三峡库区蓄水后消落带边坡变化特征

肖志豪，生悦诚，汪家鑫，何云蛟

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010)

消落区的形成是由于人为控制或自然降雨在时间尺度上的不均匀性导致江河湖泊水位发生季节性波动介于最高水位线与最低水位线之间的土地区域，具有交替淹没和出露特点[1-2]。三峡水库消落区是指冬季坝前水位从175 m逐步消退至夏季防洪限制水位145 m之间，由此形成30 m高的消落带面积超过300 km2的消落区[3]，是水库两岸因水库调度运用出现的临时性淹没或出露的区域。当库区消落带水位上升时，被水浸泡的土体抗剪强度会下降，从而可能诱发边坡失稳。水位下降时，潜在滑动面的抗滑能力降低，同样也会使边坡失稳[4-5]。库岸失稳还与边坡高度和库岸倾角密切相关。库岸边坡平缓，一般不易失稳。而水上库岸边坡高陡则失稳速度较慢，但最终失稳范围大。水上岸坡低缓时则反之[6-7]。库岸失稳也与库岸岩土体性质、水位升降、波浪淘刷、蓄水浸泡等因素密切相关[8-10]，这些因素不仅改变了库岸边坡的力学机制，还会因干湿循环造成库岸岩土体的损伤破坏[11]。

受水库蓄水及工程建设改变的影响，三峡水库边坡与水库蓄水前的天然状态相比，其形态和稳定性均发生了一定的变化，通过收集及整理库区断面监测资料、地质灾害防治与库岸综合整治等工程勘测设计资料、库区地质调查与地质勘察等资料，对比分析了三峡库区的卫星影像变化情况，结合地形地类图与移民实物调查用地形图进行外业查勘复核，查明2008年试验性蓄水以来消落区的边坡变化情况及趋势。

1 调查内容与方法

1.1 调查内容

调查了边坡变化情况、人工边坡情况和自然边坡情况3部分。边坡变化情况包括消落区现状岸线长度和边坡面积及对比2008—2016年379个固定断面(分布详见图1)，分析各库岸段消落区边坡变化情况。人工边坡情况包括消落区各类工程建设项目的名称、实施范围、主要方案和技术措施及形成人工边坡的类型、面积、时间、变化情况等。自然边坡情况包括自然边坡的分段分类情况、稳定状态及试验性蓄水以来的变化情况等，并总结变化规律。

图1 固定断面分布图Fig.1 Distribution of fixed sections

1.2 调查程序及方法

1.2.1 内业资料收集和整理

收集三峡库区各期地灾防治规划、库岸综合整治和防洪护岸等专项规划设计资料、市政设施和生态景观工程等项目的规划设计资料与竣工验收报告类资料，分析消落区边坡的地质结构，结合正射影像图、地类地形图，统计涉及消落区边坡的工程项目，重点对比土质边坡段的边坡变化情况，填写外业调查用表，标绘外业调查的重点岸段。

1.2.2 外业资料收集和现场调查复核

通过与移民、国土、水利(务)、城建等部门座谈，收集涉及消落区工程项目的规划设计、竣工验收和实施效果评估及相关边坡监测报告等资料，并进行现场查勘，复核项目的实施情况，针对自然边坡消落区地形地貌、地质条件及边坡现状等情况进行典型调查和查勘，初步勾绘典型地质剖面并划分岸段。

1.2.3 内业资料整理和指标分析

人工边坡：在外业调查复核工作基础上，统计汇总涉及消落区边坡工程项目的分布位置、范围、项目名称、治理方案和主要工程措施等属性信息；对岸线影响较大的项目标绘图，对比分析消落区面积和岸线长度变化情况。

自然边坡：分类统计汇总调查数据，参考三峡库区以往地质勘查设计资料，分析消落区不同类型边坡现状，预测变化趋势。完成边坡分岸段、重点变形点上的图标识，制作典型剖面图册及平面图册。

2 结果与分析

2.1 边坡基本特征

2.1.1 库段和岩性特点

按照三峡水库两岸地形地貌和库岸基岩的岩性特点，将水库干流河段(长663.00 km)自上而下分为上、中、下三个库段，分别用Ⅰ库段、Ⅱ库段、Ⅲ库段表示。其中，I库段(上库段)为碎屑岩低山丘陵宽谷段，从江津区猫儿峡至奉节白帝城，河段长505.50 km；Ⅱ库段(中库段)为灰岩夹碎屑岩中山峡谷段，从奉节白帝城至秭归庙河，河段长141.50 km；Ⅲ库段(下库段)为花岗岩低山丘陵宽谷段，从秭归庙河到三峡大坝，河段长16.00 km。

