三峡库区三门洞滑坡复活机理及韧性变形研究

张家旭 易庆林 邓茂林 安知利 彭云飞 雷玉

摘要：三峡库区蓄水诱发大量库岸古滑坡复活变形，引入“韧性变形”概念可很好地解释古滑坡在相似影响因素下的差异性变形响应情况。以三峡库区三门洞滑坡为例，通过现场地质调查及17 a的监测数据，分析古滑坡复活过程中的变形特征及“韧性变形”机制。结果表明：①三峡库区三门洞滑坡为平缓堆积层古滑坡，自三峡水库蓄水后复活变形，前、中、后部变形主要为塌岸、拉张裂缝或坍滑和拉张剪切裂缝；②在库水位下降期间，滑坡的变形对库水位的快速下降响应敏感，库水在低水位运行和上升期间，滑坡变形主要诱发因素是降雨，尤其是连续性强降雨，可引发滑坡持续性变形；③滑坡发生“韧性变形”时，滑体内部经历一次密实过程，使得土体的密度增大，内聚力增强，提高了土体的抗剪能力，在一段时间内拥有抵抗下次变形的力量。研究成果可为三峡库区滑坡监测预警工作提供参考。

关键词：古滑坡； 复活机理； 韧性变形； 三门洞滑坡； 三峡库区

中图法分类号： P642.22

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.021

0引 言

大坝的建设带来了便捷与经济，同时对库区地质环境的扰动也不断加大，使得一些古滑坡相继复活，由于滑坡发生时间久远，古滑坡复活规律与演化趋势复杂多样，受到了越来越多学者的关注。Deng等根据大渡河沿岸某古滑坡的时序性和周期性特征，总结了古滑坡的形成机制、复杂性和多期性［1］；Lane认为蓄水过程是诱发古滑坡复活的主要因素［2］；奥地利Faggenbach 河上的Gepatsch水库蓄水，诱发Hochmais古滑坡复活，当水库水位最低时，滑坡位移加速度达到峰值［3］。Dapporto等认为库水位的升降过程会弱化滑体的力学性质，同时河流会对坡体产生侧向侵蚀［4］。国内众多学者对水库运行诱发古滑坡复活机理等问题展开了讨论。湖南省柘溪水库蓄水诱发塘岩光滑坡，肖诗荣等采用工程类比方法提出库岸古滑坡的空间预测模型［5］。三峡水库蓄水后，诱发了许多库岸古滑坡复活［6-8］，古滑坡变形趋势具有多样性，但多与库水动态变化相关［9-11］，少数与降雨有关［12-13］，根据库水变化与滑体的渗透特征的关系可将其划分为浮托减重型和动水压力型［14-16］。这两种分类是针对库水位上升或者下降过程中有规律响应的滑坡，基于此的研究成果丰厚。而有一些滑坡在库水位上升或者下降过程中，变形呈现非规律性响应情况，如在不同年份库水位调度及降雨量相似的情况下，地表监测累计位移曲线对库水位的响应时有时无，针对此现象开展的研究相对较少。地表监测累计位移曲线对滑坡稳定性以及长期变形演化的判断有着重要意义，滑坡非规律的变形响应可能会对监测预警工作带来错误的指导。

针对三峡库区的古滑坡在不同年份相似库水位调度及降雨量的条件下滑坡变形响应不同的问题，首次引入“韧性变形”概念，即滑坡体在面对一定程度的外界扰动，坡体内部产生的抵抗变形或适应变形。自三峡水库蓄水以来，大量案例显示，三峡库区大部分库岸古滑坡在首次经历173 m蓄水时，地表监测累计位移产生了较大变形量，库水位再次蓄水173 m甚至175 m时，滑坡变形量均达不到首次蓄水时的变形量，即在首次173 m蓄水过程中，滑坡产生了“韧性变形”。

