三峡工程库区岩溶岸坡岩体劣化及其灾变效应

黄波林，殷跃平，李 滨，秦 臻，张 鹏

(1.防灾减灾湖北省重点实验室(三峡大学)，湖北 宜昌 443002；2. 中国地质环境监测院(自然资源部地质灾害应急技术中心)，北京 100081； 3.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081)

三峡库区处于我国第二级和三级阶梯过渡带，地质环境脆弱复杂，历来是我国地质灾害的高发区[1]。三峡工程建设以来，针对水库蓄水诱发的滑坡，尤其是侏罗系红层滑坡、三叠系巴东组易滑地层和堆积层滑坡，开展了大量的调查、监测、勘查、防治和相关研究工作，取得了丰硕的成果[2-5]，三峡库区地质灾害得到了有效防控。

2008年11月，三峡工程试验性蓄水175 m以来，由于周期性水位调度，三峡库区已经经历了10 多年145～175 m的水位波动。水位变化常态化强烈地改变了库岸斜坡的地质环境条件，三峡库区水位变动带岩体损伤松动强烈，部分区域形成了高30 m的斜坡劣化带[6]。其中，以往关注较少的峡谷区岩溶岸坡，部分水位变动带溶蚀岩体劣化快速而强烈。由于其高势能和强致灾性，岩溶岸坡岩体劣化及其灾变效应受到大量学者和政府的广泛关注。

溶蚀岩体坡内孔隙、裂隙与岩溶管道发育，水位变动带溶蚀岩体遭受的应力和环境条件周期性变化，库水/地下水与溶蚀岩体岸坡的相互作用活跃[7]，溶蚀岩体损伤强烈。陈瑜等[8]利用三维表面激光形貌仪，研究了不同温度下水-岩作用后白云岩、灰岩岩石表面形貌的变化。冯夏庭等[9]通过化学腐蚀下岩石细观结构的变化,建立了以空隙率为变量的细观化学损伤变量计算公式。微细观到宏观岩体的变化导致水位变动带岩体质量和物理力学性能快速下降[10]。Dochez等[11]研究了不同pH值溶液对灰岩的溶蚀作用，提出对灰岩岩桥的改造引发了结构面强度的下降。王伟等[12]展开了系统的力学试验,分析了周期性饱水对大理岩岩石力学特性的影响规律，建立了岩石损伤动态演化方程。

溶蚀岩体宏观损伤加速了部分岩溶岸坡变形破坏演化进程，带来了前所未有的工程灾变效应问题，诱发或新生了如龚家坊滑坡、青石滑坡、箭穿洞危岩体、板壁岩危岩体、棺木岭危岩体、黄岩窝危岩体等大量地质灾害，造成了数亿元的经济损失[6，13-15]。溶蚀岩体易脆性破坏，以较大的速度冲击水体，形成灾害性涌浪[16-17]。三峡航道是长江黄金水道的重要咽喉，岩溶岸坡岩体劣化的灾变是当前三峡库区地质灾害防治面临的新挑战。

与碎屑岩和堆积层完全不同，碳酸盐岩与库水长期变动的耦合作用具有与其岩性、岩体特征相符的特定作用方式[18]。针对岩溶水动力具体特征，大量学者提出了不同的类型。曹金亮等[20]分析了天桥泉域岩溶水系统，提出了动荡型、滞后型和消耗型三种岩溶水动力类型。徐德威[21]分析了基准面河流、斜坡型河流和悬托型河流与岩溶水动力的关系，以及导致的区域岩溶工程地质条件。邹成杰等[22]系统分析了河谷岩溶水动力作用，总结了深层岩溶水动力特征。前人的研究都是针对区域或河谷岩溶地下水或水库区域渗流等，对浅表层具体岸坡的岩溶水动力作用针对性不够，指导性不强。通过10 多年的持续跟踪调查研究，本文研究了岩溶岸坡结构与岩溶水动力类型，分析溶蚀岩体沿结构面劣化的机制，提出岩体劣化引起的灾变效应，为三峡库区岩溶岸坡预测预警与防治提供技术支撑。

