1. 引言
长江三峡水库是中国最大的河道型水库。三峡工程按照设计方案正常蓄水高水位为175 m，低水位为145 m，建成运行后形成了一个垂直落差达30 m的周期性水位涨落区 [1] ，是水库季节性水位涨落使库区岸坡被淹没而周期性出露于水面的区域 [2] 。涨落区受三峡库水位涨落影响，形成了夏季裸露，冬季淹没的周期性特殊斜坡单元，特殊的涨落区受长期水位涨落冲刷、浪蚀的影响，导致岸坡沿线剥蚀、坍塌及形成危岩崩塌等时有发生，严重威胁长江航道通行安全 [3] [4] ；周期性的裸露、淹没形成的特殊环境是目前三峡水库岩质岸坡多呈现裸露现象的主要原因。如何在解决岸坡安全性问题的同时，实现对区域生态的修复是目前三峡库区岩质涨落区的有待解决的主要问题之一。
三峡水库库区沿线岩质岸坡广泛分布，受库水位涨落影响，涨落区的稳定和安全是影响长江航道安全通行及区域生态平衡的主要问题之一。现阶段岩质涨落区主要采用锚喷和锚杆挡墙等支护技术进行防治，主要解决涨落区安全性问题，而区域生态修复问题解决难度大。目前，三峡库区岩质岸坡的生态防治研究处于初期阶段，研究成果较少，难点主要集中在生态修复问题。研究团队从岸坡安全防护和创造绿植生长空间两个层面，研发出了由有机质层、反滤垫、草皮增强垫和锚固系统共同构成的一种新型生态防治技术，基本能够实现对三峡库区岸坡的生态防治目的，即OATA生态防护技术。
2. OATA生态防护技术
2.1. 研究背景
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 [5] 。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] [7] [8] [9] ，即为目前社会认知的三峡库区岸坡水位涨落区。
岸坡涨落区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] 。为减缓特殊的水环境对岸坡岩体造成的劣化影响，保证安全，采用工程手段对岸坡进行安全防护是必要的。
目前，针对三峡库区岩质岸坡涨落区主要采用的手段为锚喷支护和锚杆挡墙等传统支护技术。通过近几年三峡库区重庆段多个治理工程项目可知，以钢筋混凝土为媒介支护技术是可以解决岸坡涨落区的安全性问题，但防护结构表面均以混凝土面板等圬工结构为主，不但未能解决岸坡涨落区既有的生态问题，甚至加大了生态修复的难度。如巫峡段独龙1号采用的锚喷技术，巫峡段茅草坡4号采用的肋柱锚杆 + 现浇混凝土面板技术，均未能对岸坡生态问题进行有效处置，治理工程全貌见图1，图2。
Figure 1. Overview of Maocaopo (No.4) treatment Project in Wuxia Section
图1. 巫峡段茅草坡4号治理工程全貌
Figure 2. Overview of Dulong (No.1) treatment Project in Wuxia Section
图2. 巫峡段独龙1号治理工程全貌
因此，寻求一种既能对岸坡稳定性起到防护作用，又能实现生态修复的生态防护技术，是目前三峡库区岩质岸坡涨落区防治工作主要解决的问题之一。
2.2. 防护技术
OATA生态防护技术是由有机质层(organic matter layer)、反滤垫(anti-filter pad)、草皮增强垫(turf reinforcement pad)和锚固系统(anchorage)共同构成的一种既可抗水流冲蚀、浪蚀，又可为岸坡植被生长创造条件、保护植物根茎，从而实现生态修复的生态防护技术。
1) 有机质层采用秸秆及柔性麻纤维、泥炭土和生长剂等组成的生态微孔基质。有机质层喷射与岩面和草皮增强垫上，旨在建立土壤条件和后期生长提供初始营养，提高种子萌发率和促进植物生长，从而可以大面积及长期控制水土流失。
2) 反滤垫层由聚丙烯为原料制作而成，具有长期透水不淤堵的性能，能有效降低冲刷，极大程度保证了坡体物质稳定，减少冲刷、浪蚀影响。