三峡库区秭归县三门洞滑坡地表监测累计位移存在疑似“阶跃”特征，在库水位升降作用与降雨的共同作用下产生较大变形量［17-21］，但在下一个或多个水文年中，再次经历库水位升降与降雨共同作用时，滑坡变形则不明显，“韧性变形”作用强烈，一段时间后，滑坡对库水位和降雨的共同作用时又出现累计位移“阶跃现象”。本文以三门洞滑坡为例，通过现场地质调查及17 a的监测数据，分析古滑坡复活过程中的变形特征及“韧性变形”机制。研究结果可为降雨和库水位升降作用下，库区滑坡稳定性判据提供理论基础，为监测预警工作提供技术指导。

1工程地质概况

三峡库区三门洞滑坡位于湖北省秭归县沙镇溪镇，距青干河入江口8.5 km，距三峡大坝坝址50.2 km。滑坡平面形态为明显的“舌”形，滑坡后缘延伸到公路上，呈不规则圆形，以出露的基岩为边界；南侧顺山脊展布，以基岩为边界，北侧以陡坎临空面为边界，前缘位于青干河水位线以下，剪出口高程约为125 m。主滑方向60°，平均坡度15°，均宽300 m，滑体纵长830 m，滑体面积24.9万m2（图1）。滑坡体积548萬m3，属于大型滑坡。滑坡所处青干河右岸斜坡，整体趋势西高东低，标高125～430 m，相对高差205 m，工程地质平面图见图2。

根据现场地质调查，三门洞滑坡体主要为第四系崩坡积物碎块石土，颜色为黄褐色、灰褐色，结构松散，可塑，厚度约为22 m，见图3。滑体中土为黏土、砂土及耕植土，稍湿，块石主要为石英砂岩及泥岩，滑体中前缘块石含量约为30%～40%不等，块径多为1 m以下，滑体后缘块石含量约为40%～50%不等，块径大，最高可达10 m。滑带为覆盖层与下伏基岩接触面，接触面上层为浅灰色粉质黏土夹碎石，性状稍湿可塑，见图3。碎石含量约为20%，块度0.005～0.002 m，主要物质为浅灰绿色砂岩、泥岩，强风化，磨圆度差。滑面为光面（顺层光滑斜面），滑床为侏罗系中下统香溪组（J1x）的紫红、浅灰色泥岩或泥质砂岩，产状110°∠32°，属于易滑地层，见图3。

2滑坡复活变形特征

2.1地表变形特征

三门洞滑坡是三峡库区重点关注的典型平缓古堆积层滑坡，该滑坡自2003年三峡水库蓄水后发生复活变形，2006年纳入专业监测，按每月一次，汛期两次的频率进行宏观地质巡查。

156 m蓄水后至175 m试验性蓄水前，滑坡地表变形明显。175 m试验性蓄水后，滑坡中前部（高程约200 m）出现一条裂缝，裂缝走向270°，长约20 m，宽15 cm。2009年5月新张5 cm。中部公路处（高程约220 m）出现一条裂缝，裂缝走向110°，长约30 m，宽10 cm，为2009年4～5月新拉张裂缝。2009年6月继续拉张，新拉张约10 cm。该条裂缝将三门洞滑坡分割为上下两部分，下部变形大，上部变形小。该裂缝位于现在裂缝L9位置前部的坍塌处，现已被坍塌物填充。目前，滑体上典型裂缝照片如图4所示，裂缝特征如表1所列，分布见图2。主要的宏观变形发展如下：

（1） 滑坡前缘宏观变形情况。

滑坡前缘每年经历145～175 m的库水位大幅升降，部分前缘滑体淹没于水下，在常年受到江水浸泡与冲刷情况下，前缘强度不断降低，导致前缘滑体消落带产生局部塌岸现象，见图4（a），同时（高程184 m）简易变形桩变形85 cm，见图4（b）。

（2） 滑体中部裂缝发展特征。

滑体中部存在多处变形敏感区，多处裂缝持续发展，裂缝致使局部挡墙倒塌和村道部分路段变形损毁，多次对路面裂缝回填、道路翻修，裂缝依然产生，见图4（c），老路基下沉，2023年1月新修路基在L8延伸方向产生2 mm裂缝。滑体中部裂缝主要从的L9、L11、L16向沿公路滑体两侧发

