滑坡降雨過程視電阻率時(shí)空響應(yīng)特征實(shí)驗(yàn)研究

陳建軍

(湖南省城龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引 言

地質(zhì)災(zāi)害是指在地球上由于各種自然地質(zhì)作用和人類活動(dòng)所造成的災(zāi)害性地質(zhì)事件。我國(guó)是個(gè)多山脈的國(guó)家，除了人類活動(dòng)所產(chǎn)生的邊坡外還有許多自然條件下產(chǎn)生的滑坡[1]，在外部原因以及內(nèi)部條件的影響下，這些邊坡很容易產(chǎn)生位移、變形等，對(duì)人們的生命安全以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展都是一個(gè)巨大的威脅。其中我國(guó)南方降雨量充沛，主要表現(xiàn)為降雨強(qiáng)度大、降雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、降雨范圍較大，所以降雨成為促發(fā)滑坡的主要原因。降雨入滲對(duì)滑坡穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的影響[2]。所以降雨入滲方面還有著許多的研究和觀測(cè)價(jià)值，可以通過觀測(cè)降雨入滲的過程推測(cè)邊坡的穩(wěn)定性，當(dāng)穩(wěn)定性較低時(shí)發(fā)出警報(bào)從而避免滑坡產(chǎn)生的危害。

由于水的電阻率比較低，當(dāng)雨水滲入巖土體的時(shí)候會(huì)使其含水飽和度升高，電阻率降低，可以利用電法通過監(jiān)測(cè)地下電阻率變化，這種方法只需要在地表布設(shè)傳感器，大大降低了成本和施工難度，傳感器布設(shè)的密度也很靈活多變。因此，利用直流電法監(jiān)測(cè)降雨過程中滑坡的水份運(yùn)移是可靠且具有前景的[5]，又因?yàn)椴煌r的滑坡基本組成巖性中均有砂土，因此以砂土建立滲流模型來開展降雨過程視電阻率響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)有利于降低滑坡監(jiān)測(cè)的成本、提高效率，降低滑坡帶來的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1 理論研究

降雨入滲對(duì)滑坡穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的影響。所以降雨入滲方面還有著許多的研究和觀測(cè)價(jià)值，可以通過觀測(cè)降雨入滲的過程推測(cè)邊坡的穩(wěn)定性，當(dāng)穩(wěn)定性較低時(shí)發(fā)出警報(bào)從而避免滑坡產(chǎn)生的危害。但目前觀測(cè)降雨入滲的方法非常有限，主要是通過在地表鉆孔將傳感器布設(shè)在地下，這種方法雖然直觀，但是其成本比較高，傳感器布設(shè)難度較大，傳感器常常布設(shè)的密度很低導(dǎo)致誤差比較大。探索實(shí)施簡(jiǎn)單，成本低且覆蓋面廣的監(jiān)測(cè)方法是目前研究的前沿領(lǐng)域。水的電阻率比較低，當(dāng)雨水滲入巖土體的時(shí)候會(huì)使其含水飽和度升高，電阻率降低，可以利用電法通過監(jiān)測(cè)地下電阻率變化，這種方法只需要在地表布設(shè)傳感器，大大降低了成本和施工難度，傳感器布設(shè)的密度也很靈活多變。綜上所述，利用直流電法監(jiān)測(cè)降雨過程中滑坡的水份運(yùn)移是可靠且具有前景的，因此開展降雨過程視電阻率響應(yīng)有利于降低滑坡監(jiān)測(cè)的成本、提高效率，降低滑坡帶來的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1.1 降雨入滲過程

根據(jù)入滲方向的不同，降雨入滲被分為垂直地表向下的垂直入滲和側(cè)向入滲兩種情況。最簡(jiǎn)單典型的垂直入滲模型就是干土在積水條件下的入滲。19世紀(jì)40年代中期，Colaman與Bodma對(duì)這一問題進(jìn)行了研究，并將入滲過程中的土壤剖面劃分為飽和區(qū)、過渡區(qū)、傳導(dǎo)區(qū)和濕潤(rùn)區(qū)四個(gè)區(qū)域，四個(gè)區(qū)域具有不同特征[4]。

圖1所示各區(qū)的特征如下。

(1)飽和區(qū)：該區(qū)土壤各處均處于飽和態(tài)，受降雨時(shí)間、強(qiáng)度和飽和滲透系數(shù)影響；

(2)過渡區(qū)：該區(qū)含水率隨深度增加明顯下降；

(3)傳導(dǎo)區(qū)：該區(qū)含水率變化不大；

(4)濕潤(rùn)區(qū)：該區(qū)含水率隨深度增加迅速衰減至初始值；

(5)濕潤(rùn)鋒：濕潤(rùn)區(qū)前緣，干濕土的分界。

人們?yōu)榱搜芯拷涤耆霛B過程中土壤中含水率分區(qū)隨時(shí)間變化的規(guī)律，進(jìn)一步研究分析了這一典型垂直入滲模型[5]。得出如下結(jié)論。

