工程地质与水文教案.docx

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工程地质与水文教案

绪论

教学目的与要求

1、了解工程地质，水文地质等基本概念

2、说明工程地质在公路建设中的作用

3、论述本课程的主要内容及学习要求

重点与难点

1、工程地质与此地质工程的不同

2、了解工程地质的学习及工程应用

导入

实际的工程例证，分析工程地质对工程的影响及重要性

新课内容

绪论

一、三峡工程

1、由三峡工程的施工建设说明工程地质的重要性

1919年孙中山首次提出

1953年毛泽东再次提出

1984年—1992年，可行性研究

1994年—2007年，主体建设完成

2008年，讯期水位达到期175米

水位引发的灾害

岩石的应力与应变特性导致灾害，滑坡，诱发地震，失稳，融洞，著名的千将坪悲剧

2003年月13日，二期蓄水落石出35米，2000万立方土滑坡

导致24人死亡，经济损失无数

二、工程地质的发展

首先，做为土木工程的分支学科，后来由于重要性提升成为独立学科。

科技的进步，工程的发展，楼房的高低。

地质体改造，地质灾害防治。

工程地质的研究范围及学科分类

三、工程地质发展的三个阶段

1二战前后,地质条件的研究评价工作

260年代——80年代，稳定性分析，预测研究

380年代后，新技术，改造防冶

地质技术：

一勘察技术

二测试试验技术

三改造技术

第一章

教学目的及要求

1、描述地球演化史

2、说明内外动力作用

重点与难点

1、地球的内外作用及分类

导入

1、地球起源及构造

新课内容

第一节概况

一、地球构造

1、外圈：

大气圈、水圈、生物圈。

2、内圈：

地壳、地幔、地核。

二、形状及大小

1、陆地地形：

2、海底地形；

三、物理性质

1、重力G；

2、温度；

3、地磁：

4、弹塑性：

第二节地质年代与地层单位

一、相对相代、，绝支年龄

时代单位地层单位

宙宇

代界

纪系

世流

第三节地质作用

一、内动力作用

地壳运动，

岩桨作用，

变质作用，

地震作用，

能量来源

二、外动力作用

风化，剥蚀，搬运，

沉积，地质作用，

或岩石的作用

能量来源

三、对地球的改造

补充：

地质的（时间与空间）观念。

趣闻故事/蒙古自治区

第二章矿物与岩石

教学目的及要求

1、描述并识别主要矿物

2、识别岩石，并描述其成因，矿物组成，结构和构造

3、描述其工程性质

重点与难点

1、识别主要矿物

2、岩石的工程性质

导入：

地球的物质组成，工程的地质研究范围的物质

新课内容

第一节凿岩矿物

一、矿物组成岩石，岩石是矿物集合体，地质作用性质和所处环境不同，各有差异。

岩石结构：

岩石构造：

按成因分类：

三大岩石（岩浆岩，沉积岩，变质岩）。

稳定性及强度的影响，为工程地质服务。

二、凿岩矿物

1、矿物：

地壳的基本物质。

发现的3300多种。

常见200多种。

常见凿岩矿物30余种。

结晶质：

特点。

非结晶质：

特点。

单体和积合体形态：

片状、放射状。

矿物成因分类：

原生矿，此生矿，变质矿，

2、物理性质

（1）、光学性质：

颜色，条痕，光泽，透明度

（2）、力学性质：

硬度，解离断口。

（3）、其它性质：

磁性，弹性，发光性，

3、常见的主要凿岩矿物

区别：

化学成分，内部构造，物理性质。

第二节岩浆岩

一|、成因：

侵入岩，喷出岩

二、产状：

岩石生成的空间位置，大小，形状。

三、主要特征

1、化学成分：

O,SiALFeCaNakMgH九种占百分之98.13.

