銅電極對并行電法采集數(shù)據(jù)的影響試驗(yàn)分析

孫德勇，江樹海，譚 磊

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310020；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

電阻率法作為一種觀測性科學(xué)技術(shù)，高質(zhì)量、高保證地收錄到揭示地電場時(shí)空分布的數(shù)據(jù)是開展精細(xì)化地質(zhì)解釋的前提[1]。電極作為一種大地與儀器設(shè)備之間的傳感橋梁，提高數(shù)據(jù)信噪比不僅需關(guān)注其與二者之間的耦合性問題，還應(yīng)考慮電極材料、埋深以及所處環(huán)境對地電信號的干擾影響[2]。金屬棒、不極化電極是電法勘探應(yīng)用中主要的2 種材料，大地電場監(jiān)測時(shí)采用不極化電極能夠有效地降低電極極化噪聲的干擾，并使用多極距觀測系統(tǒng)，使觀測資料應(yīng)用價(jià)值大大提高[3]。為探究不同種類電極長期電場監(jiān)測的穩(wěn)定性及有效性，田山等[4]在大地電場觀測中比較鉛電極與不極化電極的數(shù)據(jù)一致性，試驗(yàn)表明，鉛電極觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性明顯高于固體不極化電極觀測系統(tǒng)，并具有長期的連續(xù)性、穩(wěn)定性；李慶等[5]結(jié)合不同的場地、不同的條件進(jìn)行電極極化的對比試驗(yàn)，表明鉛電極在地表土壤具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性；美國AGI公司[6]采用雙模式電極模式，供電與測量電極分離，取得較好的應(yīng)用效果，但現(xiàn)場使用較為不便。

近年來，不銹鋼電極在高密度電法測量中取得較好的應(yīng)用效果，考慮不同鋼電極在測量與供電之間的電極極化電位差[7]，當(dāng)電法轉(zhuǎn)換器切換時(shí)間較快而極化電位下降較慢時(shí)，則造成測量電極存在一定的測量誤差[8]。在工程應(yīng)用中，為提高現(xiàn)場的工作效率，采用擬地震化采集模式的并行電法技術(shù)在水庫大壩滲漏探測中得到廣泛應(yīng)用[9]，但并行電法供電與測量的時(shí)間較短，尤其是供電電極在供電完成即轉(zhuǎn)換成測量電極，如何確保探測效果成為突出的難題。為評價(jià)并行電法探測結(jié)果的可靠性，本文以山塘大壩滲漏探測為研究對象，通過交換測線的起始位置，并利用銅棒作為供電與測量電極，分析溫納三極左右裝置電阻率數(shù)據(jù)體的一致性。

2 方法原理

2.1 并行電法技術(shù)

并行電法是在高密度電法分裝置數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，優(yōu)勢體現(xiàn)為供電電極在供電的過程中，排列上的所有電極進(jìn)行地電場數(shù)據(jù)的同步采集，從而避免電極的空閑，提高工作效率[10]。并行電法有AM 法和ABM 法2 種供電方式，其中AM 法為單點(diǎn)電源形成的穩(wěn)定電場，通過不同位置電位的測量，獲得多種形式的自然場、1 次場、2 次場的全場地電數(shù)據(jù)體，不同時(shí)空的地電信號見圖1。通過對不同時(shí)刻、不同空間地電數(shù)據(jù)體的處理、分析、解譯，結(jié)合地質(zhì)資料，從而推斷出地質(zhì)體的異常，為解決水文、工程、環(huán)境等問題提供可靠的技術(shù)支撐。

圖1 單電極電位時(shí)間變化圖

2.2 電極極化機(jī)理

在自然界中，地質(zhì)體內(nèi)始終存在變化和穩(wěn)定電場的相互作用，地球表面主要分布著大地電場和自然電場，通過測量和分析地電場的時(shí)空變化對解決工程地質(zhì)問題有重要作用。在電法勘探的過程中，當(dāng)金屬電極作為測量電極時(shí)，金屬本身與周圍介質(zhì)之間充分接觸，而介質(zhì)內(nèi)部的電解質(zhì)溶液發(fā)生遷移，從而在電極與介質(zhì)之間形成雙電層，產(chǎn)生相對穩(wěn)定的接觸電位，即電極極化電位[11]。因此，電阻率測量得到的地電信號除目標(biāo)體引起的電場信號外，同時(shí)存在電極極化電位引起的噪聲信號，對成果解譯帶來干擾。

