三峽庫區蓄水后消落帶邊坡變化特征

肖志豪，生悅誠，汪家鑫，何云蛟

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，武漢 430010)

消落區的形成是由于人為控制或自然降雨在時間尺度上的不均勻性導致江河湖泊水位發生季節性波動介于最高水位線與最低水位線之間的土地區域，具有交替淹沒和出露特點[1-2]。三峽水庫消落區是指冬季壩前水位從175 m逐步消退至夏季防洪限制水位145 m之間，由此形成30 m高的消落帶面積超過300 km2的消落區[3]，是水庫兩岸因水庫調度運用出現的臨時性淹沒或出露的區域。當庫區消落帶水位上升時，被水浸泡的土體抗剪強度會下降，從而可能誘發邊坡失穩。水位下降時，潛在滑動面的抗滑能力降低，同樣也會使邊坡失穩[4-5]。庫岸失穩還與邊坡高度和庫岸傾角密切相關。庫岸邊坡平緩，一般不易失穩。而水上庫岸邊坡高陡則失穩速度較慢，但最終失穩范圍大。水上岸坡低緩時則反之[6-7]。庫岸失穩也與庫岸巖土體性質、水位升降、波浪淘刷、蓄水浸泡等因素密切相關[8-10]，這些因素不僅改變了庫岸邊坡的力學機制，還會因干濕循環造成庫岸巖土體的損傷破壞[11]。

受水庫蓄水及工程建設改變的影響，三峽水庫邊坡與水庫蓄水前的天然狀態相比，其形態和穩定性均發生了一定的變化，通過收集及整理庫區斷面監測資料、地質災害防治與庫岸綜合整治等工程勘測設計資料、庫區地質調查與地質勘察等資料，對比分析了三峽庫區的衛星影像變化情況，結合地形地類圖與移民實物調查用地形圖進行外業查勘復核，查明2008年試驗性蓄水以來消落區的邊坡變化情況及趨勢。

1 調查內容與方法

1.1 調查內容

調查了邊坡變化情況、人工邊坡情況和自然邊坡情況3部分。邊坡變化情況包括消落區現狀岸線長度和邊坡面積及對比2008—2016年379個固定斷面(分布詳見圖1)，分析各庫岸段消落區邊坡變化情況。人工邊坡情況包括消落區各類工程建設項目的名稱、實施范圍、主要方案和技術措施及形成人工邊坡的類型、面積、時間、變化情況等。自然邊坡情況包括自然邊坡的分段分類情況、穩定狀態及試驗性蓄水以來的變化情況等，并總結變化規律。

圖1 固定斷面分布圖Fig.1 Distribution of fixed sections

1.2 調查程序及方法

1.2.1 內業資料收集和整理

收集三峽庫區各期地災防治規劃、庫岸綜合整治和防洪護岸等專項規劃設計資料、市政設施和生態景觀工程等項目的規劃設計資料與竣工驗收報告類資料，分析消落區邊坡的地質結構，結合正射影像圖、地類地形圖，統計涉及消落區邊坡的工程項目，重點對比土質邊坡段的邊坡變化情況，填寫外業調查用表，標繪外業調查的重點岸段。

1.2.2 外業資料收集和現場調查復核

通過與移民、國土、水利(務)、城建等部門座談，收集涉及消落區工程項目的規劃設計、竣工驗收和實施效果評估及相關邊坡監測報告等資料，并進行現場查勘，復核項目的實施情況，針對自然邊坡消落區地形地貌、地質條件及邊坡現狀等情況進行典型調查和查勘，初步勾繪典型地質剖面并劃分岸段。

1.2.3 內業資料整理和指標分析

人工邊坡：在外業調查復核工作基礎上，統計匯總涉及消落區邊坡工程項目的分布位置、范圍、項目名稱、治理方案和主要工程措施等屬性信息；對岸線影響較大的項目標繪圖，對比分析消落區面積和岸線長度變化情況。

