三峡库区滑坡崩塌发育的控制与诱发因素分析

田正国，程温鸣，卢书强，付小林，石长柏

(1.三峡库区地质灾害防治工作指挥部，湖北宜昌 443000;2.湖北省地质环境总站，湖北武汉 430034;3.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌 443002)

0 引言

三峡库区自然地理和地质环境复杂，滑坡崩塌等地质灾害发育，典型的有高陡坡崩塌加载多次形成的秭归县新滩滑坡，有蓄水后泥岩、砂岩组合发育的秭归县千将坪顺层高速滑坡，均造成人员伤亡及财产重大损失。截至2009年12月，库区内共查出滑坡、崩塌等地质灾害隐患5 000余处，总体积达83亿m3。主要分布于涪陵以下长江干、支流，其中小型和中型滑坡、崩塌体个数占70%，涉水滑坡(前缘高程在175 m以下)、崩塌体个数占37%。

1 三峡库区滑坡崩塌发育的控制因素分析

三峡库区滑坡崩塌发育受地层岩性、地质构造、谷坡形态、坡体结构等地质因素的控制，是发育的内因。

1.1 地层岩性的控制

(1)滑坡主要受易滑地层控制 滑坡主要发生在含有软弱面或软弱层(带)的层状岩层和第四系松散松软堆积层中。在库区广泛分布的侏罗系与三叠系中、上统岩层中多含有软弱层(或面)包括有强度较低的泥岩、页岩及其层面、含煤岩层等。且沿砂泥岩界面常见泥化现象，抗剪强度明显降低，约83%左右的岩质滑坡发生在这类岩层中，规模多为巨型、大型和中型。据库区1 965个滑坡样本统计，其中第四系滑坡101个，占5.14%，三叠系中统巴东组(T2)483个，占24.58%，三叠系上统(T3)77个占3.92%，侏罗系(J)981个占49.92%，其它地层产出323个占16.44%。

(2)崩塌主要受易崩地层控制 由二叠系、三叠系嘉陵江组岩层组成的岸坡以中型及大型崩塌为主，特别是当上覆坚硬灰岩，其下由页岩及煤层形成软垫层时，其崩塌尤为突出。如西陵峡中的新滩、链子崖，巫峡中的火焰石—作揖沱、老鼠错—跳石段等崩塌、危岩。在万州以侏罗系厚层、巨厚层砂泥岩为基座的陡崖也多有崩塌、危岩。据统计库区316处崩塌(危岩)，产生于灰岩的有229处，占72.5%，产生于砂岩的有87 处，占 27.5%。

1.2 地质构造的控制

(1)断层和节理裂隙等构造结构面密集发育地段，滑坡崩塌较发育，尤其在构造复合区，岩体受构造破坏更加强烈，滑坡崩塌尤其发育。如秭归—范家坪、火焰石—作揖沱、奉节—安坪等地段。

(2)地质构造对库岸稳定性的影响，在很大程度上取决于河流发育方向与构造部位的组合关系。当河流顺褶皱轴向发育，形成顺向河谷，滑坡多发生在顺向岸坡，并密集分布在背斜的倾伏端或向斜扬起部位。这是由于这些部位的岩层产状通常变陡，或形成易滑的上陡下缓的椅状岸坡。如云阳旧县坪—大河沟(椅状顺向坡)、云阳故陵—奉节李家坝(向斜扬起端顺向坡，并近于构造复合部位)等岸坡段。

三峡库区现有滑坡、崩塌的分布也表现出受地质构造控制这一特点。处于黄陵背斜的库首结晶岩分布区，主要为小规模浅表层滑塌。奉节以东区域滑坡发育与褶皱的关系明显，奉节以西的川东弧形褶皱带东段，长江与大部分褶皱轴向基本一致，大中型滑坡多数发育在北岸。长江北岸以顺层缓坡为主，长江南岸以逆层陡坡为主。数量上，约占90%的滑坡发育在顺向坡。当褶皱走向与江河走向一致时，其对滑坡发育有明显的控制作用，特别是近轴部位置。

1.3 地貌环境的控制

滑坡发育很大程度上还取决于河谷地貌类型。地层岩性及河谷切割深度控制着谷坡的高度，从而控制滑坡及崩塌的后缘高程。

三峡库区主要滑坡、崩塌的平均坡度随岩性的不同而变化。三峡河谷段滑坡的平均坡度在10°～30°之间，川江河谷段则在10°～20°或以下。谷坡坡度对滑坡的敏感性主要是由岩性决定的。软弱地层的岸坡，甚至在10°也可能发生滑坡。