2、矿物成分：

有规律共生，但有区别。

岩浆岩的矿物成分即可以反映的化学成分和生成条件，是岩浆岩分类命名的主要依据之一，同时矿物成分也直接影响岩石的工程地质性质。

3、岩浆岩的结构，概念。

（1）、按晶粒的绝对大小划分：

显晶质结构，降晶质结构。

（2）按晶粒的相对大小划分：

等粒结构，不等粒结构。

4、岩浆岩的构造

概念：

块状构造、流沙状构造、气孔及杏仁状构造。

5、常见岩浆岩类型

综合特征分类：

酸性岩，中性岩，基性岩，超基性岩。

第三节沉积岩（类比自学提问法）

一、形成过程

概念及过程图解

二、主要特征

1、化学成分：

2、物质组成：

3、结构：

4、构造：

三、常见类型

1、火山賥硝岩类

2、沉积碎硝岩类

3、粘土岩类

4、生物化学岩类

第四节变质岩

一、成因

二、主要类型

1、接触变质作用

2、动力变质作用

3、区域变质作用

三、主要特征

1、矿物成分

2、结构

3、构造

四、常见的变质岩

1、片理状岩类

2、块状岩类

五、三大岩类区分

1、结构比较

2、构造比较

第三章地质构造

教学目的与要求

1、分析各种地质构造成因和基本类型

2、识别岩层产状三要素，褶皱和断层的形态要素

3、分析各种地质构造对公路工程的影响

4、阅读地质图

重点与难点

1、认识各种地质构造

2、阅读地质图

导入：

地壳运动学说三大要素（地槽地台说板块说，地壳应力说）

新课内容;

地壳运动——构造运动——地质构造（新构造运动_现代构造运动）

第一节岩层构造

一、水平构造

岩层与地形特征：

二、倾斜构造:

产状三要素；走向。

倾向.倾角

产状表示：

方位角法（举例）象限角法。

符号法

产状要素测定：

单斜岩层的主要特征

三;直立构造

第二节褶皱构造

褶皱构造:

稳定的连联构造,大至卫星显示,小至显微镜下显示.