各库段边坡根据岩土结构特征分为岩质边坡、混合质边坡和土质边坡3类。经统计，岩质边坡2 171.05 km、混合质边坡1 324.77 km、土质边坡1 296.26 km。其中，I库段岸线总长3 461.86 km(岩质边坡1 262.61 km，混合质边坡1 042.30 km，土质边坡1 157.95 km)；Ⅱ库段岸线总长1 227.52 km(岩质边坡863.81 km，混合质边坡233.75 km，土质边坡129.96 km)；Ⅲ库段岸线总长102.70 km(岩质边坡45.63 km，混合质边坡48.72 km，土质边坡8.35 km)。

表1 库段边坡岩土结构特征Tab.1 Geotechnical structure characteristics of the slope of the reservoir section

2.1.2 边坡状态

根据自然边坡的变化状态分为3种，分别用A、B、C(C1、C2)表示。其中，A为淤积状态，B为原始状态，C为库岸再造(C1表示轻微库岸再造变形、C2表示较强烈库岸再造状态)。经调查，2008年试验性蓄水以来，历经9次库水位周期性变动，库岸边坡岩土体稳定条件发生了变化，部分库段出现了库岸再造。4 792.08 km自然边坡，其中处于淤积状态A的库岸岸线长74.79 km，处于原始状态B的库岸岸线长2 457.31 km，轻微再造状态C1的库岸岸线长2 164.43 km，较强烈再造状态C2的库岸岸线长95.55 km。

在库水位涨落及降雨作用下，库岸再造变形程度主要受岩土体类型和地形坡度的影响。经调查，库岸再造较强烈的边坡共41段，涉及岸线长95.55 km。按岩土结构特征，其中土质边坡57.30 km，混合质边坡38.25 km。按库段分，其中I库段(上库段)为33.79 km，Ⅱ库段(中库段)为61.76 km。

按行政区域分，主要分布于湖北省秭归县、重庆市云阳县、丰都县、渝北区和巴南区等5个区县。其中，秭归县29段，岸线长61.76 km；云阳县2段，岸线长6.50 km，长江干流及支流各一段；丰都县8段，岸线长24.64 km，全部位于长江干流；渝北区1.57 km和巴南区1.08 km全部位于长江干流上。按所处区域划分，位于城集镇建成区或规划区内的有4.29 km，农村区域有91.26 km。

2.2 边坡变化概况

2017年6月，三峡水库消落区涉及岸线长度为5 425.93 km。按照岸段坡面形成情况统计，人工边坡岸线长度为633.85 km，占11.68%；自然边坡岸线长度为4 792.08 km，占88.32%。

通过对比江津至大坝干流及嘉陵江2008—2016年的379个固定断面(固定断面为黄海高程)，全面分析各库岸段消落区边坡变化情况。江津至涪陵干流及嘉陵江段的109个固定断面中有31个变化相对较大，主要位于江津和重庆主城区附近，铜锣峡至涪陵段变化则相对较小。涪陵至大坝干流段的270个固定断面中有42个变化相对较大，主要位于涪陵清溪场、万州、云阳及奉节白帝城附近，奉节白帝城至大坝段断面变化相对较小。将上述变化较大断面结合卫星影像进行对比分析，初步判断边坡断面变化较大的原因主要是由于护岸、边坡治理等工程建设引起的，局部河段由于河道采砂或河道自身的冲刷所致，导致边坡变化明显，部分边坡断面存在冲刷变陡现象。如S290+1右岸边坡回填加固；CY31为减缓水流对右岸的冲刷，实施了河道整治工程，使主河道左移，造成左岸消落区边坡受到冲刷；S366断面因桥梁工程建设，造成左右岸边坡局部填埋加高。

图2 典型断面S290+1(图左)、CY31(图中)、S366(图右)冲淤变化对比图Fig.2 Comparison of erosion and deposition changes of typical sections S290+1 (left), CY31 (middle) and S366 (right)

2.3 人工边坡变化情况分析

为满足城镇安全、地质安全、生态安全和地方经济社会发展，三峡水库实施了地质灾害治理、库岸综合整治、护岸、市政基础设施与港口码头及道路桥梁等工程建设活动，通过局部回填、开挖、坡面硬(绿)化、挡墙和抗滑桩支护等工程措施，改变了库岸形态和(或)坡面结构，形成了比较稳定的人工边坡。经统计，人工边坡涉及的消落区面积为34.11 km2，对应的岸线长度为633.85 km。