（3） 滑体后缘裂缝发展特征。

滑体后缘先后产生多条裂缝，以拉张剪切为主，使得村民房屋基础拉裂，道路路基下沉，蓄水池张拉破坏，加剧了地表水入渗，对坡体稳定性不利，现多处裂缝经历回填，道路翻修。

2.2监测布设情况

三门洞滑坡为三峡库区秭归县三期地质灾害监测滑坡，2006年布设人工监地表位移监测点共计6个，沿Ⅰ-Ⅰ′剖面线上布置ZG363、ZG364、ZG365，滑坡右侧前中后缘分别布设ZG360、ZG361、ZG362。随着滑坡的变形发展，2022年以人工监测点的监测成果为基础，增设GNSS全自动地表位移监测点4个：ZGX361、ZGX363、ZGX364、ZGX365，布设如图2所示。

2.3滑坡位移监测特征

2.3.1GNSS人工监测

人工监测点已进行17 a监测。图5显示，6个监测点具有同步变形的特性，但各监测点的位置不同，其变化幅度差异显著，ZG365位移最大，达到累计3 513 mm，ZG360累计位移最小，达到1 276 mm，ZG361～ZG364累计位移在2 457～2 661 mm之间。

通过图5可知，三门洞滑坡地表监测累计位移存在明显阶跃特征，以变形最大的ZG365为例，常年的年位移值为12～350 mm，而单次阶跃可达到8～291 mm，而2008，2009，2017年的年位移属于最大的3 a，年位移值达到了795，521，449 mm，且主要位移量由阶跃贡献。

2.3.2GNSS自动监测

图6显示，自2022年2月开始采集数据，ZGX361、ZGX363、ZGX364、ZGX365的总量位移达到了35.3，50.6，74.7，83.4 mm。与人工监测结果比较，存在一定差异。滑坡中部的ZGX364与滑坡后缘的ZGX363监测点，在2022年4月2号后，失去同步性，但两者产生阶跃现象在时间上是一致的，同时两者前缘累计位移最大，滑坡左侧位移量大于右侧等特征，与现场的地质调查结果相吻合。

2.4滑坡变形特征分析

2.4.1库水影响因素分析

以库水位运行状态划分4个时期：① 库水位下降期、② 库水位上升期、③ 低水位运行期、④ 高水位运行期。三门洞滑坡为三峡水库蓄水诱发的古滑坡复活变形，在不同的库水位时期，滑坡呈现不同的变形规律，为了准确反应滑坡在库水动态作用下的变形特征，选用不同水文年降雨少的时段进行分析。

（1） 库水位下降期。175.00 m→160.00 m這一阶段库水缓慢下降，此时滑坡变形不明显；160.00 m→145.00 m这个阶段库水位下降速率增大，滑坡变形开始明显，以ZG365为例，2019年8月10～27日，库水位由149.04 m降至147.92 m，日均下降0.07 m，监测点最大变形速率达1.04 mm/d；2020年7月28日至8月15日，库水位由162.45 m降至154.31 m，日均下降0.45 m，监测点最大变形速率达1.63 mm/d；2021年5月19日至6月12日，库水位由153.94 m降至145.40 m，日均下降0.36 m，监测点最大变形速率达2.80 mm/d，这说明三门洞滑坡的变形对库水位快速下降的响应敏感。

（2） 低水位运行期。2015年6～8月，库水位快速下降过程导致的变形，在此阶段持续变形一段时间，然后出现减速拐点，滑坡减速变形。

（3） 库水位上升期。2015年8～10月，历时61 d，以剖面线上前中后部监测点为例，ZG365、ZG364、ZG363分别发生了1，7，6 mm的位移，无明显加速变形迹象，且由于低水位运行期间滑坡的减速变形，通常在库水位开始上升时，滑坡位移曲线趋于平缓。

