膨胀土岸坡渗透滑动时移电法检测试验研究

徐涛　王小毛　陈爽爽　张智　林永燊　殷浩

摘要：膨胀土因其吸水膨胀软化、失水收缩干裂的特性，极易诱发岸坡失稳滑动，开展膨胀土岸坡滑动监测技术研究对于保障水利工程安全具有重要意义。基于时移电阻率法基本原理，开展了含水平裂缝膨胀土岸坡电阻率法正演模拟，探究了水体在岸坡裂缝缺陷中渗透时的地球物理电性响应特征。同时，采用数据比算法对不同时刻的反演结果进行电阻率归一化，反映出了膨胀土岸坡局部电性结构细微变化。研究结果表明：时移电阻率法能反映膨胀土含水率变化情况，结合膨胀土岸坡渗透滑动演化模型，能够实现岸坡水体渗透土体性状监测，对提高膨胀土岸坡灾害评估和预警能力具有重要意义。

关键词：膨胀土; 岸坡滑动; 时移电阻率法; 数值模拟

中图法分类号： P319.2

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.029

0引 言

膨胀土是主要由强亲水性矿物蒙脱石、伊利石、高岭石等组成的高塑性黏土，因其具有吸水膨胀软化、失水收缩干裂的特性，常被称为“工程癌症”[1-2]。在水利工程中，水的存在会使得膨胀土引起的工程危害更加突出[3]，极易诱发岸坡、堤坝等挡水建筑物在施工期或运行期发生严重的边坡失稳事故[4]。因此，研究膨胀土岸坡滑动监测技术对于保障水利工程的建设安全和健康运行具有重要意义。

目前，岸坡滑动监测常用手段主要为变形监测、地球物理监测等[5-6]。膨胀土岸坡裂隙发育，当裂隙失水或吸水时，表现为不同的电性特征，为采用电阻率法进行岸坡滑动监测提供了物理前提。国内外学者对此也开展了相关研究工作：于小军等[7]基于电阻率测试技术形成了一套评价膨胀土结构变化的方法;徐磊[8]利用室内试验和原位测试研究了膨胀土电阻率与含水率、密度、饱和度等参数的关系;Johansson等[9]开发了基于电阻率变化特征的土坝监测系统与评价方法;李文忠等[10]通过室内试验探究了长江堤防土的含水率、密实度与电阻率的关系;刘健雄[11]采用高密度电法开展了膨胀土电阻率动态测试，研究了膨胀土边坡裂隙发育机制;袁俊平等[12]通过室内试验研究了膨胀土抗剪强度与含水率、饱和度、裂隙度等参数间的关系。

综上所述，地电特性足以表征膨胀土的结构变化。然而，现阶段研究多基于膨胀土岸坡某一时刻的状态，而实际岸坡土体性状是会随水库水位、降雨、湿度等不断变化的。因此，研究膨胀土岸坡在不同状态下的电阻率响应特征，对于岸坡滑动监测具有重要意义。针对膨胀土岸坡状态多变的特点，本文引入时移探测思想，通过数值模拟和工程试验，研究时移电阻率法在膨胀土岸坡水体渗透滑动监测中应用的可行性和有效性，进而探寻膨胀土岸坡水体渗透滑动过程中土体的电性变化特征规律。

1基本原理

电阻率法以地下介质的电性差异为基础，以特定的观测系统建立半空间稳恒电流场，通过观测稳恒电流场时空分布特征，了解地下介质状态[13]。时移电阻率法是在常规电阻率法的基础上增加了一个时间表征序列，即在不同时间对同一部位采用同一观测系统进行数据采集，分析不同时间电阻率差异，研究地下介质动態变化特征[14-15]。

时移电阻率法数据处理通常采用某一时刻的观测数据作为基准值，将其反演结果用作其他时刻数据反演的初始模型或约束条件，可有效减少反演结果的多解性。为了突出地下介质电性结构局部微小变化部分，本文使用基准数据反演结果对不同时刻的反演结果进行电阻率归一化，常用的归一化方法有数据差和数据比两种方式，计算公式分别为

2数值模拟

2.1地电模型构建

裂隙性是膨胀土的基本工程性质，其对膨胀土岸坡稳定性具有重要影响。膨胀土岸坡滑动通常与裂隙富水、土体强度降低相关。膨胀土岸坡处于不同水位时，裂隙富水性不同，通常为低水位时裂隙失水、含水率降低表现为高电阻率特征，高水位时裂隙吸水、含水率升高表现为低电阻率特征。本文结合丹江口水库宋岗码头岸坡现场原状土样，采用Miller Soil Box四相电极法对密实度为60%的不同含水率的膨胀土样品（液限含水率52.1%）进行电阻率测试，测试装备采用IRIS公司SYSCAL Pro电阻率仪（见图1），测试结果如表1所列。由表1可知：膨胀土含水率为20%时，电阻率为50.3 Ω·m，随含水率增加电阻率显著降低，当含水率为50%时，电阻率为11.0 Ω·m。