3 工程試驗(yàn)

3.1 工程概況及測線布置

雙溪塢山塘位于杭州市富陽區(qū)大源鎮(zhèn)大同村。山塘壩址以上集雨面積為0.99 km2，主流長度1.22 km，正常庫容0.66 萬m3，總庫容0.96 萬m3。大壩為黏土心墻壩，壩頂高程為126.00 m，最大壩高為14.51 m，壩頂長29.10 m，壩頂寬4.00 m，采用厚300 mm 碎石墊層為基層，鋪筑環(huán)保彩磚。探測時(shí)，水位距壩頂高差約1.96 m，下游左壩腳排水溝底部發(fā)現(xiàn)滲漏出水點(diǎn)，且滲漏量較大。故對雙溪塢山塘開展大壩滲漏隱患探測工作，探明塘壩滲漏位置并分析滲漏原因，為下一步定向處理提供技術(shù)支持。

雙溪塢山塘大壩壩體并行電法測線布置平面見圖2。測線CX1、CX2 均布置34 道電極，電極間距均為1.00 m。其中測線CX1 起始1#電極位于右岸溢洪道左邊墻處，34#電極位于左岸山體與大壩交接處，測線CX2 恰好與CX1 電極布設(shè)起止位置交換。

圖2 并行電法測線布置平面圖

3.2 數(shù)據(jù)采集與分析

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器為并行電法儀，采樣時(shí)間為0.50 s，采樣間隔為0.05 s，供電方式為單正法，采集方式為AM 法，64 道電極只需花費(fèi)96.00 s，經(jīng)處理可得到溫納三極左裝置、右裝置數(shù)據(jù)體。測線CX1 與CX2 單獨(dú)采樣，當(dāng)測線CX1 采集結(jié)束后，電極位置保持不改，調(diào)換電纜線位置后進(jìn)行測線CX2 數(shù)據(jù)采樣。

視電阻率剖面見圖3。圖3（a）、（b）分別為溫納三極右裝置、溫納三極左裝置數(shù)據(jù)得到的色譜云圖，圖3（a）中顯示大壩中部位視電阻率明顯較低，異常區(qū)阻值小于50 Ω· m 且呈圈閉狀分布，同時(shí)在大壩的左岸邊緣處也存在斜條帶狀低阻區(qū)域，可能受場地所限，測線結(jié)果未能顯示出全部形態(tài)；圖3（b）低阻區(qū)位置與圖3（a）基本吻合，但異常區(qū)形態(tài)存在較大差異，可能與電法裝置類型有關(guān)；測線CX2 是由測線CX1 改變電纜線起止位置所得，起始電極位于左岸，終止電極位于右岸，溫納三極左、右裝置均反映出18～25 m 段存在明顯的低阻異常，可能是引起大壩滲漏的主要原因。

圖3 視電阻率剖面圖

3.3 對比驗(yàn)證

根據(jù)測線CX1、CX2 的現(xiàn)場布置可知，若不考慮電極極化效應(yīng)，則測線CX1 的溫納三極右裝置圖像應(yīng)是測線CX2 的溫納三極左裝置圖像橫坐標(biāo)正反向翻轉(zhuǎn)。為進(jìn)一步探討測線CX2 的溫納三極左裝置數(shù)據(jù)是否存在極化現(xiàn)象，把測線CX2 的起止坐標(biāo)與CX1 的起止坐標(biāo)作統(tǒng)一處理見圖4。

圖4（a）即為測線CX2 溫納三極左裝置數(shù)據(jù)經(jīng)坐標(biāo)改正后的圖像，結(jié)果與圖3（a）基本一致，圖4（b）與圖3（b）低阻異常區(qū)范圍也基本吻合。滲漏區(qū)位置與下游滲漏點(diǎn)基本對應(yīng)，表明大壩壩體段存在滲流薄弱區(qū)。

圖4 測線CX2三極裝置橫向翻轉(zhuǎn)圖

4 結(jié) 論

（1）并行電法采集效率較高，經(jīng)處理得到溫納三極左裝置、右裝置數(shù)據(jù)體揭示出大壩內(nèi)部的滲漏隱患區(qū)，探測成果可靠，具有廣闊的應(yīng)用前景。

（2）在電法勘探中，銅棒電極極化效應(yīng)對并行電法采集的數(shù)據(jù)影響較小，不同起點(diǎn)溫納三極裝置視電阻率的坐標(biāo)與歸一化的圖像基本一致。