滑坡降雨过程视电阻率时空响应特征实验研究

2022-09-08陈建军

黑龙江交通科技 2022年8期

陈建军

(湖南省城龙高速公路建设开发有限公司，湖南长沙 410000)

0 引言

地质灾害是指在地球上由于各种自然地质作用和人类活动所造成的灾害性地质事件。我国是个多山脉的国家，除了人类活动所产生的边坡外还有许多自然条件下产生的滑坡[1]，在外部原因以及内部条件的影响下，这些边坡很容易产生位移、变形等，对人们的生命安全以及经济发展都是一个巨大的威胁。其中我国南方降雨量充沛，主要表现为降雨强度大、降雨持续时间较长、降雨范围较大，所以降雨成为促发滑坡的主要原因。降雨入渗对滑坡稳定性起到至关重要的影响[2]。所以降雨入渗方面还有着许多的研究和观测价值，可以通过观测降雨入渗的过程推测边坡的稳定性，当稳定性较低时发出警报从而避免滑坡产生的危害。

由于水的电阻率比较低，当雨水渗入岩土体的时候会使其含水饱和度升高，电阻率降低，可以利用电法通过监测地下电阻率变化，这种方法只需要在地表布设传感器，大大降低了成本和施工难度，传感器布设的密度也很灵活多变。因此，利用直流电法监测降雨过程中滑坡的水份运移是可靠且具有前景的[5]，又因为不同工况的滑坡基本组成岩性中均有砂土，因此以砂土建立渗流模型来开展降雨过程视电阻率响应的实验，该实验有利于降低滑坡监测的成本、提高效率，降低滑坡带来的人员伤亡和经济损失，推动国民经济发展。

1 理论研究

降雨入渗对滑坡稳定性起到至关重要的影响。所以降雨入渗方面还有着许多的研究和观测价值，可以通过观测降雨入渗的过程推测边坡的稳定性，当稳定性较低时发出警报从而避免滑坡产生的危害。但目前观测降雨入渗的方法非常有限，主要是通过在地表钻孔将传感器布设在地下，这种方法虽然直观，但是其成本比较高，传感器布设难度较大，传感器常常布设的密度很低导致误差比较大。探索实施简单，成本低且覆盖面广的监测方法是目前研究的前沿领域。水的电阻率比较低，当雨水渗入岩土体的时候会使其含水饱和度升高，电阻率降低，可以利用电法通过监测地下电阻率变化，这种方法只需要在地表布设传感器，大大降低了成本和施工难度，传感器布设的密度也很灵活多变。综上所述，利用直流电法监测降雨过程中滑坡的水份运移是可靠且具有前景的，因此开展降雨过程视电阻率响应有利于降低滑坡监测的成本、提高效率，降低滑坡带来的人员伤亡和经济损失，推动国民经济发展。

1.1 降雨入渗过程

根据入渗方向的不同，降雨入渗被分为垂直地表向下的垂直入渗和侧向入渗两种情况。最简单典型的垂直入渗模型就是干土在积水条件下的入渗。19世纪40年代中期，Colaman与Bodma对这一问题进行了研究，并将入渗过程中的土壤剖面划分为饱和区、过渡区、传导区和湿润区四个区域，四个区域具有不同特征[4]。

图1所示各区的特征如下。

(1)饱和区：该区土壤各处均处于饱和态，受降雨时间、强度和饱和渗透系数影响；

(2)过渡区：该区含水率随深度增加明显下降；

(3)传导区：该区含水率变化不大；

(4)湿润区：该区含水率随深度增加迅速衰减至初始值；

(5)湿润锋：湿润区前缘，干湿土的分界。

人们为了研究降雨入渗过程中土壤中含水率分区随时间变化的规律，进一步研究分析了这一典型垂直入渗模型[5]。得出如下结论。

(1)在水刚接触到土壤的短时间内，土壤表层的含水率会瞬间从初值θi增加到一个接近但小于饱和含水率的值θ0;

(2)随着时间推移，湿润锋不断下移，含水率曲线会逐渐变得平缓；

(3)随着时间推移地表处的基质势梯度逐渐变小，最后趋近于0，含水率趋于不变。

(4)降雨入渗过程中，累计入渗量I和入渗率i也是随时间而变化的函数，记为I(t)和i(t)。

1.2 直流电法勘察理论

(1)高密度电阻率法基本原理

高密度电阻率法[6]的原理与常规电阻率法相同，区别在于设备和装置。

假设大地是一个各向同性的均匀电介质，在地表设置A、B两个电极为供电电极，在任意两点M、N测量电位差。M、N两点的点位可表示为

(1)

(2)

两点之间的电位差为

(3)

由电位差可以算出大地的电阻率

(4)

(5)

即K为电极装置系数，单位为米，通常为常数。

但实际测量中，地下介质大都是各向异性且不均匀的，用上式计算时得出来的都是等效的均匀地下介质，得出的电阻率被称为视电阻率，并非真实准确的电阻率。视电阻率用ρs表示。