3) 草皮增强垫采用具有独特截面形状的纤维通过经线和纬线的垂直编织形成的三维立体结构，结构单个的网孔由一系列的开放矩阵组成，呈倒四棱锥形，由聚丙烯为原料制作而成，结构图见图3。相邻结构单元通过对应的底边相互衔接，各单元结构的棱锥定点为岸坡表面相贴靠形成支撑点，各结构单位的棱锥底边形成相对远离岸坡表面的缓冲面层。
Figure 3. Structure diagram of turf reinforcement pad
图3. 草皮增强垫结构示意图
草皮增强垫主要作用为保护植物根茎，增强河道和岸坡的抗冲刷能力和减少植物的抗冲蚀疲劳；开放的矩阵结构式草皮增强垫有利于泥沙的富集，结合有机质层、反滤垫层的共同作用更有利于植被的后期生长，为水位降落之后实现岸坡快速自主复绿提供了良好条件。
稳定、精确、高强度的三维矩阵结构，保证了草皮增强垫的一致性，整体强度高，长期耐久性，抵抗化学、生物、物理和紫外线损伤能力强；其具有足够厚度的三维矩阵结构，能够提供高效的抗水流侵蚀和植被加固作用。由反滤垫层和草皮增强垫组成的面层保护综合层，抗水流冲蚀和浪蚀作用的能力达到90%以上。
4) 锚固系统由坡面顶部和两端设置压顶梁结合普通锚杆固定(结构图见图4，图5)，以及坡面其他区域设置的自锁锚杆共同形成综合锚固体系。自锁锚杆(结构图见图6)施工时，锚头采用钻孔灌浆锚固，从而实现对面层的草皮增强垫和反滤层的固定，并且通过灌浆，增加了坡体浅表层的稳定性，同时通过承载板(锚盘)的仅能单向前进的特点从而实现对面层的快速锁定，提高施工速度。
5) 环保性能达标。草皮增强垫与过滤垫均为100%聚丙烯为原料，添加抗氧化剂，光稳定剂及防老化母料制作而成。承载板采用锌合金加工而成，锌合金熔点低，流动性好，易熔焊，钎焊和塑性加工，在大气中耐腐蚀。有很好的常温机械性能和耐磨性。锚索采用304不锈钢丝绳(1 × 7股钢丝绳，直径0.5 cm)，在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢，具有美观的表面和耐腐蚀性能好，不必经过镀色等表面处理，而发挥不锈钢所固有的表面性能。系统各结构相关采用均属于环保材料，无污染。
6) 主要实施步骤。工程施工采取自上而下进行施工。压顶梁和锚孔施工→铺设钢丝网、喷射内层有机质层→铺设反滤垫层和草皮增强垫→自锁锚杆锚固施工→喷射外层有机质层。
Figure 4. Structure diagram of lattice beam anchorage-1
图4. 格梁锚固结构示意图-1
Figure 5. Structure diagram of lattice beam anchorage-2
图5. 格梁锚固结构示意图-2
Figure 6. Structure diagram of self-locking anchor
图6. 自锁锚杆结构示意图
2.3. 适用性
三峡库区岩质岸坡广泛分布，特别是巫峡段更是以高陡岩质岸坡为主，岸坡安全性和生态问题突出。
OATA生态防护技术采用草皮增强垫等可铺装结构对岸坡坡面进行覆盖，自锁锚杆固定的结构方式。轻质的外置结构便于在高陡岩质边坡上的施工；自锁锚杆的固定方式，既能起到对坡体的灌浆加固，对外置结构有效固定，又能实现快速施工。
草皮增强垫等外置结构可以降低江水对岸坡的冲蚀和浪蚀作用，对岸坡坡体起到保护，另外为植被生长提供生长空间和环境。因此，OATA生态防护技术能够适用各种坡度的岩土质岸坡，并在岩质岸坡的防护上更具独特性；OATA生态防护技术采用铺装结构和自锁锚杆能够实现对工程的快速施工，在三峡库区现状低水位运行时间短的情况更具可操作性。
3. 三峡库区某岩质涨落区的技术应用
3.1. 涨落区基本特征
