沟纵剖面的发展阶段

（a）冲槽阶段；（b）下切阶段；（c）平衡阶段；（d）休止阶段

②下切阶段。

由于冲沟不断发展，沟槽汇水增大，沟头下切，沟壁坍塌，使冲沟不断向上延伸和逐渐加宽。此时的沟床纵剖面与斜坡已不一致，出现悬沟陡坎〔见图7－4（b）〕，在沟口平缓地带开始有洪积物堆积。在冲沟发育地带进行公路、铁路勘察时，路线应避免从处于下切阶段的冲沟顶部或靠近沟壁的地带通过。否则，除要进行一般性防治外，为防止冲沟进一步发展而影响路基稳定，还必须采取积极的工程防治措施，如加固沟头、铺砌沟底、设置跌水及加固沟壁等。

③平衡阶段。

悬沟陡坎已经消失，沟床已下切拓宽，形成凹形平缓的平衡剖面，冲刷逐渐削弱，沟底开始有洪积物沉积〔见图7－4（c）〕。在此阶段，应注意冲沟发生侧蚀和加固沟壁。

④休止阶段。

沟头溯源侵蚀结束，沟床下切基本停止，沟底有洪积物堆积〔见图7－4（d）〕，并开始有植物生长。处于休止阶段的冲沟，除地形上的考虑外，对如公路、铁路等工程已无特殊的影响。

冲沟发展的上述阶段，是指在厚层均质土层如黄土层中冲沟发展的一般情况。发育在非均质土层，或残积、坡积、洪积等第四纪松散堆积层中的冲沟，其发展情况除受堆积物的性质、结构和厚度等因素的影响外，还受下伏岩层的岩性、产状条件的影响，因此不一定能划分出上述四个阶段，也不一定会形成平衡剖面。所以，在实践中分析冲沟的发展情况，评价冲沟对建筑物可能产生的影响时，应结合冲沟地层情况和所处的自然地理条件，作具体分析。

（2）洪积层

洪积层是由山洪急流搬运的碎屑物质组成的。当山洪夹带大量的泥砂石块流出沟口后，由于沟床纵坡变缓，地形开阔，水流分散，流速降低，搬运能力骤然减小，所夹带的石块、岩屑、砂砾等粗大碎屑先在沟口堆积下来，较细的泥砂继续随水搬运，多堆积在沟口外围一带。由于山洪急流的长期作用，在沟口一带就形成了扇形展布的堆积体，在地貌上称为洪积扇。洪积扇的规模逐年增大，有时与相邻沟谷的洪积扇互相连接起来，形成规模更大的洪积裙或洪积冲积平原。

上面已经提到，洪积层是第四纪陆相堆积物中的一个类型，从工程地质观点来看，洪积层有以下一些主要特征。

①组成物质分选不良，粗细混杂，碎屑物质多带棱角，磨圆度不佳。

②有不规则的交错层理，透镜体，尖灭及夹层等。

③山前洪积层由于周期性的干燥，常含有可溶盐类物质，在土粒和细碎屑间，往往形成局部的软弱结晶联结，但遇水作用后，联结就会破坏。

洪积层主要分布于山麓坡脚的沟谷出口地带及山前平原，从地形上看，是有利于工程建筑的。由于洪积物在搬运和沉积过程中的某些特点，规模很大的洪积层一般可划分为三个工程地质条件不同的地段（见图7－5）：靠近山坡沟口的粗碎屑沉积地段，孔隙大，透水性强，地下水埋藏深，压缩性小，承载力比较高，是良好的天然地基；洪积层外围的细碎屑沉积地段，如果在沉积过程中受到周期性的干燥，黏土颗粒发生凝聚并析出可溶盐分，则洪积层的结构颇为结实，承载力也是比较高的；在上述两地段之间的过渡带，因为常有地下水溢出，水文地质条件不良，对工程建筑不利。

图7－5　山前洪积山剖面图

由上述情况可以看出，洪积层的工程性质，是影响工程建筑条件的重要因素之一。但影响最大的，则是山洪急流对工程的直接冲刷和洪积物掩埋以及淤塞桥涵所造成的种种病害问题。

7.2.2　河流的地质作用

具有明显河槽的常年或季节性水流称为河流。河水通过侵蚀、搬运和堆积作用使地表形成河床，并使河床的形态不断发生变化，河床形态的变化反过来又影响着河水的流速场，从而促使河床发生新的变化，二者互相作用，互相影响。河流的侵蚀、搬运和堆积作用，可以认为是河水与河床动平衡不断发展的结果。随着大型水利、水电事业的飞速发展，人类的工程活动正在大规模地影响着河流地质作用的自然过程。

