1、第三章、風化與地表流水 地質作用第一節 風化作用第二節 暫時性流水地質作用第三節 河流地質作用教學目的 ： 1.了解風化作用的概念,風化作用的基本類型及表現形式。 2.熟悉巖石風化程度的分級； 3.了解坡面細流及山洪急流的地質作用 掌握河流地質作用；本章重點:巖石風化帶的分級；坡面細流和山洪急流的地質作用對公路工程的影響；河流地質作用的表現形式及特點。本章難點: 河流地質作用的表現形式及特點第一節 風化作用 土的形成經歷了漫長的地質歷史過程。裸露于地表的巖石在溫度和濕度不斷發生變化的過程中反復產生不均勻的膨脹和收縮，并在此過程中產生了大量的裂隙。裂隙的產生為大氣水和植物根系進入巖體內部提供了可

2、能。進入巖體裂隙的大氣水或凝結水在氣溫進一步下降時結冰膨脹，加之植物根系的生長、發育，劈裂作用使裂隙進一步擴展，并最終使原來完整的巖石崩解、碎裂。風、霜、雨、雪的侵蝕和重力作用使已經變得十分破碎的表面巖石剝離，上述作用進一步向內部巖體中發展。被剝離的巖石碎塊、巖屑等在雨、雪水流、風力等的夾帶下向別處搬運，并在地殼相對下降的地方堆積起來。在搬運過程中，土顆粒進一步破碎分散，并使其中較大的顆粒變得渾圓光滑。與此同時，空氣中的二氧化碳、氧氣、二氧化流及地表水和地下水還會在與巖石及巖石顆粒的直接接觸過程中發生一系列的化學反應，從而生成新的礦物。上述作用會使已經破碎的巖石顆粒變得更加細小甚至非常細小。以

3、上就是巖石風化成土的過程。我們將裸露于地殼表面的基巖或裂隙面附近的巖石在各種外力地質作用下產生的崩解、碎裂和變質通稱為巖石的風化；將被風化的巖石在風、雨及重力等的作用下從巖石母體上剝落成為破碎狀的巖石塊體或者巖屑的過程稱之為剝蝕。一、風化作用的類型： 風化促使巖石的狀態或性質發生了改變，并形成了一種與原來巖石的形態、結構、構造、物質成分等不完全相同甚至可以說完全不同的新物質。 巖石風化后，其物質狀態、物理力學性質和化學性質等均發生了劇烈的變化。很多情況下，風化能使巖石破碎，形成細小顆粒的次生粘土礦物高嶺石、蒙脫石及伊利石等，改變了巖石的礦物成分。同時，在風化帶中常有可溶鹽的富集，如碳酸鈣及石膏

4、。由于巖石風化后，節理、裂隙發育，使巖石整體性降低，孔隙度增加，抗剪、抗壓強度降低，透水性增大，這為地下水活動創造了條件。地下水的滲入，又促進巖石進一步風化。如有些巖石直接暴露在大氣中一、二天就開始風化崩解。巖石不同，其在相同條件下的風化情況不同，巖石相同，風化作用性質不同、經受的風化程度不同、沉積環境不同，其生成物的性質也不盡相同。 風化作用的實質是礦物、巖石在地表附近新的物理化學條件下所產生的演化過程。如前所述，自然界中不同的巖石，在不同的自然環境里其反應亦不同；在相同的自然環境條件下，巖石種類不同，其對環境變化的反應亦不同。因為各種巖石在生成時，各具有其特殊性。如巖漿巖是高溫熔融的巖漿在

5、地殼中或地面上冷卻凝固而成；沉積巖是地面上堆積起來的沉積物，經過脫水、壓密、膠結及硬化而形成；而變質巖則是經高溫高壓以及活動性化學元素參與下形成的巖石。 因此，當各種巖石由于地殼運動使其長期暴露在地表以后，就改變了巖石原來的環境條件，使其處于一種新的物理化學條件中，巖石為了適應新的條件，在地表的溫度和壓力，大氣、水、生物活動的長期作用下，改變了原來的性質，變成了新的疏松物質，或物質成分發生了變化。 巖石遭受風化作用的時間愈長，巖石破壞得就愈嚴重。另外，從不同巖石的風化速度來看，有的巖石風化過程進行得很緩慢，其風化特征只有經過長期暴露地表以后才能顯示出來；而有的巖石則相反，如泥巖、頁巖及某些片巖