基于上述参数测试结果，建立地电模型（见图2），其中膨胀土层厚度为10 m，电阻率值为50 Ω·m，基岩电阻率值为500 Ω·m，水平裂隙在测线位置下埋深为5 m，裂隙规格为15.0 m×4.0 m×0.1 m（长×宽×高），水体电阻率值为25 Ω·m，空气绝缘电阻率值设为106 Ω·m。

观测系统采用高密度电法温纳装置，电极距1 m，排列道数60道，排列长度59 m。

2.2数值模拟结果分析

针对上述3种膨胀土岸坡地电模型，采用非结构化网格有限差分算法进行正演模拟，并利用最小二乘反演算法进行反演，反演的视电阻率断面如图3所示。考虑到裂隙规模相对较小及电阻率法勘探的体积效应，为突出地电模型中裂隙引起的视电阻率响应微弱变化，本文以不含裂隙地电模型反演结果为基准数据，采用公式（2） 所示的数据比视电阻率归一化算法，分别获得裂隙未充水和裂隙充水地电模型的视电阻率变化率等值线，如图4所示。

由图3和图4可知：

（1） 视电阻率断面图成层性较好，浅部低阻区为膨胀土层的电性反映，深部相对高阻区为基岩的电性反映。

（2） 3种地电模型视电阻率断面图形态基本一致。裂隙未充水时，在裂隙以下视电阻率值略微增大，等值线形态无明显变化;裂隙充水时，视电阻率幅值和等值线形态在裂隙位置均未发生明显变化，即根据视电阻率断面图较难判别局部微小电性特征变化。

（3） 视电阻率变化率等值线在裂隙位置存在等值线闭合区。裂隙未充水时，地电模型表现为正变化率，裂隙充水时，地电模型表现为负变化率;裂隙未充水时，地电模型在裂隙两侧存在正变化率“假异常”;视电阻率变化率等值线圈闭异常较实际裂隙范围更大，但视电阻率值变化率极值位置与裂隙位置基本一致，即采用时移视电阻率法能有效识别出局部电性异常变化。

2.3观测系统设计原则

根据膨胀土岸坡常见地电模型和数值模拟结果，采用时移电阻率法进行膨胀土岸坡滑动监测，其观测系统设计需遵循以下原则：

（1） 测线方位平行于水岸线。膨胀土岸坡水体渗透滑动为渐变过程，平行于岸坡布置测线有利于监测膨胀土局部水体渗透衍进变化过程。

（2） 测线布置于迎水面和坡顶。水位变化对迎水面膨胀土含水率影响较大，且距离越近影响越大，测线布置于迎水面和坡顶能够较早捕捉到膨胀土含水率变化情况。

（3） 电极间距以不大于1 m为宜。膨胀土裂隙具有小而密的特点，采用小电极间距能够减小高密度电法体积效应影响从而提高分辨率，有利于监测到微小裂隙含水率变化情况。

（4） 监测过程应具有连续性和可比性。数据采集时间点可采用固定周期检测和特殊时间点密集监测（如汛期水位突涨、地震影响等）相结合的形式，连续性监测有利于掌握岸坡土体结构赋存状态变化，对比性监测更易发现岸坡结构局部变化。

3现场试验

为验证时移电阻率法在膨胀土岸坡滑动监测中的应用有效性，在河南省南阳市淅川县丹江口水库宋岗码头岸坡开展了现场试验工作。

3.1观测系统设计

丹江口水库宋岗码头岸坡地层岩性以泥质粉砂岩、泥岩为主，地表广泛分布膨胀土，厚度约为1～6 m。根据场地实际条件，沿岸坡布置了3条时移电阻率法测线，测线编号分别为L1、L2、L3，长度均为119 m，如图5所示。

观测系统参数：电极距1 m，排列道数120道，供电电压300 V，高密度装置类型为Winner装置。

3.2试验工作布置

为研究膨胀土置换前后及不同水位条件下，膨胀土岸坡电阻率变化响应特征。对3条测线均进行了4次时移电阻率法观测，观测时间及对应水库水位如表2所列。在完成第一次数据采集后，L1桩号0～55 m段膨胀土进行了水泥改性土置换治理，为防止滑坡，岸坡采用混凝土栅格加固处理。

3.3试验成果分析

限于文章篇幅，本文仅选取L1测线膨胀土置换前后反演成果、2020年10月14日3条测线反演成果以及L2测线不同时间反演成果进行分析。经与施工方核实，电阻率剖面浅层局部高阻异常为排水盲沟，沟内回填碎石土。