在一定的地质条件下，河流地质作用的能量，与河水的动能有关。河水的动能与流量和流速平方的乘积成正比。河流在洪水期冲刷、搬运和堆积作用之所以特别强烈，就是因为河流的流量、流速显著增大，河水动能显著增强。河流的长期作用，使地表形成了河床、河漫滩、河流阶地和河谷等各种河流地貌，同时也形成了第四纪陆相堆积物的另一个成因类型，即冲积层。

1）河流的侵蚀、搬运与沉积作用

（1）侵蚀作用

河水在流动的过程中不断加深和拓宽河床的作用称为河流的侵蚀作用。按其作用的方式，可分为溶蚀和机械侵蚀两种。溶蚀是指河水对组成河床的可溶性岩石不断地进行化学溶解，使之逐渐随水流失的过程。河流的溶蚀作用在石灰岩、白云岩等可溶性岩类分布地区比较显著。此外，如河水对其他岩石中可溶性矿物发生溶解，使岩石的结构松散破坏，则有利于机械侵蚀作用的进行。机械侵蚀作用包括流动的河水对河床组成物质的直接冲击和夹带的砂砾、卵石等固体物质对河床的磨蚀。机械侵蚀在河流的侵蚀作用中具有普遍的意义，它是山区河流的一种主要侵蚀方式。

图7－6　河流袭夺现象

Ⅰ—支流A向源侵蚀；Ⅱ—B河被袭夺；Ⅲ—A河河谷加深延长

河流的侵蚀作用，按照河床不断加深和拓宽的发展过程，可分为下蚀作用和侧蚀作用。下蚀和侧蚀是河流侵蚀统一过程中互相制约和互相影响的两个方面，不过在河流的不同发展阶段，或同一条河流的不同部分，由于河水动力条件的差异，不仅下蚀和侧蚀所显示的优势会有明显的区别，而且河流的侵蚀和沉积优势也会有显著的差别。

①下蚀作用。

河水在流动过程中使河床逐渐下切加深的作用，称为河流的下蚀作用。河水夹带固体物质对河床的机械破坏，是使河流下蚀的主要因素。其作用强度取决于河水的流速和流量，同时，也与河床的岩性和地质构造有密切的关系。很明显，河水的流速和流量大时，下蚀作用的能量大，如果组成河床的岩石坚硬且无构造破坏现象，则会抑制河水对河床下切的速度。反之，如岩性松软或受到构造作用的破坏，则下蚀易于进行，河床下切过程加快。

下蚀作用使河床不断加深，切割成槽形凹地，形成河谷。在山区河流下蚀作用强烈，可形成深而窄的峡谷。金沙江虎跳峡，谷深达3　000m。长江三峡，谷深达1　500m。滇西北的金沙江河谷，平均每千年下蚀60cm。北美科罗拉多河谷，平均每千年下蚀40cm。

河流的侵蚀过程总是从河的下游逐渐向河源方向发展的，这种溯源推进的侵蚀过程称为溯源侵蚀。分水岭不断遭到剥蚀切割，河流长度的不断增加，以及河流的袭夺现象（见图7－6），都是河流溯源侵蚀造成的结果。

河流的下蚀作用并不是无止境地继续下去，而是有它自己的基准面的。因为随着下蚀作用的发展，河床不断加深，河流的纵坡逐渐变缓，流速降低，侵蚀能量削弱，达到一定的基准面后，河流的侵蚀作用将趋于消失。河流下蚀作用消失的平面，称为侵蚀基准面。流入主流的支流，基本上以主流的水面为其侵蚀基准面；流入湖泊海洋的河流，则以湖面或海平面为其侵蚀基准面。大陆上的河流绝大部分都流入海洋，而且海洋的水面也较稳定，所以又把海平面称为基本侵蚀基准面。侵蚀基准面并不是固定不变的，由于构造运动的区域性和差异性，会引起水系侵蚀基准面发生变化。侵蚀基准面一经变动，则会引起相关水系的侵蚀和堆积过程发生重大的改变。所以，根据河谷侵蚀与堆积地貌组合形态的研究，能够对地区新构造运动的情况作出判断。