6、等，當基坑開挖后不久，很快就風化破碎，所以在施工中必須采取相應的工程防護措施。根據巖石風化的自然因素和風化物質的性質，可將風化劃分為物理風化（機械風化）、化學風化和生物風化作用三種類型，其中生物風化可或者歸結為物理風化、或者歸結為化學風化，即風化作用中的兩種最基本類型為物理風化和化學風化。圖3-1 溫度作用引起的巖石崩解過程示意 圖3-2 山體表面巖石的崩解碎裂 圖3-3 冰晶體對巖石的劈裂破壞示意 （2）裂隙中的冰以及其他結晶體產生的膨脹應力引起的劈裂作用（除冰以外，硫酸鈣結晶體也有很強的膨脹作用）。一旦巖石中出現了細微裂隙，大氣降水就會滲入其中，水分的進入或者會在低溫時形成冰楔體沿裂縫兩側

7、擠壓巖石，或者與巖石中的某些物質反應形成結晶膨脹體擠壓巖石，使巖石中原有的裂縫加寬、增長，并為更多水分進入巖體內部創造了條件，逐步使巖石風化崩解。（3）巖體因卸荷而引起的膨脹崩解。隨著上覆巖石不斷被風化剝蝕，原來處于地層深處的巖體距地表面愈來愈近，上覆重力愈來愈小，在重力卸荷作用下，巖體會產生明顯上彈（膨脹），嚴重時就會產生卸荷裂隙。圖3-4 樹木根系對巖石的劈裂破壞示意 （4）樹木生長過程中的根劈作用。巖石的裂縫中除含有一定的水分外，還會充填入一定量的塵土，這樣一來樹木就可在其中生存，隨著樹木的成長，其根系也不斷壯大；更加之巖石表層裂隙中的水分有限，為了獲取樹木生長所需的更充足的水分，巖石裂

8、隙中的植物根系更為發達。植物根系的生長壯大必然擠壓巖石裂縫，使其擴大、增密，導致巖石產生風化，并為風化向巖石內部發展創造了條件。（5）重力作用下的巖塊碎裂和搬運過程中的碰撞、磨圓。在自身重力作用下，在巖石的碎裂塊體從高處向山坡下方滾動的過程中，在風力及流水搬運巖石碎裂塊體的過程中，巖石的碎裂塊體之間或碎裂塊體與地面之間會不斷發生碰撞，碰撞過程中，巖石塊體會變得渾圓起來并進一步破碎變小。（6）風的剝蝕作用（同時為進一步的風化創造了條件）。季節風的作用是干旱和半干旱地區地表巖石風化不可忽視的一個因素。風力將崩裂的巖石碎塊從母巖上剝離，同時又為風化進一步深入巖石深部創造了條件。 化學風化作用是風化作

9、用中的另外一種類型，這類風化作用的結果不僅僅改變了原有巖石的連續性和完整性，而且在改變巖石物質狀態的同時改變了巖石中原有的礦物成分。1、化學風化作用的概念 我們將一切改變了巖石中原有礦物成分的風化作用統稱為化學風化作用。生物生長中的新陳代謝、生物腐蝕和水引起的礦物溶解、再結晶、水化、水解以及大氣引起的氧化、碳酸化、硫酸化等，均會使原有的巖石礦物成分發生改變，并產生新礦物，這類風化作用都屬于化學風化作用。即化學風化是質變風化、是改變原來巖石的物質成分的風化作用。2、化學風化作用的類型 同物理風化作用一樣，化學風化作用也可被細分為若干類型，其中常見的有以下類型：二）化學風化作用 （3） 溶解溶蝕和

10、再結晶 大氣降水是一種溶液，常含有 等酸性物質，尤其是在工業化污染十分嚴重的今天。當大氣降水從巖石的表面特別是巖體裂隙中流過時，巖石中的一部分物質成分溶于水中和水流一起流走，水對巖石的這種作用稱為溶解溶蝕作用。在自然界中經常可以見到巖體中發育有很寬的水溶裂縫、溝渠、洞穴等各種空洞，嚴重時還會造成地表的塌陷，這種現象就是巖溶現象，巖溶地貌就是地下水對石灰巖、白云巖等可溶性巖石地層長期溶解溶蝕的結果。地下水對石灰巖溶解作用的反應式如下： 重碳酸鈣溶于水中被水流帶走，并最終在石灰巖地層中形成溶洞。需要指出的是，巖鹽、石膏比石灰巖和白云巖更易溶解。 含有大量重碳酸鈣的巖溶水在以下條件下又會產生再結晶：

