翟 星 宋 琨

(1.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 石家莊 050000;2.防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué)),湖北 宜昌 443002)

滑坡是山區(qū)的主要地質(zhì)災(zāi)害類型,在眾多的影響因素中,降雨是其中最主要的誘發(fā)因素[1].降雨主要通過水體的入滲增加坡體的含水率,減小土體的基質(zhì)吸力,使得滑坡土體的抗剪強(qiáng)度降低,進(jìn)而影響斜坡的穩(wěn)定性.

含水率增加導(dǎo)致孔隙水壓力的變化是降雨型滑坡緩慢低速持續(xù)運(yùn)動(dòng)的主要原因[2-4];降雨對(duì)淺層土體的含水率和土體基質(zhì)吸力影響較大[4],巖土體中的含水率及其空間分布是滑坡變形和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵[3-4].對(duì)土體的含水率變化可采用較多方法,如多點(diǎn)的含水率傳感器[5-7]、TDR 時(shí)域反射傳感器[8-10]等.也可從土體電導(dǎo)率或電阻率(兩者互為倒數(shù))的多點(diǎn)監(jiān)測(cè)[11-13]和層析成像技術(shù)(ERT)[14-16]研究斜坡土體的含水率分布.不論電導(dǎo)率的多點(diǎn)監(jiān)測(cè)還是電阻率層析成像,均是從間接手段探查斜坡土體的含水率,其關(guān)鍵在于土體電導(dǎo)率(或電阻率)與含水率的相應(yīng)關(guān)系.

本文通過河北山區(qū)滑坡土體的長(zhǎng)時(shí)間序列多源原位觀測(cè),通過分析不同深度土體的電導(dǎo)率與體積含水率變化特征,建立了土體電導(dǎo)率(或電阻率)與體積含水率的函數(shù)關(guān)系模型,可為該地區(qū)進(jìn)行滑坡地下水空間分布的精細(xì)化探查提供依據(jù).

1 原位監(jiān)測(cè)點(diǎn)概況與監(jiān)測(cè)布置

河北地區(qū)的滑坡災(zāi)害主要是降雨誘發(fā)的淺層滑坡,為了解降雨對(duì)淺層滑坡的影響,在石家莊市平山縣合河口鄉(xiāng)花椒樹滑坡布置原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng).監(jiān)測(cè)點(diǎn)地處太行山東麓、滹沱河上游的中低山區(qū),海拔830～900 m,溫帶大陸性季風(fēng)氣候,多年平均降雨量為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,且常常發(fā)生大暴雨,最大日降雨量473.8 mm(1999年),最大一小時(shí)降雨量50.0 mm(1996年).集中、短時(shí)的強(qiáng)降雨易誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害.

花椒樹滑坡平面形態(tài)呈不規(guī)則半圓形(如圖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階,坡度為15°.滑坡體前緣緊鄰花椒樹村居民點(diǎn),高程約830 m,后緣至山體中上部,高程為896 m 左右,滑坡側(cè)緣以左右兩側(cè)山脊為界.滑坡體最大寬度約200 m,縱長(zhǎng)約130 m.滑體空間分布具有中后部厚,側(cè)緣、前緣薄的特點(diǎn),一般厚度在1.5～5.0 m,滑坡面積約1.985×104m2,體積約6×104m3,屬于小型土質(zhì)滑坡.滑坡體的土層主要為第四系碎石土組成,粉質(zhì)黏土呈黃褐色,可塑～硬塑狀態(tài)(如圖2所示).

圖1 花椒樹滑坡全貌圖

圖2 滑坡典型工程地質(zhì)剖面圖

對(duì)于降雨型滑坡,關(guān)鍵是強(qiáng)降雨造成的地下水位和土體含水量的變化.Wang Fawu等[17]研究發(fā)現(xiàn)在降雨條件下土體含水量的變化比孔隙水壓力的變化要早,可以作為強(qiáng)降雨誘發(fā)滑坡災(zāi)害早期預(yù)警的指標(biāo).為達(dá)到滑坡災(zāi)害的早期預(yù)警,實(shí)時(shí)掌握土體中的地下水分布情況,在花椒樹滑坡前部阻滑段布置降雨入滲監(jiān)測(cè)系統(tǒng),監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的空間位置如圖2所示,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的詳細(xì)布置如圖3 所示.主要包括體積含水率、電導(dǎo)率、地溫等傳感器.3種類型的傳感器分別布置在地面以下0.20、0.40、0.60、0.80和1.00 m 等5個(gè)不同的深度,每個(gè)深度均布置3種類型的傳感器,分別監(jiān)測(cè)相應(yīng)位置的體積含水率、電導(dǎo)率和土壤溫度等.地表布置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),并采用物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù),將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)信息管理平臺(tái).

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置圖

2 電導(dǎo)率與體積含水率波動(dòng)特征

整理2019年8月至2021年8月共計(jì)2年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性較差,部分時(shí)段數(shù)據(jù)缺失,將部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制在圖4中.

圖4 多源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(部分)

從圖中可以看出:

1)土體的體積含水率、電導(dǎo)率和土體溫度均隨時(shí)間發(fā)生一定范圍的波動(dòng),其中體積含水率和電導(dǎo)率同步波動(dòng),波動(dòng)幅度較大,主要受降雨的影響;土體溫度的變化較小,與體積含水率和電導(dǎo)率不同步,其主要受氣溫的波動(dòng)影響.

