膨脹土岸坡滲透滑動(dòng)時(shí)移電法檢測(cè)試驗(yàn)研究

徐濤　王小毛　陳爽爽　張智　林永燊　殷浩

摘要：膨脹土因其吸水膨脹軟化、失水收縮干裂的特性，極易誘發(fā)岸坡失穩(wěn)滑動(dòng)，開展膨脹土岸坡滑動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究對(duì)于保障水利工程安全具有重要意義?；跁r(shí)移電阻率法基本原理，開展了含水平裂縫膨脹土岸坡電阻率法正演模擬，探究了水體在岸坡裂縫缺陷中滲透時(shí)的地球物理電性響應(yīng)特征。同時(shí)，采用數(shù)據(jù)比算法對(duì)不同時(shí)刻的反演結(jié)果進(jìn)行電阻率歸一化，反映出了膨脹土岸坡局部電性結(jié)構(gòu)細(xì)微變化。研究結(jié)果表明：時(shí)移電阻率法能反映膨脹土含水率變化情況，結(jié)合膨脹土岸坡滲透滑動(dòng)演化模型，能夠?qū)崿F(xiàn)岸坡水體滲透土體性狀監(jiān)測(cè)，對(duì)提高膨脹土岸坡災(zāi)害評(píng)估和預(yù)警能力具有重要意義。

關(guān)鍵詞：膨脹土; 岸坡滑動(dòng); 時(shí)移電阻率法; 數(shù)值模擬

中圖法分類號(hào)： P319.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.029

0引 言

膨脹土是主要由強(qiáng)親水性礦物蒙脫石、伊利石、高嶺石等組成的高塑性黏土，因其具有吸水膨脹軟化、失水收縮干裂的特性，常被稱為“工程癌癥”[1-2]。在水利工程中，水的存在會(huì)使得膨脹土引起的工程危害更加突出[3]，極易誘發(fā)岸坡、堤壩等擋水建筑物在施工期或運(yùn)行期發(fā)生嚴(yán)重的邊坡失穩(wěn)事故[4]。因此，研究膨脹土岸坡滑動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)于保障水利工程的建設(shè)安全和健康運(yùn)行具有重要意義。

目前，岸坡滑動(dòng)監(jiān)測(cè)常用手段主要為變形監(jiān)測(cè)、地球物理監(jiān)測(cè)等[5-6]。膨脹土岸坡裂隙發(fā)育，當(dāng)裂隙失水或吸水時(shí)，表現(xiàn)為不同的電性特征，為采用電阻率法進(jìn)行岸坡滑動(dòng)監(jiān)測(cè)提供了物理前提。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此也開展了相關(guān)研究工作：于小軍等[7]基于電阻率測(cè)試技術(shù)形成了一套評(píng)價(jià)膨脹土結(jié)構(gòu)變化的方法;徐磊[8]利用室內(nèi)試驗(yàn)和原位測(cè)試研究了膨脹土電阻率與含水率、密度、飽和度等參數(shù)的關(guān)系;Johansson等[9]開發(fā)了基于電阻率變化特征的土壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與評(píng)價(jià)方法;李文忠等[10]通過室內(nèi)試驗(yàn)探究了長江堤防土的含水率、密實(shí)度與電阻率的關(guān)系;劉健雄[11]采用高密度電法開展了膨脹土電阻率動(dòng)態(tài)測(cè)試，研究了膨脹土邊坡裂隙發(fā)育機(jī)制;袁俊平等[12]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了膨脹土抗剪強(qiáng)度與含水率、飽和度、裂隙度等參數(shù)間的關(guān)系。