11、巖溶水出露地面或從裂隙中流出時，由于壓力降低，水中的二氧化碳逸出，重碳酸鈣還原為碳酸鈣從水中析出并再結晶。溫度的降低使水對礦物的溶解度降低，導致部分礦物析出并再結晶。水分的蒸發使礦物重新結晶出來。不同溶液的混合使水中的部分礦物質沉淀析出。圖3-5 形成于小三峽崖壁上的再結晶石芽 3 生物的化學風化作用 生物的風化作用有兩種，一種是生長在巖石裂隙中的植物根系的膨大對巖石的劈裂作用，是生物的機械作用，屬物理風化的范疇，該作用作為物理風化的一種類型在前面已經作了介紹。另一種就是生物生長中的新陳代謝物、腐蝕物、分泌物對巖石的破壞作用及微生物對巖石的風化作用。這些顯然屬于化學風化作用的范疇，也可稱其為生

12、物化學風化作用或簡稱化學風化作用。二、影響風化作用的因素 1、巖石的礦物成分巖石化學風化的本質是巖石中各種礦物成分的變質，物理風化同樣與組成巖石的礦物成分有關。按風化的難易程度，我們可將礦物劃分如下：（1）穩定性礦物，如白云母、石英、石榴石等。（2）較穩定性礦物，例如：輝石、角閃石、黑云母、正長石等。（3） 不穩定性礦物，例如：斜長石、橄欖石等。巖石中的不穩定性礦物含量越高，抗風化能力越低。2、巖性巖性包括巖石的結構與構造、礦物顆粒大小與形狀、孔隙率、吸水率、堅固性等物理力學性質。結構致密、巖性堅固、孔隙率和吸水率小的巖石其抗風化能力就好，反之就易風化。3、地質構造與巖體的結構性地質構造對巖體

13、的結構性有很大的影響，而巖體的結構性（巖體結構面的產狀、交匯切割情況、間距大小以及巖體裂隙的張開性、充填情況、滲透性等）又對巖體的抗風化能力有很大影響。巖體的結構面愈發育、裂細愈大、充填情況愈差、滲透性愈好就愈易風化。4、氣候狀況與地表水氣溫高、雨量充足、濕度大、植物生長茂盛的我國南方地區以化學風化為主，溫差大、雨量少、干燥、植被差、風力作用強烈的我國北方地區則以物理風化為主。5、地貌與地下水地貌對巖石風化的影響和水、風、溫差、地勢以及基巖埋藏條件等多重因素有關。地下水對巖石的風化則主要體現為溶解溶蝕和再結晶。6、其它因素：如人類的工程活動等。三、巖石風化的工程地質研究 在工程上，巖石風化的情

14、況可通過兩個方面來表述，一個是巖石的風化程度，另一個是巖石層的風化深度或稱風化巖層的厚度。一）巖石的風化程度 巖石風化以后，其物理力學性質將發生不同程度改變或變化，這種變化的大小取決于風化程度的強弱。風化程度不同，巖石的物理力學性質改變大小也不同。路塹邊坡的坡度、橋基的埋深、隧道襯砌的厚度及施工方法的選擇、山區公路邊坡的表面防護等，都與巖石風化程度密切相關。因此，巖土工程要求，對巖石風化的情況不能僅限于對風化現象的一般描述，必須結合以下各項情況對其風化程度進行分級評價。(1) 巖石顏色的變化 巖石中礦物成分的變化首先反映到顏色上。未經風化的巖石色澤鮮艷，風化愈重，顏色愈暗淡。野外觀察時要注意表