1.4 岸坡结构的控制

三峡库区岸坡的物质组成可划分为4大类:土质岸坡、碎屑岩岸坡、碳酸盐岩岸坡、结晶岩岸坡。岸坡结构是层状岩体受地质构造控制的与河谷斜坡组合关系的综合体现，坡体结构中已存软弱结构面，它是形成滑坡的地质基础，起决定作用的是形成滑动带的软弱地层或夹层的位置、产状性质和分布，它直接控制了滑坡的发育程度。

层状的碎屑岩和碳酸盐岩岸坡，依据岸坡岩体结构和岩层的产状特征可进一步划分为:平缓岩层岸坡、顺向岸坡、反向岸坡、切向岸坡和特殊结构岸坡。在不同岸坡类型的河谷地带，大型滑坡体的数量百分比从大到小依次为:陡倾岸坡、缓倾岸坡、平缓层状岸坡、特殊结构岸坡、反向岸坡和松散土质岸坡。

顺向碎屑岩岸坡是大型滑坡的易发区，具软弱基座的碳酸盐岩岸坡段则是崩塌密集发育地带。特殊结构岸坡包括裂隙发育带岸坡和断层发育带岸坡，若其处于背斜核部、褶皱复合部位和断层带附近岩体破碎，岸坡稳定性差，则容易发生大型、特大型滑坡，蓄水后发生的秭归县千将坪滑坡[1]、泥儿湾滑坡属于顺向坡的岩质滑坡。

2 三峡库区崩塌滑坡诱发因素分析

库区崩塌、滑坡主要受降雨(特别是暴雨、久雨)、水库水位涨落作用以及受人类工程活动的诱发因素作用，是产生崩塌、滑坡的外因。降雨、水库水位变化、人类工程活动的叠加作用，更能促使崩塌、滑坡变形加剧，以至失稳或成灾。变形时段多集中于每年汛期5—9月份，正值库区雨季以及库水位下降(低水位运行)期。

2.1 降雨诱发作用

三峡库区降雨充沛，多年平均降雨在1 000 mm以上。持续降雨和暴雨常引起地下水位升高，造成异常孔隙水压力或动水压力而驱动、多发滑坡，尤其是土质滑坡，很大程度上受暴雨作用而产生。2003年—2010年间库区由降雨产生变形的滑坡有140处。在雨讯期(5月—9月)产生变形的有85处占60.71%，其它月份为55处占39.29%。

大气降雨诱发滑坡发生的主要效应如下:

(1)物理化学效应 降雨入渗坡体后，使滑坡体物质，尤其是滑带土(粉质粘土夹碎石)软化，抗剪强度降低，从而降低坡体的稳定性，这种影响又称作软化效应。滑带粘性土在水的浸泡下其吸附水膜厚度显著增大，从而使其抗剪强度参数大大降低，粘土中蒙脱石含量高时尤其显著。大量的试验结果表明，饱水情况下土体的抗剪强度参数仅为天然状态下的70%左右。

(2)饱水加载效应 降雨入渗坡体后，使滑坡体原来处于干燥或非饱和状态的土体饱水，坡体的重度由原来的天然重度变为饱和重度，相当于使滑体的总体重量增加，下滑力增大，从而降低坡体的稳定性。

(3)静水压力效应 如果在滑坡体的后缘存在张开的竖向裂隙(缝)，降雨过程中，地表水通过裂缝下灌入坡体，形成一定的水位，产生静水压力，相当于在滑体后缘施加了一个水平推力。如果竖向裂缝与底部的一组结构面(通常会成为滑动面)贯通，地下水还会沿该组结构面下渗，并在底部产生垂直于结构面的扬压力，减小滑体的抗力。暴雨期间，滑坡后缘拉裂缝充水高度快速提高，超过一定的临界高度后，近水平岩层(倾角在10°以内)都可能产生滑坡，在三峡库区万州、云阳近水平砂泥岩中产生的滑坡与此有关。

(4)动水压力效应 地下水在土体孔隙中渗流时，会对其周围起骨架作用的固体颗粒产生渗透压力或动水压力。如果动水压力指向坡外，则将降低斜坡上岩土体的稳定性引起滑坡。坡体中地下水位线越陡，水力梯度越大，则渗透压力(动水压力)越大。

水与岩土体之间的相互作用的结果影响着岩土体的变形性和强度。使岩土体颗粒间或裂隙面间的摩擦系数在一定范围内随湿度的增大而急剧下降;它将增加岩土的重度并产生软化作用，降低岩土的抗剪强度，产生静水压力和动水压力，冲刷或侵蚀坡脚，对不透水层上的上覆岩土层起润滑作用。当地下水在不透水层顶面上汇集成层时，它还对上覆地层产生浮托作用等。总之，水的作用将会改变组成边坡的岩土的性质、状态、结构和构造等。