綜上所述，地電特性足以表征膨脹土的結(jié)構(gòu)變化。然而，現(xiàn)階段研究多基于膨脹土岸坡某一時(shí)刻的狀態(tài)，而實(shí)際岸坡土體性狀是會(huì)隨水庫水位、降雨、濕度等不斷變化的。因此，研究膨脹土岸坡在不同狀態(tài)下的電阻率響應(yīng)特征，對(duì)于岸坡滑動(dòng)監(jiān)測(cè)具有重要意義。針對(duì)膨脹土岸坡狀態(tài)多變的特點(diǎn)，本文引入時(shí)移探測(cè)思想，通過數(shù)值模擬和工程試驗(yàn)，研究時(shí)移電阻率法在膨脹土岸坡水體滲透滑動(dòng)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的可行性和有效性，進(jìn)而探尋膨脹土岸坡水體滲透滑動(dòng)過程中土體的電性變化特征規(guī)律。

1基本原理

電阻率法以地下介質(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)，以特定的觀測(cè)系統(tǒng)建立半空間穩(wěn)恒電流場(chǎng)，通過觀測(cè)穩(wěn)恒電流場(chǎng)時(shí)空分布特征，了解地下介質(zhì)狀態(tài)[13]。時(shí)移電阻率法是在常規(guī)電阻率法的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)時(shí)間表征序列，即在不同時(shí)間對(duì)同一部位采用同一觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析不同時(shí)間電阻率差異，研究地下介質(zhì)動(dòng)態(tài)變化特征[14-15]。

時(shí)移電阻率法數(shù)據(jù)處理通常采用某一時(shí)刻的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)值，將其反演結(jié)果用作其他時(shí)刻數(shù)據(jù)反演的初始模型或約束條件，可有效減少反演結(jié)果的多解性。為了突出地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)局部微小變化部分，本文使用基準(zhǔn)數(shù)據(jù)反演結(jié)果對(duì)不同時(shí)刻的反演結(jié)果進(jìn)行電阻率歸一化，常用的歸一化方法有數(shù)據(jù)差和數(shù)據(jù)比兩種方式，計(jì)算公式分別為

2數(shù)值模擬

2.1地電模型構(gòu)建

裂隙性是膨脹土的基本工程性質(zhì)，其對(duì)膨脹土岸坡穩(wěn)定性具有重要影響。膨脹土岸坡滑動(dòng)通常與裂隙富水、土體強(qiáng)度降低相關(guān)。膨脹土岸坡處于不同水位時(shí)，裂隙富水性不同，通常為低水位時(shí)裂隙失水、含水率降低表現(xiàn)為高電阻率特征，高水位時(shí)裂隙吸水、含水率升高表現(xiàn)為低電阻率特征。本文結(jié)合丹江口水庫宋崗碼頭岸坡現(xiàn)場(chǎng)原狀土樣，采用Miller Soil Box四相電極法對(duì)密實(shí)度為60%的不同含水率的膨脹土樣品（液限含水率52.1%）進(jìn)行電阻率測(cè)試，測(cè)試裝備采用IRIS公司SYSCAL Pro電阻率儀（見圖1），測(cè)試結(jié)果如表1所列。由表1可知：膨脹土含水率為20%時(shí)，電阻率為50.3 Ω·m，隨含水率增加電阻率顯著降低，當(dāng)含水率為50%時(shí)，電阻率為11.0 Ω·m。

基于上述參數(shù)測(cè)試結(jié)果，建立地電模型（見圖2），其中膨脹土層厚度為10 m，電阻率值為50 Ω·m，基巖電阻率值為500 Ω·m，水平裂隙在測(cè)線位置下埋深為5 m，裂隙規(guī)格為15.0 m×4.0 m×0.1 m（長×寬×高），水體電阻率值為25 Ω·m，空氣絕緣電阻率值設(shè)為106 Ω·m。

觀測(cè)系統(tǒng)采用高密度電法溫納裝置，電極距1 m，排列道數(shù)60道，排列長度59 m。

2.2數(shù)值模擬結(jié)果分析

針對(duì)上述3種膨脹土岸坡地電模型，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有限差分算法進(jìn)行正演模擬，并利用最小二乘反演算法進(jìn)行反演，反演的視電阻率斷面如圖3所示?？紤]到裂隙規(guī)模相對(duì)較小及電阻率法勘探的體積效應(yīng)，為突出地電模型中裂隙引起的視電阻率響應(yīng)微弱變化，本文以不含裂隙地電模型反演結(jié)果為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，采用公式（2） 所示的數(shù)據(jù)比視電阻率歸一化算法，分別獲得裂隙未充水和裂隙充水地電模型的視電阻率變化率等值線，如圖4所示。