该涨落区位于三峡库区巫峡段，地形坡角37˚~52˚，基岩出露，为三叠系下统大冶组第三段薄层状的泥质灰岩，为较软岩，岩层正常产状335˚~350˚∠52˚~65˚，东侧隆起的脊状地形处坡体前缘由于岩体变形其产状为356˚∠36˚，整体为反向岩质斜坡。岩体内发育三组结构面：裂隙① 155˚~175˚∠50˚~60˚、裂隙② 60˚~85˚∠65˚~80˚、裂隙③ 220˚~240˚∠75˚~80˚。裂隙延伸长一般0.4~2.5 m，间距0.2~1.8 m，微张1~3 mm，岩体破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级。
涨落区为岩质岸坡，受库水位涨落影响，在水流冲蚀、浪蚀的反复作用下，坡局部发生塌岸，涨落区岩体的稳定性受库水涨落影响明显。涨落区现场照片见图7。
Figure 7. Field photos of fluctuation area
图7. 涨落区现场照片
3.2. 稳定性分析及塌岸预测
该段岸坡整体为反向岩质斜坡，斜坡体裂隙较发育，整体未发现明显变形，斜坡整体现状处于稳定状态；涨落区局部可见发生小规模塌岸，库岸塌岸类型为冲蚀、剥蚀型塌岸，岸坡稳定性主要受江水冲蚀、浪蚀作用影响。
3.3. 防治技术应用
涨落区采用平整坡面 + OATA生态防护技术进行生态防治。
1) 坡体表面浮石、松散、凸起岩体，坡面局部凹腔采用喷射C25混凝土嵌补，使面层平整；坡面采用OATA生态防护。
2) 在黄海高程141~175 m段岸坡坡面喷射有机质层A，依次铺设反滤垫、草皮增强垫，喷射含有草籽的有机质层B；顶部和两端(黄海高程145 m以上)设置压顶梁结合普通锚杆固定，其他斜坡区域设置自锁锚杆进行坡面固定。普通锚杆锚筋1-HRB400-20，倾角15˚，锚孔直径75 cm，4.0 m长，M35水泥砂浆灌，顶部单排布置，两排单列布置；自锁定锚杆锚筋采用304不锈钢丝绳，倾角15˚，锚孔直径75 cm，4.0 m、3.0 m长，矩形相间布置，M35水泥砂浆灌注，顺坡横竖向间距1.5 m。支护结构剖面示意图见图8，工程布置图见图9，涨落区防治效果见图10，图11。
Figure 8. Schematic diagram of supporting structure section
图8. 支护结构剖面示意图
Figure 10. Control effect picture of fluctuation area—side mesh pad laid
图10. 涨落区防治效果图——侧面网垫铺设后效果
Figure 11. Control effect picture of fluctuation area—lateral vegetation restoration
图11. 涨落区防治效果图——侧面植被恢复效果
3.4. 与传统技术对比
现阶段岩质涨落区主要采用锚喷技术和锚杆挡墙等常规技术进行安全防治，主要解决涨落区安全性问题，对区域生态修复问题无法处理。OATA生态防护技术利用自身防护体系既可抗水流冲蚀、浪蚀性能，又可为岸坡植被生长创造条件、保护植物根茎的特点，将工程防护和生态修复有机结合，实现生态防护的目标。
收集三峡库区巫峡段已完成的两段涨落区防治工程，与本段涨落区OATA生态防护进行对比，相关工作对比见表1。
对比发现OATA生态防护技术较传统防护技术更经济，实施工期更短，可以在一个水文年内完成施工，较传统防护仅完成了安全防护外，更实现了安全防护 + 生态修复有机结合。
Table 1. Comparison of OATA ecological protection and traditional control techniques [11] [12]
表1. OATA生态防护与传统防治技术对比表 [11] [12]
4. 应用前景
4.1. 三峡库区应用环境
三峡大坝建成运营后，三峡库区生态环境和工程环境发生巨大变化，库区水位循环变动的特点，对地质灾害防治提出了新的要求和挑战 [13] [14] 。三峡库区周边的地质灾害的防治工作，应由对现有地质灾害隐患点的治理工作向对可能形成地灾点的区域的防范工作推进，从源头保护三峡库区的安全，是三峡库区面临的新的难题；如何将单一的地灾防治向防治与生态环境保护相结合转变，让新三峡成为生态三峡、绿色三峡，是三峡库区地灾防治面临的新的挑战和努力方向。