②侧蚀作用。

河水在流动过程中，一方面不断刷深河床，同时也不断地冲刷河床两岸，这种使河床不断加宽的作用，称为河流的侧蚀作用。河水在运动过程中横向环流的作用，是促使河流产生侧蚀的经常性因素。此外，河水受支流或支沟排泄的洪积物以及其他重力堆积物的障碍顶托，致使主流流向发生改变，引起对岸产生局部冲刷，这也是一种在特殊条件下产生的河流侧蚀现象。在天然河道上能形成横向环流的地方很多，但在河湾部分最为显著〔见图7－7（a）〕。当运动的河水进入河湾后，由于受离心力的作用，表层流束以很大的流速冲向凹岸，产生强烈冲刷，使凹岸岸壁不断坍塌后退，并将冲刷下来的碎屑物质由底层流束带向凸岸堆积下来〔见图7－7（b）〕。横向环流的作用，使凹岸不断受到强烈冲刷，凸岸不断发生堆积，结果使河湾的曲率增大，并受纵向流的影响，使河湾逐渐向下游移动，因而导致河床发生平面摆动。这样天长日久，整个河床就被河水的侧蚀作用逐渐地拓宽（见图7－8）。

图7－7　横向环流示意图

（a）河流横向环流；（b）河曲处横向环流断面图

图7－8　侧蚀作用使河谷加宽

沿河布设的公路与铁路工程，往往由于河流的水位变化及侧蚀，路基发生水毁现象，特别是在河湾凹岸地段，最为显著。因此，在确定路线具体位置时，必须加以注意。在河湾部分横向环流作用明显加强，容易发生坍岸，并产生局部剧烈冲刷和堆积作用，河床容易发生平面摆动，这对于桥梁建筑，也是很不利的。

图7－9　蛇曲的发展与牛轭湖的形成

a—弯曲河道；b—蛇曲；c—牛轭湖

河流侧蚀的不断发展，致使河流形成一个河湾接着一个河湾〔见图7－9（a）〕，并使河湾的曲率越来越大，河流的长度越来越长，结果使河床的比降逐渐减小，流速不断减低，侵蚀能量逐渐削弱，直至常水位时已无能力继续发生侵蚀为止。这时河流所特有的平面形态，称为蛇曲〔见图7－9（b）〕。有些处于蛇曲形态的河湾，彼此之间十分靠近，一旦流量增大，会截弯取直，流入新开拓的局部河道，而残留的原河湾的两端因逐渐淤塞而与原河道隔离，形成状似牛轭的静水湖泊，称为牛轭湖〔见图7－9（c）〕。最后，受淤积的不断影响，牛轭湖逐渐成为沼泽，以至消失。这类现象，在我国江汉平原的南缘（如从湖北的枝江到湖南的城陵矶一带），发育比较良好。在那里，荆江蜿蜒曲折，素有“九曲回肠”之称。

上述河湾的发展和消亡过程，一般只在平原区的某些河流中出现。这是因为河湾的发展既受河流动力特征的影响，也受地区岩性和地质构造条件的制约，此外与河流夹砂量也有一定的关系。在山区，由于河床岩性以石质为主，所以河湾的发展过程极为缓慢，在一些输砂量大的平原河流中，曲率很大的河湾一般不容易形成，即使形成也会很快消失。

下蚀和侧蚀是河流侵蚀作用的两个密切联系的方面，河流下蚀与侧蚀的共同作用，使河床不断地加深和拓宽。各地河床的纵坡、岩性、构造等不同，两种作用的强度也就不同，或以下蚀为主，或以侧蚀为主。如果河流只进行下蚀作用，或以下蚀作用为主，则河谷横断面呈V形。如果河流只进行侧蚀作用，或以侧蚀作用为主，则河谷横断面呈U形，谷底宽平。如下蚀作用与侧蚀作用等量进行，则河谷横断面多不对称。河水流动具有紊流的性质，是以由纵流与横向环流组合而成螺旋状流束流动的，流速大时，纵流占优势；流速小时，横向环流占优势。一般在河流的中下游、平原区河流或处于老年期的河流，由于河湾增多，纵坡变小，流速降低，横向环流的作用相对增强，从这个意义上来说，以侧蚀作用为主；在河流的上游，由于河床纵坡大、流速大、纵流占主导地位，从总体上来说，以下蚀作用为主。