由圖3和圖4可知：

（1） 視電阻率斷面圖成層性較好，淺部低阻區(qū)為膨脹土層的電性反映，深部相對(duì)高阻區(qū)為基巖的電性反映。

（2） 3種地電模型視電阻率斷面圖形態(tài)基本一致。裂隙未充水時(shí)，在裂隙以下視電阻率值略微增大，等值線形態(tài)無明顯變化;裂隙充水時(shí)，視電阻率幅值和等值線形態(tài)在裂隙位置均未發(fā)生明顯變化，即根據(jù)視電阻率斷面圖較難判別局部微小電性特征變化。

（3） 視電阻率變化率等值線在裂隙位置存在等值線閉合區(qū)。裂隙未充水時(shí)，地電模型表現(xiàn)為正變化率，裂隙充水時(shí)，地電模型表現(xiàn)為負(fù)變化率;裂隙未充水時(shí)，地電模型在裂隙兩側(cè)存在正變化率“假異常”;視電阻率變化率等值線圈閉異常較實(shí)際裂隙范圍更大，但視電阻率值變化率極值位置與裂隙位置基本一致，即采用時(shí)移視電阻率法能有效識(shí)別出局部電性異常變化。

2.3觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

根據(jù)膨脹土岸坡常見地電模型和數(shù)值模擬結(jié)果，采用時(shí)移電阻率法進(jìn)行膨脹土岸坡滑動(dòng)監(jiān)測(cè)，其觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需遵循以下原則：

（1） 測(cè)線方位平行于水岸線。膨脹土岸坡水體滲透滑動(dòng)為漸變過程，平行于岸坡布置測(cè)線有利于監(jiān)測(cè)膨脹土局部水體滲透衍進(jìn)變化過程。

（2） 測(cè)線布置于迎水面和坡頂。水位變化對(duì)迎水面膨脹土含水率影響較大，且距離越近影響越大，測(cè)線布置于迎水面和坡頂能夠較早捕捉到膨脹土含水率變化情況。

（3） 電極間距以不大于1 m為宜。膨脹土裂隙具有小而密的特點(diǎn)，采用小電極間距能夠減小高密度電法體積效應(yīng)影響從而提高分辨率，有利于監(jiān)測(cè)到微小裂隙含水率變化情況。

（4） 監(jiān)測(cè)過程應(yīng)具有連續(xù)性和可比性。數(shù)據(jù)采集時(shí)間點(diǎn)可采用固定周期檢測(cè)和特殊時(shí)間點(diǎn)密集監(jiān)測(cè)（如汛期水位突漲、地震影響等）相結(jié)合的形式，連續(xù)性監(jiān)測(cè)有利于掌握岸坡土體結(jié)構(gòu)賦存狀態(tài)變化，對(duì)比性監(jiān)測(cè)更易發(fā)現(xiàn)岸坡結(jié)構(gòu)局部變化。

3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證時(shí)移電阻率法在膨脹土岸坡滑動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用有效性，在河南省南陽市淅川縣丹江口水庫宋崗碼頭岸坡開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作。

3.1觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丹江口水庫宋崗碼頭岸坡地層巖性以泥質(zhì)粉砂巖、泥巖為主，地表廣泛分布膨脹土，厚度約為1～6 m。根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際條件，沿岸坡布置了3條時(shí)移電阻率法測(cè)線，測(cè)線編號(hào)分別為L1、L2、L3，長度均為119 m，如圖5所示。

觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)：電極距1 m，排列道數(shù)120道，供電電壓300 V，高密度裝置類型為Winner裝置。

