三峡库区万州至巫山段城镇地质灾害调查进展

杨秀元， 付杰， 韩旭东， 张超， 潘书华，李刚， 郭颖平， 潘建永

(1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，保定 071051； 2.自然资源部三峡库区地质灾害—重庆巫山野外科学观测基地，巫山 404700； 3.中国矿业大学(徐州)资源与地球科学学院，徐州 221116)

0 引言

三峡库区万州至巫山段地处多个构造单元交汇地带，地质环境条件较为复杂，强降雨和库水波动等诱发因素作用频繁，是地质灾害频发、群发的重灾区[1]。近些年来，前人围绕三峡库区万州至巫山段地质灾害开展了大量工作，区内发育地质灾害隐患5 000余处，2019年汛前地质灾害排查核定万州区900处、云阳县899处、奉节县1 607处、巫山县950处、开州区552处、巫溪县443处，地质灾害点密度为24个/100 km2。刘传正等[2-5]在地质灾害分布规律和成因条件研究方面取得了系列进展，地质灾害主要密集分布于长江及其支流沿岸人居密集区域，受河谷侵蚀切割、软弱地层分布、斜坡结构等控制，降雨是主要诱发因素，三峡水库水位的波动和人类工程活动也是重要的影响因素之一。另外，库岸边坡也是三峡库区一类特有的地质灾害，是库水位涨落影响下的库岸再造过程[2]。殷坤龙等[6-7]在小比例尺县域地质灾害易发性、危险性和风险评价及大比例尺单体地质灾害稳定性和风险评价方面进行了探索和实践。尽管如此，经过诸如2014年“8·31”特大降雨事件后，核查发现仍有部分地质灾害点不在前期圈定的调查范围内，调查发现隐患点的风险评估工作仍显不足。因此，一方面，需要进一步结合新技术、新方法提高调查评价精度，准确判断隐患位置，尽可能识别出更多的地质灾害隐患； 另一方面，需要围绕城镇区域开展大比例尺地质灾害风险调查评价，进一步摸清地质灾害的成因机理和危害范围，准确判断地质灾害风险。本文以“查背景、识灾害、评风险、研预测”为主线，开展了侏罗系易滑地层干湿循环实验，测试了主要物理力学指标，评价了斜坡稳定性，同时采用“空-天-地”一体化、在线化地质灾害调查技术，开展了重点城镇大比例尺地质灾害风险评价，提升了地质灾害隐患的早期识别能力[8]，用于支撑服务三峡库区地质灾害防治。

1 自然地理地质概况

研究区为三峡库区万州至巫山区段，主要包括万州区、开州区、云阳县、奉节县、巫山县、巫溪县，北靠陕西，东南连接湖北，西北临四川，地理坐标为： 107°51′～110°13′E，30°26′～31°48′N。区内交通便利，水路为东出“成渝双城经济圈”的黄金水道，长江自西向东穿行，自巫山县城顺江而下167 km至宜昌，由万州逆流而上321 km达重庆。研究区处于亚热带湿润气候带青藏高原与长江中下游平原之间的过渡地带，春季低温阴雨潮湿，夏季高温暴雨集中，秋季阴雨绵绵，冬季霜雪稀少，降水分布与地形、海拔高度相关，高海拔山区年平均降雨量为1 200～1 600 mm，低海拔丘陵区降雨量多在1 000 mm左右。多年平均降雨量为1 049.3 mm，年最大降雨量为1 356 mm，月最大降雨量为445.9 mm，日最大降雨量为141.4 mm。年内降雨分布不均，主要集中在5—9月，约占全年降雨量的70%，是区内地质灾害高发时段。