一、褶皱的形态

1、背斜：

中间老但两边新。

2、向斜：

中间新，两边老。

之初，背斜成山，向斜成谷，然后剥蚀。

二、褶皱要素

褶曲的要素：

核，翼，转折端，轴面，枢纽。

三、形态分布

1、根据横剖面图形态和轴面产状分类。

1）按褶皱轴面和两翼产状分类。

2）按褶皱岩层弯曲形态分类

*直立褶皱圆弧褶皱

*倾斜褶皱尖棱褶皱

*倒转褶皱箱形褶皱

*平卧褶皱扇形褶皱

2、根据纵剖面上枢纽产状分类

1）水平褶皱2倾伏褶皱

3、按褶皱在横剖面上的组合类型分类

1）复背斜·2）复向斜

四、成因

1、水平侧压作用力

2、垂直作用力

3、力偶作用

五、野外识别

可以、背斜成谷，向斜成山

首先，垂直于岩层走向，地层对称分布时，

然后，垂直于岩层走向，调查两翼伸方向及倾向变化。

第三节断裂构造

一、节理

1、按成因分类；一，构造节理，二，非构造节理

2、几何分类：

1）走向节理，倾向节理，斜向节理，2）纵节理，横节理，

3、力学成因分类：

张节理。

剪节理

4、节理统计（方法）

5、研究意义：

二、断层

1、几何要素：

1）断层面2）断层带3）断层线4）断盘5）断距

2、基本类型：

1）正断层：

上盘下移，下盘上移

2）逆断层：

下盘下移，上盘上移。

3）平移断层：

相对移动

3、断层组合类型

1）阶梯状断层，2）地堑和地垒，3）叠瓦状构造

4、野外识别

1）构造线，地质体的不连续

2）地层的重复与缺失

3）断层面的构造特征

4）地貌和水文特征

第四节地质构造与公路工程的关系

一、路基工程

1、岩层水平直立，单斜层面及节理面背向路基时，对边坡稳定有利，防风化。

2、岩层层面及节理面倾向路基，倾角大于是10*，且平行或小交角，易坍塌

3、断层碎裂带，节理发育，易滑塌

4、下伏基岩陡且倾向路基，地下水，易滑

5、节理发育带

二、桥基工程

三、隧道工程

第四节地貌

教学目的与要求

1、描绘地貌的形成和发展的动力，规律及影响因素

2、识别山岭地貌的形态要素

3、识别平原地貌的成因及类型

重点与难点：

1、地貌的分级和分类

2、描述河流阶梯的工程地质条件

导入：

地形与地貌

新课内容

第一节地貌概述

一、形成和发展

1、内动力地质作用1）褶皱带，断裂带，大陆，高原，山岭，海洋，平原，盆地。

2）岩浆作用；火山锥，熔岩盖

3）影响外动力地质作用

2、外动力地质作用：

1）风化，剥蚀，搬运，沉积，成岩，

2）对内力作用地貌起雕塑，加工，改造作用

3）趋势：

削高补低，打破平衡，引发新内力作用

发展决定与影响

2、外力之间的成对比；2）取决于地貌水准面3）地质构造，岩性，气侯。

二、地貌的分类和分类

1、分级：

1）巨型2）大型3）中型4）小型

2、分类：

如表：

（山，平原，界线）

3、成因分类：

1）内力地貌：

构造地貌,火山地貌

2）外力地貌：

水成——冰川——风成——岩溶——重力

第二节山岭地貌

一、形态要素：

山顶，山坡，山脚。

二、类型；高度划分，成因划分。

1、构造运动

1）平顶山：

顶部坚硬，下卧软弱

2）单面山：

单斜岩层

3）褶皱山：

褶皱岩层

4）断块山：

断裂运动

5）褶皱断块山：

2、火山作用：

锥状火山，盾状火山。

3、剥蚀作用：

形态特征取决于山体岩性及环境。

三、垭口和山坡

1、构造型垭口：

1）断层破碎型垭口2）背斜张裂带型垭口3）单斜软弱层型垭口

2、剥蚀型垭口：

3、剥蚀堆积型垭口：

水文地质条件差。

山坡1）按山坡的纵向轮廓分类：

2）按山坡的纵向坡度分类：

第三节平原地貌

特点：

地势平坦开阔，地形走伏不大。

一、构造平原：

海成平原，在陆坳曲平原

二、剥蚀平原：

1）河流冲积平原2）山前洪积平原3）湖积平原4）三角洲平原

三、堆积平原：

第四节河谷地貌

一、形态要素

1、谷底：

2、谷坡：

3、阶地：

二、类型：

按发展阶段：

1）未成形河谷2）河漫滩河谷3）成形河谷

河谷走向与地质构造：

