长江堤防土电阻率测试及其与含水率和密实度的相关性研究

李文忠1,肖国强,孙卫民1,何晓民,周华敏

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010； 2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉430010)

1 研究背景

电阻率类电法勘探是堤防隐患探测中的一种常用方法，根据隐患部位与周围土体介质之间的导电性差异[1]，通过对堤身及隐患体所在位置空间电场、电磁场分布特征的研究，对表征土体物性特征的电阻率数据或空间曲线变化特征的分析，借助数理计算及正反演技术，对隐患体的位置、性质做出推断。

在堤防工程上，反映土体地球物理特征的电阻率不仅与其组份结构如颗粒成份、颗粒大小、孔隙度、黏性含量有关，而且与其物理因素如含水率、饱和度、密实度及温度也有关[1-2]。对同一土类结构的堤防工程，其堤身土性特征、组份结构、施工流程基本相同或相似，其综合结构参数与物性特征基本一致，因此土体含水率的变化就成为对土体电阻率影响最大的物理因素。对于隐患体来讲，水体渗透发生后，缺陷部位含水率的增大，会加速土颗粒间离子的流动，提升离子的活动性，增强导电性，在受外界电场干预时，电流密度会得到重新排列与分配，使隐患体与围岩介质间的各向异性特征增大。所以，开展堤身土体含水率与电阻率的关系研究意义重大，该研究不仅对我们选择正确的探测技术方法具有指导作用，而且是实现隐患异常体性质精准分析及反演成像解译的理论基础，是正确分析测试堤坝隐患成果的重要依据[3]。

2 电阻率测试试样的制备

在长江堤防洪湖段取堤基土和水，目的是为保持试样环境因素与实际地质环境的一致。制备试样的步骤如下所示。

(1)首先称取一定量的风干土，再称取按式(1)计算制备一定含水率下的土样所需的水量。

(1)

式中：mω为土样所需加水量(g)；ω0为风干含水率(%)；m为风干含水率时的土样质量(g)；ω′为土样所要求的含水率(%)。

(2)将称取的风干土料平铺于金属盘内，用喷雾器喷洒所需的加水量于土料上，充分拌匀后装入盛土容器内盖紧，湿润24 h。

(3)将湿润24 h后的土料充分拌均匀，取一定土料测定其含水率，如不能满足试验要求，则要对土料进行加水或风干失水，再将其充分拌匀后装入盛土容器内盖紧，湿润24 h。

(4)取土料复测其含水率，如仍不满足要求，则调整含水率使其达到试验所要求的含水率。制备试样含水率与制备标准含水率之差值应在±1%范围内。

(5)计算电阻率试样盒内径体积，称取按式(2)计算的某一含水率下的所需的土料用量。

m湿土=ρdmaxPiV(1+0.01ω0) 。

(2)

式中：m湿土为所需土质量(g)；ρdmax为最大干密度(g/cm3)；Pi为密实度(%)；V为Miller Soil Box内径体积(cm3)。

(6)电阻率测试试样制备采用轻型分层击实法。将称取的土样分成2等份。首先将第1份土料倒入试验盒后，平整表面，击实至要求高度，再将表面刨毛，然后倒入第2份土料，平整表面，击实至要求高度。这样，一定含水率和密实度下的电阻率试件制作完成。

3 试样电阻率测试原理及方法

3.1 电阻率试样盒设计及测试原理

电阻率试样盒材质选透明、具绝缘性能的有机玻璃，为减小供电电极接触端电阻的大小，供电电极A和B采用紫铜薄片，M和N为测量电极，衬放盒子内侧立面两端，电阻率试样盒尺寸设计在充分调研国内外相关土体室内测试尺寸[3]的基础上，开展了装置尺寸为24 cm×6 cm×6 cm(长×宽×高)、12 cm×6 cm×6 cm、24 cm×4 cm×4 cm且变换MN测量极距的装置研究[4]。依据相关电法规范及物性标本测试要求， MN电极距LMN取8 cm，电阻率试样盒长度LAB取为3LMN，宽度取(1/6～1/3)LAB，高度取(1/6～1/5)LAB。通过江水电阻率的测试标定，最终选取电阻率试样盒尺寸为24 cm×4 cm×4 cm，供电极距取LAB=24 cm，测量极距LMN=8 cm,实测土体电阻率为MN间土样电阻率ρ。

(3)

式中：S为电阻率试样盒土体断面面积；ΔuMN和IMN分别为MN间的电位差和电流。

3.2 试样电阻率测试方法

采用电阻率试样盒四相电极装置，对一定含水率下的试样，采用轻型分层击实法分别制备不同密实度的试样，初定6种密实度 (98%，94%，90%，85%，80%，75%)下的测量方案，依次开展电阻率测试[5]，每一密实度下的电阻率重复测量3次，取算术平均值为最终测试结果。

针对长江堤防土质类型的含水特点，设计含水率变化范围。含水率15%以下、15%～35%、35%以上的长江堤防土含水率变化范围分别按3%,2%,3%设计，含水率设计上限为液限含水率。

