高密度電阻率方法在河道邊坡穩(wěn)定隱患實(shí)時(shí)檢測及預(yù)警中的應(yīng)用

劉 柳

(遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110003)

1 概述

在常規(guī)電阻率探測基礎(chǔ)上逐步發(fā)展一種直流電的勘探技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合電剖面和電測法并布設(shè)高密度點(diǎn)，通過電阻率探測的方式進(jìn)行無損檢測的一種新方式[1]。該方法采用直流勘探的方式進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的改進(jìn)，通過智能控制跑級(jí)對(duì)傳統(tǒng)人工跑級(jí)方式進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的智能化、快速與自動(dòng)化[2]。在進(jìn)行野外測定，需要將所有采集點(diǎn)布設(shè)到測點(diǎn)上，通過自動(dòng)轉(zhuǎn)換器對(duì)電極進(jìn)行控制，可以得到不同裝置和極距的組合模式，在對(duì)電極采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到相關(guān)數(shù)學(xué)和物理模型，并對(duì)相關(guān)監(jiān)測斷面進(jìn)行正、反演處理后獲得相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)信息[3]。這種方式可大大提高檢測的效率，并可直觀地對(duì)檢測斷面的穩(wěn)定情況進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線檢測[4]。近些年來，該項(xiàng)技術(shù)在地質(zhì)勘探、交通道路領(lǐng)域中得到推廣和應(yīng)用[5- 13]，但是在河道邊坡穩(wěn)定性檢測中應(yīng)用還較少，當(dāng)前，水利工程施工質(zhì)量要求越來越高，對(duì)河道邊坡穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)也逐年提升[14]，亟需對(duì)河道邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)、在線檢測，傳統(tǒng)檢測方式需要耗費(fèi)大量人力和物力，且很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、在線檢測。為提高河道邊坡穩(wěn)定檢測的效率，本文引入高密度電阻率方法，用于河道治理工程中邊坡穩(wěn)定檢測實(shí)例中，對(duì)其檢測效果進(jìn)行探討，成果對(duì)于河道治理工程邊坡穩(wěn)定監(jiān)測與預(yù)警體系建立提供參考。

2 高密度電阻率測定原理

高密度電阻率探測方法是在物體電阻測定的基礎(chǔ)上，對(duì)檢測目標(biāo)單元與周圍物體之間的電極差異進(jìn)行分析。通過觀測的電極分布與計(jì)算的電極分布來對(duì)目標(biāo)單元進(jìn)行檢測分析。通過直流電方法測定均勻大電阻率。在對(duì)均勻大電阻率進(jìn)行測定的時(shí)候，需要對(duì)不同類型電源、電極進(jìn)行布設(shè)和控制。當(dāng)觀測目標(biāo)距離控制電極的距離較小時(shí)，可以被設(shè)置為供電電源。假設(shè)電阻率對(duì)整個(gè)檢測空間進(jìn)行均勻布設(shè)，在其檢測空間形成半圓形等位面，均勻介質(zhì)在穩(wěn)定流場需要滿足拉普拉斯方程：

Δ2U=0

(1)

對(duì)方程進(jìn)行求解，電位的計(jì)算方程為:

(2)

結(jié)合疊加原理，在方程(2)的基礎(chǔ)上，對(duì)于不同源任何一個(gè)點(diǎn)位的電極計(jì)算方程為：

(3)

式中，U—測定的電位級(jí)；r—布設(shè)空間半徑，m；Δ—電位級(jí)差；I—回路電流，A；ρ—電阻率；A、B—供電電極；M、N—檢測電極。兩個(gè)電極之間的電位差計(jì)算方程為：

(4)

(5)

式中，K—裝置系數(shù)，其計(jì)算方程為：

(6)

上述方程均是在大地空間均質(zhì)的基礎(chǔ)上對(duì)電阻率以及電位差進(jìn)行的計(jì)算，而在實(shí)際工程中很難達(dá)到空間均質(zhì)的計(jì)算要求，本文采用電阻率推算方法對(duì)各點(diǎn)電阻率計(jì)算基礎(chǔ)上進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，通過各測點(diǎn)距離和位置對(duì)電阻率的空間進(jìn)行表征，通過正反演的方法對(duì)各電阻率進(jìn)行計(jì)算，可以對(duì)河道邊坡的不穩(wěn)定的空間位置、分布范圍以及演變趨勢(shì)進(jìn)行檢測。

3 工程實(shí)例分析

本文以遼寧某河道治理工程為實(shí)例，開展邊坡穩(wěn)定性檢測的試驗(yàn)，為對(duì)治理河道的電阻率變化進(jìn)行更好的試驗(yàn)分析，試驗(yàn)采樣3種含水率條件下的邊坡土體進(jìn)行分析，并采用4種壓實(shí)度進(jìn)行分析，重點(diǎn)分析各測定土體在飽和含水率條件下的電阻率變化，研究土體主要物理參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)土體和巖體參數(shù)表

