软弱岩床河道的冲蚀机制与抗冲蚀力评估

张宏恩

南阳市南水北调工程运行保障中心（南阳市移民服务中心），河南 南阳 473000

1 假设研究区域的概况

流域中上游地区之地层为更新世砾石、土、砂的台地堆积及中新世砂岩、页岩所构成。台地堆积由河流堆积成河谷盆地沉积物及地表堆积物所形成，皆由未胶结之砾石及夹在其中倾斜平缓的砂质或粉质凸镜体组成。砾石常含不同比例之砂、粉砂、粘土混杂，层理及淘选度很差。中新世地层由白、灰色砂岩，深灰色页岩和砂、页岩互构而成。分布于此区之地层为更新世地层所组成，地层由老至新为与头嵙山层(Tks)相当的崁下寮层、二重溪层、六双层和冲积层四个地层为主，其地层走向约呈南北走向，倾向与河道流向相同，倾角约为10°向西倾。

2 研究采样进行室内试验结果

钻探孔号分别为DH-1、DH-2及DH-3，资料整理如表1。

表1 研究区域钻孔资料整理表

在研究区域进行现场采样，取回现地河床新鲜的岩块进行液塑性试验，试验结果见图1、表2。试验结果表明研究区域内岩层土壤含量主要为沉泥质粉土，且部分具有塑性。

表2 液塑性试验结果与土壤分类表

图1 液塑性试验结果图

3 软岩河床冲蚀现象

研究区属软岩河床，同一地点常可见不同的冲蚀现象，且非为典型的硬岩河床冲蚀现象，在研究区域内观察到可能较具软岩河床代表性的冲蚀现象说明如下：①水流侵蚀弱面引致的岩块脱离。②干裂造成的岩块脱离。③差异侵蚀引致的岩块脱离。④穴蚀产生壶穴与滑槽。

4 软岩现地冲蚀机制及其冲蚀速率比较

由各学者提出的现地硬岩冲蚀机制，可能因为现地水流或地质条件的不同而以复合的型式出现在不同的流域里，单一的侵蚀机制无法对真正的冲蚀状况做完整的解释，现场调查的观察将可以发现符合研究区域内的冲蚀机制。较具软岩河床代表性的冲蚀现象为：①水流侵蚀弱面引致的岩块脱离；②干裂造成的岩块脱离；③差异侵蚀引致的岩块脱离；④穴蚀产生壶穴与滑槽。

4.1 水流沿材料弱面侵蚀—一组层面的情形

当岩床为完整岩石时，即岩体表面无明显弱面，水流的侵蚀作用通常会是纯水流、悬浮载或河床载等冲蚀作用所造成颗粒尺度之逐渐磨损行为，但若岩床有一组以上不连续面时，水流会沿着弱面侵蚀，将弱面扩展，而后由于各种外力的影响，如水流的剪力或自重会使岩体被分解成块体，这种由岩体变成块体而后被水流带走的情况可以解释为岩块抽离作用，在形成块体的期间若底床上因卵砾石冲击出碎片或岩块之作用则会加速弱面的侵蚀而使冲蚀作用加速。

在研究区域里观察到，当岩床本身具有一组岩层倾向顺着河流流向的顺向河情况时，水流沿着岩体的弱面产生侵蚀的情形，说明如下：①沉积后的成岩作用使岩体本身含有一组原生的不连续面—层面。②地层受挤压作用后水流的方向与岩层的倾向相同而形成顺向河。③当护甲层被移除后，水流沿着岩体的弱面，也就是层面侵蚀，使原本紧密接合的面产生缝隙。④不连续面继续侵蚀，被加深、加宽的作用而使岩体彼此不相接触。⑤不相接触而悬空的岩体，因为水流作用方向在下缘产生张力裂缝，或因为重力的作用在上缘产生张力裂缝。⑥张力裂缝继续扩展，最后岩体变成块体而完全脱离的plucking机制。

4.2 泥质岩的干湿循环的干缩、干裂行为

岩床河道之冲蚀，底床岩石多少都倾向于受反复干湿循环而由完整岩石渐弱化成页状或碎片状材料，而易于被强大水流所带走。这种反复干湿循环使完整岩石渐弱化成页状或碎片状材料的风化情形在本研究区域并没有出现，关键可能在于硬岩与软岩岩性的不同造成。

