高密度电阻率方法在河道边坡稳定隐患实时检测及预警中的应用

2020-11-25刘柳

水利规划与设计 2020年11期

刘柳

(辽宁江河水利水电新技术设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110003)

1 概述

在常规电阻率探测基础上逐步发展一种直流电的勘探技术，该技术结合电剖面和电测法并布设高密度点，通过电阻率探测的方式进行无损检测的一种新方式[1]。该方法采用直流勘探的方式进行采集数据的改进，通过智能控制跑级对传统人工跑级方式进行改进，实现数据采集的智能化、快速与自动化[2]。在进行野外测定，需要将所有采集点布设到测点上，通过自动转换器对电极进行控制，可以得到不同装置和极距的组合模式，在对电极采集的原始数据进行处理得到相关数学和物理模型，并对相关监测断面进行正、反演处理后获得相关参数数据信息[3]。这种方式可大大提高检测的效率，并可直观地对检测断面的稳定情况进行实时、在线检测[4]。近些年来，该项技术在地质勘探、交通道路领域中得到推广和应用[5- 13]，但是在河道边坡稳定性检测中应用还较少，当前，水利工程施工质量要求越来越高，对河道边坡稳定性标准也逐年提升[14]，亟需对河道边坡进行稳定性的实时、在线检测，传统检测方式需要耗费大量人力和物力，且很难实现实时、在线检测。为提高河道边坡稳定检测的效率，本文引入高密度电阻率方法，用于河道治理工程中边坡稳定检测实例中，对其检测效果进行探讨，成果对于河道治理工程边坡稳定监测与预警体系建立提供参考。

2 高密度电阻率测定原理

高密度电阻率探测方法是在物体电阻测定的基础上，对检测目标单元与周围物体之间的电极差异进行分析。通过观测的电极分布与计算的电极分布来对目标单元进行检测分析。通过直流电方法测定均匀大电阻率。在对均匀大电阻率进行测定的时候，需要对不同类型电源、电极进行布设和控制。当观测目标距离控制电极的距离较小时，可以被设置为供电电源。假设电阻率对整个检测空间进行均匀布设，在其检测空间形成半圆形等位面，均匀介质在稳定流场需要满足拉普拉斯方程：

Δ2U=0

(1)

对方程进行求解，电位的计算方程为:

(2)

结合叠加原理，在方程(2)的基础上，对于不同源任何一个点位的电极计算方程为：

(3)

式中，U—测定的电位级；r—布设空间半径，m；Δ—电位级差；I—回路电流，A；ρ—电阻率；A、B—供电电极；M、N—检测电极。两个电极之间的电位差计算方程为：

(4)

(5)

式中，K—装置系数，其计算方程为：

(6)

上述方程均是在大地空间均质的基础上对电阻率以及电位差进行的计算，而在实际工程中很难达到空间均质的计算要求，本文采用电阻率推算方法对各点电阻率计算基础上进行加权平均计算，通过各测点距离和位置对电阻率的空间进行表征，通过正反演的方法对各电阻率进行计算，可以对河道边坡的不稳定的空间位置、分布范围以及演变趋势进行检测。

3 工程实例分析

本文以辽宁某河道治理工程为实例，开展边坡稳定性检测的试验，为对治理河道的电阻率变化进行更好的试验分析，试验采样3种含水率条件下的边坡土体进行分析，并采用4种压实度进行分析，重点分析各测定土体在饱和含水率条件下的电阻率变化，研究土体主要物理参数见表1。

表1 试验土体和岩体参数表

4 试验结论

4.1 最优土石比参数分析

采用击实试验对不同土石比最优含水率以及干密度进行确定，结果见表2，并对不同土石配比方案下的电阻率变化进行分析，结果见表3。

表3 不同参数下的电阻率变化试验分析结果

对不同土石配比方案下的含水率及干密度进行分析，不同土石配比方案下的含水率最优值在6.9%～8.9%之间，干密度最优值在2.23～2.57g/cm3之间，从不同参数下的电阻率变化情况可看出，在饱水过程中电阻率响应变化主要可以划分为3个阶段，第一阶段为电阻率快速递减的阶段，在河道边坡首次吸水过程中电阻率下减幅度较大，土石配比及密实度越低，电阻率下降速率越大。这主要是因为河道边坡的内部介质组成较为复杂，其内部高阻气体被液态水逐步取代，此外由于孔隙水电阻率低于固体颗粒的电阻率，使得各检测点在饱和水过程中电阻率下降速率十分明显。随着土层饱和含水率的增加，电阻率下降的速率有所减缓，随着液态水逐步填充后，试件饱和度增加后，导电结构逐步趋于稳定，不同检测点电阻率逐步下降。随着土层饱和含水率的增加后，土层各检测点内部电阻率逐步减小，趋于稳定变化。