图1 白水河滑坡预警区内监测点累积位移—时间曲线与降雨量对比关系图Fig.1 Accumulated displacement-time curve of Baishuihe landslide and its relationship with rainfall

从三峡库区秭归县白水河滑坡监测位移—时间曲线与降雨量对比关系图(图1)中可以看出，滑坡变形与大气降雨之间具有明显的正相关关系，滑坡变形曲线每年均出现一个“阶跃状”，且正好处于每年的降雨集中时期，出现的时间与滑坡累计位移值陡增期一致，充分表明大气降雨对滑坡变形影响的时间特征。

2.2 库水位涨落

库水位变动能转化为坡体内地下水对斜坡稳定性施加作用，库水位涨落对岸坡的作用主要有五个方面，即浪蚀作用、流水作用、浮力减重、动水压力作用、浸泡软化作用[2，3]。

水库高水位长期浸泡导致老滑坡滑带软化泥化，力学强度降低，库水位快速消落导致滑坡体内产生巨大动水压力，这是涉水老滑坡复活和新滑坡产生的重要动力因素之一。自2003年至2009年，监测发现有368处涉水滑坡变形与水库水位变化有明显的关系。在水库高水位运行期间变形明显的有96个，在各期水位上升运行期间变形明显的有76个，在各期水位下降时变形明显的有117个，在防洪限制水位运行期间变形明显的有79个。

如2003年7月三峡水库135 m蓄水时，秭归县千将坪滑坡变形下滑;2007年2—6月库水位从156 m下降到145 m时，秭归县白水河滑坡发生滑动变形;2008年4—6月库水位从156 m下降到145 m时，秭归县卧沙溪滑坡发生滑动变形;2008年11月试验性蓄水达到172.4 m水位之后导致秭归县泥儿湾滑坡变形下滑，巫山县巫峡镇长江北岸龚家方危岩产生崩塌等[4]。

水库蓄水期间或正常运营期，库水位的变动将会导致坡体内地下水位的变动，由此影响滑坡的稳定性。主要表现为饱水加载效应、静水、动水压力效应等几个方面。

一般而言，库水位的上升，会导致坡体内地下水位面跟着上升，同时还会使得坡脚部分坡体完全处于地表水体以下，处于重力水饱和状态。从力的角度分析，处于库水位以下的坡体重度将由原来的天然重度转化为浮重度，相当于重力减小，坡脚坡体总重量减轻;从应力的角度分析，当岩土空隙为重力水饱和时，水对固体骨架产生一种正应力，其矢量指向空隙壁面，此即空隙水压力，在土体中则为孔隙水压力。由于空隙水压力的存在削减了有效正应力，使潜在滑面上抗剪强度降低，以致失稳滑动。

如图2所示为一前缓后陡呈“靠椅状”潜在滑移面的滑坡。水库充水后，前部抗力体浸没于水中，有效正应力大大降低，使抗力体的抗滑摩擦阻力大大降低，而后半部的滑动力则未减小或稍有减小，从而产生了水库充水诱发的滑坡。发生2003年7月秭归县千将坪滑坡属滑动面呈“靠椅状”的基岩滑坡，其发生的主要原因与水库蓄水有关。因此，“靠椅状”结构的坡体在水库蓄水过程中可能产生“新生型”滑坡。

另外，在水库蓄水期间，由于库水位的上升“带动”坡体内地下水位面跟着上升，使坡体内地下水动力场发生变化，打破原来的平衡状态，在上述几个效应的作用下，也会使坡体整体稳定性降低，产生局部滑动甚至整体蠕滑变形。这种现象在松散堆积体内表现尤为明显。

图2 水库蓄水作用下滑体容重变化示意图Fig.2 Unit weight change diagram in landslide body caused by reservoir water storage(a).蓄水前;(b).蓄水后。

库水位下降过程中坡体的稳定性会发生明显的变化，其原因主要是饱水加载效应和动水压力效应在库水位下降过程中发挥了巨大的作用。因为坡体内地下水位的变化速度远远跟不上库水位的调整速度，由此导致库水位下降后，坡体内地下水位的水力梯度明显增大，动水压力明显增大(见图3)。同时，由于坡体中地下水位下降相对滞后，大部分坡体仍处于饱水状态，在坡体内产生超孔隙水压力，其重度也较大。因此导致坡体稳定性急剧下降。