自然邊坡：分類統計匯總調查數據，參考三峽庫區以往地質勘查設計資料，分析消落區不同類型邊坡現狀，預測變化趨勢。完成邊坡分岸段、重點變形點上的圖標識，制作典型剖面圖冊及平面圖冊。

2 結果與分析

2.1 邊坡基本特征

2.1.1 庫段和巖性特點

按照三峽水庫兩岸地形地貌和庫岸基巖的巖性特點，將水庫干流河段(長663.00 km)自上而下分為上、中、下三個庫段，分別用Ⅰ庫段、Ⅱ庫段、Ⅲ庫段表示。其中，I庫段(上庫段)為碎屑巖低山丘陵寬谷段，從江津區貓兒峽至奉節白帝城，河段長505.50 km；Ⅱ庫段(中庫段)為灰巖夾碎屑巖中山峽谷段，從奉節白帝城至秭歸廟河，河段長141.50 km；Ⅲ庫段(下庫段)為花崗巖低山丘陵寬谷段，從秭歸廟河到三峽大壩，河段長16.00 km。

各庫段邊坡根據巖土結構特征分為巖質邊坡、混合質邊坡和土質邊坡3類。經統計，巖質邊坡2 171.05 km、混合質邊坡1 324.77 km、土質邊坡1 296.26 km。其中，I庫段岸線總長3 461.86 km(巖質邊坡1 262.61 km，混合質邊坡1 042.30 km，土質邊坡1 157.95 km)；Ⅱ庫段岸線總長1 227.52 km(巖質邊坡863.81 km，混合質邊坡233.75 km，土質邊坡129.96 km)；Ⅲ庫段岸線總長102.70 km(巖質邊坡45.63 km，混合質邊坡48.72 km，土質邊坡8.35 km)。

表1 庫段邊坡巖土結構特征Tab.1 Geotechnical structure characteristics of the slope of the reservoir section

2.1.2 邊坡狀態

根據自然邊坡的變化狀態分為3種，分別用A、B、C(C1、C2)表示。其中，A為淤積狀態，B為原始狀態，C為庫岸再造(C1表示輕微庫岸再造變形、C2表示較強烈庫岸再造狀態)。經調查，2008年試驗性蓄水以來，歷經9次庫水位周期性變動，庫岸邊坡巖土體穩定條件發生了變化，部分庫段出現了庫岸再造。4 792.08 km自然邊坡，其中處于淤積狀態A的庫岸岸線長74.79 km，處于原始狀態B的庫岸岸線長2 457.31 km，輕微再造狀態C1的庫岸岸線長2 164.43 km，較強烈再造狀態C2的庫岸岸線長95.55 km。

在庫水位漲落及降雨作用下，庫岸再造變形程度主要受巖土體類型和地形坡度的影響。經調查，庫岸再造較強烈的邊坡共41段，涉及岸線長95.55 km。按巖土結構特征，其中土質邊坡57.30 km，混合質邊坡38.25 km。按庫段分，其中I庫段(上庫段)為33.79 km，Ⅱ庫段(中庫段)為61.76 km。

按行政區域分，主要分布于湖北省秭歸縣、重慶市云陽縣、豐都縣、渝北區和巴南區等5個區縣。其中，秭歸縣29段，岸線長61.76 km；云陽縣2段，岸線長6.50 km，長江干流及支流各一段；豐都縣8段，岸線長24.64 km，全部位于長江干流；渝北區1.57 km和巴南區1.08 km全部位于長江干流上。按所處區域劃分，位于城集鎮建成區或規劃區內的有4.29 km，農村區域有91.26 km。

2.2 邊坡變化概況

2017年6月，三峽水庫消落區涉及岸線長度為5 425.93 km。按照岸段坡面形成情況統計，人工邊坡岸線長度為633.85 km，占11.68%；自然邊坡岸線長度為4 792.08 km，占88.32%。