4.2 电阻率与饱和度相关性试验分析结果

为对不同电阻率和饱和度相关性进行分析，对不同土石配比方案下的饱和率与电阻率相关性进行分析，分析结果见表4—7。

表4 土石配比为8∶1条件下饱和率与电阻率的相关性检验结果

表5 土石配比为7∶2条件下饱和率与电阻率的相关性检验结果

表6 土石配比为5∶6条件下饱和率与电阻率的相关性检验结果

表7 土石配比为4∶7条件下饱和率与电阻率的相关性检验结果

从不同土石配比方案下饱和率与电阻率的相关性分析结果可看出，在饱水试验下，饱和率与电阻率具有双侧显著相关，置信水平可以达到99%以上，不同土石配比方案下饱和率与电阻率的相关度有所不同，当土石配合比为8∶1条件下密实度达到91%的情况下相关系数最大，而当土石比方案为4∶7，压实密度为91%的条件下饱和率与电阻率的相关系数最低。

4.3 不同土石比配比方案下电阻率与压实度的相关性分析结果

在相关性检测的基础上，对不同土石比配比方案下电阻率与压实度的相关性进行分析，分析结果见表8。

表8 不同土石比配比方案下电阻率与压实度的相关性分析结果

从相关性分析结果可看出，在饱水过程中，不同土石比和压实度下的拟合判定系数均在0.656～0.935之间，其中拟合优度系数高于0.5的比例达到100%，拟合优度系数高于0.8的比例达到75.24%，拟合优度系数高于90%的比例达到54.35%，从不要土石比方案下的电阻率与压实度的相关性分析结果可看出，土石配比为8∶1和7∶2条件下的整体相关程度要高于土石配比方案为4∶7和5∶6的电阻率与压实度的相关性。在饱和含水条件下，受渗透水压的作用下，电阻率变化影响十分显著，在饱和含水初始阶段，电阻率与压实度的相关系数较小，孔隙水电阻率小于气体引起的电阻率，使得电阻率发生明显的变化。这也在一定程度上说明了电阻率随着饱和含水率的变化而发生显著变化，且电阻率随着饱和含水率的增加而逐步递减。

4.4 不同土石比配比方案浸水条件下相关试验结果

考虑到工况条件下的电阻率、力以及边坡位移的影响，对不同土石配比方案下的电阻率、力以及边坡位移的相关性进行试验分析，分析结果见表9—10。

表9 土石比配比方案为8∶1浸水条件下电阻率、力及边坡位移的相关性分析结果

分别对不同土石配比方案下电阻率、力以及河道边坡位移进行了95%水平下的双侧检验，从检验的结果可看出，以上三个因子存在双侧不显著相关的水平。不同条件下各土石比配比方案下的力和边坡位移的相关度有所不同，各检测点力和边坡位移的相关系数在0.929～0.946之间，当土石比达到5∶6的浸水条件下的相关系数最大，而土石比为8∶1的浸水条件下的相关系数最低，相关系数高于0.75的比例达到95%，表明边坡在浸水过程中位移与受力之间的相关度较高，从表中还可看出，电阻率与边坡位移，以及电阻率与受力之间的显著相关性较低。

表10 土石比配比方案为5∶6浸水条件下电阻率、力及边坡位移的相关性分析结果

4.5 不同工况条件下的电阻率变化率试验结果

考虑到不同工况条件下对电阻率变化影响不同，对各土石比配比方案下三种工况条件下的电阻率变化进行统计试验，结果见表11，并对正常工况条件下土石比与电阻率之间单因子的方差进行分析，结果见表12。

表11 不同土石比方案下各工况条件下的电阻率变化

表12 正常工况条件下土石比-电阻率单因子方差分析结果

从表11中可看出，在正常推剪及浸水工况条件下，随着土石比的增加电阻率逐步递减变化，而在正常浸水推剪过程中，边坡检测点的电阻率变化有所不同，当土石比配比率低于5∶6时，检测点电阻变化率高于16%，而当土石比配比高于5∶6时，其电子变化率高于19%。考虑到河道边坡稳定性系数一般在1.25左右，对于河道边坡稳定性检测的阈值应按照该系数进行折减后对研究河段边坡的稳定监测阈值进行设定。

4.6 河道边坡稳定实时检测的图像

按照电阻率分层分析方法，将试验河段不同剖面二维电阻率按照不同像素进行处理，通过对同一剖面位置的图像质心的的对比判定其边坡稳定隐患的演变趋势和变化速率，从而实现边坡稳定隐患的实时检测，不同采集次数下的实时检测电阻率分析图像如图1所示。

将第一次图像采集处理的试验河段边坡的电阻率分层图像作为原始图像，将其他相邻采集次数下检测同一河段剖面的二维电阻率分层图像和原始图像进行对比，当图像质心点出现异常变化，则认定可能出现河道边坡稳定隐患，从对比分析结果可看出，第一次原始图像色彩对应的颜色的平均值为171.25，相比于第一次采集，第二次采集同一剖面段对应的颜色平均变化率为14.35%，小于设定的预警阈值，因此该段未发生明显的失稳变化。第三次相比于第一次和第二次同一剖面段颜色均值变化率分别为15.23%和12.95%，也同样小于失稳阈值，因此该段也未发生失稳变化。而第四次采集相比于前三次采集，电阻率对应颜色变化率分别低于16%，小于预警阈值20%。综上分析通过四次采集后，研究河段未出现明显的变化。