1）背斜谷2）向斜谷3）单斜谷4）断层谷5）横谷与斜面谷

三、阶地：

1、成因：

侵蚀过程

2、类型：

1）侵蚀阶地2）堆积阶地3）侵蚀堆积阶地

第五章河流与水的地质作用

教学目的与要求

1、描述河流作用。

2、描述地下水及其物理化学性质

3、描述重型力水，毛细水，等地下水对土木工程影响

4、识别坡面细流与洪流

5、描述地下水运动的基本规律

重点与难点

1、地下水对土木工程的影响

2、地下水运动力规律

导入：

地球水的作用及水循环

新课内容

第一节河流和流域

一、河流的形成和分段

1、地面径流，侵蚀成河流，组成要素：

河谷，河床时

2、水素：

流域，支流，干流的概念，

3、分段：

河源，上游，中游，下游，河口

二、河流基本特征

1、河流断面：

纵，横，表示河床形态特征

2、河流长度：

沿中泓浅量取

3、河流比降：

坡度，高程差，河长——表示平均值

三、流域

第二节分类与性质

一、水循环过程

二、地质流水

1、暂时性流水的地质作用：

洗刷作用，坡积层，洪积层

2、河流的地质作用：

侵蚀，搬运，沉积

三、地下水（滑坡，沉陷，冻胀，翻浆）公路灾害。

化学侵蚀

1、含水层，隔水层

2、分类：

（固，液，气）液态：

吸着水，薄膜水，毛细水，重力水

按埋藏条件划分：

包气带水，潜水，承压水

四、物理性质及化学特征

1、物理性质：

温度，颜色，透明度，气味，味道，导电性等

2、化学特征：

七种离子：

————————————

结晶腐蚀，分解腐蚀，结晶腐蚀

第三节地下运动规律

一、概念：

渗流，渗流场，层流运动，紊流运动。

二、达西定律：

V=Q/A=KI渗流系数，水力梯度：

I=（H-h）/L水头差路径

三、工程应用：

渗流量，降水

四、地下水与工程：

1）地基沉降2）流沙：

处理方法3）潜蚀：

机械潜蚀，化学潜蚀4）付托作用

第四节河川径流及对土木工和影响

一、径流过程：

10降水过程2）流域蓄渗过程3）坡面漫流过程4）河槽集坑过程

二、影响因素：

1）降水2）蒸发，3）下垫面因素4）人类活动因素

三、汇水区的几何参数1）汇水面积F2）主河沟长度L主河沟平均坡度I3）汇水区平均宽度B横向平均坡度I

四、补给类型

1）雨源类2）雨雪源类3）雪源类

第五节泥沙运动

一、泥沙分类：

悬移质，扒移质，床沙

二、主要特征：

粒径表示：

等到容粒径，平均粒径，中值粒径

重力特征：

重度

水力特征：

沉速WCM/S过程说明

三、泥沙起动：

床沙在水流作用下，静止到运动，监界状态为起动条件

泥沙起动流速V

研究河床冲游的重要参数。

四、输沙率与水流特征能力

1、输沙率KN/S含沙量KN/S挟沙能力KG/S

主要影响条件：

流速，颗粒大小。

第六节水文测验和资料搜集与整理

一、水文观测

1、水位：

基准面：

假定基面，冻传基面，绝对基面

记录：

水尺，人工或自动

得到：

特征水位，平均水位，水位过程线，水面比降等

2、流速：

流速仪，浮标法

二、小桥涵形态：

资料来源：

水文站的观测资料，洪水调查资料，文献考证资料

思路：

建形态断面，通过洪水调查，确定各种洪水位和洪水比降，确定流速和流量

1、形态断面：

1）选择2）测绘

2、洪水调查：

历史洪水位，多年平均洪水位

1）防部调查2）洪痕调查3）水文资料调查

3、河道及既有沙河工程调查

4、洪水比降确定：

第六章

教学目的及要求

1、结合实例分析4种计算方法

2、分析其优缺点及适用性

重点与难点

1、小桥涵流量计算

导入：

小桥涵流量计算4种方法暴雨推理法，径流形成法，形态调查法直接类比法

第一节暴雨推理法

1、原理：

运用成因分析与经验推断相结合，从实例的暴雨资历料入手。

应用综上所述合分析法，推求设计流量（半理论半经验）

2、主要影响因素：

1）降雨量2）降雨强度3）时空分布4）下垫面等

3、思路：

把分析条件简化，引入假定，建立因素与流量之间的关系，通过流计分析，推求参数，得到公式