测试仪器设备有法国IRIS公司SYSCAL PRO高密度电法仪1台、供电电源1台、Miller soil box标本盒2个。测试仪器照片见图1。

图1 土壤试样电阻率测试仪器照片

4 测试成果分析

室内土工试验测试成果揭示，粉质壤土最大干密度ρdmax为1.59 g/cm3，最优含水率ωOP为23.3%，液限含水率为41.8%。土质分类为低液限黏土，试验成果见表1。

表1 长江堤防粉质壤土土工试验成果

结合土工试验，本次试验共完成18种不同含水率下6种不同密实度下的试样电阻率测试。测试成果见表2。

由表2可见，相同含水率情况下，随着土体密实度的减小，电阻率值逐渐变大；相同密实度情况下，随着土体含水率的增加，电阻率值呈逐渐减小的变化趋势。不同密实度下含水率-电阻率关系曲线见图2。

图2 粉质壤土不同密实度下含水率与电阻率关系曲线

图3 粉质壤土不同含水率下密实度与电阻率关系曲线

由图2可见，电阻率ρ与含水率ω呈递减的幂函数关系，即

ρ=aω-b+c。

(4)

式中：a为土体综合结构参数；b为与密实度有关的常数；c为关系常数。

液限含水率范围内(非饱和土)[6]，密实度相同情况下，含水率越大，电阻率越小；曲线形态以含水率12%为拐点，当含水率<12%时，随着含水率的增大，电阻率减小的速率较快，曲线梯度变化大；含水率在12%～30%时，随着含水率的增加，电阻率减小的速率放缓；当含水率>30%后，随着含水率的增加，电阻率受含水率的变化影响越来越小，且越靠近液限含水率，这种变化特征越明显。

图3为含水率分别为20.9%,25.0%,30.0%,35.0%,40.2%时土体密实度-电阻率关系曲线。从图3可以看出：含水率相同的情况下，密实度越大，电阻率越小，曲线曲率越小;随着含水率的增大，不同密实度下的电阻率曲线呈收缩状靠拢，当试样土含水率达35%以后，不同密实度情况下的含水率-电阻率曲线逐渐逼近一条渐近线，即土体含水率越接近液限含水率，密实度对电阻率的影响越小。

5 应用实例

洪湖虾子沟长江干堤是在长期的历史过程中逐渐填筑而成，堤身填筑土取自堤内地表土，土质类型为粉质壤土，堤身结构形态为一级堤防结构[7-11]，堤高10 m，堤基地质结构为典型的双层结构，上部为黏土覆盖层，下部为粉细砂透水层。为了解堤身土体的物性变化特征及与室内测试进行对比，采用高密度电法在堤顶布设电法剖面一个，剖面高程32.5 m，江水位高程为21.0 m,剖面方向同堤身走向，工作道数为120，工作点距为2.0 m,装置类型为偶极装置(β装置)，仪器选用WGMD-4分布式二维高密度电法测量系统，测量中供电电压380 V，供电电流>500 mA。二维反演电阻率拟断面图见图4。

图4 洪湖长江干堤虾子沟剖面二维反演电阻率拟断面图

由图4可见：

(1)近地表受大气降雨等环境因素影响，再加上局部土结构非均一性引起的含水率等物性特征变化，使电阻率表现出一定的各向异性。

(2)堤身段整体电阻率在30～35 Ω·m之间，填筑土性质单一，均一性较好，参考图2，堤身粉质壤土对应的含水率应在16%左右，远低于液限含水率41.8%，未出现明显的含水率异常变化点(区)。

(3)22.5 m高程以下的堤基段，上部存在一个明显的低阻层，电阻率为25～30 Ω·m，推测为堤基黏土覆盖层，水位线上(高程21.0～22.5 m)和水位线下(高程<21.0 m)堤基黏土覆盖层，电阻率大小基本一致，未见明显的电阻率异常变化区揭露。

(4)在勘查深度内，12.5 m高程下的高电阻率电性层，电阻率>50 Ω·m，为堤基部位的粉细砂层引起。整个堤基电性层位分布特征及厚度与钻探揭露的地层结构完全吻合。由图4和图2可知，堤基土现场测试的电阻率值范围与室内测试的电阻率值范围基本一致，表明室内测试成果是可靠的。

6 结 语

堤防工程隐患探测中，隐患体与围岩土体介质的电性差异特征研究是电阻率法类勘探的基础。在土类结构综合参数特征相近或相似的条件下，含水率、密实度与电阻率关系密切。

(1)洪湖虾子沟长江干堤堤身结构类型为粉质壤土的堤防，土的液限含水率为41.8%，一定密实度下，含水率与电阻率为递减的幂函数关系。

(2)一定含水率下，密实度与电阻率呈负相关关系，密实度越大，电阻率越小。

(3)堤基土现场测试的电阻率值范围与室内测试的电阻率值范围基本一致。在电阻率反演成果解译中，充分利用室内土性与电阻率关系测试结果，对土体含水性能及存在状态进行定性分析，可提高对隐患异常演化性质的判定。