3.2試驗(yàn)工作布置

為研究膨脹土置換前后及不同水位條件下，膨脹土岸坡電阻率變化響應(yīng)特征。對(duì)3條測(cè)線均進(jìn)行了4次時(shí)移電阻率法觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間及對(duì)應(yīng)水庫水位如表2所列。在完成第一次數(shù)據(jù)采集后，L1樁號(hào)0～55 m段膨脹土進(jìn)行了水泥改性土置換治理，為防止滑坡，岸坡采用混凝土柵格加固處理。

3.3試驗(yàn)成果分析

限于文章篇幅，本文僅選取L1測(cè)線膨脹土置換前后反演成果、2020年10月14日3條測(cè)線反演成果以及L2測(cè)線不同時(shí)間反演成果進(jìn)行分析。經(jīng)與施工方核實(shí)，電阻率剖面淺層局部高阻異常為排水盲溝，溝內(nèi)回填碎石土。

圖6為L1測(cè)線膨脹土置換前、后視電阻率斷面圖。由圖6可知：樁號(hào)0～55 m段膨脹土置換后較置換前，岸坡淺層土體電阻率升高，深部地層的電性結(jié)構(gòu)變化減小。

圖7為2020年10月14日水位162 m時(shí)3條測(cè)線視電阻率斷面圖。由圖7可知：3條測(cè)線視電阻率斷面圖形態(tài)基本一致，大致為兩層結(jié)構(gòu)，淺部低阻為膨脹土層的反映，深部高阻為基巖的反映。L3測(cè)線樁號(hào)20～60 m段，深部視電阻率值明顯低于L1和L2測(cè)線，再結(jié)合布置圖可知，該區(qū)域距離水面最近，故推斷膨脹土裂隙發(fā)育或與基巖連通富水性較好。

圖8為L2測(cè)線不同觀測(cè)時(shí)間視電阻率斷面圖。由圖8可知：不同觀測(cè)時(shí)間的視電阻率斷面圖形態(tài)基本一致，視電阻率表現(xiàn)為淺部低、深部高的趨勢(shì);隨著水位升高，淺部視電阻率值減小，低阻區(qū)范圍擴(kuò)大，推斷為膨脹土含水率增大的反映。

以水位160 m時(shí)的視電阻率反演成果作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)比視電阻率歸一化算法分別對(duì)水位162 m和163 m時(shí)的反演成果進(jìn)行歸一化，視電阻率變化率等值線如圖9所示。由圖9可知：淺部視電阻率變化率為負(fù)值即視電阻率值減小，深部視電阻率變化率接近零值，即基巖視電阻率值變化較小;隨水位升高，淺部視電阻率變化率增大，范圍擴(kuò)大，推斷為土體含水率增大的反映;水位163 m時(shí)，在高程約155 m，樁號(hào)約70～80 m范圍內(nèi)，局部存在明顯視電阻率變化率負(fù)值，推斷該處存在裂隙導(dǎo)水通道。視電阻率變化基本反映膨脹土岸坡局部電性結(jié)構(gòu)變化情況。

3.4可靠性驗(yàn)證

一般地，當(dāng)膨脹土飽和度較高時(shí)，裂隙度較小，飽和度是土體強(qiáng)度的主要影響因素。當(dāng)飽和度較低時(shí)，裂隙度變大，裂隙度對(duì)土體強(qiáng)度的影響逐漸起主要作用[16]。由于土體飽和度與裂隙度間存在線性關(guān)系，土體強(qiáng)度與飽和度及裂隙度亦呈線性關(guān)系，基于此，建立了膨脹土岸坡演化模型：

