基于电阻率测试的土石混合体渗透性研究.pdf

摘要

在各种滑坡、塌陷等地质灾害及边坡、土石坝等实际工程破坏中，渗透往往是主

要诱因，因此岩土体的渗透问题一直成为工程研究热点。土石混合体区别于单纯岩土

体，且在三峡库区广泛分布，关于土石混合体的渗透研究需要进一步完善，如何在其

渗透研究中取得进一步突破是目前亟需思考的科学问题。土石混合体因组成结构的特

异性导致其级配变化大、微观结构复杂，进而导致其渗透性明显比单一岩土体更复杂，

这为土石混合体渗透研究带来了一定困难。在实际工程中，电学监测作为更加便捷、

准确的实测手段，其理论体系、应用工具相较于渗透研究手段更加先进，电阻率常作

为一个有效的监测指标用于地质勘查、油气开发等。基于水电相似原理，渗透性与导

电性之间必然存在着某种理论相关性，电阻率监测为土石混合体渗透性研究提供了新

的思路，本文依托于重庆三峡学院研究生科研创新项目（YJSKY22062）基于室内试

验、理论推导及仿真试验开展了基于电阻率测试的土石混合体渗透性的研究，主要研

究内容如下：

（1）岩土体导电性及渗透性分析研究

从前人的文献中对岩土体的导电性、渗透性理论及影响因素进行总结与探讨，研

究发现对于土石混合体而言，土石比、含水率、孔隙率均是影响其电阻率与渗透性的

关键因素，为土石混合体的导电性研究与渗透性研究奠定理论基础。

（2）土石混合体试验研究

对本文研究区域的天然土石混合体开展基础室内试验，得到了其级配曲线、液塑

限、土石分类、土石阈值。同时，开展了土石混合体的扫描电镜试验，对土石混合体

的组成部分及孔隙结构进行了划分，从微观结构进一步解析了土石混合体的渗透特征。

此外，通过土石混合体室内电阻率试验与三轴渗透试验获得了不同参数下的土石混合

体电阻率值与渗透系数。

（3）不同参数对土石混合体电阻率及渗透系数影响分析

通过试验数据分析发现随着土石比减小，土石混合体电阻率呈现先增大后减小的

趋势，而渗透系数呈现先减小后增大的趋势。随着含水率增大，土石混合体电阻率呈

现减小趋势，但出现了局部增大现象，且该现象随着土石比的减小而延后；渗透系数

随含水率增大呈现先增大后减小的趋势，但影响较小。土石混合体电阻率及渗透系数

均随孔隙率增大而增大，且呈近线性变化。土石比与孔隙率对土石混合体电阻率存在

明显的交互作用影响，其余二者交互作用较小，而对于土石混合体渗透系数未出现明

显的交互影响。

（4）土石混合体导电性与渗透性理论模型研究

基于前人的土石混合体三元电导理论模型，推导了土石混合体四元电导理论模型，

该模型表明土石混合体电阻率是孔隙率、土石比、含水率及基础物理参数的相关函数；

引入分形理论，推导了土石混合体渗透性模型，该模型表明土石混合体渗透系数是孔

隙率、孔隙分形维数、级配特性的函数。结合土石混合体电导模型与渗透性模型进一

步推导出基于电阻率的土石混合体渗透性模型，该模型表明，在基础物理参数不变的

情况下，土石混合体渗透系数由块石、土体、渗透液三者电阻率决定，且电阻率值越

大渗透系数越小。

（5）土石混合体电阻率与渗透系数的仿真计算

利用COMSOLMultiphysics有限元仿真软件开展了土石混合体电阻率试验及渗

透试验，通过仿真试验得到土石混合体电阻率及渗透系数测量值，将其与土石混合体

室内试验对比，进一步验证了基于电阻率的土石混合体渗透模型准确性。

关键词：土石混合体电阻率渗透系数理论模型COMSOLMultiphysics

ABSTRACT

Thesoil-rockratioandporosityhaveobviousinteractioneffects

ontheresistivityofthesoil-rockmixture,andtheinteractionbetween

theothertwoissmall,butthereisnoobviousinteractioneffectonthe

permeabilitycoefficientofthesoil-rockmixture.

(4)TheoreticalModellingofElectricalConductivityandPermeability

ofSoil-rockMixtures

Basedonthepreviousternaryconduct