（2）搬运作用

河流在流动过程中夹带沿途冲刷侵蚀下来的物质（泥砂、石块等）离开原地的移动作用，称为搬运作用。河流的侵蚀和堆积作用，在一定意义上都是通过搬运过程来进行的。河水搬运能量的大小，取决于河水的流量和流速，在一定的流量条件下，流速是影响搬运能量的主要因素。河流搬运物的粒径d与水流流速的平方成正比，即d∝v2。

河流搬运的物质，主要来自谷坡洗刷、崩落、滑塌下来的产物和冲沟内洪流冲刷出来的产物，其次是河流侵蚀河床的产物。

河流的搬运作用有浮运、推移和溶运三种形式。一些颗粒细、比重小的物质悬浮于水中随水搬运。如我国黄河中的大量黄土物质就是主要通过悬浮的方式进行搬运的。比较粗大的砂子、砾石等，主要受河水冲动，沿河底推移前进。在河水中还有大量处于溶液状态的被溶解物质随水流走。

（3）沉积作用

河流在运动过程中，能量不断受到损失，当河水夹带的泥砂、砾石等搬运物质超过了河水的搬运能力时，被搬运的物质便在重力作用下逐渐沉积下来，形成河流冲积层。河流沉积物几乎全部是泥砂、砾石等机械碎屑物，而化学溶解的物质多在进入湖盆或海洋等特定的环境后才开始发生沉积。

河流的沉积特征，在一定的流量条件下主要受河水的流速和搬运物重量的影响，所以一般都具有明显的分选性。粗大的碎屑先沉积，细小的碎屑能搬运比较远的距离再沉积。由于河流的流量、流速及搬运物质补给的动态变化，因而在冲积层中一般存在具有明显结构特征的层理。从总的情况看，河流上游的沉积物比较粗大，向河流的下游沉积物的粒径逐渐变小，流速较大的河床部分沉积物的粒径比较粗大，在河床外围沉积物的粒径逐渐变小。

2）冲积层

在河谷内由河流的沉积作用所形成的堆积物，称为冲积物。冲积物的特点是，具有良好的磨圆度和分选性，它是第四纪陆相沉积物中的一个主要成因类型。冲积物按其沉积环境的不同，可分为河床相、河漫滩相、牛轭湖相、蚀余堆积相与河口三角洲相等。

（1）冲积物的相

①河床相冲积物、河漫滩相冲积物、牛轭湖相冲积物。以上三类冲积物的形成及特征详见本书2.1.4小节。

②蚀余堆积相冲积物。它常见于山区河流中，多为巨砾和大块石，可能来自山坡的崩落岩块，也可能是河底的残余岩块。

③河口三角洲相冲积物。它是在河流入海（湖）口范围内形成的沉积物。三角洲冲积层分水上和水下两部分。水上部分主要由河床和河漫滩冲积物组成，以黏土和细砂为主，一般呈层状或透镜体，含水量高，结构疏松，强度和稳定性差。水下部分主要由河流冲积物和海（湖）淤积物混合组成，呈倾斜产状。

（2）冲积层的类型

①山区河谷冲积层。

山区河谷，由于不同河段的岩性和地质构造不同，常是峡谷（V形谷）和宽谷（箱形谷）交替出现，也由于发展阶段的不同，而有峡谷和宽谷的区分。

在峡谷中，谷底几乎全为河床所占据，冲积物只能在河床中形成。这种冲积物的主要类型是河床相，由漂石、卵石、砾石及砂等粗碎屑物质组成（见图7－10）。冲积层结构比较复杂，常有透镜体及不规则的夹层，厚度很薄，甚至河床基岩裸露，没有冲积层。

在宽谷中，出现沿岸浅滩，造成河床与浅滩流速的差别。随着浅滩的扩大，这种差别使得推移质的搬运只能在河床范围以内进行，而在浅滩部分则开始产生悬浮质的堆积，其结果是形成河漫滩冲积层的二元结构（见图7－11），底层是河床相推移质沉积物，上层是河漫滩相悬浮质沉积物。这种二元结构显然是河床侧向移动的结果。