图6为L1测线膨胀土置换前、后视电阻率断面图。由图6可知：桩号0～55 m段膨胀土置换后较置换前，岸坡浅层土体电阻率升高，深部地层的电性结构变化减小。

图7为2020年10月14日水位162 m时3条测线视电阻率断面图。由图7可知：3条测线视电阻率断面图形态基本一致，大致为两层结构，浅部低阻为膨胀土层的反映，深部高阻为基岩的反映。L3测线桩号20～60 m段，深部视电阻率值明显低于L1和L2测线，再结合布置图可知，该区域距离水面最近，故推断膨胀土裂隙发育或与基岩连通富水性较好。

图8为L2测线不同观测时间视电阻率断面图。由图8可知：不同观测时间的视电阻率断面图形态基本一致，视电阻率表现为浅部低、深部高的趋势;随着水位升高，浅部视电阻率值减小，低阻区范围扩大，推断为膨胀土含水率增大的反映。

以水位160 m时的视电阻率反演成果作为基准数据，采用数据比视电阻率归一化算法分别对水位162 m和163 m时的反演成果进行归一化，视电阻率变化率等值线如图9所示。由图9可知：浅部视电阻率变化率为负值即视电阻率值减小，深部视电阻率变化率接近零值，即基岩视电阻率值变化较小;随水位升高，浅部视电阻率变化率增大，范围扩大，推断为土体含水率增大的反映;水位163 m时，在高程约155 m，桩号约70～80 m范围内，局部存在明显视电阻率变化率负值，推断该处存在裂隙导水通道。视电阻率变化基本反映膨胀土岸坡局部电性结构变化情况。

3.4可靠性验证

一般地，当膨胀土饱和度较高时，裂隙度较小，饱和度是土体强度的主要影响因素。当饱和度较低时，裂隙度变大，裂隙度对土体强度的影响逐渐起主要作用[16]。由于土体饱和度与裂隙度间存在线性关系，土体强度与饱和度及裂隙度亦呈线性关系，基于此，建立了膨胀土岸坡演化模型：

将膨胀土岸坡理论抗剪强度τf与当前剪应力τp之比定义为膨胀土岸坡的演化度，演化度越小说明岸坡越稳定。

图10为L2测线不同时间点岸坡随时间变化的演化度曲线图。由图10可知：不同时间点岸坡演化度圖形态基本一致，即地下介质主要电性结构无明显变化。随着水位上升，岸坡演化度逐渐变大，水位160 m时全线平均演化度为7.97%，水位162 m时全线平均演化度为9.67%，水位163 m时全线平均演化度为11.09%，这说明随水位升高，岸坡含水量变大，总体发生滑坡的风险变高。

桩号25～35 m区间，演化度较高且水位变化对其演化度影响不大，表明此处裂隙较发育且富水性较好。桩号70～80 m，高程150～155 m范围内，演化度变化率较大，与相邻两侧岸坡土体演化度存在明显差异，推断该区域膨胀土裂隙较发育，含水率易受水位、降雨等影响，为滑坡易发区，与时移电法试验结论基本一致。

3.5基于电性特征变化的岸坡演化规律

膨胀土岸坡水体渗透过程伴随着土体物性参数及结构面的变化。物性参数测试以及时移电阻率法数值模拟与工程试验结果表明：

（1） 膨胀土岸坡电性结构受水体渗透与膨胀土裂隙发育程度影响，一般存在局部视电阻率异常区。当膨胀土经过置换后，土层电性结构发生变化，通常表现为视电阻率升高，且由于裂隙数量减少，局部视电阻率异常区数量也将减少。

（2） 随水位升高，膨胀土岸坡裂隙充水，土体含水率升高，表现为土层视电阻率值降低。当裂隙与基岩连通时，水体渗流导致深部视电阻率值也将减少，视电阻率变化率极值区域一般为裂隙发育区。

4结 论

本文通过土样测试、数值模拟、工程试验，研究了时移电阻率法在膨胀土岸坡滑动监测应用中的可行性和有效性，主要得出以下结论。

（1） 膨胀土电阻率随含水率升高而明显降低，土体含水率达到液限后电阻率值趋于稳定。随着岸坡稳定渗流场形成，岸坡土体电性参数基本无变化。

（2） 视电阻率断面图可反映膨胀土岸坡电性结构，采用数据比对不同时刻观测数据进行视电阻率归一化，能够探究膨胀土岸坡局部微小电性特征变化，进而探查岸坡土体内裂隙发育及水体渗透情况。

（3） 膨胀土岸坡演化过程伴随着电性特征的变化，通过不同时刻电阻率法观测膨胀土岸坡不同水位下电性结构特征，可以了解膨胀土裂隙发育及含水量变化情况，从而反映岸坡土体结构演化度变化，为滑动预警提供有效数据信息。

（4） 进一步完善时间推移电阻率探测技术，加密数据采集时间点，加强与土体含水率信息融合，结合构建的膨胀土岸坡演化模型，逐步实现时移电阻率法量化监测，有望提高膨胀土岸坡评估和预警能力。

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（编辑：谢玲娴）