1 岩溶岸坡结构与岩溶水动力类型

1.1 碳酸盐岩岸坡结构

三峡库区碳酸盐岩分布广泛，从震旦系至三叠系均有出露，分布区域从库首秭归县到奉节县都有出露，尤其三个峡谷区和一些支流区域集中出露(图1)。碳酸盐岩可分为三大岩溶层组，包括震旦系灯影组-水井沱组；寒武系下统天河板组-奥陶系；石炭系-三叠系巴东组。寒武系下统石牌组、志留系和侏罗系是三个区域性碎屑岩隔水层组。碳酸盐岩中部分层位偶夹泥质条带灰岩、泥岩或页岩隔水层。

在三峡库区碳酸盐岩岩体以块状、层状结构为主，也有部分岩体为碎裂结构。碳酸盐岩岸坡属于层状岩质岸坡，具有一般层状岩质岸坡的共同特征。因此，碳酸盐岩岸坡结构类型可分为逆向岸坡、顺向岸坡、平缓层状岸坡等。根据岩层中是否夹有或含有碎屑岩、泥岩岩层和与岩层产状的交切关系，可以把岸坡类型进一步细化[19]。由于碳酸盐岩的特殊性，易被地表水和地下水溶蚀；在岸坡岩体中形成各异的管道-裂隙-孔隙等多重尺度的溶蚀结构。岩溶结构在岩体劣化及其灾变过程中非常重要。

图1 三峡库区碳酸盐岩主要分布区Fig.1 Main distribution areas of carbonate rocks in the Three Gorges Reservoir area

在三峡库区，碳酸盐岩库岸斜坡具有两个典型特点：一是形成高陡岸坡，例如三峡(瞿塘峡、巫峡和西陵峡)、小三峡(大宁河)、乌江等干支流的高山峡谷。二是库岸斜坡与周期性变动的库水-地下水系统的岩溶作用联系密切。在斜坡表面，降雨和地表水的面流对岩体产生面状溶蚀。侵蚀性水体深入岩体内部后，沿着导水网络溶蚀。表层和深层的溶蚀可形成溶孔、溶隙、溶沟、溶槽、管道或洞穴等岩溶结构[7]。在一定条件下，也会产生碳酸钙的再沉积与结晶作用。碳酸盐岩岩层表面有时看到一层碳酸钙薄膜，或松散堆积物发生钙质胶结，或一些裂隙被CaCO3充填。显然，岩溶水动力作用对库岸斜坡稳定性影响很大，例如岩溶水动力通道提供了破坏的物理边界和水力学边界，而溶蚀与胶结影响了岩体的强度[23]。

1.2 岩溶水动力类型

经过调勘查，根据斜坡岩体结构和岩溶地下水径流特征，三峡库区浅层岩溶岸坡地下水径流类型可以总结为裂隙-层面径流型、层面-裂隙径流型和裂隙径流型等三种常见类型。当顺层斜坡中存在相对隔水的泥岩岩层或泥灰岩岩层，且结构面或破裂面以层面为主时，表层和层间的裂隙为下渗通道，层面为岩溶水的主要通道；可命名为裂隙-层面径流型(图2a)。层面-裂隙径流型的主要岩溶水径流通道为层面-裂隙网络，一般在较为均质的厚层碳酸盐岩中形成(图2b)，沿层面渗流的区段沟通浅表层内裂隙或管道。岩溶水的渗流基本以裂隙网络为主时，可称为裂隙径流型(图2c)。

库区河岸斜坡地下水的补给一般以降雨为主。不同的岸坡结构都可能存在上述三种径流类型，图2给出了库区常见的岸坡结构与水动力型的组合形态。排泄的水通过地表或地下流向最低侵蚀基准面。

蓄水后，水位上升且最低侵蚀基准面周期性波动；岩溶水补径排关系周期性改变和调整。这种水面上升与下降将造成消落带库岸斜坡反复重新处于活跃的充气带内。岩溶水在充气带内将以季节性垂直运动为主和部分水平交替运动，形成浅表层的溶沟、落水洞、竖井等岩溶形态[22-23]。蓄水造成的岩溶水力关系改变是形成当前溶蚀岩体劣化的根源。