將膨脹土岸坡理論抗剪強(qiáng)度τf與當(dāng)前剪應(yīng)力τp之比定義為膨脹土岸坡的演化度，演化度越小說明岸坡越穩(wěn)定。

圖10為L2測(cè)線不同時(shí)間點(diǎn)岸坡隨時(shí)間變化的演化度曲線圖。由圖10可知：不同時(shí)間點(diǎn)岸坡演化度圖形態(tài)基本一致，即地下介質(zhì)主要電性結(jié)構(gòu)無明顯變化。隨著水位上升，岸坡演化度逐漸變大，水位160 m時(shí)全線平均演化度為7.97%，水位162 m時(shí)全線平均演化度為9.67%，水位163 m時(shí)全線平均演化度為11.09%，這說明隨水位升高，岸坡含水量變大，總體發(fā)生滑坡的風(fēng)險(xiǎn)變高。

樁號(hào)25～35 m區(qū)間，演化度較高且水位變化對(duì)其演化度影響不大，表明此處裂隙較發(fā)育且富水性較好。樁號(hào)70～80 m，高程150～155 m范圍內(nèi)，演化度變化率較大，與相鄰兩側(cè)岸坡土體演化度存在明顯差異，推斷該區(qū)域膨脹土裂隙較發(fā)育，含水率易受水位、降雨等影響，為滑坡易發(fā)區(qū)，與時(shí)移電法試驗(yàn)結(jié)論基本一致。

3.5基于電性特征變化的岸坡演化規(guī)律

膨脹土岸坡水體滲透過程伴隨著土體物性參數(shù)及結(jié)構(gòu)面的變化。物性參數(shù)測(cè)試以及時(shí)移電阻率法數(shù)值模擬與工程試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1） 膨脹土岸坡電性結(jié)構(gòu)受水體滲透與膨脹土裂隙發(fā)育程度影響，一般存在局部視電阻率異常區(qū)。當(dāng)膨脹土經(jīng)過置換后，土層電性結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，通常表現(xiàn)為視電阻率升高，且由于裂隙數(shù)量減少，局部視電阻率異常區(qū)數(shù)量也將減少。

（2） 隨水位升高，膨脹土岸坡裂隙充水，土體含水率升高，表現(xiàn)為土層視電阻率值降低。當(dāng)裂隙與基巖連通時(shí)，水體滲流導(dǎo)致深部視電阻率值也將減少，視電阻率變化率極值區(qū)域一般為裂隙發(fā)育區(qū)。

4結(jié) 論

本文通過土樣測(cè)試、數(shù)值模擬、工程試驗(yàn)，研究了時(shí)移電阻率法在膨脹土岸坡滑動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的可行性和有效性，主要得出以下結(jié)論。

（1） 膨脹土電阻率隨含水率升高而明顯降低，土體含水率達(dá)到液限后電阻率值趨于穩(wěn)定。隨著岸坡穩(wěn)定滲流場(chǎng)形成，岸坡土體電性參數(shù)基本無變化。

（2） 視電阻率斷面圖可反映膨脹土岸坡電性結(jié)構(gòu)，采用數(shù)據(jù)比對(duì)不同時(shí)刻觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行視電阻率歸一化，能夠探究膨脹土岸坡局部微小電性特征變化，進(jìn)而探查岸坡土體內(nèi)裂隙發(fā)育及水體滲透情況。

（3） 膨脹土岸坡演化過程伴隨著電性特征的變化，通過不同時(shí)刻電阻率法觀測(cè)膨脹土岸坡不同水位下電性結(jié)構(gòu)特征，可以了解膨脹土裂隙發(fā)育及含水量變化情況，從而反映岸坡土體結(jié)構(gòu)演化度變化，為滑動(dòng)預(yù)警提供有效數(shù)據(jù)信息。

（4） 進(jìn)一步完善時(shí)間推移電阻率探測(cè)技術(shù)，加密數(shù)據(jù)采集時(shí)間點(diǎn)，加強(qiáng)與土體含水率信息融合，結(jié)合構(gòu)建的膨脹土岸坡演化模型，逐步實(shí)現(xiàn)時(shí)移電阻率法量化監(jiān)測(cè)，有望提高膨脹土岸坡評(píng)估和預(yù)警能力。

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（編輯：謝玲嫻）