基于实时监测的滑坡土体电导率与体积含水率关系研究

翟 星 宋 琨

(1.河北省地质环境监测与保护重点实验室, 石家庄 050000;2.防灾减灾湖北省重点实验室(三峡大学),湖北 宜昌 443002)

滑坡是山区的主要地质灾害类型,在众多的影响因素中,降雨是其中最主要的诱发因素[1].降雨主要通过水体的入渗增加坡体的含水率,减小土体的基质吸力,使得滑坡土体的抗剪强度降低,进而影响斜坡的稳定性.

含水率增加导致孔隙水压力的变化是降雨型滑坡缓慢低速持续运动的主要原因[2-4];降雨对浅层土体的含水率和土体基质吸力影响较大[4],岩土体中的含水率及其空间分布是滑坡变形和稳定性评价的关键[3-4].对土体的含水率变化可采用较多方法,如多点的含水率传感器[5-7]、TDR 时域反射传感器[8-10]等.也可从土体电导率或电阻率(两者互为倒数)的多点监测[11-13]和层析成像技术(ERT)[14-16]研究斜坡土体的含水率分布.不论电导率的多点监测还是电阻率层析成像,均是从间接手段探查斜坡土体的含水率,其关键在于土体电导率(或电阻率)与含水率的相应关系.

本文通过河北山区滑坡土体的长时间序列多源原位观测,通过分析不同深度土体的电导率与体积含水率变化特征,建立了土体电导率(或电阻率)与体积含水率的函数关系模型,可为该地区进行滑坡地下水空间分布的精细化探查提供依据.

1 原位监测点概况与监测布置

河北地区的滑坡灾害主要是降雨诱发的浅层滑坡,为了解降雨对浅层滑坡的影响,在石家庄市平山县合河口乡花椒树滑坡布置原位监测系统.监测点地处太行山东麓、滹沱河上游的中低山区,海拔830～900 m,温带大陆性季风气候,多年平均降雨量为560.3 mm,年最大降雨量1 209 mm(1996年),降水量多集中在6-9月份,占全年降水量80%以上,且常常发生大暴雨,最大日降雨量473.8 mm(1999年),最大一小时降雨量50.0 mm(1996年).集中、短时的强降雨易诱发滑坡、泥石流等地质灾害.

花椒树滑坡平面形态呈不规则半圆形(如图1所示),滑坡主滑方向95°,滑坡上部坡度30°,中下部梯田共有13阶,坡度为15°.滑坡体前缘紧邻花椒树村居民点,高程约830 m,后缘至山体中上部,高程为896 m 左右,滑坡侧缘以左右两侧山脊为界.滑坡体最大宽度约200 m,纵长约130 m.滑体空间分布具有中后部厚,侧缘、前缘薄的特点,一般厚度在1.5～5.0 m,滑坡面积约1.985×104m2,体积约6×104m3,属于小型土质滑坡.滑坡体的土层主要为第四系碎石土组成,粉质黏土呈黄褐色,可塑～硬塑状态(如图2所示).

图1 花椒树滑坡全貌图

图2 滑坡典型工程地质剖面图

对于降雨型滑坡,关键是强降雨造成的地下水位和土体含水量的变化.Wang Fawu等[17]研究发现在降雨条件下土体含水量的变化比孔隙水压力的变化要早,可以作为强降雨诱发滑坡灾害早期预警的指标.为达到滑坡灾害的早期预警,实时掌握土体中的地下水分布情况,在花椒树滑坡前部阻滑段布置降雨入渗监测系统,监测系统的空间位置如图2所示,监测系统的详细布置如图3 所示.主要包括体积含水率、电导率、地温等传感器.3种类型的传感器分别布置在地面以下0.20、0.40、0.60、0.80和1.00 m 等5个不同的深度,每个深度均布置3种类型的传感器,分别监测相应位置的体积含水率、电导率和土壤温度等.地表布置数据采集系统,并采用物联网传输技术,将实时数据传输至监测信息管理平台.

图3 监测系统布置图

2 电导率与体积含水率波动特征

整理2019年8月至2021年8月共计2年的监测数据,由于监测数据的连续性较差,部分时段数据缺失,将部分监测数据绘制在图4中.

