膨脹土岸坡滲透滑動時移電法檢測試驗研究

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，極易誘發岸坡失穩滑動，開展膨脹土岸坡滑動監測技術研究對于保障水利工程安全具有重要意義。基于時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的地球物理電性響應特征。同時，采用數據比算法對不同時刻的反演結果進行電阻率歸一化，反映出了膨脹土岸坡局部電性結構細微變化。研究結果表明：時移電阻率法能反映膨脹土含水率變化情況，結合膨脹土岸坡滲透滑動演化模型，能夠實現岸坡水體滲透土體性狀監測，對提高膨脹土岸坡災害評估和預警能力具有重要意義。

關鍵詞：膨脹土; 岸坡滑動; 時移電阻率法; 數值模擬

中圖法分類號： P319.2

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.029

0引 言

膨脹土是主要由強親水性礦物蒙脫石、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，水的存在會使得膨脹土引起的工程危害更加突出[3]，極易誘發岸坡、堤壩等擋水建筑物在施工期或運行期發生嚴重的邊坡失穩事故[4]。因此，研究膨脹土岸坡滑動監測技術對于保障水利工程的建設安全和健康運行具有重要意義。

目前，岸坡滑動監測常用手段主要為變形監測、地球物理監測等[5-6]。膨脹土岸坡裂隙發育，當裂隙失水或吸水時，表現為不同的電性特征，為采用電阻率法進行岸坡滑動監測提供了物理前提。國內外學者對此也開展了相關研究工作：于小軍等[7]基于電阻率測試技術形成了一套評價膨脹土結構變化的方法;徐磊[8]利用室內試驗和原位測試研究了膨脹土電阻率與含水率、密度、飽和度等參數的關系;Johansson等[9]開發了基于電阻率變化特征的土壩監測系統與評價方法;李文忠等[10]通過室內試驗探究了長江堤防土的含水率、密實度與電阻率的關系;劉健雄[11]采用高密度電法開展了膨脹土電阻率動態測試，研究了膨脹土邊坡裂隙發育機制;袁俊平等[12]通過室內試驗研究了膨脹土抗剪強度與含水率、飽和度、裂隙度等參數間的關系。

綜上所述，地電特性足以表征膨脹土的結構變化。然而，現階段研究多基于膨脹土岸坡某一時刻的狀態，而實際岸坡土體性狀是會隨水庫水位、降雨、濕度等不斷變化的。因此，研究膨脹土岸坡在不同狀態下的電阻率響應特征，對于岸坡滑動監測具有重要意義。針對膨脹土岸坡狀態多變的特點，本文引入時移探測思想，通過數值模擬和工程試驗，研究時移電阻率法在膨脹土岸坡水體滲透滑動監測中應用的可行性和有效性，進而探尋膨脹土岸坡水體滲透滑動過程中土體的電性變化特征規律。

1基本原理

電阻率法以地下介質的電性差異為基礎，以特定的觀測系統建立半空間穩恒電流場，通過觀測穩恒電流場時空分布特征，了解地下介質狀態[13]。時移電阻率法是在常規電阻率法的基礎上增加了一個時間表征序列，即在不同時間對同一部位采用同一觀測系統進行數據采集，分析不同時間電阻率差異，研究地下介質動態變化特征[14-15]。

時移電阻率法數據處理通常采用某一時刻的觀測數據作為基準值，將其反演結果用作其他時刻數據反演的初始模型或約束條件，可有效減少反演結果的多解性。為了突出地下介質電性結構局部微小變化部分，本文使用基準數據反演結果對不同時刻的反演結果進行電阻率歸一化，常用的歸一化方法有數據差和數據比兩種方式，計算公式分別為

2數值模擬

2.1地電模型構建

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

基于上述參數測試結果，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，水平裂隙在測線位置下埋深為5 m，裂隙規格為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為106 Ω·m。

觀測系統采用高密度電法溫納裝置，電極距1 m，排列道數60道，排列長度59 m。

2.2數值模擬結果分析

針對上述3種膨脹土岸坡地電模型，采用非結構化網格有限差分算法進行正演模擬，并利用最小二乘反演算法進行反演，反演的視電阻率斷面如圖3所示。考慮到裂隙規模相對較小及電阻率法勘探的體積效應，為突出地電模型中裂隙引起的視電阻率響應微弱變化，本文以不含裂隙地電模型反演結果為基準數據，采用公式（2） 所示的數據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，淺部低阻區為膨脹土層的電性反映，深部相對高阻區為基巖的電性反映。

（2） 3種地電模型視電阻率斷面圖形態基本一致。裂隙未充水時，在裂隙以下視電阻率值略微增大，等值線形態無明顯變化;裂隙充水時，視電阻率幅值和等值線形態在裂隙位置均未發生明顯變化，即根據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。裂隙未充水時，地電模型表現為正變化率，裂隙充水時，地電模型表現為負變化率;裂隙未充水時，地電模型在裂隙兩側存在正變化率“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，即采用時移視電阻率法能有效識別出局部電性異常變化。