2)不同深度的體積含水率、電導(dǎo)率和溫度的變化不同,埋深越小,體積含水率、電導(dǎo)率和溫度的變化幅度越大.如2020年7～8月期間,從-0.20到-1.00 m的不同深度的體積含水率變化幅度逐漸變小,電導(dǎo)率也相應(yīng)的逐漸變小.土體溫度的明顯波動(dòng)深度主要集中在-0.20 m 以淺的范圍,其余深度的土體溫度變化不明顯,受晝夜溫差的影響不大.

3 電導(dǎo)率與體積含水率關(guān)系模型

3.1 不同深度的電導(dǎo)率與體積含水率相關(guān)性

滑坡土體的電導(dǎo)率和體積含水率均隨時(shí)間發(fā)生變化,為了便于土體含水率的空間探查,探究河北地區(qū)土體電導(dǎo)率與體積含水率的關(guān)系,進(jìn)而從電阻率層析成像(ERT)等物探技術(shù),探查滑坡土體含水率的空間分布特征.

不同深度的土體電導(dǎo)率和體積含水率如圖5所示.從圖5可以看出,土體體積含水率與電導(dǎo)率之間存在線性關(guān)系.通過曲線擬合,獲得了各深度的相關(guān)性方程,具體見表1.

表1 電導(dǎo)率與體積含水率關(guān)系方程表

圖5 不同深度的土體電導(dǎo)率和體積含水率相關(guān)關(guān)系

不同監(jiān)測(cè)深度的體積含水率和電導(dǎo)率的相關(guān)關(guān)系滿足線性函數(shù)關(guān)系式.不同深度的相關(guān)性存在差別,在-0.20 m 深度的相關(guān)系數(shù)最小,隨著深度的增加,相關(guān)系數(shù)逐漸增大,在-0.80 m 和-1.00 m 深度的相關(guān)系數(shù)均大于0.9,相關(guān)性高.

3.2 綜合性關(guān)系模型

通過對(duì)結(jié)果的分析可知,花椒樹滑坡區(qū)土體的體積含水率和電導(dǎo)率滿足線性關(guān)系.陳仁朋[18]、Huang J[19]等通過室內(nèi)試驗(yàn)和原位測(cè)試,也獲得土體的體積含水率和電導(dǎo)率兩者也存在線性關(guān)系.但是,由于土體的差異,兩者的相關(guān)關(guān)系方程存在差異.

另外,不同深度的土體體積含水率和電導(dǎo)率相關(guān)性存在差異,越靠近地表,相關(guān)性越差,這可能受淺層土體的植物根系以及溫度變化的影響.通過已有的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),溫度會(huì)對(duì)土體電導(dǎo)率產(chǎn)生影響[18].從圖3的土體溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出,靠近地表土體的地溫易受到晝夜溫差的變化影響,土體的溫度曲線波動(dòng)性較大.因此,淺層的土體體積含水率和電導(dǎo)率相關(guān)性較差.

不同深度的線性函數(shù)關(guān)系存在一些差異,這樣不利于后續(xù)在該地區(qū)的推廣使用,應(yīng)該形成統(tǒng)一的綜合性關(guān)系模型.考慮到深度-0.20和-0.40 m 的電導(dǎo)率與體積含水率的相關(guān)性不高,僅將相關(guān)性顯著的-0.80和-1.00 m 深度的電導(dǎo)率和體積含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合,獲得兩者的綜合相關(guān)關(guān)系如圖6所示.

圖6 土體電導(dǎo)率與體積含水率綜合相關(guān)關(guān)系圖

地表以下深度0.80和1.00 m 的土體的電導(dǎo)率和體積含水率基本滿足線性關(guān)系,兩者的相關(guān)性系數(shù)R為0.91(R2=0.828),電導(dǎo)率與體積含水率兩者滿足如下的函數(shù)關(guān)系:

由于電阻層析成像(ERT)等物探方法可以通過土體的電阻率探查滑坡土體含水率的空間分布[15-16],因此,為了后續(xù)研究滑坡含水率分布的便利性,將式(1)采用電阻率進(jìn)行替換.電阻率與電導(dǎo)率關(guān)系滿足如下關(guān)系:

則式(1)可變化為:

式中:ρ為電阻率(Ω·m).

根據(jù)式(3)的函數(shù)關(guān)系,就可以將ERT 等獲得的電阻率分布圖轉(zhuǎn)化為土體體積含水率分布圖,進(jìn)而可以通過不同期次的含水率分布圖,研究滑坡中的降雨入滲過程,提升河北地區(qū)降雨型滑坡的預(yù)警預(yù)報(bào)的精度.

4 結(jié) 論

1)滑坡土體體積含水率和電導(dǎo)率隨時(shí)間同步波動(dòng),波動(dòng)幅度較大;埋深越淺,體積含水率、電導(dǎo)率和溫度的變化幅度越大.

2)不同深度的體積含水率和電導(dǎo)率滿足線性函數(shù)關(guān)系.在-0.20 m 深度的相關(guān)系數(shù)最小,隨著深度的增加,相關(guān)系數(shù)逐漸增大,在-0.80和-1.00 m 深度的相關(guān)系數(shù)均大于0.9,相關(guān)性高.

3)通過綜合體積含水率和電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),建立了土體電導(dǎo)率(或電阻率)與體積含水率的函數(shù)關(guān)系模型,可為河北地區(qū)同類型的滑坡地下水空間分布探查提供依據(jù).