研究区位于第二级阶梯东缘，地质构造跨越新华夏系第三隆起带中段(川鄂褶皱带)和第三沉降带东区(川东弧形褶皱带)，北部受大巴山弧形褶皱带制约，由西向东在形态上展现为一系列由近SN向弧形褶皱逐渐转为NNE、NE、NEE向弧形褶皱，最后近WE向与近SN向秭归短轴向斜相交接。地质构造主要以宽缓的向斜和紧闭的背斜为主，断裂不发育。地貌形态在奉节以西主要为由中生界侏罗系碎屑岩组成的四川盆地东部盆缘低山丘陵宽谷地貌； 其在奉节以东主要为由古生界志留系、二叠系及中生界三叠系碳酸盐岩组成的川鄂褶皱山地峡谷地貌。地层岩性在奉节以西主要为中生代侏罗系红色碎屑岩，仅在背斜核部出露三叠系及二叠系碳酸盐岩； 其在奉节以东以古生代和中生代碳酸盐岩类地层为主，夹红色碎屑岩及煤层。第四系松散堆积层零星分布于河(沟)谷斜坡，在低山丘陵区山体及沟谷斜坡普遍分布崩积、坡积、残积地层。这些特点造就了研究区地质灾害分布态势，并使得长江及其支流沿岸地质灾害分布密集(图1)。

图1 三峡库区万州至巫山段地质灾害分布

2 技术方法

除常规的光学遥感解译、无人机航摄、地面调查(以“地质灾害在线调查系统”电子填图为主)、地质剖面测量、工程地质钻探、坑槽探、岩土样测试等工作手段外，本研究还利用面向对象的承灾体自动提取方法和岩样干湿循环试验手段，来提升地质灾害孕灾背景、演化机制研究及风险评价能力。

2.1 面向对象的承灾体自动提取方法

利用计算机自动化和智能化技术对高精度影像对象进行识别和提取。面向对象的分析过程是通过将影像中的像元分割为影像对象来再现地表空间的地理对象，主要由图像分割和对象分类2个过程构成[9-10]。面向对象的承灾体自动提取方法(图2)通过大范围预分割、小范围逐级分割以及尺度参数评价等步骤计算确定影像最优分割尺度，选取典型承灾体建立分类训练样本，根据光谱因子、形状因子将影像分割对象进行分类，归约分为建筑物、道路、果林、水体4类承灾体[11]。

图2 面向对象的承灾体自动提取方法

2.2 岩样干湿循环试验

该试验是通过崩解试验、CT扫描、扫描电子显微镜实验、X射线能谱分析实验、单轴抗压和变形特征试验等手段对人为干燥和饱水岩样进行观测，分析岩样的宏观和微观改变及物理力学性质变化等，从而研究在干湿循环下侏罗系砂岩、泥岩劣化致灾机理。初始设定为： 将样品称重后放入烘箱内恒温烘烤8 h，冷却至室温后称重，确定天然含水率，后加入蒸馏水浸泡，进入干湿循环过程。“湿”是将岩样浸没于水中2 h，“干”则是将样品置于烘箱50 °C恒温烘烤2 h，在每一个干湿循环过程中进行相应的试验测试。

3 主要进展与成果

3.1 初步查清研究区地质灾害发育规律和孕灾背景

2019年完成了万州区幅(H49E008002)、大垭口幅(H49E007002)和盘石镇幅(H49E007003)地质灾害调查(图3)，共查明地质灾害441处，以松散堆积层滑坡和岩质崩塌为主，其中滑坡371处，占地质灾害点总数的84.13%，崩塌70处，占地质灾害点总数的15.87%，地质灾害及潜在威胁范围29.25 km2，占总评价面积的2.2%。地质灾害主要发育于万州向斜核部长江流域侵蚀切割的河流岸坡下部，多在500 m高程以下，滑坡主要集中在15°～30°坡度区间，崩塌则发育于陡坎陡崖等地形突变地段。地质灾害高易发区面积为89.47 km2，占总评价面积的7%，主要分布于万州向斜长江沿岸，尤其是江北岸钟鼓楼、大周、小周一线； 地质灾害中易发区面积为394.63 km2，占总评价面积的30%，主要分布于万州向斜核部地区，在铁峰山背斜北翼零散分布； 地质灾害低易发区面积为682.14 km2，占总评价面积的51%，主要分布于铁峰山背斜两翼与齐岳山背斜北翼； 地质灾害极低易发区面积为159.98 km2，占总评价面积的12%，主要分布于铁峰山背斜核部地区。