图3 水库水位快速消落产生高动水压力示意图Fig.3 High hydrodynamic pressure diagram caused by rapid water level falling(a).下降前;(b).下降后。

图4、图5分别为卧沙溪滑坡和白水河滑坡的累积位移量—时间曲线与库水位变化对应关系图。从图中可以看出，滑坡的变形与库水位升降之间具有一定的相关关系。每年的4—6月，滑坡的变形监测曲线就出现一个明显的变形增长阶坎，即各监测点位移速率增大，正处于三峡库水位下降运行阶段;而在每年10月至次年3月期间，各监测点累积位移—时间曲线相对趋于平稳，即各监测点位移速率减小，从而使得多年的累积位移—时间曲线也呈现出“阶跃状”特征。水位下降的速率大小对滑坡变形影响尤其明显。卧沙溪滑坡在2008年4月底开始库水位从156 m下降到145 m，由此引起滑坡发生急剧变形(表1);5月26日库水位降至146.68 m，下降速率达0.78 m/d。滑坡位移速率1.96 m/d[5];这说明库水位下降对滑坡变形的影响较大，库水位下降必然引起滑坡内的动水压力增大，地下水向水库排水，由于坡体渗透性差地下水排出缓慢，形成地下水与库水位的正落差，动水压力指向坡体外侧，增加滑坡体下滑力，从而导致滑坡变形加剧，滑坡累积位移曲线出现明显的变形增长。

表1 卧沙溪滑坡监测点(wsx1 wsx2)变形速率与库水位下降速率相关分析表Table 1 Correlation analysis between deformation rate of monitoring points on Woshaxi landslide and drawdown speed of reservoir water level

三峡库区崩塌滑坡地质灾害多在库水位升降期间、并有降雨的作用而发生的，是大气降雨和库水位变动双重作用的结果。

图4 卧沙溪滑坡累计位移—时间—库水位关系图Fig.4 Accumulated displacement-time-reservoir water level curve of Baishuihe landslide

图5 白水河滑坡监测点累计位移—时间—库水位—降雨量关系图Fig.5 Accumulated displacement-time-reservoir water level-rainfall curve of Baishuihe landslide by monitoring

图5为三峡库区白水河滑坡监测点累积位移—时间曲线与降雨量、库水位的对比关系图。从图中可以看出，当大气降雨和库水位下降这两个因素相互叠加，累积位移曲线呈明显增长趋势，尤其是受2007年年初开始的三峡工程156 m蓄水位下调和2007年4月份之后汛期降雨的双重影响，滑坡变形急剧增加。这表明在库水位升降过程中，若出现明显降雨过程，对滑坡的稳定性造成更为不利的影响。

2003年7月13日发生在秭归县的千将坪滑坡，其主要因素是降雨和水库蓄水联合作用的结果。据气象部门统计，该地区2003年6月21日—7月11日持续降雨，在这期间有8天日降雨量＞10 mm，总降雨量达162.7 mm，此时段正值三峡水库二期蓄水到高程135 m水位。

2.3 人类工程活动

人类工程活动对斜坡稳定性有着巨大的影响。尤其是坡脚开挖和坡体后缘加载，改变了坡体应力状态。因为对于滑坡体而言，滑动面大多呈现出前缓后陡的形态特征，滑坡推力主要来源于坡体后半段，前半段主要起抗滑作用，由此来维持坡体自身平衡。在坡体中后部加(堆)载，相当于人为增加坡体下滑力;在前缘坡脚进行开挖、削方，相当于人为减小坡体的抗滑力，这两种工程行为都将降低坡体的稳定性，加速斜坡变形，甚至诱发滑坡的发生。由建设开挖形成的高切坡、弃渣弃土加载、排水、不合理的垦植、水利设施渗漏等人类工程经济活动，都可能造成人工型崩塌、滑坡。例如:巴东新县城的白岩沟滑坡、兴山县高峡移民复建路徐家院子北滑坡和奉节县城施家梁滑坡发育的主要原因是修公路或开挖房屋地基时开挖坡脚岩层，使上部岩体失去了支撑;重庆市区王家坡、教门厅、龙门浩、大渡口江岸等滑坡的变形，主要是因修建房屋或公路填方加载所致;重庆李子坝滑坡、大渡口后山滑坡的主要诱因则是生活废水、工业废水以及地表水渗入引起。