(1)在水剛接觸到土壤的短時(shí)間內(nèi)，土壤表層的含水率會(huì)瞬間從初值θi增加到一個(gè)接近但小于飽和含水率的值θ0;

(2)隨著時(shí)間推移，濕潤(rùn)鋒不斷下移，含水率曲線會(huì)逐漸變得平緩；

(3)隨著時(shí)間推移地表處的基質(zhì)勢(shì)梯度逐漸變小，最后趨近于0，含水率趨于不變。

(4)降雨入滲過程中，累計(jì)入滲量I和入滲率i也是隨時(shí)間而變化的函數(shù)，記為I(t)和i(t)。

1.2 直流電法勘察理論

(1)高密度電阻率法基本原理

高密度電阻率法[6]的原理與常規(guī)電阻率法相同，區(qū)別在于設(shè)備和裝置。

假設(shè)大地是一個(gè)各向同性的均勻電介質(zhì)，在地表設(shè)置A、B兩個(gè)電極為供電電極，在任意兩點(diǎn)M、N測(cè)量電位差。M、N兩點(diǎn)的點(diǎn)位可表示為

(1)

(2)

兩點(diǎn)之間的電位差為

(3)

由電位差可以算出大地的電阻率

(4)

(5)

即K為電極裝置系數(shù)，單位為米，通常為常數(shù)。

但實(shí)際測(cè)量中，地下介質(zhì)大都是各向異性且不均勻的，用上式計(jì)算時(shí)得出來的都是等效的均勻地下介質(zhì)，得出的電阻率被稱為視電阻率，并非真實(shí)準(zhǔn)確的電阻率。視電阻率用ρs表示。

當(dāng)MN之間的距離遠(yuǎn)小于AB之間的距離時(shí)，MN之間的電場(chǎng)可以看作是均勻的，MN之間電位差，可表示為

(6)

(7)

化簡(jiǎn)可得

(8)

代入可求出視電阻率與電流密度之間的關(guān)系式

(9)

高密度電法相較常規(guī)電法有了很大的提升，高密度電法是多電極測(cè)線一次性布設(shè)。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在。

①不需要跑極，減少因移動(dòng)電極產(chǎn)生的誤差；

②使用不同測(cè)量裝置的時(shí)候只需要變換電極或者對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可，方便且快捷；

③可在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)并成圖；

④成本低，操作簡(jiǎn)單快捷。

(2)主要裝置

根據(jù)不同地質(zhì)條件或勘探要求，高密度電法可選用不同觀測(cè)裝置，主要有溫納(α)裝置、偶極(β)裝置和微分(γ)裝置三種[9]。

每個(gè)裝置有各自的特點(diǎn)。

①溫納裝置的分辨能力較低，偶極裝置、微分裝置和聯(lián)合三級(jí)分辨能力較高；

②溫納裝置的異常比較明顯，其他次之；

③地形對(duì)溫納裝置的影響較小，對(duì)其他裝置影響較大。

在實(shí)際生產(chǎn)生活中需要根據(jù)每個(gè)裝置的特點(diǎn)進(jìn)行選擇。

2 實(shí)驗(yàn)方案

基于降雨入滲理論、土壤的電阻率特性以及直流電法勘探理論，以砂土作為研究對(duì)象，在室內(nèi)使用人工降雨模型，利用高密度電法儀器和相應(yīng)探測(cè)方法，對(duì)滑坡在降雨過程中的電阻率變化進(jìn)行觀測(cè)，研究其入滲過程。

此次實(shí)驗(yàn)總共準(zhǔn)備了約1 m3的土壤，將土壤放在室外晾曬到相對(duì)比較干的程度后，分層裝入主體實(shí)驗(yàn)箱中，每裝入一層都要鋪平并用橡膠錘夯實(shí)。在裝入的土壤厚度達(dá)到20 cm時(shí)，在中心位置水平埋設(shè)一個(gè)土壤水分計(jì)，水分計(jì)編號(hào)為2#，水分計(jì)與數(shù)據(jù)采集儀的連接線從側(cè)面玻璃板上的開孔穿入；在裝入的土壤厚度達(dá)到30 cm時(shí)，將水位計(jì)水平埋設(shè)在中心位置，線從玻璃般的開孔處穿過；在裝入的土壤厚度達(dá)到40 cm時(shí)，在中心位置水平埋設(shè)編號(hào)為1#的土壤水分計(jì)。總共裝入50 cm厚的土壤，約1 m3。穿線完成后玻璃板開孔處用膠帶封住，防止土壤漏出。

將高密度電法儀器連接好后，將電極從主體試驗(yàn)箱上方放到土壤表層，電極在實(shí)驗(yàn)箱整體中間沿平行與實(shí)驗(yàn)箱的長(zhǎng)邊的方向進(jìn)行鋪設(shè)，總共31個(gè)電極，電極之間間隔3 cm，測(cè)線總長(zhǎng)90 cm，電極插入土壤時(shí)銅片朝向與測(cè)線方向一致。

