軟弱巖床河道的沖蝕機制與抗沖蝕力評估

張宏恩

南陽市南水北調(diào)工程運行保障中心（南陽市移民服務(wù)中心），河南 南陽 473000

1 假設(shè)研究區(qū)域的概況

流域中上游地區(qū)之地層為更新世礫石、土、砂的臺地堆積及中新世砂巖、頁巖所構(gòu)成。臺地堆積由河流堆積成河谷盆地沉積物及地表堆積物所形成，皆由未膠結(jié)之礫石及夾在其中傾斜平緩的砂質(zhì)或粉質(zhì)凸鏡體組成。礫石常含不同比例之砂、粉砂、粘土混雜，層理及淘選度很差。中新世地層由白、灰色砂巖，深灰色頁巖和砂、頁巖互構(gòu)而成。分布于此區(qū)之地層為更新世地層所組成，地層由老至新為與頭嵙山層(Tks)相當(dāng)?shù)膷€下寮層、二重溪層、六雙層和沖積層四個地層為主，其地層走向約呈南北走向，傾向與河道流向相同，傾角約為10°向西傾。

2 研究采樣進行室內(nèi)試驗結(jié)果

鉆探孔號分別為DH-1、DH-2及DH-3，資料整理如表1。

表1 研究區(qū)域鉆孔資料整理表

在研究區(qū)域進行現(xiàn)場采樣，取回現(xiàn)地河床新鮮的巖塊進行液塑性試驗，試驗結(jié)果見圖1、表2。試驗結(jié)果表明研究區(qū)域內(nèi)巖層土壤含量主要為沉泥質(zhì)粉土，且部分具有塑性。

表2 液塑性試驗結(jié)果與土壤分類表

圖1 液塑性試驗結(jié)果圖

3 軟巖河床沖蝕現(xiàn)象

研究區(qū)屬軟巖河床，同一地點常可見不同的沖蝕現(xiàn)象，且非為典型的硬巖河床沖蝕現(xiàn)象，在研究區(qū)域內(nèi)觀察到可能較具軟巖河床代表性的沖蝕現(xiàn)象說明如下：①水流侵蝕弱面引致的巖塊脫離。②干裂造成的巖塊脫離。③差異侵蝕引致的巖塊脫離。④穴蝕產(chǎn)生壺穴與滑槽。

4 軟巖現(xiàn)地沖蝕機制及其沖蝕速率比較

由各學(xué)者提出的現(xiàn)地硬巖沖蝕機制，可能因為現(xiàn)地水流或地質(zhì)條件的不同而以復(fù)合的型式出現(xiàn)在不同的流域里，單一的侵蝕機制無法對真正的沖蝕狀況做完整的解釋，現(xiàn)場調(diào)查的觀察將可以發(fā)現(xiàn)符合研究區(qū)域內(nèi)的沖蝕機制。較具軟巖河床代表性的沖蝕現(xiàn)象為：①水流侵蝕弱面引致的巖塊脫離；②干裂造成的巖塊脫離；③差異侵蝕引致的巖塊脫離；④穴蝕產(chǎn)生壺穴與滑槽。

4.1 水流沿材料弱面侵蝕—一組層面的情形

當(dāng)巖床為完整巖石時，即巖體表面無明顯弱面，水流的侵蝕作用通常會是純水流、懸浮載或河床載等沖蝕作用所造成顆粒尺度之逐漸磨損行為，但若巖床有一組以上不連續(xù)面時，水流會沿著弱面侵蝕，將弱面擴展，而后由于各種外力的影響，如水流的剪力或自重會使巖體被分解成塊體，這種由巖體變成塊體而后被水流帶走的情況可以解釋為巖塊抽離作用，在形成塊體的期間若底床上因卵礫石沖擊出碎片或巖塊之作用則會加速弱面的侵蝕而使沖蝕作用加速。

在研究區(qū)域里觀察到，當(dāng)巖床本身具有一組巖層傾向順著河流流向的順向河情況時，水流沿著巖體的弱面產(chǎn)生侵蝕的情形，說明如下：①沉積后的成巖作用使巖體本身含有一組原生的不連續(xù)面—層面。②地層受擠壓作用后水流的方向與巖層的傾向相同而形成順向河。③當(dāng)護甲層被移除后，水流沿著巖體的弱面，也就是層面侵蝕，使原本緊密接合的面產(chǎn)生縫隙。④不連續(xù)面繼續(xù)侵蝕，被加深、加寬的作用而使巖體彼此不相接觸。⑤不相接觸而懸空的巖體，因為水流作用方向在下緣產(chǎn)生張力裂縫，或因為重力的作用在上緣產(chǎn)生張力裂縫。⑥張力裂縫繼續(xù)擴展，最后巖體變成塊體而完全脫離的plucking機制。

4.2 泥質(zhì)巖的干濕循環(huán)的干縮、干裂行為

巖床河道之沖蝕，底床巖石多少都傾向于受反復(fù)干濕循環(huán)而由完整巖石漸弱化成頁狀或碎片狀材料，而易于被強大水流所帶走。這種反復(fù)干濕循環(huán)使完整巖石漸弱化成頁狀或碎片狀材料的風(fēng)化情形在本研究區(qū)域并沒有出現(xiàn)，關(guān)鍵可能在于硬巖與軟巖巖性的不同造成。

