三峡工程库区地质灾害防治

绪论 0.1研究背景 2008年9月，三峡工程开始175m正常高设计水位试验性蓄水，水位抬升百余米，每年因防汛调度还形成高差达30m的水位涨落。巨大水位变化和100多座城镇沿江就地后靠迁建等人工因素的叠加，强烈改变了库区的地质环境，地质灾害防治面临新的考验。如何确保库区城镇和航运的地质安全，维护库区社会经济可持续发展，成为关系三峡水库建设成败的重大问题之一，受到了高度关注。 三峡工程库区地处中国地形第二级阶梯和第三级阶梯的过渡带，构造上位于大巴山断褶带、川东褶皱带和川鄂湘黔隆起褶皱带三大构造单元的交汇处，形成了以中高山峡谷和低山为主的侵蚀地貌，地质环境脆弱，历来是我国地质灾害的高发易发区域。2003年6月，开始135m高程二期水位蓄水，诱发了多处滑坡，并入江形成涌浪等复合型灾害。例如，2003年7月13日发生的千将坪滑坡，造成了346间房屋倒塌、4个大型工厂被摧毁、24人死亡的严重灾难。此后，水位变动、降雨与滑坡关系的研究成为研究热点。自2008年三峡水库175m试验性蓄水以来，三峡库区的地质灾害防控面临新的挑战。水位周期性的升降不仅使岸坡孔隙水压力周期性变动，还导致高差达30m的消落区岩体损伤松动，并易引发崩塌滑坡涌浪灾害。例如，体积达36万m3的巫峡箭穿洞危岩体，其基座岩体严重劣化，失稳趋势加剧，对长江航道和居民集聚区构成严重威胁。自2012年以来，针对箭穿洞危岩体开展了监测、勘查和治理工程，历时七年消除隐患，工程难度极大。因此，及早揭示水库长期蓄水运行对岸坡的相关作用机制，分析崩塌滑坡变形失稳演化规律，提出针对性的风险防控建议，对于保护长江航道和沿江城镇地质安全非常重要。 国家和地方高度关注三峡工程蓄水运行期间地质灾害防治的科学研究。“十二五”期间，作者主持的国家科技支撑计划项目“地质灾害监测预警与风险评估技术方法研究”（项目编号：2012BAK10B00），将三峡库区地质灾害作为重要的研究内容。“十二五”和“十三五”期间，作者先后承担了国家地质调查项目“西部复杂山体地质灾害成灾模式与风险防控研究”（项目编号：水［2010］01-1212011140011）和“高位远程地质灾害防治技术集成研究”（项目编号：DD20190637），负责了国家重点研发课题“岩溶岸坡岩体劣化与失稳模式”（项目编号：2018YFC1504806），还主持了重庆市规划和自然资源局科研项目“三峡工程重庆库区消落区岩体劣化灾变特征与早期防控研究”。这些科研项目为组建一支稳定的三峡库区地质灾害防治攻关团队奠定了基础，取得了一批系统和原创性的科研成果。本专著是在这些项目研究成果的基础上，吸收了作者等在三峡库区长期的地质调查、科学研究、工程治理和战略咨询的成果凝练而成。 0.2主要研究内容 本书以库水动力型滑坡和新近出现的岸坡劣化带为重点研究对象，吸收了国内外重大水库滑坡风险防控研究成果，以支撑国之重器三峡工程长期蓄水运行、城镇和航道等重要基础设施地质安全保障为目标，重点开展了如下五个方面的研究：①水库滑坡易滑地质结构特征与变形破坏机理;②岩质岸坡劣化带特征、长期稳定性与成灾模式;③岸坡劣化带失稳入江产生涌浪机制与滑坡涌浪风险评价技术;④库水动力型滑坡与岸坡劣化带新型防治技术;⑤新三峡库区长期地质安全保障措施。主要内容及成果如下： 0.2.1水库滑坡易滑地质结构特征与变形破坏机理 创新和发展了水库滑坡形成演化过程易滑地质结构控制的理论和分析方法。建立了软硬相间顺层单斜结构的“顺层基岩（古）滑坡”、碎裂灰岩岩体反倾结构的“逆向碎裂岩质滑坡”、基覆界面或堆积层含可塑状黏土滑带结构的“堆积层滑坡”、塔柱状平缓层上硬下相对软结构的“柱状危岩体”等四种典型水库易滑地质结构类型，发现了水库蓄水运行对岸坡的两种作用方式，包括地表地下水位联动升降带来的动态渗透压力作用和水位长期波动与水流-应力-化学耦合带来的低高程区岩体结构劣化作用。 