（4） 高水位运行阶期。2014年11月16日至12月12日，以剖面线上前中后部监测点为例，ZG365、ZG364、ZG363分别发生了-3，3，-2 mm位移，滑坡变形位移不明显，监测数据出现了负值。由于库水上升期间产生的水头差指向坡内，位移方向指向了坡体，形成小位移。此类现象在其他年份的监测中常有出现，在相似的土质滑坡中也有出现［7-10］。

2.4.2降雨影响因素分析

完整水文年中，降雨和库水均是重要的影响因素，本次选用主剖面的ZG363、ZG364Z和G365监测点，进一步讨论不同库水位时期降雨作用对滑坡的影响（图7）。

（1） 库水位下降期。A→B过程171.38 m→166.06 m，库水位缓慢下降，月降雨量20 mm，位移增长2～3 mm，滑坡变形不明显。B→C阶段166.06 m→145.75 m，库水的骤降过程中有28 d处于缓降，4月和5月降雨量分别为140.2 mm和149.9 mm，滑坡位移以1.26 mm/d增长，月位移量达到120～130 mm；6月降雨量120 mm，同比位移下降20 mm，使得ZG363监测点位移曲线微凸起。

2015年4月和5月降雨量分别为112.0 mm和136.9 mm，月位移量达到130～150 mm。对比分析4～5月降雨量，2017年高于2015年，2017年月位移低于2015年。不同的是，骤降阶段2015年库水位平均日降幅 0.44 m/d，2017年库水位平均日降幅0.38 m/d。以上分析表明，库水位骤降阶段滑坡变形明显，降雨不是此阶段的主要诱发因素，但对滑坡变形具有促进作用。

（2） 低水位运行期。C→D过程，库水位在 145.00 m波动，2017年6月降雨量为120 mm，前缘监测点ZG365的位移曲线在C点出现减速拐点，中后缘监测点位移继续以1.26 mm/d增长。D→G过程，出现了暂时的库水位抬升至157.00 m，并快速下降至 145.00 m，2017年7月降雨量达到261 mm，同比上月增长140 mm。在E点3个监测点均出现加速拐点，E→F过程为10 d，位移增长33～46 mm，F点出现减速拐点运行到G点。通过对比2018年和2019年，发现短暂的升降变换滑坡变形不明显。以上分析表明，低水位运行期滑坡变形明显，此阶段的主要诱发因素是降雨。

（3） 库水位上升及高水位运行期。G→J过程，库水位上升过程中，8，9月降雨量分别为120 mm和170 mm，位移曲线从G持续减速增长至H点。10月降雨量204 mm，位移曲线加速增长，H点为加速拐点，加速至I点，进入高水位运行期，11月和12月降雨小，位移曲线减速增长至J点，变形持续至12月。10月的降雨情况多为连续性降雨，由于坡度平缓，坡面径流小，入渗大，坡内地表水难以快速排出，使得变形持续到12月，所以此阶段滑坡变形主要诱发因素是降雨，特别是连续性降雨使得滑坡发生持续性变形。

3三门洞滑坡“韧性变形”分析

3.1滑坡“韧性变形”特征

通过前文分析，三门洞滑坡较大的变形主导因素是降雨和库水位升降作用，但在某个时间内，滑坡经历降雨和库水位升降作用时变形不明显，即典型的“韧性变形”现象，本文根据三门洞滑坡对“韧性变形”特征总结如下：

（1） 宏观变形迹象。

地表变形迹象表现前缘临水部分产生塌岸，中部地表坍塌与拉张裂缝发展，后缘拉张剪切裂缝发展等特征，地表监测累计位移曲线产生抬升现象，滑坡呈现疑似“滑动”征兆，但后续滑坡变形迹象不再继续发展，在一段时间的沉淀后，滑坡变形继续发展。

（2） 地表位移监测特征。

以变形最大的ZG365为例，如图8所示，三门洞滑坡的监测累计曲线表现为“台阶”状，与白家包滑坡等动水压力型滑坡产生的“台阶”状累计位移曲线发展相似［19］，但又有本质的不同。如图9所示，库水位下降过程中白家包滑坡启动变形，至低水位运行期变形停止，此现象根据每年库水位运行情况复现。三门洞滑坡对库水位升降和降雨的响应存在明显不同，如2008年首次抬升至 173.00 m水位时，滑坡变形达到监测以来最大，2009年库水位再次经历145.00 m→173.00 m→145.00 m，滑坡变形不明显。