4、已知参数：

雨力SP全国等值线图，暴动雨递减指数N值锢分区图，分区参数值

二、公式及应用：

1、推理：

交通部公路科学研究所

2、经验：

三、算例：

第二节经流形成法

一、1、原理：

同暴雨推理法，

2、影响因素：

汇水区几何参数，地面情况，降雨情况，地壤及推被情况，经流，主河沟特征水库调节能力等，

3、区别：

对暴动雨的产流，汇流的因素处理方法不同

二、经验公式：

三、算例：

第三节直接类比法

一、1、原理：

通过对已有桥涵的调查计算，求小桥涵历史洪水洪峰流量，换算为天然流量，推算该处洪峰流量。

2、概念：

1）临界水深：

——2）天然水深：

——

3、两种水力图式：

自由出流，非自由出流，

判定条件：

天然水深，——天然水深——

4、原有小桥的洪峰流量计算：

1）自由出流式：

2）非自由出流式：

5、三种涵洞水力图式

6、原有涵洞通过洪峰流量计算

1）无压，半压式，可查不计算

2）压力式，

7、原有小桥涵处洪峰流量，换算天然洪峰流量

山地，重丘、区，河沟底纵坡较大，挤来较小，近似等于，

平原，微丘区，

8、拟建小桥涵流量推算

接第四节，确定洪水频率P推求频率下的流量

9算例

第四节形态调查法

一、1|、思路：

建立形态断面，绘制形态断面图，确定参数，确定洪水位及流速，推算形态断面的历史洪流流量，求设计流量

二、参数确定

1、流速1）用均匀流公式计算流速：

普通式：

水位升高式；小河沟：

2）结算流速成：

山区河沟中：

平原区河沟中：

2、历史洪山峰注量：

1）以昀匀流公式确定形太断面处流量：

单式断面：

复式断面：

2）按沉积物粒径或土的类属特征估算流速成后的流量确定：

三、规定频繁率P的设计流量

1、按流量变差系数推算：

2、频率P时，流量、推算

3、参数确定

1）经验法2）暴雨强度变差系数已知推求查6——283）已知频率P查6——29推算关系式

四、算例

第五节各种方法比较

1、暴雨推理法：

优点：

影响因素多，计算简单

缺点：

参数简化，分类粗略，与实际情况有出入经验公式，地区差异性大

2、径流形成法

优点：

影响因素多，计算简单

缺点：

分级分区粗略，差异较大，有出入，短期资历料推算，与表示理论频率曲线，差异较大，分别计算，比较送。

3|、形态调查法：

优点；现场调查资料，客观真实

缺点：

小流域，洪流历时短，调查难，计算值偏大，偏小应与前二种方法比较使用，

4、直接类比法：

优点：

资料真实可靠，优先选用，

缺点：

新建公式时无法类比。

第七章小桥涵孔径确定及形式布置

教学目的及要求

1、要求学生了解各种方法的不同水力图式下的小桥涵孔径计算

2、描述涵洞的分类及各种类型的适用条件

3、描述小桥涵进出口的形式及其特点

重点与难点

1、小桥涵孔径的计算方法

2、涵洞的分类及适用条件

导入：

设计流量与孔径尺寸的关系

新课内容

桥涵分类标准：

特大桥大桥中桥小桥涵洞

计算目的：

台理地确定桥涵孔径的大小，河床加固的类型及尺寸，雍水高度，桥涵处路基和桥涵顶面的最低标高，

第一节小桥涵设计的一般要求及原则

一、设计任务与内容

设计任务：

外业勘测：

沿线地质水文，地形，环境

内业设计：

分析研究，设计方案，j具体内容

内容包括：

1）信置与类型

2）勘测，水文计算

3）计算孔径尺寸等

4）绘图

5）工程数量计算

二、设计原则与要求

1、设计原则：

1）安全，经济，适用，美观，2）因地制宜，就地取材3）排灌需要及综合利用，

2、设计要求：

1）行车要求2）排水要求3）构造要求4）其它要求

第二节水文计算

步骤：

HT——HK——L——标高等

一、小桥水文计算

1、天然水深HT和天然流速VT确定

1）收集资料：

洪峰流量QP断面几何形状，糙率N纵坡I等

2）均匀流公式：

原则Q与QP相差正负百分之十内

2、桥下临界水深HK确定

1）计算通式：

2）矩形梯形桥孔断面的HK

矩形：

宽与成梯形：

狭而深梯形:

3、小桥涵计算图式判别

图式及判定条件1）自由出流：

3）淹设出流：

三、涵洞水文计算：

分类：

无压力式半压力式，压力式，倒台式吸管

判定条件：

1）无压力式：

涵前水深，进口端节能抬商

2）半压力式：

3）压力式；

第三节，小桥孔径计算

小桥水文计算——设计流量与施工技术——跨径与孔数，（自由出流，淹及出流）

一、小桥孔径长度L的确定

1、自由出流时，

1）侧向束挟水流影响节单孔时

2）桥孔断面矩形时

桥孔断面梯形时

2、淹没出流

1）淹高出流，天然水深

2）桥孔矩形时

桥孔梯形时

3、注意事项：

判定标准

三、桥前水深H的确定

1、自由出流：

桥孔矩形时，简化：

2|、淹没出流：

桥头路堤最低标高=桥前河沟底面标高+桥前水深H+D（安全值）

桥面最低标高=桥前河沟底面标高+桥前水深H+X+D

设计标高应大于时于最低标高

第四节涵洞孔径计算

一、无压力式涵洞：

涵内水深数大：

主要求也较大，不经济，少采用

二、半压力式涵洞：

当路堤较高，上游较高的雍水水位不致使用附近农田等变影响等，

三，压力式涵洞

采用进水口升高式的调口建筑，使涵顶与水流线形基本一致

四、倒虹吸管，竖井式，斜井式两种，涵洞方形或圆形

第五节涵洞类型的选择

一、涵洞的组成：

洞身，洞口，基础三部分

三、涵洞的分类与选择

圆管涵，拱涵，盖扳涵，箱涵

1、圆管涵：

砼，受力好，适应性好，造价低，过水能力小，填土，

2、拱涵：

浆砌石。

于砌石。

孔径大，洪流量大，取材易

3、盖板涵：

对填土高度要求低

4、箱涵：

砼封闭式刚架，适用于软土地基，造价小，施工难

第六节小桥涵洞进出口布置形式

1、八字式：

墙随坡变，工作量小，水力性能好，构造简单，造价低，

2、端墙式；构造简单，水力性能不好，适用流速较小的人工渠道

3、锥坡式：

用于宽线河流，不经济，稳定性好，常用

4、直墙式：

适用于边坡规则的人工渠道，及榨与深的天然河沟，翼墙短，经济

5、扭坡式：

水流顺畅，工艺复杂

6、平头式：

耗材较多,适用于流速较小情况

7、走廊式:

宣泄能力强

8、流线型:

宣泄能力强,工艺复杂，用材料较多，

第八章常见的地质灾害

教学目的及要求

了解各种地质灾害及其防治措施

重点与难点

滑坡、泥石流、岩溶

导入：

现实的实例

新课内容

地质灾害；崩塌，岩爆，岩溶，滑坡，泥石流，地震，风沙，雪害，冻害，等

第一节，崩塌与岩堆

1、概念：

崩塌，山崩，落石等

2、形成条件：

1）地形条件2）岩性条件3）构造条件4）其它条件

3、防冶：

4、岩堆：

第二节滑坡

1、危害：

2、基本要素及形态特征：

1）滑坡2）滑动面3）滑坡壁4）滑坡国界5）滑坡台阶6）滑坡舌7）滑坡裂缝8）鼓丘9）轴

3、产生因素：

1）岩性2）构造3）地貌4）水5）气候6）地震7）人为等

4、分类：

组成物质分类：

规模分类：

5、识别：

先兆：

标识：

6、防冶：

第三节：

泥石流

1、概念及危害

2、特征：

3、形成条件；

4、了育规律：

区域性，间隙性

5、分类：

固体物质成分，流体性质分类

6、防冶：

一保，二截，三排

第四节岩溶

1、概念及意义

2、形成条件：

3、岩溶地貌：

4、整冶指施：

1）堵2）导3）跨4）固

第五节．地震

1、概念：

危害

2、成因：

1）构造2）火山3）陷落4）诱发

3、地震波：

1震源，震中，2）体波3）面波

4、震级烈度

5、防冶：

第六节，风沙

1、概念及意义

2、风少地貌：

侵蚀，堆积

3、风沙运动：

1）风沙流：

强度输沙率。

沙丘：

4、风沙危害与防冶：

第七节雪害

一、积雪

1、概念及分类

2、相互关系

3、选线原则

三、雪崩

1、雪崩的概念及分类

2、形成条件

3、选线原则

4、防治：

第九章公路工和地质勘测

教学目的及要求

了解工程地质勘测

重点与难点

各种勘测方法与成果

导入：

现实的实例