波浪侵蚀导致的河岸坍塌及其对山体滑坡的影响：来自模型试验的见解

《CATENA》：Wave erosion induced bank collapse and its impact on landslides: insights from model tests

本研究针对三峡库区波浪侵蚀引发岸坡崩塌及滑坡的灾害链机制，通过野外调查和自主研发的物理模型测试平台，模拟不同地质条件下波浪侵蚀、岸坡崩塌及滑坡运动演化过程，揭示侵蚀率与坡度动态关系、岸坡崩塌对滑坡抗滑力及土体剪切强度的影响，为库区滑坡防治提供科学依据。

　　
三峡库区水动力侵蚀与滑坡链式灾害机理研究进展

一、研究背景与问题提出
三峡库区作为全球规模最大的水利枢纽工程，其长期运行对区域地质环境产生显著影响。据统计，该区域已发现滑坡灾害点超过5000处，其中体积超过100万立方米的巨型滑坡达500余处（Tang et al., 2019）。这些滑坡在库区蓄水后普遍呈现持续变形特征，变形速率与水动力作用存在显著相关性（Cao et al., 2023）。特别是在库区水位波动带，波浪侵蚀引发的岸坡失稳已成为制约区域灾害防治的关键科学问题。

二、研究方法与技术创新
研究团队构建了具有自主知识产权的"波浪-岸坡-滑坡"全链条模拟实验平台，该系统突破传统实验室模拟的局限性，实现了三大创新：
1. 动态水控系统：可精准模拟库区十年间的水位波动曲线（2003-2013年实测数据），波动幅度达25-40米
2. 复合波浪发生器：通过双振子阵列实现定向波浪模拟，波高控制精度±0.5cm，波长范围1-5m
3. 多尺度相似材料体系：开发出基于相似率理论的复合土工布材料，成功模拟真实岩土体在波浪侵蚀下的结构劣化过程

三、波浪侵蚀与岸坡失稳耦合机制
通过2020-2022年两次实地勘测（间隔两年）发现，库区滑坡前缘侵蚀形态存在显著时空差异：
- 陡坡段（>25°）年侵蚀速率达0.8-1.2m，形成典型阶梯状侵蚀面
- 中缓坡段（15-25°）侵蚀速率骤降至0.3-0.5m/年，伴随表土层重构
实验数据显示，当滑坡前缘坡度超过28°时，波浪侵蚀产生的剪切应力可使土体抗剪强度降低42%-65%。特别值得注意的是，在持续6小时的波浪冲击下，岸坡土体有效应力降低达37%，触发临界剪切强度时所需的波浪周期由初始的8.2s延长至12.5s。

四、岸坡失稳与滑坡变形的动态响应
基于自主研发的监测系统（精度达0.01mm级位移计阵列），揭示了三阶段演化规律：
1. 初始侵蚀期（0-30分钟）：波浪能量集中作用于坡脚，形成3-5m深的侵蚀坑，此时土体剪切模量下降18%-22%
2. 突变加速期（30-120分钟）：岸坡结构失稳导致滑体整体前移，监测到单日位移量达1.2m，此时土体内摩擦角降低至原值的31%
3. 稳态调整期（>120分钟）：形成新的稳定滑面，位移速率降至0.5mm/h以下，土体结构强度通过再生沉积得到部分恢复

五、关键发现与工程启示
1. 坡度-侵蚀速率动态耦合关系：建立坡度梯度与侵蚀速率的指数衰减模型，发现当坡度超过临界值（约28°）时，侵蚀速率随时间呈指数衰减（R2=0.91）
2. 岸坡失稳触发阈值：通过实验测定，当累积侵蚀量达到岸坡高度的12%时，必然引发岸坡整体失稳
3. 滑坡变形反馈机制：实验证实，岸坡失稳产生的卸荷效应可使滑体土体压缩模量降低至自然状态的58%，同时孔隙水压力升高3-5倍
4. 时间效应显著：在持续6个月的模拟实验中，滑体抗剪强度呈现先快速劣化（前3月降幅达45%），随后进入缓慢衰减阶段（月均降幅0.8%）

六、理论突破与实践应用
本研究首次系统揭示"波浪侵蚀-岸坡失稳-滑坡运动"链式灾害的动力学演化规律，建立三大理论模型：
1. 多尺度侵蚀-变形耦合模型：整合波浪周期、坡度梯度、土体渗透性等12个关键参数
2. 岸坡失稳能量阈值模型：提出基于临界能量密度的失稳判别准则
3. 滑坡渐进破坏模型：描述从局部侵蚀到整体失稳的4级渐进破坏过程

工程应用方面，研究团队在三峡库区布设的137个监测点中验证了该模型的预测精度（位移预测误差<15%），并据此开发了智能预警系统：
- 实时监测系统：采用分布式光纤传感技术，可捕捉0.1mm级的位移变化
- 预警阈值体系：建立包含3级预警（蓝/黄/红）的响应机制
- 应急处置方案：提出分级加固策略（局部防护、整体加固、生态修复）

七、未来研究方向
1. 多灾害耦合机制：当前研究主要聚焦波浪侵蚀，需进一步整合渗流、冻融等耦合效应
2. 长期时效性研究：现有实验周期仅6个月，需开展10年以上的全周期模拟
3. 人工智能应用：基于深度学习的侵蚀过程预测模型，实现毫米级侵蚀量的实时反演
4. 生态修复技术：研究植被根系与土体共同作用下的抗侵蚀机制

该研究成果为长江经济带水库区的地质灾害防治提供了新的理论支撑和技术路径，特别是在建立动态预警模型和分级防控体系方面具有重要实践价值。研究团队后续计划开展多场耦合实验，并研发基于数字孪生的智能监测预警平台，进一步提升滑坡灾害防控的精准性和时效性。