（3） “韧性阶段”时长。

按三门洞滑坡地表位移曲线特性，可将其划分为“变形阶段”和“韧性阶段”，如图8所示，“变形阶段”的历时与变形影响因素的作用强度及作用时长相关，“韧性阶段”的适应时长难以具体界定。从ZG365监测点的监测曲线特征来看，“变形阶段”的历时越长，则对应的“韧性阶段”的历时也就越长，并且“变形阶段”的历时大于对应的“韧性阶段”历时约100～200 d（表2）。

3.2“变形阶段”变形趋势分析

地表监测累计位移曲线是对滑坡的发展及稳定状态进行判断的重要依据。为探究滑坡产生“韧性阶段”的原因，深入了解变形段的变形趋势是有必要的。选取2022年4月18日至8月20日主剖面自动监测点10 d为一个点，绘制“变形阶段”的变形趋势图，如图10所示。从图10中可以看出，“变形阶段”的不同部位的监测点的变形趋势存在明显差异，

以0°为水平方向，滑坡平均坡度为15°，以垂直向下方向变形为正，ZGX365、ZGX364、ZGX363的垂直变形方位角分别为2°、16°、63°，随着变形的继续监测点ZGX363垂直变形方向短暂转为15°后再次转向63°。

本次“变形阶段”水平变形位移量明显大于垂直变形位移量，位移最大为前缘ZGX365，其次是中部ZGX364，位移最小为后缘的ZGX363，具有牵引式特征，与前文监测位移特征相符。滑坡前缘主要以水平变形为主；滑坡中部沿着坡面变形，变形方向与平均坡度几乎一致；滑坡后缘主要沿垂直方向变形，变形过程中，暂时出现以水平变形为主的现象。滑坡中部的地表裂缝多是无明显错动的张拉裂缝和局部地表坍滑，滑坡后缘多为有明显错动的拉张剪切裂缝，监测结果与宏观性质相吻合。

值得注意的是，在垂直方向上，滑坡前缘与中部的监测点在变形过程中，存在向上变形的情况，前缘监测点最为明显，向上和向下方向来回波动，中部监测点先是一段向上变形趋势后持续向下变形，后缘监测点仅仅存在向下变形趋势。

3.3滑坡“韧性变形”机制分析

3.3.1滑坡“韧性变形”机制

以前文地表自动监测中“变形阶段”不同部位的变形趋势为基础，概化滑体内部变形趋势如图11所示，滑坡变形过程中，滑坡表面变形大，变形量向滑体深部逐渐减小，由于这种变形差异，使得滑体内部存在自身调整行为，即内部发生“韧性变形”。

（1） 滑坡后部压密行为与变形趋势转向。

滑坡的后部主要发生垂直方向上的变形。当这种变形向滑坡的深部传递时，它会受到基岩的限制作用，逐渐发生变形趋势转向，从而向滑坡的中部转移。這种变形趋势转向的现象是由于滑体与基岩之间的相互摩擦作用与力的平衡作用引起的。这种转向变形可能表现为滑坡体在垂直方向上的挤压和滑体中部的侧向位移。垂直方向上的挤压使得滑坡后部滑坡土体更加密实，而滑体中部的侧向位移使得土体的压密程度向滑体中部方向逐渐减弱。

（2） 滑坡中部不均匀挤压行为。

滑坡的中部主要沿着滑动面方向变形。由于滑体后部的变形趋势发生转向，滑坡后部对滑坡中部呈现非均匀挤压，中部滑体的深部土体与上层土体之间出现位移差，深部土体承受更大的挤压效果，位移量较大，而上层土体则受到较小的影响，位移量较小。