通過對比江津至大壩干流及嘉陵江2008—2016年的379個固定斷面(固定斷面為黃海高程)，全面分析各庫岸段消落區邊坡變化情況。江津至涪陵干流及嘉陵江段的109個固定斷面中有31個變化相對較大，主要位于江津和重慶主城區附近，銅鑼峽至涪陵段變化則相對較小。涪陵至大壩干流段的270個固定斷面中有42個變化相對較大，主要位于涪陵清溪場、萬州、云陽及奉節白帝城附近，奉節白帝城至大壩段斷面變化相對較小。將上述變化較大斷面結合衛星影像進行對比分析，初步判斷邊坡斷面變化較大的原因主要是由于護岸、邊坡治理等工程建設引起的，局部河段由于河道采砂或河道自身的沖刷所致，導致邊坡變化明顯，部分邊坡斷面存在沖刷變陡現象。如S290+1右岸邊坡回填加固；CY31為減緩水流對右岸的沖刷，實施了河道整治工程，使主河道左移，造成左岸消落區邊坡受到沖刷；S366斷面因橋梁工程建設，造成左右岸邊坡局部填埋加高。

圖2 典型斷面S290+1(圖左)、CY31(圖中)、S366(圖右)沖淤變化對比圖Fig.2 Comparison of erosion and deposition changes of typical sections S290+1 (left), CY31 (middle) and S366 (right)

2.3 人工邊坡變化情況分析

為滿足城鎮安全、地質安全、生態安全和地方經濟社會發展，三峽水庫實施了地質災害治理、庫岸綜合整治、護岸、市政基礎設施與港口碼頭及道路橋梁等工程建設活動，通過局部回填、開挖、坡面硬(綠)化、擋墻和抗滑樁支護等工程措施，改變了庫岸形態和(或)坡面結構，形成了比較穩定的人工邊坡。經統計，人工邊坡涉及的消落區面積為34.11 km2，對應的岸線長度為633.85 km。

2008年試驗性蓄水前，工程建設形成人工邊坡所在岸段消落區面積為16.16 km2，對應岸線長度為298.57 km，占人工邊坡岸段面積和岸線長度的47.38%和47.10%。

2008年試驗性蓄水后，工程建設形成人工邊坡所在岸段消落區面積為17.95 km2，對應岸線長度為335.28 km，占人工邊坡岸段指標的52.62%和52.90%。

不同時段形成的各類人工邊坡面積對比詳見圖3。

圖3 不同時段形成的各類人工邊坡分布圖Fig.3 Distribution map of various artificial slopes formed in different periods

2.4 自然邊坡變化情況分析

庫岸再造主要受邊坡巖土體特性及地形坡度的影響，其中土質、混合質邊坡歷經長期的庫岸再造后，坡度逐漸變緩，并不斷趨近于穩定坡角，直至達到穩定坡角時基本結束庫岸再造；巖質邊坡變形則主要受巖體風化程度和結構面控制，其中結構面與坡面的空間位置關系是控制性的，因此為分析庫岸再造進程和影響程度，分庫段、分類別對自然邊坡現狀坡度和不同巖土體的邊坡穩定坡角進行調查及分析。

2.4.1 Ⅰ庫段(上庫段)邊坡變化情況

從貓兒峽至白帝城，主要為碎屑巖低山丘陵寬谷段。根據現場調查及三峽庫區以往地質勘察設計資料統計分析，該庫段不同巖土類型邊坡的現狀坡角及穩定坡角如圖4、圖5所示。

圖4 三峽水庫I庫段自然邊坡現狀坡角統計圖Fig.4 Current slope angle statistics of the natural slope of the I reservoir of the Three Gorges Reservoir

圖5 三峽水庫I庫段自然邊坡穩定坡角統計圖Fig.5 Statistical diagram of the slope angle of the natural slope in Reservoir I of the Three Gorges Reservoir