在研究区域的上游段，即触口拦河堰到五虎寮段观察到岩床风化现象，这区的岩层多为灰色泥岩，层厚约30 cm到数公尺不等，新鲜且质硬。在现地利用地质锤敲击水位面以上新鲜的岩体表面仅能刻出凿痕，利用强度试验仪测定岩体表面以下10 cm强度约5～10 MPa。但是在水位面以下的岩体表面疏松，泡水易松散，水流流过表面可以明显看到颗粒一粒一粒被带走的磨蚀行为。而在水位升降可达的部分，则可观察到此种泥岩泡水后水再蒸发产生干裂的情形，岩体从完整变成破碎，用手就能轻易拨开，破碎的块体尺寸约为数厘米至1 m，这种干裂风化的影响深度在现场量测约为30 cm，未来应有量化资料。①完整的岩层，新鲜强度5～10 MPa，水位面抬升后泡水软化，岩层表面发生磨蚀的行为。②水位降低后泡水的岩体干缩、干裂成粉碎状块体，干裂的影响深度约30 cm。③干裂后的粉碎状块体在下一次水位面再升起的时候能轻易地被水流带走，较大的块体会有带走的顺序问题，这种行为可以解释为抽离的侵蚀机制。

5 水流带走整层材料后继续影响下层的岩体

5.1 砂页岩互层的差异磨蚀，薄层厚层互相牵动

研究区域常出现砂岩(或粉砂岩)和页岩(或泥岩)的互层，这种砂页岩互层呈30 cm间隔出现的形态，可以看成厚层砂岩的厚度为30 cm，而薄层页岩总厚30 cm，页理间距约1～2 cm。

对于薄层与厚层的冲蚀作用，直觉的判断薄层由于不连续面发达，侵蚀的速率应该比厚层来得快，但是在现地观察到的侵蚀情形却不是如此。由于厚层的砂岩反而因为胶结力较弱，在水流流过岩层表面发生磨蚀的情况下侵蚀速率明显较快，而比薄层的含泥质稍高的页岩较早被侵蚀，所以在现地随处可看到薄层与厚层差异侵蚀的现象。但是在薄层失去厚层束制之后容易受水流等外力影响而造成片状抽离，所被带走的材料已经不是磨蚀差异侵蚀阶段颗粒一粒一粒地带离，而是整片整片材料的抽离行为。

这种砂页岩互层的差异侵蚀行为，薄层与厚层侵蚀速率又互相牵连的关系如下说明：①沉积环境形成砂页岩互层，每层厚约30 cm，泥质含量较高、颗粒较细的页岩薄层每层约1～2 cm，砂质含料较高的厚层胶结力较弱。②水流作用在岩床表面，颗粒材料被一粒一粒带离的磨蚀行为，因为厚层砂岩胶结力较弱，侵蚀速率大于薄层的页岩而产生差异侵蚀，薄层也因此失去束制。③当薄层失去束制后材料受水流作用容易沿着弱面一片一片的剥离，此时这种行为抽离冲蚀。

5.2 片状材料被带离后薄层的侵蚀赶上厚层的侵蚀

当水流受到障碍物或阶状落差时，其下游侧局部冲蚀特别显著。河川中若有障碍物，其下游侧较为显著之岩床冲蚀，则多源自悬浮载之磨蚀冲蚀。除了磨蚀损耗，穴蚀之角色也不能忽视，壶穴与滑槽之构造常与涡流流况下出现之穴蚀冲蚀有关。

由研究区域内95断面下游观察到，当极厚层（层厚数公尺以上）粉砂岩出现时，它的抗侵蚀性相对地较上下层泥质或砂质岩与页岩互层高，在上下层泥岩或砂岩与页岩互层先被侵蚀后，侵蚀速率较慢的粉砂岩会残留在河道上成为障碍物，虚线可以视为侵蚀后的河床条件，水流越过此障碍时出现穴蚀冲蚀的情况，可以见到壶穴与滑槽等现象。

6 结论

在软岩河床与典型硬岩河床有所不同的现地冲蚀现象，将这些现地冲蚀现象整理并提出软岩河床的现地冲蚀机制分别为：机制一、水流沿材料弱面侵蚀后块体脱离的情形；机制二、泥质岩的干湿循环的干缩、干裂行为；机制三、砂页岩互层的差异磨蚀，薄层厚层互相牵动剥离；机制四、极厚层粉砂岩的切穿等；配合冲蚀机制出现的岩层特性可得冲蚀速率比较约为：机制一＞机制三＞机制四＞机制二。