15、面和內部顏色的比較；要注意區分干燥時和潮濕時巖石色調的不同，以間接確定其風化程度。(2) 巖石礦物成分的變化 巖石礦物成分的變化直接關系著巖石的風化程度。要特別注意巖石中那些易于風化的各種礦物成分的變化，例如花崗巖中的黑云母、長石，風化程度愈重，這些不穩定的礦物就愈充分的變為次生礦物。某些沉積巖風化后的成分改變不顯著，但風化較重的巖石常有次生石膏和含水氧化鐵出現。(3) 巖石的破碎程度 巖石的破碎程度是巖石風化程度分級中最重要標志之一。巖石風化破碎是由于巖石中產生大量風化裂隙所致，因此要著重觀察風化裂隙的長度、寬度、密度、形狀及裂隙中的次生充填物情況。以直接判定巖石的風化程度強弱。(4) 巖石

16、物理力學性質的改變巖石風化程度愈重，其堅硬程度便愈低，整體性愈差，力學性質也就愈差。野外觀察時，可以用手錘敲擊，小刀刻劃，或用手折斷等簡易辦法進行試驗，根據需要，必要時也可做野外原地壓縮或剪切試驗。根據上述幾個方面的情況，巖土工程勘察規范（GB50021-2001）把巖石按風化程度劃分為六個等級，具體劃分情況見表3-1。二、巖石的風化深度由于巖石的風化作用一般是自地表面逐漸向巖體內部進行的，因此愈靠近地表，風化作用就愈強烈，巖石的風化程度也愈嚴重；愈向巖石內部，巖石風化得愈輕微，最后過渡到未經風化的新鮮巖石。在相同的外部自然條件下，同樣種類的巖石風化層厚度愈大，其風化程度也就愈嚴重。巖石按風化

17、程度的分類 表3-1 風化程度野 外 特 征風化程度參數指標波 速 比風化系數未 風 化巖質新鮮，偶見風化痕跡0.91.00.91.0微 風 化結構基本未變，僅解理面有渲染或略有變色，有少量風化裂隙0.80.90.80.9中 等風 化結構部分破壞，沿節理面有次生礦物，風化裂隙發育，巖體被切割成巖塊。用鎬難以挖動，巖芯鉆方可鉆進0.6.080.40.8強 風 化結構大部分破壞，礦物成分顯著變化，風化裂隙很發育，巖體破碎，用鎬可以挖動，干鉆不易鉆進0.40.60.4全 風 化結構基本破壞，但尚可辨認，有殘余結構強度，用鎬可挖，干鉆可鉆進0.20.4殘 積 土組織結構全部破壞，已風化成土狀，鍬鎬易挖

18、掘，干鉆易鉆進，具可塑性0.2四、風化作用的工程危害及防護降低巖石強度破壞巖石的完整性為地表水下滲和地下水的流通提供通道誘發不良地質現象加覆蓋層灌注膠結防水材料溫度作用風化殼風化作用風化深度第二節 暫時性流水地質作用 一、概述地面流水有三類：片流（坡流、面流）面狀無槽流水 1.暫時性流水線狀有槽流水 2.常年性流水河流 洪流 現代地貌（高山峽谷、廣闊平原）主要是由流水地質作用形成的，地面流水是分布最廣泛的地質外營力，是塑造大地面貌的雕塑家。 一、片流(坡面細流)的地質作用 1.片流的洗刷作用 片流（坡流、面流）在降雨或融雪時，地表水一部分滲入地下，其余的沿坡面向下運動。這種暫時性的無固定流槽的

19、地面薄層狀、網狀細流稱為片流。 2.片流的堆積作用與坡積物 片流搬運的物體在坡麓堆積下來，形成坡積物。 成分為巖屑、礦屑、沙礫或礦質黏土，與坡上基巖密切相關。碎屑顆粒大小混雜，棱角分明、分選性差，層理不明顯。 坡積物的特點：影響坡積層穩定的因數： 1、下伏基巖頂面的傾斜程度； 2、下伏基巖與坡積層接觸帶的含水情況； 3、坡積層本身的性質。二、洪流的地質作用1.洪流的沖刷作用與沖溝 洪流坡流逐漸集中匯成幾段較大的線狀水流，再向下匯聚成快速奔騰的洪流。 洪流猛烈沖刷溝底、溝壁的巖石并使其遭受破壞，稱為沖刷作用。 沖刷作用將坡面凹地沖刷成兩壁陡峭的溝谷。多次沖刷兩側形成許多小沖溝，共同構成了沖溝系統。 當沖溝下切到地下水面時，便形成了小溪。 2.沖溝形成發展的四個階段：1、沖槽階段（細溝階段）