本次實(shí)驗(yàn)只在實(shí)驗(yàn)箱中間部分降雨，使用5個(gè)噴頭沿一條直線排列，噴頭用軋帶固定在PVC管上，垂直于實(shí)驗(yàn)箱長(zhǎng)邊放置，噴頭之間間隔15 cm均勻分布。恒壓水泵及水管的連接參考3.1.2，水泵水壓設(shè)為1.5 kg/cm2。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

首先啟動(dòng)直流電法儀和掌上電腦，在掌上電腦中新建斷面，極距設(shè)為0.03 m，電極數(shù)量選擇40，使用電極數(shù)量設(shè)為31，剖面總數(shù)設(shè)置為10。由于本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量的范圍比較小，而且需要對(duì)比明顯，所以測(cè)量裝置選擇溫納排列。新建斷面完成后，開始測(cè)量接地電阻，土壤在干燥情況下，測(cè)出來的接地電阻過大，在100 kΩ左右，在電極上覆蓋了一層黏土踩實(shí)后并澆了兩瓶水后，此時(shí)接地電阻下降為20 kΩ左右，仍然過大，隨后又澆了一些鹽水，接地電阻下降為1 kΩ左右，滿足實(shí)驗(yàn)要求后，開始斷面測(cè)量，首先在不進(jìn)行降雨的情況下進(jìn)行測(cè)量，此次測(cè)量數(shù)據(jù)作為背景場(chǎng)。隨后開始降雨，降雨和測(cè)量同時(shí)進(jìn)行，按照統(tǒng)計(jì)每測(cè)一次斷面需要6 min時(shí)間。記錄下每次斷面測(cè)量開始的絕對(duì)時(shí)間，以此來分析降雨情況下土壤視電阻率的時(shí)空響應(yīng)。

3.2 視電阻率時(shí)空響應(yīng)特征

從上面的圖中可以看出，在降雨初始階段到降雨6 min時(shí)視電阻率有所下降，隨著降雨時(shí)間的推移，后面的視電阻率變化不是很明顯，而且視電阻率有輕微增大，為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，接著利用GeoStudio2018軟件進(jìn)行了降雨過程的理論情況模擬，用理論情況和實(shí)際情況做對(duì)比。材料選擇為砂，降雨裝置設(shè)置在中心位置。總共模擬了5 h的降雨，對(duì)應(yīng)降雨時(shí)間的結(jié)果圖如圖2。

圖2 降雨入滲過程土壤含水率變化模擬圖

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

對(duì)此結(jié)果，從降雨入滲模型和測(cè)量裝置方面進(jìn)行了分析：通過布設(shè)的兩個(gè)水分計(jì)以及水位計(jì)測(cè)出的數(shù)據(jù)，可以推測(cè)出降雨過程中濕潤(rùn)鋒下移的大概位置及下移速率，從水分計(jì)的數(shù)據(jù)中可以觀察到土壤的含水率有一個(gè)時(shí)間段是突然增長(zhǎng)的，這里推測(cè)為是濕潤(rùn)鋒下移到達(dá)水分計(jì)位置時(shí)引起的，后續(xù)的含水率呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。另外，在模擬降雨入滲的土壤含水量圖中可以看出底部出現(xiàn)向上拓展積水分界面，此現(xiàn)象在相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)過程中也有觀察到。

4 結(jié) 論

(1)采用自主研制的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜏y(cè)量裝置，開展了室內(nèi)降雨入滲實(shí)驗(yàn)，對(duì)降雨系統(tǒng)、水分計(jì)和水位計(jì)進(jìn)行了校準(zhǔn)與標(biāo)定，從結(jié)果中可以看出，降雨強(qiáng)度隨供水壓力增加而增加，降雨均勻度在一定壓力情況下也可以穩(wěn)定在80%左右，均滿足實(shí)驗(yàn)要求。

(2)降雨前期，土壤的含水率較低，基質(zhì)吸力比較大，降雨入滲速率較快，濕潤(rùn)鋒迅速下移，濕潤(rùn)鋒處的含水率變化最快。隨著降雨時(shí)間的推移，土壤中的含水率逐漸上升，土壤地基質(zhì)吸力逐漸下降，降雨入滲速率下降，土壤中的濕潤(rùn)鋒已經(jīng)消失，大部分為過渡區(qū)和傳導(dǎo)區(qū)，土壤中的含水率變化較為平緩。

(3)從模擬的降雨入滲過程土壤含水率變化可以看出，隨著降雨時(shí)間的增加，模型底部會(huì)最先出現(xiàn)積水現(xiàn)象，積水的分界線隨著降雨時(shí)間的增加逐漸向上擴(kuò)展，這一現(xiàn)象也同樣出現(xiàn)在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中。這個(gè)現(xiàn)象可以認(rèn)為是降雨逐漸向下滲透，底部水不能排出導(dǎo)致的。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了高密度電法在降雨入滲過程中的可行性及普遍性，此方法將大大提升降雨滲入的觀測(cè)范圍及效率，降低成本，使滑坡預(yù)警更為準(zhǔn)確，為國(guó)民安全及經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)