2.4 诱发因素对滑坡变形影响的差异

虽然大气降雨与库水位的涨落都导致滑坡变形在时间上表现出一定的规律性，但这些因素对滑坡变形的影响方式也表现出一定的差异，分别为同步性和滞后性。

(1)同步性 滑坡受诱发因素的作用后，立即活动。如强降雨、水库水位急骤变化以及人类活动，如开挖、爆破等。

(2)滞后性 滑坡发生时间稍晚于诱发因素的作用时间。如降雨、水库水位变化及人类工程活动之后。这种滞后性规律在降雨诱发型滑坡中表现得最为明显，该类滑坡多发生在暴雨、大雨和长时间的连续降雨之后，滞后时间的长短与滑坡体的岩性、结构及降雨量的大小有关。一般来说，滑坡体越松散、裂隙越发育、降雨量越大，则滞后时间越短。水库蓄、泄水之后发生的滑坡也属于此类。由人类工程活动因素诱发的滑坡的滞后时间的长短与工程活动的强度大小及滑坡体的稳定程度有关。人类活动强度越大，滑坡体的稳定程度越低，则滞后时间越短。

例如，白水河滑坡的变形与降雨呈显著相关性，如图5所示。经历过2003年、2004年、2007年、2008年的四次较大变形，其相对应的四年汛期集中降雨量都较大。2005年、2006年间，暴雨较少，连续降雨量也相对较小，相应地滑坡变形相对较缓慢。

从卧沙溪滑坡累积位移与库水位的对比关系图(如图4)中可以看出，滑坡位移与库水位的涨落关系密切。2007年4月中下旬156m蓄水后水库水位下降期间，滑坡变形急剧增大;之后随着库水位的稳定，滑坡变形也趋于稳定;但在2007年8月底，库水位上升，而滑坡变形趋于稳定;但是，在2008年4月底开始库水位从156 m下降到145 m，由此引起滑坡发生急剧变形;5月24日库水位降至 147.50 m，下降速率达0.69 m/d。当日滑坡下滑位移达1.79 m;5月25日三峡库区地质灾害防治工作指挥部发出滑坡变形警戒级预警(橙色预警)，三峡水库调度部门在27日将库水位下降速率控制在0.19 m/d，此后监测显示滑坡变形明显减缓。与库水位变动时间相比，卧沙溪滑坡变形响应具有一定的滞后性。而降雨对卧沙溪滑坡的变形也有一定影响，滑坡变形都是在每年的4月底发生突变，而库区也正是在4、5月份进入雨季，降雨量增大。因此在库水位下降和每年4月份以来汛期降雨的耦合影响下，滑坡变形急剧增加。

根据多年监测资料表明，滑坡变形大多发生于雨季或雨季中后期，表现为一定的滞后性:当降雨强度为25～75 mm/d时，滞后时间较长，一般为3—8 d;当降雨强度增大，达到75～150 mm/d时，滞后时间一般为1—2 d，最长可达6 d;当降雨强度达到150 mm/d以上，滑坡常常在峰值时发生或滞后时间更短。这种滞后时间不仅与降雨强度有直接的关系，还与有效降雨量有关，当有效降雨量达到临界值，滞后性才比较明显。另外，滑坡的滞后时间还与滑体的性质、规模以及雨前滑体的稳定程度有关。

3 结论

三峡库区地质灾害发育受地层岩性、地质构造、谷坡形态、岸坡结构等地质因素的控制，是产生崩塌、滑坡的内因，而大气降雨、库水位涨落以及人类工程活动等则是滑坡、崩塌发生的诱发因素。由降雨和库水位升降在坡体内产生的饱水加载、软化、静水压力、动水压力效应为主要诱发作用力，降雨和库水位升降引起坡体地下水动态变化，从而影响岩土介质的物理力学性质和地下水动力场的变化，进而引起坡体变形破坏。水位淹没线以上区域主要由水库蓄水调节、移民工程、工程施工和降雨等条件诱发。诱发因素对滑坡变形的影响方式表现出同步性和滞后性差异特征，并受到滑坡地质特征和影响因素的强度及其组合方式控制。

[1] 三峡库区地质灾害防治工作指挥部.三峡库区地质灾害监测预警工程建设及监测运行报告[R].宜昌:三峡库区地质灾害防治工作指挥部，2005.

[2] 三峡库区地质灾害防治工作指挥部.三峡库区滑坡灾害预警预报手册[R].宜昌:三峡库区地质灾害防治工作指挥部，2007.

[3] 黄润秋，许强，戚国庆.降雨及水库诱发滑坡的评价与预测[M].北京:科学出版社，2007.

[4] 中国地质环境监测院.三峡库区地质灾害监测预警成果报告[R].北京:中国地质环境监测院，2009.

[5] 三峡大学地质灾害防治研究院.三峡库区白水河、卧沙溪、树坪等滑坡专业监测总结报告[R].宜昌:三峡大学地质灾害防治研究院，2008.