在研究區(qū)域的上游段，即觸口攔河堰到五虎寮段觀察到巖床風(fēng)化現(xiàn)象，這區(qū)的巖層多為灰色泥巖，層厚約30 cm到數(shù)公尺不等，新鮮且質(zhì)硬。在現(xiàn)地利用地質(zhì)錘敲擊水位面以上新鮮的巖體表面僅能刻出鑿痕，利用強度試驗儀測定巖體表面以下10 cm強度約5～10 MPa。但是在水位面以下的巖體表面疏松，泡水易松散，水流流過表面可以明顯看到顆粒一粒一粒被帶走的磨蝕行為。而在水位升降可達的部分，則可觀察到此種泥巖泡水后水再蒸發(fā)產(chǎn)生干裂的情形，巖體從完整變成破碎，用手就能輕易撥開，破碎的塊體尺寸約為數(shù)厘米至1 m，這種干裂風(fēng)化的影響深度在現(xiàn)場量測約為30 cm，未來應(yīng)有量化資料。①完整的巖層，新鮮強度5～10 MPa，水位面抬升后泡水軟化，巖層表面發(fā)生磨蝕的行為。②水位降低后泡水的巖體干縮、干裂成粉碎狀塊體，干裂的影響深度約30 cm。③干裂后的粉碎狀塊體在下一次水位面再升起的時候能輕易地被水流帶走，較大的塊體會有帶走的順序問題，這種行為可以解釋為抽離的侵蝕機制。

5 水流帶走整層材料后繼續(xù)影響下層的巖體

5.1 砂頁巖互層的差異磨蝕，薄層厚層互相牽動

研究區(qū)域常出現(xiàn)砂巖(或粉砂巖)和頁巖(或泥巖)的互層，這種砂頁巖互層呈30 cm間隔出現(xiàn)的形態(tài)，可以看成厚層砂巖的厚度為30 cm，而薄層頁巖總厚30 cm，頁理間距約1～2 cm。

對于薄層與厚層的沖蝕作用，直覺的判斷薄層由于不連續(xù)面發(fā)達，侵蝕的速率應(yīng)該比厚層來得快，但是在現(xiàn)地觀察到的侵蝕情形卻不是如此。由于厚層的砂巖反而因為膠結(jié)力較弱，在水流流過巖層表面發(fā)生磨蝕的情況下侵蝕速率明顯較快，而比薄層的含泥質(zhì)稍高的頁巖較早被侵蝕，所以在現(xiàn)地隨處可看到薄層與厚層差異侵蝕的現(xiàn)象。但是在薄層失去厚層束制之后容易受水流等外力影響而造成片狀抽離，所被帶走的材料已經(jīng)不是磨蝕差異侵蝕階段顆粒一粒一粒地帶離，而是整片整片材料的抽離行為。

這種砂頁巖互層的差異侵蝕行為，薄層與厚層侵蝕速率又互相牽連的關(guān)系如下說明：①沉積環(huán)境形成砂頁巖互層，每層厚約30 cm，泥質(zhì)含量較高、顆粒較細(xì)的頁巖薄層每層約1～2 cm，砂質(zhì)含料較高的厚層膠結(jié)力較弱。②水流作用在巖床表面，顆粒材料被一粒一粒帶離的磨蝕行為，因為厚層砂巖膠結(jié)力較弱，侵蝕速率大于薄層的頁巖而產(chǎn)生差異侵蝕，薄層也因此失去束制。③當(dāng)薄層失去束制后材料受水流作用容易沿著弱面一片一片的剝離，此時這種行為抽離沖蝕。

5.2 片狀材料被帶離后薄層的侵蝕趕上厚層的侵蝕

當(dāng)水流受到障礙物或階狀落差時，其下游側(cè)局部沖蝕特別顯著。河川中若有障礙物，其下游側(cè)較為顯著之巖床沖蝕，則多源自懸浮載之磨蝕沖蝕。除了磨蝕損耗，穴蝕之角色也不能忽視，壺穴與滑槽之構(gòu)造常與渦流流況下出現(xiàn)之穴蝕沖蝕有關(guān)。

由研究區(qū)域內(nèi)95斷面下游觀察到，當(dāng)極厚層（層厚數(shù)公尺以上）粉砂巖出現(xiàn)時，它的抗侵蝕性相對地較上下層泥質(zhì)或砂質(zhì)巖與頁巖互層高，在上下層泥巖或砂巖與頁巖互層先被侵蝕后，侵蝕速率較慢的粉砂巖會殘留在河道上成為障礙物，虛線可以視為侵蝕后的河床條件，水流越過此障礙時出現(xiàn)穴蝕沖蝕的情況，可以見到壺穴與滑槽等現(xiàn)象。

6 結(jié)論

在軟巖河床與典型硬巖河床有所不同的現(xiàn)地沖蝕現(xiàn)象，將這些現(xiàn)地沖蝕現(xiàn)象整理并提出軟巖河床的現(xiàn)地沖蝕機制分別為：機制一、水流沿材料弱面侵蝕后塊體脫離的情形；機制二、泥質(zhì)巖的干濕循環(huán)的干縮、干裂行為；機制三、砂頁巖互層的差異磨蝕，薄層厚層互相牽動剝離；機制四、極厚層粉砂巖的切穿等；配合沖蝕機制出現(xiàn)的巖層特性可得沖蝕速率比較約為：機制一＞機制三＞機制四＞機制二。