4 試驗(yàn)結(jié)論

4.1 最優(yōu)土石比參數(shù)分析

采用擊實(shí)試驗(yàn)對(duì)不同土石比最優(yōu)含水率以及干密度進(jìn)行確定，結(jié)果見表2，并對(duì)不同土石配比方案下的電阻率變化進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。

表3 不同參數(shù)下的電阻率變化試驗(yàn)分析結(jié)果

對(duì)不同土石配比方案下的含水率及干密度進(jìn)行分析，不同土石配比方案下的含水率最優(yōu)值在6.9%～8.9%之間，干密度最優(yōu)值在2.23～2.57g/cm3之間，從不同參數(shù)下的電阻率變化情況可看出，在飽水過程中電阻率響應(yīng)變化主要可以劃分為3個(gè)階段，第一階段為電阻率快速遞減的階段，在河道邊坡首次吸水過程中電阻率下減幅度較大，土石配比及密實(shí)度越低，電阻率下降速率越大。這主要是因?yàn)楹拥肋吰碌膬?nèi)部介質(zhì)組成較為復(fù)雜，其內(nèi)部高阻氣體被液態(tài)水逐步取代，此外由于孔隙水電阻率低于固體顆粒的電阻率，使得各檢測點(diǎn)在飽和水過程中電阻率下降速率十分明顯。隨著土層飽和含水率的增加，電阻率下降的速率有所減緩，隨著液態(tài)水逐步填充后，試件飽和度增加后，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)逐步趨于穩(wěn)定，不同檢測點(diǎn)電阻率逐步下降。隨著土層飽和含水率的增加后，土層各檢測點(diǎn)內(nèi)部電阻率逐步減小，趨于穩(wěn)定變化。

4.2 電阻率與飽和度相關(guān)性試驗(yàn)分析結(jié)果

為對(duì)不同電阻率和飽和度相關(guān)性進(jìn)行分析，對(duì)不同土石配比方案下的飽和率與電阻率相關(guān)性進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表4—7。

表4 土石配比為8∶1條件下飽和率與電阻率的相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果

表5 土石配比為7∶2條件下飽和率與電阻率的相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果

表6 土石配比為5∶6條件下飽和率與電阻率的相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果

表7 土石配比為4∶7條件下飽和率與電阻率的相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果

從不同土石配比方案下飽和率與電阻率的相關(guān)性分析結(jié)果可看出，在飽水試驗(yàn)下，飽和率與電阻率具有雙側(cè)顯著相關(guān)，置信水平可以達(dá)到99%以上，不同土石配比方案下飽和率與電阻率的相關(guān)度有所不同，當(dāng)土石配合比為8∶1條件下密實(shí)度達(dá)到91%的情況下相關(guān)系數(shù)最大，而當(dāng)土石比方案為4∶7，壓實(shí)密度為91%的條件下飽和率與電阻率的相關(guān)系數(shù)最低。

4.3 不同土石比配比方案下電阻率與壓實(shí)度的相關(guān)性分析結(jié)果

在相關(guān)性檢測的基礎(chǔ)上，對(duì)不同土石比配比方案下電阻率與壓實(shí)度的相關(guān)性進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表8。

表8 不同土石比配比方案下電阻率與壓實(shí)度的相關(guān)性分析結(jié)果

從相關(guān)性分析結(jié)果可看出，在飽水過程中，不同土石比和壓實(shí)度下的擬合判定系數(shù)均在0.656～0.935之間，其中擬合優(yōu)度系數(shù)高于0.5的比例達(dá)到100%，擬合優(yōu)度系數(shù)高于0.8的比例達(dá)到75.24%，擬合優(yōu)度系數(shù)高于90%的比例達(dá)到54.35%，從不要土石比方案下的電阻率與壓實(shí)度的相關(guān)性分析結(jié)果可看出，土石配比為8∶1和7∶2條件下的整體相關(guān)程度要高于土石配比方案為4∶7和5∶6的電阻率與壓實(shí)度的相關(guān)性。在飽和含水條件下，受滲透水壓的作用下，電阻率變化影響十分顯著，在飽和含水初始階段，電阻率與壓實(shí)度的相關(guān)系數(shù)較小，孔隙水電阻率小于氣體引起的電阻率，使得電阻率發(fā)生明顯的變化。這也在一定程度上說明了電阻率隨著飽和含水率的變化而發(fā)生顯著變化，且電阻率隨著飽和含水率的增加而逐步遞減。

4.4 不同土石比配比方案浸水條件下相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果

考慮到工況條件下的電阻率、力以及邊坡位移的影響，對(duì)不同土石配比方案下的電阻率、力以及邊坡位移的相關(guān)性進(jìn)行試驗(yàn)分析，分析結(jié)果見表9—10。