2008年试验性蓄水前，工程建设形成人工边坡所在岸段消落区面积为16.16 km2，对应岸线长度为298.57 km，占人工边坡岸段面积和岸线长度的47.38%和47.10%。

2008年试验性蓄水后，工程建设形成人工边坡所在岸段消落区面积为17.95 km2，对应岸线长度为335.28 km，占人工边坡岸段指标的52.62%和52.90%。

不同时段形成的各类人工边坡面积对比详见图3。

图3 不同时段形成的各类人工边坡分布图Fig.3 Distribution map of various artificial slopes formed in different periods

2.4 自然边坡变化情况分析

库岸再造主要受边坡岩土体特性及地形坡度的影响，其中土质、混合质边坡历经长期的库岸再造后，坡度逐渐变缓，并不断趋近于稳定坡角，直至达到稳定坡角时基本结束库岸再造；岩质边坡变形则主要受岩体风化程度和结构面控制，其中结构面与坡面的空间位置关系是控制性的，因此为分析库岸再造进程和影响程度，分库段、分类别对自然边坡现状坡度和不同岩土体的边坡稳定坡角进行调查及分析。

2.4.1 Ⅰ库段(上库段)边坡变化情况

从猫儿峡至白帝城，主要为碎屑岩低山丘陵宽谷段。根据现场调查及三峡库区以往地质勘察设计资料统计分析，该库段不同岩土类型边坡的现状坡角及稳定坡角如图4、图5所示。

图4 三峡水库I库段自然边坡现状坡角统计图Fig.4 Current slope angle statistics of the natural slope of the I reservoir of the Three Gorges Reservoir

图5 三峡水库I库段自然边坡稳定坡角统计图Fig.5 Statistical diagram of the slope angle of the natural slope in Reservoir I of the Three Gorges Reservoir

从图中可以看出，土质边坡目前的坡角主要在18°～27°；混合质边坡目前的坡角一般为15°～27°，均超过稳定坡角5°左右；而岩质边坡坡度分布较为分散，25°～30°分布得稍多。土质、混合质和岩质边坡典型地质剖面见图6。

图6 丰都县岩质边坡(图左)、混合质边坡(图中)、土质边坡(图右)典型地质图片Fig.6 Typical geological pictures of rock slopes(left), mixed slopes(middle) and soil slopes(right) in Fengdu County

Ⅰ库段(上库段)中再造较强烈的岸段主要分布在渝北、巴南、丰都、云阳4个区县，共计12段，长33.79 km。其中，渝北洛碛镇和巴南麻柳嘴镇2段，长2.65 km，库岸再造具有滑塌变形特点，以坍塌式变形为主，并将随着时间的推移逐渐趋稳，目前仅涉及少量零星居民和简易公路等设施；丰都8段长24.64 km，云阳县城及南溪镇2段，长6.50 km，边坡目前以局部滑移、剥蚀、侵蚀或淘蚀为主，存在局部或整体滑移型塌岸的风险，建议加强监测，必要时进行治理。

2.4.2 Ⅱ库段(中库段)边坡变化情况

从白帝城至庙河，主要为灰岩夹碎屑岩中山峡谷段。该库段不同岩土类型边坡的现状坡角及稳定坡角统计如图7、图8所示。

图7 三峡水库II库段自然边坡现状坡角统计图Fig.7 Current slope angle statistics of the natural slope in the II section of the Three Gorges Reservoir

图8 三峡水库II库段自然边坡稳定坡角统计图Fig.8 Statistical diagram of the natural slope angle of the II reservoir section of the Three Gorges Reservoir

从图中可以看出，土质边坡目前的坡角主要在27°～37°，稳定坡度主要在20°～25°；岩土混合边坡目前的坡角一般为25°～40°，稳定坡度主要为20°～25°；岩质边坡各个坡度都有，40°～45°分布得最多。土质、混合质和岩质边坡典型地质剖面见图9。

Ⅱ库段(中库段)中，再造较强烈的岸段主要分布在秭归，共29段，长61.76 km，边坡目前以滑移变形为主，剥蚀、侵蚀为辅，影响对象主要是秭兴路、348国道、卜文路等基础设施及沿线居民。建议加强监测，视情况及时进行处置。

2.4.3 Ⅲ库段(下库段)边坡变化情况

从庙河至大坝区主要为花岗岩低山丘陵宽谷段。该库段不同岩土类型边坡的现状坡角及稳定坡角统计如图10、图11所示。

图9 巫山县岩质边坡(图左)、混合质边坡(图中)、土质边坡(图右)典型地质照片Fig.9 Typical geological pictures of rock slopes(left), mixed slopes(middle) and soil slopes(right) in Wushan County