2 岩体劣化发育分布与机制

2.1 岩体劣化发育情况

大量调查显示，岩溶岸坡消落带岩体劣化的现象主要包括溶蚀/溶解、裂缝显化与扩展和机械淘蚀等，岸坡岩体质量和岩体物理力学性质会快速下降[10]。2006 —2019 年持续调查发现(图3)，三峡水库峡谷区岩体劣化强烈段分布不均一；密集分布在巫峡、大宁河、九畹溪等区域和零星分布在其他岩溶岸坡出露的区域(图3)。巫峡段岩体劣化强烈区域集中分布在以下3段：

图2 三峡库区库岸常见岩溶水径流类型Fig.2 Common karst hydrodynamic types for the karst rocky banks of the Three Gorges Reservoir

图3 三峡水库岩溶区典型强烈岩体劣化带分布图Fig.3 Distribution map of typical deterioration zone in the karst area of the Three Gorges ReservoirA—大宁河小三峡；B—龚家坊-独龙段；C—箭穿峡至箭穿洞段；D—神女峰至抱龙河口左岸；E—神女峰至抱龙河口右岸；F—板壁岩段；G—黄岩窝段；H—梭子山段；I—九畹溪棺木岭段

(1)龚家坊至独龙段

该段长约4.5 km，其特征为薄—中层陡倾层状碎裂结构灰岩，被大量机械侵蚀冲蚀。沿坡面侵蚀或沿大型顺坡向结构面侧向侵蚀，坡面侵蚀深度达2.2～3.5 m。因为存在贯通的结构面，175 m之上的一些岩体由于失去支撑而失稳滑塌，局部形成了侵蚀崖(或陡壁)，崖壁最大的高差超过30 m。

(2)箭穿峡至箭穿洞段

该段长约1 km，其特征为平缓横向结构岸坡中厚层—巨厚层岩体中溶蚀沟槽裂隙发育(图4a)。由于岩层倾角较小，垂直岩层的溶蚀结构面发育，地下水流向及地表水冲蚀以近垂向结构面为主。10年来的溶蚀/潜蚀造成了这一区段消落带溶沟、溶槽非常发育。

(3)神女峰至抱龙河口两岸

该段左岸1.5 km，右岸2.8 km长；其特征为陡倾—陡立顺层岸坡层状结构岩体中岩体结构面增多、岩体破碎加剧(图4b)。结构面扩展或显化后，在重力作用下，引发块体沿陡倾的层面旋转或下滑；造成岩体表层松动破碎，岩体结构面进一步增多。

2.2 岩体劣化机制

根据巫峡岩溶岸坡岩体劣化的调查与测试，浅层岩体劣化以结构面的劣化为主；岩石的低劣化率夹杂结构面的高劣化率，具有不均一性；根据风化界线或岩体裂隙分带，在区内或带内则有相近的劣化率，具有分带性[10]。因此，溶蚀岩体劣化首先应关注岩体结构面。这一认识与谷德振[24]和孙广忠[25]的“岩体结构控制理论”认识一致。

在溶蚀岩体结构中常见闭合或张开的裂隙，很多张开的裂隙中有充填物。根据溶蚀岩体结构中充填物的性质可分为碎石土充填、黏土充填、胶结物或钙华充填及方解石充填等类型(图5)。充填结构面是否劣化及劣化程度首先取决于充填介质类型和形状。

图5 溶蚀岩体裂隙填充物Fig.5 Situation of fissure filling materials in karst rock mass

如果地表-地下水动力作用以机械搬运为主时，无胶结的碎石土和黏土充填物会被慢慢的潜蚀或冲蚀出裂缝区。图5(a)为消落带岩体表层大量张开无填充的裂缝，原来充填的黏土或碎石土被冲刷殆尽。

裂隙中胶结物、钙华和方解石脉充填等都与历史时期CaCO3再沉淀结晶有关。从宏-微观结构和物质组成来看，钙华和钙质胶结薄膜孔隙空隙较多，且含黏土矿物。因此，侵蚀性溶液可以容易的深入这2种物质中，并在短时间尺度上起作用。一旦它们重新浸泡在侵蚀性溶液中，其溶解速度会远大于致密的方解石脉和灰岩；从而在短时间尺度上(数年至十多年)发生“黏结键”松动或脱落。当前在消落带岩体表层可以看见大量脱落的多孔钙华和松动的胶结物，“黏结键”被溶解是其主要机制[26-27]。

