淹没考古遗址的边坡变形与破坏机制：物理—数值模拟研究

河岸为何与历史息息相关

在中国西南的金沙江沿岸有焦坪渡遗址，红军在长征期间曾穿越此地。这段江滨边坡含有洞穴与土层，既记载了革命历史，也保存着更古老的人类活动痕迹。然而，一个新的水电水库将使该遗址在未来数十年被淹没。研究探讨了一个既简单又紧迫的问题：水库水位反复抬升与下降，会如何在缓慢过程中削弱河岸，直至历史洞穴与周围边坡坍塌？

当水库遇上脆弱边坡

作者关注的是，当一处陡峭的河岸并含有考古洞穴的边坡被水库反复淹没与露出时，会发生什么。与陆地上的石质遗迹不同，这类土质洞穴位于松散的砾石和类黏土沉积中。一旦乌东德水库达到满库位，整个焦坪渡边坡将在长时间内处于水下。以往研究表明，水位变化会侵蚀河岸，但很少有工作专门研究这对位于岸体内、不可替代的文化遗产意味着什么。在此，研究团队旨在揭示逐步的失稳过程，以便工程师和保护人员能在边坡塌陷前预测损伤并制定保护措施。

在实验室重建河岸

为观测这一隐蔽过程的展开，研究者在一个大型透明箱中构建了实景边坡的缩尺物理模型。他们复制了河岸的整体形状、洞穴位置以及贯穿场地的弱砾石层。通过添加石膏精心调整土体混合物，使其重度、强度和透水特性与实地沉积物相匹配。随后按受控循环注入与排出水，快速模拟出一年的水库运行过程。高精度传感器记录了土体与孔隙水压力的变化，3D 激光扫描与水下摄像机捕捉了淹没前后表面与洞穴的变形。

从内向外观察洞穴的失稳

试验显示，边坡不会一次性整体破坏。随着水位上升，覆土的荷重和孔隙水压力同时增加。水位下降时，水对边坡的支撑效应比坡体内孔隙水压力的消散要快。每一次循环中，颗粒间的实触接触逐渐减弱：土压力缓慢下降，而孔隙水压力逐步上升。该组合持续削弱土体抵抗滑动的能力，尤以坡脚处的水下悬崖附近为甚。在洞穴试验中，团队比较了两种洞形：拱状圆顶与平顶。在长期浸没下，平顶洞穴反复发生顶板坍塌并填堵通道，而圆顶洞主要在入口处丧失物质，内部大部分保持完好。结果表明，即便是简单的几何差异也会显著影响洞穴在水下受损的程度。

三维模拟隐蔽应力

由于实验室模型无法捕捉长期行为的所有细节，研究者还使用专门软件建立了边坡的三维数值模型。该数值模型将边坡视为水—土相互作用的连续体，使团队能够计算位移、高应变区和在不同水位、暴雨及地震作用下的总体稳定性。仿真结果与物理试验一致：最大位移与最高剪应变集中在积坡体前下方的同一区域，即模型边坡崩塌的位置。一层特别薄弱、胶结性差的砾石层表现出如同滑动面般的作用，控制了最终破坏面的形成。计算得出的长期稳定系数约为0.89，表明在持续饱和条件下，边坡已接近临界点。当高库位与强降雨或中等地震叠加时，影响整个洞穴区的大规模滑坡概率显著上升。

这对拯救水下遗产意味着什么

对非专业读者而言，核心信息很明确：焦坪渡水下遗产面临的危险并非突发性的，而是渐进的，由水缓慢渗透脆弱土体的细微信号驱动。水库水位的反复涨落逐步侵蚀维系边坡的隐性结合力，尤其在人工开挖的空洞如洞穴周围。拱形顶比平顶更能抵抗，但一旦周围层体开始滑动，两者都将处于危险之中。通过结合物理与数值模型，本研究示范了如何诊断淹没遗址中最可能失稳的部位及其触发条件。这些知识可指导现场加固、监测与预警系统的部署，帮助将刻在河岸里的历史故事从字面上阻止被冲散与湮灭。

引用: Zhang, K., Wang, W., Fan, X. et al. Slope deformation and failure mechanisms at submerged geoarchaeological sites: physical–numerical modeling. npj Herit. Sci. 14, 270 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02549-w

关键词: 水下文化遗产, 水库堤岸稳定性, 边坡失稳, 地貌考古学, 洞穴坍塌