從圖中可以看出，土質邊坡目前的坡角主要在18°～27°；混合質邊坡目前的坡角一般為15°～27°，均超過穩定坡角5°左右；而巖質邊坡坡度分布較為分散，25°～30°分布得稍多。土質、混合質和巖質邊坡典型地質剖面見圖6。

圖6 豐都縣巖質邊坡(圖左)、混合質邊坡(圖中)、土質邊坡(圖右)典型地質圖片Fig.6 Typical geological pictures of rock slopes(left), mixed slopes(middle) and soil slopes(right) in Fengdu County

Ⅰ庫段(上庫段)中再造較強烈的岸段主要分布在渝北、巴南、豐都、云陽4個區縣，共計12段，長33.79 km。其中，渝北洛磧鎮和巴南麻柳嘴鎮2段，長2.65 km，庫岸再造具有滑塌變形特點，以坍塌式變形為主，并將隨著時間的推移逐漸趨穩，目前僅涉及少量零星居民和簡易公路等設施；豐都8段長24.64 km，云陽縣城及南溪鎮2段，長6.50 km，邊坡目前以局部滑移、剝蝕、侵蝕或淘蝕為主，存在局部或整體滑移型塌岸的風險，建議加強監測，必要時進行治理。

2.4.2 Ⅱ庫段(中庫段)邊坡變化情況

從白帝城至廟河，主要為灰巖夾碎屑巖中山峽谷段。該庫段不同巖土類型邊坡的現狀坡角及穩定坡角統計如圖7、圖8所示。

圖7 三峽水庫II庫段自然邊坡現狀坡角統計圖Fig.7 Current slope angle statistics of the natural slope in the II section of the Three Gorges Reservoir

圖8 三峽水庫II庫段自然邊坡穩定坡角統計圖Fig.8 Statistical diagram of the natural slope angle of the II reservoir section of the Three Gorges Reservoir

從圖中可以看出，土質邊坡目前的坡角主要在27°～37°，穩定坡度主要在20°～25°；巖土混合邊坡目前的坡角一般為25°～40°，穩定坡度主要為20°～25°；巖質邊坡各個坡度都有，40°～45°分布得最多。土質、混合質和巖質邊坡典型地質剖面見圖9。

Ⅱ庫段(中庫段)中，再造較強烈的岸段主要分布在秭歸，共29段，長61.76 km，邊坡目前以滑移變形為主，剝蝕、侵蝕為輔，影響對象主要是秭興路、348國道、卜文路等基礎設施及沿線居民。建議加強監測，視情況及時進行處置。

2.4.3 Ⅲ庫段(下庫段)邊坡變化情況

從廟河至大壩區主要為花崗巖低山丘陵寬谷段。該庫段不同巖土類型邊坡的現狀坡角及穩定坡角統計如圖10、圖11所示。

圖9 巫山縣巖質邊坡(圖左)、混合質邊坡(圖中)、土質邊坡(圖右)典型地質照片Fig.9 Typical geological pictures of rock slopes(left), mixed slopes(middle) and soil slopes(right) in Wushan County

圖10 三峽水庫Ⅲ庫段自然邊坡現狀坡角統計圖Fig.10 Current slope angle statistics of the natural slope in the Ⅲ reservoir section of the Three Gorges Reservoir

圖11 三峽水庫Ⅲ庫段自然邊坡穩定坡角統計圖Fig.11 Statistical diagram of the slope angle of the natural slope in the Ⅲ reservoir section of the Three Gorges Reservoir

從圖中可以看出，目前，土質邊坡坡角主要在30°～32°，混合質邊坡坡角一般為20°～35°，穩定坡角一般在5°～10°。土質、混合質和巖質邊坡典型地質剖面及現場照片見圖12。

圖12 秭歸縣巖質邊坡(圖左)、混合質邊坡(圖中)、土質邊坡(圖右)典型地質照片Fig.12 Typical geological pictures of rock slopes(left), mixed slopes(middle) and soil slopes(right) in Zigui County