显然，当钙华和胶结物因化学作用而松动脱落后，会被地下水或地表水慢慢潜蚀或侵蚀掉，这些机械搬运作用会改变裂缝的充填情况，见图4(a)。因此，根据水力、化学和应力等作用力的主导性，可以归纳溶蚀岩体劣化的机制为物理机制、化学机制和力学机制等模式(图6)。显然，地表流水及地下渗流导致的机械淘蚀与潜蚀是以物理机制为主的岩体劣化，溶蚀与溶解是以化学机制为主的岩体劣化。这2种机制中，应力作用仅是环境或辅助加速作用。譬如当应力集中后，化学溶蚀速率会明显加速[9，28-29]，有利于“黏结键”的快速溶解。

在较大的应力环境和弱腐蚀性流水共同作用下，溶蚀岩体会发生应力腐蚀断裂现象。即在山体应力以及化学溶液腐蚀的长期作用下，岩桥或闭合结构面的强度下降发生断裂或破裂。应力腐蚀断裂导致岩体在中低应力(相比正常破坏应力状态)环境下发生破坏，是一种岩体化学-应力耦合效应[30]。冯夏庭等[9]通过对比试验发现未受化学溶液腐蚀试件的破坏为脆性破坏；受化学溶液浸泡腐蚀后，裂纹尖端受到腐蚀和软化，裂纹展开、扩展尺寸和速度均减小。化学溶液腐蚀对裂隙碳酸盐岩试件强度有一定的影响。丁梧秀等[31]详细分析了化学溶液对灰岩全应力-应变过程的影响特征和机理，获得了不同化学溶液对灰岩变形及强度腐蚀效应的影响规律。马登辉等[32]提出水化学溶液对灰岩内部微裂隙的溶蚀和润滑作用也是导致灰岩力学性质劣化的原因。同时，周期性的水-化学-应力耦合作用和宏观损伤增加，促进了岩体强度的下降，导致断裂更易发生[33-35]。因此，消落带岩体的裂缝显化与扩展是以力学机制为主的岩体劣化。

岩体劣化因地表水-地下水水位变动而形成，其损伤劣化位置也必然与岩溶水力调整区域有关。尽管每周期的损伤劣化可能较小，但多年累积形成的劣化现象惊人，造成岩体强度持续下降，加速斜坡的不稳定演化。

3 岩体劣化引起的灾变效应

3.1 灾变机理与趋势

从岩体劣化的物理、化学机制看，岩体渗流的变化形成了水位变动带岩体损伤劣化，裂隙张开度更大、深度更深，延伸更长；反过来又加强了岩溶水渗流作用[36-37]。从岩体劣化的力学机制看，当斜坡处于浅表层改造过程中时，浅表层岩体形变导致应力集中或需承担额外的力时，裂隙会显化新生或扩展；反过来加强浅表层岩体形变。因此，岩体劣化-岩溶水动力作用-岸坡形变(“水-岩-岸”)这三者是互馈促进的关系(图7)。显然，不是每个斜坡在水位变动下都会发生快速演化。但当某个斜坡处于这三者互相促进发展时，这一斜坡消落带表现为岩体劣化强烈且发展迅速，斜坡处于快速演化为不稳定斜坡阶段[38-39]。“水-岩-岸”的互馈促进是岸坡灾变的形成机理。例如巫峡段的箭穿洞危岩体和支流九畹溪内的棺木岭危岩体就是典型案例。

图7 岩体劣化因素的相互关系图Fig.7 Relationship between factors of the deterioration of rock mass