（3） 滑坡前部鼓胀行为。

滑坡的前部主要发生水平方向上的变形。由于中部滑体内部土体存在上下位移的差异，这导致了滑坡中部土体对前部土体的挤压呈现出一种弧形挤压的形态，所以中前部的变形趋势在垂直方向上形成了一种凸起的形态，如图11所示，这种弧形的挤压结果是前缘土体向临空面鼓胀，变形趋势上以水平方向为主。

滑体在发生“韧性变形”过程中不同部位表现出不同行为，包括滑体后部的垂直运动、中部的挤压以及前缘的鼓胀。这些行为均会使得土体进行一次密实过程，而密实过程使得土体颗粒之间的相互作用加强，从而使土体的密度增大，内聚力增强，土体的抗剪能力提高，一段时间内拥有抵抗下次变形的力量。即“变形阶段”后产生变形“韧性阶段”。

滑坡受到的降雨及库水位升降作用，可以分为短期和长期作用，短期作用主要是降雨及库水位单次作用时产生浸泡软化、静水压力及水头差使得滑坡变形；长期作用是多次短期作用的叠加情况，不利因素的不断累积过程，降低滑体的力学性质。而前文对影响因素的分析，就是短期作用表现，滑体内部进行的单次密实过程——“韧性变形”仅能抵抗短期作用；长期作用下，滑体力学性质下降，滑体又再次进入“变形阶段”。

3.3.2“韧性变形”的条件

“变形阶段”中滑坡垂直方向的位移大小，能否反映滑体各部位相对密实的程度，取决于密实作用能否从后向前缘传递，保证密实作用传递的条件为直线型滑动面。

直线型滑动面可以约束后部深部岩土体的垂直变形，并在向中部传递过程中变形趋势方向转为与滑动面平行，以此挤压前部滑体。

3.3.3滑坡“韧性变形”与宏观变形迹象

发生“韧性变形”过程中，滑体后中前缘变形趋势的不同，使得宏观变形迹象表现存在差异，滑体后部变形趋势主要以垂直方向为主，多出现有错动的张拉剪切裂缝，并向滑体中部方向，张拉剪切裂缝逐渐减少；滑体中部变形趋势沿滑面平行方向，有局部坍滑现象；滑体前部变形趋势沿水平方向为主，也有局部塌岸现象，若前缘临水，塌岸现象更为强烈。

“韧性变形”的本质即滑体内部发生了密实作用，但滑体不同部位密实程度也有所区别。根据前文分析，滑坡后部在垂直方向上的位移量最大，中部次之，前部最小，所以密实程度为滑体后部最大，中部次之，前部最小。“变形阶段”的密实程度大意味着“韧性阶段”抵抗变形能力相对较强，即在“韧性阶段”，密实程度大的后部滑体变形量相对更小，在经历多次“韧性变形”作用后，各部位的变形量差距逐渐拉大。从17 a的人工监测数据来看，滑体综合位移大小依次为前中后部，即呈现了牵引式滑坡特征。

4结 论

（1） 三峡库区三门洞滑坡为平缓古堆积层滑坡，平均坡度15°，平均厚度22 m。它在2003年三峡水库蓄水至135.00 m后复活，目前滑体前中后部变形主要为塌岸、拉张裂缝或坍滑和拉张剪切裂缝，结合专业监测数据，能反映出三门洞滑坡的整体性蠕动变形状态与牵引式特征。

（2） 在库水位下降期，三门洞滑坡的变形对库水位的快速下降响应敏感，而此过程的降雨对滑坡变形仍然具有促进作用；低水位运行、库水位上升期此阶段的主要诱发因素是降雨，尤其在10月的连续性强降雨，可引起滑坡产生的持续1个月的变形。

（3） 滑体发生“韧性变形”时，滑体后缘变形趋势以竖直向位移为主，中部变形趋势以基覆界面位移为主，而前部向临空方向推出，变形趋势近水平，在这个阶段土体会经历一次密实过程，密实过程使得土体颗粒之间的相互作用加强，从而使土体的密度增大，内聚力增强，土体的抗剪能力提高，在一段时间内拥有抵抗下次变形的力量。

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（编辑：刘 媛）