研究认为，区域地质灾害主控条件有以下3点。一是地层岩性。作为地质体的材料，岩体建造、软硬程度和结构特征决定其被改造(侵蚀、风化等)的难易程度。奉节以西主要出露以中生代陆相沉积为主的侏罗系红色碎屑岩，质地软弱，节理裂隙发育，易于侵蚀切割和风化剥蚀，利于第四系堆积，地层较厚，多崩滑，在背斜核部出露海相沉积的三叠系及二叠系碳酸盐岩地层，质地坚硬，但受构造应力作用，卸荷裂隙发育，多易崩； 奉节以东主要出露以古生代和中生代海相沉积为主的碳酸盐岩地层，质地坚硬，以层状结构为主，在褶皱核部构造裂隙发育，多崩塌，局部地段夹红色碎屑岩及煤层等，质软，易于风化和侵蚀，第四系堆积多易滑。二是地形地貌。其控制着第四系的堆积分布和人类的活动区域。奉节以西为低山丘陵宽谷地貌，在河谷两岸缓坡多分布第四系，利于耕种和建设，第四系上强烈的人类活动使得滑坡多发； 奉节以东为中山峡谷地貌，山高坡陡谷深，地形复杂多变，第四系不均匀分布，在人类工程活动、库水位波动、降雨等作用下，缓坡、陡坡多滑坡，峡谷、山崖多崩塌。三是地质构造。其影响着地层展布、地貌形态和斜坡的结构特征，从而影响地质灾害的生成发育。近水平岩质斜坡主要分布于奉节以西宽缓的向斜轴部，整体稳定性较好，但碎屑岩软硬相间的地层也往往多发崩塌。顺向岩质斜坡上覆松散堆积体极易发生滑动，岩层本身的稳定性受倾角大小、层间内摩擦角和黏聚力、单层岩体的厚度和强度影响，坡脚是否受开挖也是影响因素之一。斜向坡稳定性与岩层倾角和坡角的交切关系及层间是否存在软弱夹层有关，稳定性差异大。逆向坡大部分分布于长江沿岸和向斜山地，稳定性好，软岩的风化剥蚀及其引发的硬岩崩塌是重要的破坏形式。

3.2 初步总结了地质灾害的形成过程与演化机理

(1)地质灾害发育过程宏观分析。三峡库区万州区段地质灾害的发育背景条件由地质体本身的物理力学特性和赋存条件组成[5]。侏罗纪末以来的燕山运动和喜山运动对区域地层沉积特征和地层形态结构产生了较大影响，区域内广泛分布的陆相碎屑岩在构造与河流侵蚀等共同作用下，孕育出多种地貌类型和斜坡结构，如铁峰山背斜、万县向斜、方斗山背斜之间呈现的窄岭宽谷地貌与长江及支流侵蚀切割形成的平缓顺向斜坡和陡崖微地貌(图4)，影响着滑坡和崩塌的发育与分布[6]。

图4 万州区典型地貌及演化示意图

(2)堆积体滑坡和顺层岩质滑坡成因及演化分析。万州、云阳区段长江沿岸斜坡变形破坏以松散堆积体滑坡和碎屑岩崩滑最为显著; 滑坡以库岸松散堆积体蠕滑拉裂变形破坏为主，存在长期持续缓慢的地表变形; 崩塌则以侏罗系砂岩、泥岩互层岩质体滑移和坠落崩塌为主[7]。滑坡、崩塌的形成及演化是不同构造部位层状碎屑岩及其上覆第四系松散堆积体所呈现的不同斜坡形态，受降雨、水位波动、水流侵蚀和人类工程活动的影响，天然应力场的平衡被打破而触发的变形和重力失稳破坏(图5)。