多年调查显示，三峡库区箭穿洞危岩体，水位变动带的基座灰岩岩体持续压裂损伤。2012 年与2018 年的基座照片对比显示，变化区域基本覆盖整个基座。发生松动掉块的有4个区域， 8个区域出现强烈的裂缝扩展和新生(图8)。基座岩体破碎造成水岩作用强烈。从基座坑道内的压应力监测曲线看，年最大压力监测数据不断增大(图8)，基座遭受的压力越来越大[14，40]。由此，箭穿洞危岩体的“水-岩-岸”互馈机制形成，加速了岩体劣化的影响。调查及监测数据说明该危岩体逐步与母岩分裂脱离，三维边界正在快速形成；危岩体灾变失稳明显。箭穿洞危岩体于2019 年正式进入了工程防治阶段。该防治工程是三峡库区因岩体劣化问题而开展彻底治理的第一个案例。

图8 箭穿洞危岩体基座岩体宏观损伤变化及压力变化图Fig.8 Diagram showing the macro-damage and pressure change of the foundation rock mass of the Jianchuandong rock mass

库区地质灾害发育与诱发因素呈明显的阶段性(表1)。第一阶段为1994 年三峡移民工程开工之前，库区地质灾害主要由河流冲刷和降雨等自然因素诱发。第二阶段为1994 —2003 年移民迁建期间，高强度的人类工程活动和暴雨是主要的诱发因素。第三阶段为2003 —2008 年三峡水库阶段性蓄水期间，主要由库水位变动引发。第四阶段为2008 年开始的175 m水位试验性蓄水，诱发因素为库水周期性变动及降雨[6]。

表1 三峡库区阶段性地质灾害发育与诱发因素

岩体劣化的灾变效应可能将三峡库区地质灾害带入第五个阶段。其标志性事件是箭穿洞危岩体防治和卡门子湾滑坡。2019 年12 月无明显水位变动和降雨，秭归卡门子湾在12 月10 日发生了滑坡。10 多年水位变动导致的滑体中下部岩体劣化，是该红层基岩滑坡的诱发因素[41]。

3.2 岩体劣化灾变表现

三峡库区因为岩体劣化加速形成了大量的岩溶地质灾害。调查分析表明，图3中近10 km的巫峡干流、小三峡等多个支流和棺木岭等许多典型岸坡都存在因岩体劣化而灾变的风险。三峡库区岩溶岸坡岩体劣化引起的灾变效应显现。

以神女峰至抱龙河口两岸近4.5 km长的岸坡为例分析灾变效应的具体表现。在岩体劣化作用下，该段溶蚀岩体结构降级，岩体结构由层状结构转为碎裂结构。尽管表层裂隙众多，但均为小型结构面；层面是地下水渗流的主要通道。

尽管层面岩桥的黏结力强，但在长期应力腐蚀断裂机制下，层面的岩桥加速破坏[11]。层面岩桥的破坏意味着底破坏面(滑面)的进一步贯通。大量的小型结构面将层面边界切割形成块体，在重力作用下块体有沿层面滑移和旋转的趋势。当下滑力大于阻滑力时，小块体或块体集合体会发生滑塌。例如2018年12月轿顶峰2号斜坡的局部岩体顺层滑移(图9)。顺层滑动的体积约200 m3；共有2～3 个岩层的块体。

图9 轿顶峰2号斜坡局部滑塌(照片摄于2019年6月)Fig.9 Local slide of Jiaoding peak 2#

2019 年以来，对该4.5 km长的多个斜坡进行了相对位移和GNSS地表位移监测。尽管GNSS地表位移形变特征不明显，但消落带表层块体相对位移非常清晰。图10展示了抱龙河口青石17号斜坡块体间相对位移典型监测曲线。部分块体在发生缓慢滑移或旋转，相对位移速度非常小，约为0.16 mm/月。说明消落带斜坡局部形变，但没有演化到斜坡整体发生形变阶段。

图10 青石17号斜坡及裂缝相对位移监测Fig.10 Relative displacement monitoring in Qingshi slope 17#

仔细观察图9中新鲜露出的层面可以发现，裂缝密集度、开度及延展度均低于表层岩体。说明它的风化程度低于表层。在周期性水位变动下，这一新鲜岩层也会进入到图7的岩体劣化循环中。黄波林等[10]跨孔声波测试结果表明，岩体劣化程度在深度方向呈下降趋势。因此，表层岩体是岩体劣化最为强烈的区域。由于卸荷和岩溶作用，表层溶蚀岩体的结构一般最为破碎。两者叠加的结果就是消落带附近表层岩体可能因岩体劣化不断发生小型的滑塌。这一段顺层岸坡岩体劣化引起的灾变效应早期可能具有破坏趋于浅表层、岸坡不断后退的表现。