以藕塘滑坡为例，分析了三峡库区典型巨型顺层基岩（古）滑坡的多级多期次滑动变形特征，多级多期次滑动形成机制及演化模式各异：一级滑坡体为拉裂-滑移（弯曲）-剪断模式，二级滑坡体为平面滑移模式，三级滑坡体为滑移-剪断模式；集中降雨及水库蓄水导致的渗透压力变化是这一类型滑坡复活的主要诱因。 以龚家坊滑坡为例，分析了三峡库区典型逆向碎裂岩质滑坡的变形破坏过程，包括岩层倾倒变形阶段、坡脚弱化滑移阶段和滑面贯通-倾倒崩滑阶段；蓄水后坡脚浸泡弱化塌岸导致的下部抗滑结构失效是这一类型滑坡的主要诱因。 以凉水井滑坡为例，分析了三峡库区典型堆积层滑坡变形与水位变化对应关系，每年的水位波动凉水井滑坡都会出现一次位移的阶跃。以水位变化5天累计和10天累计时间窗口深入分析后认为：每年5～6月库水位下降速率*大（0.3～0.4m/d）；而每年6～7月滑坡位移变化速率也将达到年度*大值，出现波峰特征；每年10～11月，库水位平均上升速率达到*大，而滑坡位移速率变化较小。 以箭穿洞危岩体为例，分析了三峡库区塔柱状危岩体的变形破坏机理；“硬—相对软—硬”的硬岩岩性组合和清晰的三维切割边界造成基座相对软弱岩体处于类似单轴抗压状态，形成压致破坏与临空侧拉裂挤出破坏，导致临空基座应力集中；水流-应力-化学作用下低高程区基座岩体进一步破裂化和弱化直至压裂破坏，柱状危岩体经历复杂的滑移—倾倒—坠落的压溃崩塌破坏过程。 0.2.2岩质岸坡劣化带特征、长期稳定性与成灾模式 本书针对周期性水位变动形成的消落带岩体劣化新问题，首次系统地提出了岩质岸坡劣化带的形成机制、空间分布、地质强度特征、长期稳定性和涌浪成灾等一整套分析理论与方法。 系统调查并划分了五种消落带岩体劣化类型，包括差异性崩解、结构面崩解（块裂）、机械侵蚀掏蚀、溶蚀（潜蚀）和裂隙扩展与延伸等类型，其形成机制包括水解作用、水化作用、溶蚀作用、水力冲刷作用、水流-化学-应力耦合下的断裂作用。提出了基于裂隙网络的连通性和水力边界条件的劣化岩体空间分析方法；大型结构面会强烈改变三维裂隙岩体的连通性，极大地扩大了岩体劣化空间。改进了高精度的三维探地雷达观测系统，通过新型高密度数据采集和时序处理技术，利用雷达云图电场强度振幅的强弱和能量团几何形态的改变来分析浅表层岩体内部的裂隙扩展及其形态变化。 首次揭示了消落带岩体劣化带来的岩体结构退化和强度下降规律：水力耦合状态下水压会持续削弱颗粒之间的力键强度，加速了颗粒之间力键的断裂，促进了微裂纹的扩展，导致塑性变形增加和峰值强度降低；结合原位多年跨孔声波测速，构建了具有时间效应的GSI(t)、Erm(t)曲线；结合广义Hoek-Brown(H-B)准则，解得不同深度岩体的三维强度劣化屈服函数GSI(t， h)；岩体强度劣化包线可用于求解随时间变化的不同深度原位岸坡岩体强度。 岸坡低高程区岩体结构劣化加快了岸坡整体演化进程，总体破坏模式为“低高程区岩体劣化—低高程区结构失效—岸坡整体变形失稳”，根据岸坡结构类型又可分为泥岩岸坡风化崩解后退、差异风化致岩体崩塌失稳、顺层岩体劣致滑移失稳、类土质岸坡劣化破坏、碳酸盐顺层岸坡劣化滑移式破坏、塔柱状岸坡劣化溃屈式破坏、板状岸坡劣化崩塌式破坏、岩溶角砾岩不稳定滑坡等八个类型；典型岸坡的力学响应和长期稳定性分析显示岩体劣化导致应力集中于低高程区，整体稳定性系数呈波状下降。 0.2.3岸坡劣化带失稳入江产生涌浪机制与滑坡涌浪风险评价技术 本书针对峡谷区特有的柱状危岩体，系统开展了滑坡涌浪产生机制、危岩体崩塌涌浪流固耦合数值分析预测和典型水库区滑坡涌浪风险评价等研究；建立了新型滑坡涌浪观测系统，分析了崩塌—堆积—涌浪动力全过程，揭示了各类型典型滑坡涌浪波动力特性，构建了滑坡涌浪风险评价技术体系。 建立了基于粒子图像测速（particle image velocimetry，PIV）的滑坡涌浪非接触量测系统，实现了物理模拟全场速度矢量测量。