图5 松散堆积体和顺层岩质滑坡成因及演化

(3)侏罗系砂岩、泥岩在干湿循环下的岩体劣化规律。三峡水库运行中库水位的涨落对消落带岩体影响明显，在干湿循环下，基岩库岸表层裂化明显[12-15]。针对三峡库区库水位涨落对岩体产生干湿交替循环后形成的裂化、崩解及破坏问题[16-23]，对万州区域侏罗系砂岩、泥岩样品开展了崩解实验、CT扫描、扫描电子显微镜(SEM)实验、射线能谱分析(EDS)实验及岩样单轴抗压强度试验。结果(图6、图7)表明： 在干湿循环过程中，水分子沿着岩样中的微裂纹、微裂隙和颗粒之间接触面等结构面向岩体内部渗透，润滑、软化作用降低了岩体的内摩擦系数和黏聚力； 长石、方解石和黏土矿物在水溶液中发生溶解、迁移、扩散等化学反应和离子交换，使得岩石的矿物成分和微观结构发生改变。同时，试样中的蒙脱石、伊利石等黏土矿物，在饱水的过程中发生吸水膨胀，由于黏土矿物的渗水速率极低，岩石吸水的过程中内部与表面不能同步膨胀，导致试样表层出现拉应力，进而出现拉裂破坏，产生细微裂纹，而岩样内部的微裂纹、裂隙分布区，尤其是裂纹、裂隙末端的塑性区域，是水-岩物理、化学、渗透作用的活跃地带。在水压作用下，裂纹端点处产生的应力集中容易诱发裂纹扩张，更有利于水分子在岩样中形成内渗、外渗和渗透通道，进而为水-岩物理、化学作用提供了更多的反应接触面，使水溶液与造岩矿物、黏土矿物和胶结物发生水-岩作用的机率增大，速度加快。随着干湿循环次数的增加，岩样内部的损伤不断累积，微孔隙和微裂隙累积发展并逐渐贯通，细微观裂纹、裂隙逐渐向宏观裂纹、裂隙转变，矿物颗粒之间的孔隙、裂纹逐渐发育，次生孔隙率逐渐增加，试样的微观结构逐渐由致密变得松散。正是这些微观结构变化的累积发展导致了侏罗系红层软岩宏观物理和力学特性的劣化。

图6 岩样耐崩解指数随干湿循环次数变化规律

图7 岩样单轴抗压强度(左)、弹性模量(右)随干湿循环次数变化特征

3.3 利用无人机高分影像获取技术和面向对象图像分类方法提高承灾体调查效率

以无人机低空航摄影像(0.1 m)和Geoeye高分遥感影像(0.5 m)等为数据源，利用eCognition数据处理平台，利用分类对象信息(色调、形状、纹理、层次)与类间信息，采用面向对象图像分类技术进行影像分类和信息提取，再将地物归约分类为建筑物、道路、果林、水体4类。承灾体具体提取流程(图8)为： 一是通过遥感影像预分割，分别设置尺度参数、颜色参数、形状平滑度与紧致度参数，采用多尺度分割方法将遥感影像分解为基本对象，通过对比承灾体分割结果与实际吻合情况，逐步调整尺度参数并利用尺度参数评价工具分析分割结果，以确定最优分割尺度； 二是创建影像分类特征指标，选取基本对象的亮度、光谱、长宽比、形状指数等作为分类特征指标； 三是选取分类训练样本建立解译分析规则库，分别选取代表建筑物、道路、果林、水体的基本对象作为训练样本，采用最邻近方法对全区进行分类； 四是进行交互验证、归约分类结果并生成矢量底图，根据实地调查验证对分类结果进行交互验证并编辑修正，输出承灾体分类结果矢量图层，最后结合人口、房屋、社会经济调查数据对承灾体进行社会经济属性赋值(图9)。基于面向对象的高分辨率影像信息提取方法能够实现地物信息快速提取，提升大范围承灾体识别提取效率，是一种结合机器学习和图像识别的方法，能够为今后地质灾害风险调查评价的自动化与智能化的实现提供技术方法支撑。