图11 典型变形破坏模式Fig.11 Deforming and failure mode of the columnar rockfall

柱状危岩体基座的小型崩塌(如箭穿洞基座岩体的掉块和小三峡龙门寨危岩体基座附近的小型崩塌)和龚家坊至独龙段逆向岸坡的小型滑塌等现象，也是趋表-后退的具体表现。消落带附近岸坡不断的“趋表-后退”，将使斜坡在消落带区域形成类似“海蚀崖”的地貌。

消落带附近的这种岩体劣化和“趋表-后退”改变了低高程区岸坡和岩体结构，形成牵引破坏或卸荷，极大加速了岸坡破坏失稳。因溶蚀岩体劣化而灾变的岸坡在三峡库区有3种常见的岸坡破坏模式：塔状危岩体崩塌、顺层岸坡滑移和逆向岸坡倾倒(图11)。

对柱状危岩体，底部的大型结构面或底部岩体遭受周期性水位变动时，一方面加剧了底部岩体或结构面的水岩相互作用，导致岩体劣化。另一方面，由于岩体强度降低，“趋表-后退”现象或变形破坏会进一步加剧。“水-岩-岸”互馈促进，导致危岩体内部裂隙扩展和应力重分布。根据柱状危岩体的地质结构和进一步破坏失稳的特征，柱状危岩体崩塌模式一般有压溃式破坏、滑移式破坏和倾倒破坏。

由于顺层岸坡的主要水动力类型为裂隙-层面型，因此“水-岩-岸”互馈主要促进层面的贯通和切割边界的形成。岩体劣化将导致水位变动带的层面开裂和形成相关切割边界，趋表-后退效应不断下切消落带岸坡。不论滑移型岸坡的主要滑动力来自于中后部还是中前部，水位变动带岩体劣化都会加速岸坡的变形演化。如果剪出口位于水位变动带内，且滑动力主要来源于中前部，则可能出现前缘局部失稳牵引整体变形。如果剪出口在水位变动带之外，水位变动带岩体劣化强烈，可能导致剪出口的迁移。

对倾倒的碎裂岩体逆向岸坡而言，水位变动带处于中低高程区域时，有趋表-后退表现，“水-岩-岸”互馈导致不断的小型崩滑，造成岸坡倾倒变形中的阻滑段破坏，减少阻滑力，加速变形破坏演化。

需要注意的是，有些岸坡的破坏模式会因为岩体劣化而发生模式变化或转化。同时，不论哪种岩溶岸坡破坏模式，当其失稳时，都极可能产生灾难性涌浪。次生涌浪的灾害性也应在地质灾害预测预警及防治中进行考虑，不可忽视。

4 结论及建议

(1)根据浅表层岸坡岩溶地下水流动路径特征，岸坡岩溶水动力类型可分为裂隙-层面型、层面-裂隙型和裂隙型。地表水、地下水周期性变动带来了岩溶水动力作用的调整，形成了溶蚀岩体劣化环境。

(2)三峡水库岩溶区岩体劣化程度不一；其中巫峡段岩体劣化强烈区域集中分布约10 km。以机械搬运为主的物理机制、以溶蚀、溶解为主的化学机制和以应力腐蚀断裂为主的力学机制都会造成溶蚀岩体劣化，导致岩体结构趋于破碎，岩体强度下降。

(3)岩体劣化-岩溶水动力作用-岸坡形变的互馈促进推动了岸坡灾变的形成。岩溶岸坡岩体劣化引起的灾变效应早期可能具有破坏趋于浅表层、岸坡不断后退的表现。

(4)岩体劣化可能将三峡库区地质灾害带入新的发育与诱发阶段，这种灾变效应已经显现。岩体劣化给三峡库区高陡岩溶岸坡带来了前所未有的失稳风险，使得库区地质灾害防治面临了巨大挑战，建议持续开展相关观测和系统研究，为防治减灾提供依据和技术支撑。