试验研究了柱状危岩体重力崩滑—流固耦合—水体涌浪的动力全过程，分析颗粒体的运动距离和运动速度的控制因素，提出了崩塌入水的能量耗散机制，发现了颗粒柱体产生三种典型涌浪波类型的动力特性。 构建了颗粒流方程和重正化群（renormalization group，RNG)湍流方程耦合的滑坡涌浪数值模型，以靠近巫山县城1km、位于小三峡龙门峡内的龙门寨危岩体为例，开展了典型案例滑坡涌浪预测计算；分析了不同水位工况下大宁河和长江航道的涌浪强烈程度和航行船只、码头船只的潜在危害情况。 与滑坡灾害的危害对象不同，滑坡涌浪的危害对象以航道、码头为主。本书引入和建立了航道、码头、临江建筑物、人口等承灾体脆弱性计算方程，形成了水库滑坡涌浪风险评价技术框架和流程。以板壁岩和巫峡为例，开展了滑坡涌浪风险评价的应用示范，有效支撑水库区滑坡涌浪风险预警和风险排序管控。 0.2.4库水动力型滑坡与岸坡劣化带新型防治技术 本书继承和发展了库水动力型滑坡防治技术，创新和示范了岸坡劣化带防治理念和技术。首次提出了使用实测数据总结获取的多年库水位升降工况代替现行规范中的水位骤降工况；针对库水位和堆积体滑坡体地下水联通性好，难以采用疏干排除竖井地下水方法进行常规抗滑桩施工，本书提出了适用于水库滑坡的新型抗滑结构-埋入式中小口径抗滑桩群设计方法。以塔坪滑坡为例，开展了中小口径抗滑桩群的群桩推力分配和传递规律分析，并使用中小口径抗滑桩群的极限承载力设计方法进行抗滑桩群的设计计算，同时进行滑坡-桩群结构体系的渗流场评价计算和支护效果计算评价，该方法预期可有效控制特大水力型滑坡的变形；可为我国三峡水库和西南山区水库运行期水库滑坡的防治设计提供重要参考。 针对反倾碎裂岩质岸坡劣化问题，总结该区域岸坡防护工程主要围绕解决三个问题展开，即岸坡稳定性加固问题、坡面防护问题和坡脚防掏蚀问题。在茅草坡4号岸坡展开了试验性修复治理工作，该段岸坡防护工程试验了肋锚结合护坡工程、格构锚固护坡工程、连续微型桩墙、注浆锚杆+微型桩墙工程+喷射（玻纤维、聚丙烯纤维）混凝土面板等四种试验性治理工作，总结了浇混凝土面板和喷射（玻纤维、聚丙烯纤维）混凝土面板的诸多优点和其他各类治理措施的适用条件，为后续该类型岸坡劣化带治理积累了经验。茅草坡2号岸坡段采用了平整坡面+普通锚杆（局部暗肋）+聚乙烯纤维砼面板支护+护脚墙阻隔塌岸的治理方案，防治效果良好。同时，探索以茅草坡1号岸坡无可供植被生长的土壤条件为工程背景，采用由有机质层、反滤垫、草皮增强垫和锚固系统（organic matter layer，anti-filter pad，turf reinforcement pad and anchorage system，OATA）组成的生态防护和生态袋防护等技术在巫峡茅草坡岸坡修复工程中应用的可行性，并提出了复绿工程的施工方法。 针对临失稳的柱状危岩体岸坡，以箭穿洞危岩体为例开展了防治设计；设计方案针对危岩“上硬下软”的岩性组合，提出基座补强加固、消落带防掏蚀是关键，通过对削方、抗滑键、支墩等多种工程方案在经济、技术、施工难度以及对周边环境影响等方面的比选，选择了“基座软弱岩体补强加固+防护工程（锚索、被动防护网、主动防护网、水下柔性防护垫）”的治理方案。 针对亚失稳岸坡劣化带，提出了防治关口前移、“未病先治”的岸坡防护理念；即对亚稳定岸坡消落带区域采用加固、补强等方式，对其劣化关键部位如裂隙、层面、溶孔等进行胶结、封闭、固化，以提高其整体防劣化能力，辅以生态防护等工程协同实施，进而实现岸坡整体稳定性提升和绿化环保。以板壁岩危岩体为例，开展了干预性防治设计，具体方案为“应急排危+裂缝封闭+消落带岩体灌浆补强+消落带坡面防护+专业监测”。 0.2.5新三峡库区长期地质安全保障措施 本书研究了三峡库区蓄水前后导致的水文气象