表9 土石比配比方案為8∶1浸水條件下電阻率、力及邊坡位移的相關(guān)性分析結(jié)果

分別對(duì)不同土石配比方案下電阻率、力以及河道邊坡位移進(jìn)行了95%水平下的雙側(cè)檢驗(yàn)，從檢驗(yàn)的結(jié)果可看出，以上三個(gè)因子存在雙側(cè)不顯著相關(guān)的水平。不同條件下各土石比配比方案下的力和邊坡位移的相關(guān)度有所不同，各檢測點(diǎn)力和邊坡位移的相關(guān)系數(shù)在0.929～0.946之間，當(dāng)土石比達(dá)到5∶6的浸水條件下的相關(guān)系數(shù)最大，而土石比為8∶1的浸水條件下的相關(guān)系數(shù)最低，相關(guān)系數(shù)高于0.75的比例達(dá)到95%，表明邊坡在浸水過程中位移與受力之間的相關(guān)度較高，從表中還可看出，電阻率與邊坡位移，以及電阻率與受力之間的顯著相關(guān)性較低。

表10 土石比配比方案為5∶6浸水條件下電阻率、力及邊坡位移的相關(guān)性分析結(jié)果

4.5 不同工況條件下的電阻率變化率試驗(yàn)結(jié)果

考慮到不同工況條件下對(duì)電阻率變化影響不同，對(duì)各土石比配比方案下三種工況條件下的電阻率變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，結(jié)果見表11，并對(duì)正常工況條件下土石比與電阻率之間單因子的方差進(jìn)行分析，結(jié)果見表12。

表11 不同土石比方案下各工況條件下的電阻率變化

表12 正常工況條件下土石比-電阻率單因子方差分析結(jié)果

從表11中可看出，在正常推剪及浸水工況條件下，隨著土石比的增加電阻率逐步遞減變化，而在正常浸水推剪過程中，邊坡檢測點(diǎn)的電阻率變化有所不同，當(dāng)土石比配比率低于5∶6時(shí)，檢測點(diǎn)電阻變化率高于16%，而當(dāng)土石比配比高于5∶6時(shí)，其電子變化率高于19%?？紤]到河道邊坡穩(wěn)定性系數(shù)一般在1.25左右，對(duì)于河道邊坡穩(wěn)定性檢測的閾值應(yīng)按照該系數(shù)進(jìn)行折減后對(duì)研究河段邊坡的穩(wěn)定監(jiān)測閾值進(jìn)行設(shè)定。

4.6 河道邊坡穩(wěn)定實(shí)時(shí)檢測的圖像

按照電阻率分層分析方法，將試驗(yàn)河段不同剖面二維電阻率按照不同像素進(jìn)行處理，通過對(duì)同一剖面位置的圖像質(zhì)心的的對(duì)比判定其邊坡穩(wěn)定隱患的演變趨勢(shì)和變化速率，從而實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定隱患的實(shí)時(shí)檢測，不同采集次數(shù)下的實(shí)時(shí)檢測電阻率分析圖像如圖1所示。

將第一次圖像采集處理的試驗(yàn)河段邊坡的電阻率分層圖像作為原始圖像，將其他相鄰采集次數(shù)下檢測同一河段剖面的二維電阻率分層圖像和原始圖像進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)圖像質(zhì)心點(diǎn)出現(xiàn)異常變化，則認(rèn)定可能出現(xiàn)河道邊坡穩(wěn)定隱患，從對(duì)比分析結(jié)果可看出，第一次原始圖像色彩對(duì)應(yīng)的顏色的平均值為171.25，相比于第一次采集，第二次采集同一剖面段對(duì)應(yīng)的顏色平均變化率為14.35%，小于設(shè)定的預(yù)警閾值，因此該段未發(fā)生明顯的失穩(wěn)變化。第三次相比于第一次和第二次同一剖面段顏色均值變化率分別為15.23%和12.95%，也同樣小于失穩(wěn)閾值，因此該段也未發(fā)生失穩(wěn)變化。而第四次采集相比于前三次采集，電阻率對(duì)應(yīng)顏色變化率分別低于16%，小于預(yù)警閾值20%。綜上分析通過四次采集后，研究河段未出現(xiàn)明顯的變化。

5 應(yīng)用結(jié)論

(1)在采用高密度電阻率進(jìn)行河道邊坡穩(wěn)定隱患實(shí)時(shí)檢測時(shí)，須考慮邊坡土層飽和含水率對(duì)電阻率的影響，建議在正常推剪及浸水工況條件下進(jìn)行電阻率數(shù)據(jù)采集和分層圖像處理。

(2)在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定預(yù)警閾值確定時(shí)，應(yīng)結(jié)合河道穩(wěn)定性系數(shù)設(shè)計(jì)值(一般為1.25)按照0.8～0.9比例進(jìn)行折減后進(jìn)行預(yù)警閾值的綜合確定。

(3)河道邊坡土層檢測點(diǎn)電阻率影響因素較多，本文重點(diǎn)考慮了飽和含水率以及壓實(shí)度對(duì)其影響，在以后的研究中還應(yīng)重點(diǎn)考慮其他因素比如土層干密度的影響。

圖1 不同試驗(yàn)次數(shù)下檢測的電阻率分層圖像