3 結論與討論

3.1 邊坡穩定狀態

人工邊坡岸線總長633.85 km，是為滿足城鎮安全、地質安全、生態安全和地方經濟社會發展需要采取邊坡下部回填、沖溝或支流河灣局部區域回填和上部開挖減載等處理措施形成的人工邊坡[12-13]，現狀總體穩定，基本上布設有監測系統，處于受控狀態。而邊坡斷面變化較大的原因主要是由于護岸、邊坡治理等工程建設引起的，局部河段由于河道采砂或河道自身沖刷所致，導致邊坡變化明顯，部分邊坡斷面存在沖刷變陡現象。

自然邊坡岸線總長4 792.08 km，其中，處于淤積狀態的庫岸74.79 km，占1.56%；處于原始狀態的庫岸2 457.31 km，占51.28%；輕微再造的庫岸2 164.43 km，占45.17%；較強烈再造的庫岸95.55 km，占1.99%。再造較強烈岸段95.55 km，以土質邊坡為主，其次為混合質邊坡。分析邊坡巖土體特性和變形破壞特點，渝北洛磧鎮和巴南麻柳嘴鎮2段長2.65 km，庫岸再造具有滑塌變形特點，以坍塌式變形為主，并將隨著時間的推移逐漸趨穩，目前僅涉及零星居民和簡易公路等設施；豐都8段長24.64 km，云陽縣城及南溪鎮2段長6.50 km，邊坡目前以局部滑移、剝蝕、侵蝕或淘蝕[14]為主，存在局部或整體滑移型塌岸的風險，影響對象主要為庫周公路及少量居民，建議加強監測，必要時進行治理；秭歸29段長61.76 km，邊坡目前以滑移變形為主，剝蝕、侵蝕為輔，影響對象主要是秭興路、348國道、卜文路等基礎設施及沿線居民。建議采用先進科學的監測方法加強監測[15]，視情況及時進行處置，可適當采取一系列防護措施，修建人工邊坡[16]。

3.2 邊坡變化趨勢

試驗性蓄水以來，堅硬的灰巖、花崗巖及產狀平緩的較堅硬碎屑巖構成的巖質邊坡未發生再造或再造輕微，今后將繼續保持這種態勢。

巖層傾角較大、軟硬相間的碎屑巖邊坡，除局部岸段發生滑塌型庫岸再造外，大部分岸段未發生明顯再造，總體上看，此類邊坡將保持穩定，但局部存在發生滑塌型再造的可能。

土質、混合質邊坡，坡度小于15°的岸段再造輕微，且局部岸段以淤積為主，今后亦將保持這種趨勢；坡度大于15°的岸段，可能會發生侵蝕型、滑塌型再造，并將延續多年。

庫岸再造是一個長期過程[17]，巖質邊坡的庫岸再造活動比較微弱，而土質、混合質邊坡經過試驗性蓄水以來的庫岸再造，邊坡坡角也逐步趨近于穩定坡角，規模較大庫岸再造高頻發生時期已經基本結束，庫岸強烈再造的邊坡，其再造強度會逐步減弱，穩定性也將逐步提高，但再造過程在一定時期內仍將繼續。

總體上，以砂泥巖為主的Ⅰ庫段，土質、混合質邊坡的現狀坡角較緩，為18°～27°；以灰巖為主的Ⅱ庫段，土質、混合質邊坡現狀坡角較陡，為25°～35°；以花崗巖為主的Ⅲ庫段，土質、混合質邊坡的坡角介于兩者之間。從3個庫岸段土質、巖土混合邊坡現狀坡角與穩定坡角的對比來看，相差一般都在5°～10°，說明3個庫岸段雖然因巖性差異導致邊坡的陡緩不同，但水庫蓄水以來庫岸邊坡的變化趨勢是相同的。坡度較大的土質、混合質庫岸大部分已經完成了庫岸再造，塌岸、滑坡等大規模再造變形高頻發生時期已經基本結束，庫岸再造活動將進入逐漸減弱的發展階段。