2.3觀測系統設計原則

根據膨脹土岸坡常見地電模型和數值模擬結果，采用時移電阻率法進行膨脹土岸坡滑動監測，其觀測系統設計需遵循以下原則：

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

（2） 測線布置于迎水面和坡頂。水位變化對迎水面膨脹土含水率影響較大，且距離越近影響越大，測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，采用小電極間距能夠減小高密度電法體積效應影響從而提高分辨率，有利于監測到微小裂隙含水率變化情況。

（4） 監測過程應具有連續性和可比性。數據采集時間點可采用固定周期檢測和特殊時間點密集監測（如汛期水位突漲、地震影響等）相結合的形式，連續性監測有利于掌握岸坡土體結構賦存狀態變化，對比性監測更易發現岸坡結構局部變化。

3現場試驗

為驗證時移電阻率法在膨脹土岸坡滑動監測中的應用有效性，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場試驗工作。

3.1觀測系統設計

丹江口水庫宋崗碼頭岸坡地層巖性以泥質粉砂巖、泥巖為主，地表廣泛分布膨脹土，厚度約為1～6 m。根據場地實際條件，沿岸坡布置了3條時移電阻率法測線，測線編號分別為L1、L2、L3，長度均為119 m，如圖5所示。

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

3.2試驗工作布置

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特征。對3條測線均進行了4次時移電阻率法觀測，觀測時間及對應水庫水位如表2所列。在完成第一次數據采集后，L1樁號0～55 m段膨脹土進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試驗成果分析

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

圖6為L1測線膨脹土置換前、后視電阻率斷面圖。由圖6可知：樁號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，深部地層的電性結構變化減小。

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

圖8為L2測線不同觀測時間視電阻率斷面圖。由圖8可知：不同觀測時間的視電阻率斷面圖形態基本一致，視電阻率表現為淺部低、深部高的趨勢;隨著水位升高，淺部視電阻率值減小，低阻區范圍擴大，推斷為膨脹土含水率增大的反映。

以水位160 m時的視電阻率反演成果作為基準數據，采用數據比視電阻率歸一化算法分別對水位162 m和163 m時的反演成果進行歸一化，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，范圍擴大，推斷為土體含水率增大的反映;水位163 m時，在高程約155 m，樁號約70～80 m范圍內，局部存在明顯視電阻率變化率負值，推斷該處存在裂隙導水通道。視電阻率變化基本反映膨脹土岸坡局部電性結構變化情況。

3.4可靠性驗證

一般地，當膨脹土飽和度較高時，裂隙度較小，飽和度是土體強度的主要影響因素。當飽和度較低時，裂隙度變大，裂隙度對土體強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系，土體強度與飽和度及裂隙度亦呈線性關系，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度τf與當前剪應力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定。

圖10為L2測線不同時間點岸坡隨時間變化的演化度曲線圖。由圖10可知：不同時間點岸坡演化度圖形態基本一致，即地下介質主要電性結構無明顯變化。隨著水位上升，岸坡演化度逐漸變大，水位160 m時全線平均演化度為7.97%，水位162 m時全線平均演化度為9.67%，水位163 m時全線平均演化度為11.09%，這說明隨水位升高，岸坡含水量變大，總體發生滑坡的風險變高。

樁號25～35 m區間，演化度較高且水位變化對其演化度影響不大，表明此處裂隙較發育且富水性較好。樁號70～80 m，高程150～155 m范圍內，演化度變化率較大，與相鄰兩側岸坡土體演化度存在明顯差異，推斷該區域膨脹土裂隙較發育，含水率易受水位、降雨等影響，為滑坡易發區，與時移電法試驗結論基本一致。

3.5基于電性特征變化的岸坡演化規律

膨脹土岸坡水體滲透過程伴隨著土體物性參數及結構面的變化。物性參數測試以及時移電阻率法數值模擬與工程試驗結果表明：

（1） 膨脹土岸坡電性結構受水體滲透與膨脹土裂隙發育程度影響，一般存在局部視電阻率異常區。當膨脹土經過置換后，土層電性結構發生變化，通常表現為視電阻率升高，且由于裂隙數量減少，局部視電阻率異常區數量也將減少。

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

4結 論

本文通過土樣測試、數值模擬、工程試驗，研究了時移電阻率法在膨脹土岸坡滑動監測應用中的可行性和有效性，主要得出以下結論。

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

（2） 視電阻率斷面圖可反映膨脹土岸坡電性結構，采用數據比對不同時刻觀測數據進行視電阻率歸一化，能夠探究膨脹土岸坡局部微小電性特征變化，進而探查岸坡土體內裂隙發育及水體滲透情況。

（3） 膨脹土岸坡演化過程伴隨著電性特征的變化，通過不同時刻電阻率法觀測膨脹土岸坡不同水位下電性結構特征，可以了解膨脹土裂隙發育及含水量變化情況，從而反映岸坡土體結構演化度變化，為滑動預警提供有效數據信息。

（4） 進一步完善時間推移電阻率探測技術，加密數據采集時間點，加強與土體含水率信息融合，結合構建的膨脹土岸坡演化模型，逐步實現時移電阻率法量化監測，有望提高膨脹土岸坡評估和預警能力。

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（編輯：謝玲嫻）