图8 高分辨率遥感数据的承灾体提取流程

图9 重庆市万州区大周镇承灾体分布

3.4 构建了大比例尺城镇地质灾害风险评价框架，评价了重点城镇地质灾害风险

地质灾害风险评价是灾害风险管理框架的重要内容，其定量化评价是地质灾害研究领域的重点及难点[24-25]。城镇尺度灾害风险评价是介于区域尺度和单体尺度之间的一种综合尺度评价，既要考虑区域灾害发育分布特征与威胁对象，又要考虑单体灾害的危害强度和易损程度，是区域和单体灾害风险评价的有机结合体。城镇地质灾害风险评价由基于斜坡单元的区域危险性评价和基于危险源分析的承灾体易损性评价2部分组成，主要包含斜坡单元划分与剖面信息提取、分阶段降雨极值分析、斜坡稳定性建模、承灾体智能提取与评价4个关键环节[26-29](图10)。基于斜坡单元的地质灾害危险性评价(图11(a))和基于高分辨率影像承灾体自动化提取后的地质灾害易损性评价(图11(b))，利用风险评价矩阵方法将地质灾害风险评价结果(图11(c))划分为极高风险区、高风险区、中等风险区和低风险区。

图10 基于斜坡单元的城镇地质灾害风险评价流程

(a) 大周镇地质灾害危险性评价

(b) 大周镇地质灾害易损性评价

4 存在的主要问题和难点

通过2019年项目的实施，在区域地质灾害发育规律、孕灾背景条件和成因机理研究上获得了进一步的认识，在地质灾害隐患早期识别、城镇地质灾害风险评价上取得了一定的进展，但受技术限制和方法制约，在孕灾、评灾和控灾等方面仍存在诸多问题和难点。

(1)自然界中地质灾害的形成与演化往往经历了漫长的地质历史演化过程，本构条件和诸多外因共同耦合的地质事件，通过概化模型阐述其形成机理，其精准度需要不断的技术进步和认知积累来提升。

(2)利用高分辨率遥感影像进行承灾体自动识别提取虽然取得一定的进展，但由于地质环境条件的复杂性、数据精度不一致、识别算法局限性等不确定性因素叠加，影响着识别的精准度，精确的承灾体自动识别尚需技术和方法的不断改进。

(3)岩体干湿循环试验揭示了侏罗系砂岩、泥岩干湿循环下的劣化规律，但限于样品的数量和试验环境的单一性，定量的评价还需要进一步加强试验的投入。

(4)三峡库区城镇地质灾害风险评价在动态定量评价上有很大的提升空间，在评价因子上充分考虑监测预警模型和实时监测数据，利用降雨、库水位波动和不同类型的监测数据共同驱动地质灾害风险评价仍需技术和方法的提升。

5 结论

本文在充分利用前人研究成果的基础上，通过2019年项目实施，在区域地质灾害孕灾背景、演化机制和风险评价上取得了更进一步的认识及成果。

(1)三峡库区滑坡灾害主要发育于软弱的碎屑岩地层及碳酸盐岩上堆积的第四系松散覆盖层，受地形地貌控制，以褶皱为主的地质构造和河流展布从区域上控制着地形地貌形态，从而影响地质灾害的分布。降雨和人类活动是主要诱因，三峡水库运营过程中的库水位调控也是影响因素之一。

(2)从地质沉积历史、地貌演化及微地貌改造等方面系统总结了地质灾害的形成演化机理，阐述了主导地质灾害形成的因素，分析了松散堆积体滑坡和顺层岩质体滑坡的成因及演化过程，从微观上揭示了砂岩、泥岩在干湿循环下的劣化规律，提升了有关区域地质灾害演化机制的认识。

(3)探索了承灾体自动提取方法，构建了城镇地质灾害风险评价框架，承灾体自动提取技术可有效提升大比例尺地质灾害风险评价效率，为三峡库区以城镇为主体的地质灾害风险评价工作的全面开展提供参考。

(4)在项目实施过程中，取得了技术方法和认识水平的提升，除因技术条件限制的不足外，在岩体物理力学系统演变、地质灾害风险动态评价方面仍需进一步提升。通过系统的地质灾害演化研究，提升了对地质灾害的识别能力，同时充分利用三峡库区各类地质灾害监测点数据，开展了地质灾害风险动态评价，提升了风险评价能力，为地质灾害防控提供了支撑。