当MN之间的距离远小于AB之间的距离时，MN之间的电场可以看作是均匀的，MN之间电位差，可表示为

(6)

(7)

化简可得

(8)

代入可求出视电阻率与电流密度之间的关系式

(9)

高密度电法相较常规电法有了很大的提升，高密度电法是多电极测线一次性布设。其优点主要表现在。

①不需要跑极，减少因移动电极产生的误差；

②使用不同测量装置的时候只需要变换电极或者对数据进行转换即可，方便且快捷；

③可在现场实时处理数据并成图；

④成本低，操作简单快捷。

(2)主要装置

根据不同地质条件或勘探要求，高密度电法可选用不同观测装置，主要有温纳(α)装置、偶极(β)装置和微分(γ)装置三种[9]。

每个装置有各自的特点。

①温纳装置的分辨能力较低，偶极装置、微分装置和联合三级分辨能力较高；

②温纳装置的异常比较明显，其他次之；

③地形对温纳装置的影响较小，对其他装置影响较大。

在实际生产生活中需要根据每个装置的特点进行选择。

2 实验方案

基于降雨入渗理论、土壤的电阻率特性以及直流电法勘探理论，以砂土作为研究对象，在室内使用人工降雨模型，利用高密度电法仪器和相应探测方法，对滑坡在降雨过程中的电阻率变化进行观测，研究其入渗过程。

此次实验总共准备了约1 m3的土壤，将土壤放在室外晾晒到相对比较干的程度后，分层装入主体实验箱中，每装入一层都要铺平并用橡胶锤夯实。在装入的土壤厚度达到20 cm时，在中心位置水平埋设一个土壤水分计，水分计编号为2#，水分计与数据采集仪的连接线从侧面玻璃板上的开孔穿入；在装入的土壤厚度达到30 cm时，将水位计水平埋设在中心位置，线从玻璃般的开孔处穿过；在装入的土壤厚度达到40 cm时，在中心位置水平埋设编号为1#的土壤水分计。总共装入50 cm厚的土壤，约1 m3。穿线完成后玻璃板开孔处用胶带封住，防止土壤漏出。

将高密度电法仪器连接好后，将电极从主体试验箱上方放到土壤表层，电极在实验箱整体中间沿平行与实验箱的长边的方向进行铺设，总共31个电极，电极之间间隔3 cm，测线总长90 cm，电极插入土壤时铜片朝向与测线方向一致。

本次实验只在实验箱中间部分降雨，使用5个喷头沿一条直线排列，喷头用轧带固定在PVC管上，垂直于实验箱长边放置，喷头之间间隔15 cm均匀分布。恒压水泵及水管的连接参考3.1.2，水泵水压设为1.5 kg/cm2。

3 实验结果与讨论

3.1 实验过程

首先启动直流电法仪和掌上电脑，在掌上电脑中新建断面，极距设为0.03 m，电极数量选择40，使用电极数量设为31，剖面总数设置为10。由于本次实验测量的范围比较小，而且需要对比明显，所以测量装置选择温纳排列。新建断面完成后，开始测量接地电阻，土壤在干燥情况下，测出来的接地电阻过大，在100 kΩ左右，在电极上覆盖了一层黏土踩实后并浇了两瓶水后，此时接地电阻下降为20 kΩ左右，仍然过大，随后又浇了一些盐水，接地电阻下降为1 kΩ左右，满足实验要求后，开始断面测量，首先在不进行降雨的情况下进行测量，此次测量数据作为背景场。随后开始降雨，降雨和测量同时进行，按照统计每测一次断面需要6 min时间。记录下每次断面测量开始的绝对时间，以此来分析降雨情况下土壤视电阻率的时空响应。

3.2 视电阻率时空响应特征

从上面的图中可以看出，在降雨初始阶段到降雨6 min时视电阻率有所下降，随着降雨时间的推移，后面的视电阻率变化不是很明显，而且视电阻率有轻微增大，为了验证实验结果，接着利用GeoStudio2018软件进行了降雨过程的理论情况模拟，用理论情况和实际情况做对比。材料选择为砂，降雨装置设置在中心位置。总共模拟了5 h的降雨，对应降雨时间的结果图如图2。

图2 降雨入渗过程土壤含水率变化模拟图

3.3 实验结果讨论

对此结果，从降雨入渗模型和测量装置方面进行了分析：通过布设的两个水分计以及水位计测出的数据，可以推测出降雨过程中湿润锋下移的大概位置及下移速率，从水分计的数据中可以观察到土壤的含水率有一个时间段是突然增长的，这里推测为是湿润锋下移到达水分计位置时引起的，后续的含水率呈现缓慢增长的趋势。另外，在模拟降雨入渗的土壤含水量图中可以看出底部出现向上拓展积水分界面，此现象在相应的实验过程中也有观察到。