图4 多源实时监测数据(部分)

从图中可以看出:

1)土体的体积含水率、电导率和土体温度均随时间发生一定范围的波动,其中体积含水率和电导率同步波动,波动幅度较大,主要受降雨的影响;土体温度的变化较小,与体积含水率和电导率不同步,其主要受气温的波动影响.

2)不同深度的体积含水率、电导率和温度的变化不同,埋深越小,体积含水率、电导率和温度的变化幅度越大.如2020年7～8月期间,从-0.20到-1.00 m的不同深度的体积含水率变化幅度逐渐变小,电导率也相应的逐渐变小.土体温度的明显波动深度主要集中在-0.20 m 以浅的范围,其余深度的土体温度变化不明显,受昼夜温差的影响不大.

3 电导率与体积含水率关系模型

3.1 不同深度的电导率与体积含水率相关性

滑坡土体的电导率和体积含水率均随时间发生变化,为了便于土体含水率的空间探查,探究河北地区土体电导率与体积含水率的关系,进而从电阻率层析成像(ERT)等物探技术,探查滑坡土体含水率的空间分布特征.

不同深度的土体电导率和体积含水率如图5所示.从图5可以看出,土体体积含水率与电导率之间存在线性关系.通过曲线拟合,获得了各深度的相关性方程,具体见表1.

表1 电导率与体积含水率关系方程表

图5 不同深度的土体电导率和体积含水率相关关系

不同监测深度的体积含水率和电导率的相关关系满足线性函数关系式.不同深度的相关性存在差别,在-0.20 m 深度的相关系数最小,随着深度的增加,相关系数逐渐增大,在-0.80 m 和-1.00 m 深度的相关系数均大于0.9,相关性高.

3.2 综合性关系模型

通过对结果的分析可知,花椒树滑坡区土体的体积含水率和电导率满足线性关系.陈仁朋[18]、Huang J[19]等通过室内试验和原位测试,也获得土体的体积含水率和电导率两者也存在线性关系.但是,由于土体的差异,两者的相关关系方程存在差异.

另外,不同深度的土体体积含水率和电导率相关性存在差异,越靠近地表,相关性越差,这可能受浅层土体的植物根系以及温度变化的影响.通过已有的试验研究发现,温度会对土体电导率产生影响[18].从图3的土体温度监测数据可以看出,靠近地表土体的地温易受到昼夜温差的变化影响,土体的温度曲线波动性较大.因此,浅层的土体体积含水率和电导率相关性较差.

不同深度的线性函数关系存在一些差异,这样不利于后续在该地区的推广使用,应该形成统一的综合性关系模型.考虑到深度-0.20和-0.40 m 的电导率与体积含水率的相关性不高,仅将相关性显著的-0.80和-1.00 m 深度的电导率和体积含水率监测数据进行综合,获得两者的综合相关关系如图6所示.

图6 土体电导率与体积含水率综合相关关系图

地表以下深度0.80和1.00 m 的土体的电导率和体积含水率基本满足线性关系,两者的相关性系数R为0.91(R2=0.828),电导率与体积含水率两者满足如下的函数关系:

由于电阻层析成像(ERT)等物探方法可以通过土体的电阻率探查滑坡土体含水率的空间分布[15-16],因此,为了后续研究滑坡含水率分布的便利性,将式(1)采用电阻率进行替换.电阻率与电导率关系满足如下关系:

则式(1)可变化为:

式中:ρ为电阻率(Ω·m).

根据式(3)的函数关系,就可以将ERT 等获得的电阻率分布图转化为土体体积含水率分布图,进而可以通过不同期次的含水率分布图,研究滑坡中的降雨入渗过程,提升河北地区降雨型滑坡的预警预报的精度.

4 结 论

1)滑坡土体体积含水率和电导率随时间同步波动,波动幅度较大;埋深越浅,体积含水率、电导率和温度的变化幅度越大.

2)不同深度的体积含水率和电导率满足线性函数关系.在-0.20 m 深度的相关系数最小,随着深度的增加,相关系数逐渐增大,在-0.80和-1.00 m 深度的相关系数均大于0.9,相关性高.

3)通过综合体积含水率和电导率监测数据,建立了土体电导率(或电阻率)与体积含水率的函数关系模型,可为河北地区同类型的滑坡地下水空间分布探查提供依据.