图10 三峡水库Ⅲ库段自然边坡现状坡角统计图Fig.10 Current slope angle statistics of the natural slope in the Ⅲ reservoir section of the Three Gorges Reservoir

图11 三峡水库Ⅲ库段自然边坡稳定坡角统计图Fig.11 Statistical diagram of the slope angle of the natural slope in the Ⅲ reservoir section of the Three Gorges Reservoir

从图中可以看出，目前，土质边坡坡角主要在30°～32°，混合质边坡坡角一般为20°～35°，稳定坡角一般在5°～10°。土质、混合质和岩质边坡典型地质剖面及现场照片见图12。

图12 秭归县岩质边坡(图左)、混合质边坡(图中)、土质边坡(图右)典型地质照片Fig.12 Typical geological pictures of rock slopes(left), mixed slopes(middle) and soil slopes(right) in Zigui County

3 结论与讨论

3.1 边坡稳定状态

人工边坡岸线总长633.85 km，是为满足城镇安全、地质安全、生态安全和地方经济社会发展需要采取边坡下部回填、冲沟或支流河湾局部区域回填和上部开挖减载等处理措施形成的人工边坡[12-13]，现状总体稳定，基本上布设有监测系统，处于受控状态。而边坡断面变化较大的原因主要是由于护岸、边坡治理等工程建设引起的，局部河段由于河道采砂或河道自身冲刷所致，导致边坡变化明显，部分边坡断面存在冲刷变陡现象。

自然边坡岸线总长4 792.08 km，其中，处于淤积状态的库岸74.79 km，占1.56%；处于原始状态的库岸2 457.31 km，占51.28%；轻微再造的库岸2 164.43 km，占45.17%；较强烈再造的库岸95.55 km，占1.99%。再造较强烈岸段95.55 km，以土质边坡为主，其次为混合质边坡。分析边坡岩土体特性和变形破坏特点，渝北洛碛镇和巴南麻柳嘴镇2段长2.65 km，库岸再造具有滑塌变形特点，以坍塌式变形为主，并将随着时间的推移逐渐趋稳，目前仅涉及零星居民和简易公路等设施；丰都8段长24.64 km，云阳县城及南溪镇2段长6.50 km，边坡目前以局部滑移、剥蚀、侵蚀或淘蚀[14]为主，存在局部或整体滑移型塌岸的风险，影响对象主要为库周公路及少量居民，建议加强监测，必要时进行治理；秭归29段长61.76 km，边坡目前以滑移变形为主，剥蚀、侵蚀为辅，影响对象主要是秭兴路、348国道、卜文路等基础设施及沿线居民。建议采用先进科学的监测方法加强监测[15]，视情况及时进行处置，可适当采取一系列防护措施，修建人工边坡[16]。

3.2 边坡变化趋势

试验性蓄水以来，坚硬的灰岩、花岗岩及产状平缓的较坚硬碎屑岩构成的岩质边坡未发生再造或再造轻微，今后将继续保持这种态势。

岩层倾角较大、软硬相间的碎屑岩边坡，除局部岸段发生滑塌型库岸再造外，大部分岸段未发生明显再造，总体上看，此类边坡将保持稳定，但局部存在发生滑塌型再造的可能。

土质、混合质边坡，坡度小于15°的岸段再造轻微，且局部岸段以淤积为主，今后亦将保持这种趋势；坡度大于15°的岸段，可能会发生侵蚀型、滑塌型再造，并将延续多年。

库岸再造是一个长期过程[17]，岩质边坡的库岸再造活动比较微弱，而土质、混合质边坡经过试验性蓄水以来的库岸再造，边坡坡角也逐步趋近于稳定坡角，规模较大库岸再造高频发生时期已经基本结束，库岸强烈再造的边坡，其再造强度会逐步减弱，稳定性也将逐步提高，但再造过程在一定时期内仍将继续。

总体上，以砂泥岩为主的Ⅰ库段，土质、混合质边坡的现状坡角较缓，为18°～27°；以灰岩为主的Ⅱ库段，土质、混合质边坡现状坡角较陡，为25°～35°；以花岗岩为主的Ⅲ库段，土质、混合质边坡的坡角介于两者之间。从3个库岸段土质、岩土混合边坡现状坡角与稳定坡角的对比来看，相差一般都在5°～10°，说明3个库岸段虽然因岩性差异导致边坡的陡缓不同，但水库蓄水以来库岸边坡的变化趋势是相同的。坡度较大的土质、混合质库岸大部分已经完成了库岸再造，塌岸、滑坡等大规模再造变形高频发生时期已经基本结束，库岸再造活动将进入逐渐减弱的发展阶段。