三峡库区涨落区面积达400多平方公里，其中重庆市境内涨落区面积达247平方公里，岩质涨落区广泛分布。涨落区的特殊位置也决定了涨落区防治的重要地位和防治难度，如何做到涨落区的防治与生态环境保护相结合，是实现山水林田湖草系统治理，保护长江母亲的重要环节。
面对安全防治与生态环境保护双重要求下，对三峡库区涨落区实现生态防治是必要的，应用前景广泛。
4.2. 三峡库区水文条件
三峡水库于2003年蓄水至135 m，2004年蓄水至143.2 m，2006年蓄水至156 m，2008年11月蓄水至172.8 m，2010年10月25日蓄水至174.9 m。三峡水库运行调度方式是，每年11月至次年4月处于175 m的高水位运行，6~9月份则为防洪限制水位145 m运行，水位变幅呈秋冬季节高，春夏季节低，且每年经受一次从175 m→145 m的降水位和从145 m→175 m抬升水位的变幅特征，这对库岸斜坡地段的水文环境带来复杂的变化，并为两岸沿线治理工程施工带来了极大的制约。
通过对近几年长江水文网发布的长江三峡水库库水位的统计分析(见图12、表2)，水位一般于4月初回落到165 m (吴淞)水位附近运行，从4月下旬开始逐渐下降，6月上旬降至最低145 m水位左右运行，进入7月份之后库水位受汛期降雨影响，水位上下波动较大，8月下旬开始逐步蓄水回升。长江三峡库低水位运行时间主要集中在6月中下旬，7月开始库水位变动较大，水位高度受降雨影响明显，且整体连续三天以上低水位运行时间较短，如146.0 m (吴淞)水位以下的运行时间为12历天。
三峡水库涨落区防治工程施工主要集中于4月至7月之间，特别是高程150 m (吴淞)以下区域治理工程施工应于6月份水位最低运行期全部完成。因此，受三峡水库特殊的水文条件制约，涨落区防治工程主体结构施工空间窄、时间短，寻求一项能够实现便捷、快速施工的防治技术，是涨落区防治工作的突破方向。
4.3. OATA生态防护技术应用前景
OATA生态防护技术是结合安全防护和生态修复的一种新型生态防护技术。同时，该技术主要采用了快速铺装和自锁锚固等技术，能够实现快速锁定、便捷施工，提高施工速度，实现在三峡库区一个水文周期内完成所有防治工程施工的工期要求，避免多次进出场，节约投资。
Figure 12. Statistical of water level in the Three Gorges Reservoir area
图12. 长江三峡库水位统计图
Table 2. Statistical table of days with water level below 145~147.0 m (Wusong elevation) in the Three Gorges Reservoir Area from 2012 to 2021
表2. 2012~2020年三峡库区水位低于145~147.0 m (吴淞高程)的历天数统计表
5. 结语
1) 三峡水库库区沿线岩质岸坡广泛分布，受库水位涨落影响，涨落区的稳定和安全是影响长江航道安全通行及区域生态平衡的主要问题之一。现阶段岩质涨落区主要采用锚喷和锚杆挡墙等传统支护技术进行防治，主要解决涨落区安全性问题，而区域生态修复问题解决难度大。
2) OATA生态防护技术是通过锚固系统与面层的防护系统构成一个有机整体，对于坡面的风浪、船行波以及地表径流的侵蚀起到有效防护作用，减缓坡面裂化；另外由于面层防护系统的几何结构能附着和积累植物生长的泥沙及其他营养物质，为植物生长提供生长环境，并且对于植被提供持续的防护，最终实现坡面安全防护和生态修复。
3) 在对环境保护要求日益提高的今天，为促进三峡库区地质灾害治理的生态化水平，将地质灾害工程防治与生态修复有机结合是必要的，OATA生态防护技术将会在三峡库区岸坡涨落区防治领域具有重要意义。
NOTES
*第一作者。