铜电极对并行电法采集数据的影响试验分析

孙德勇，江树海，谭 磊

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310020；2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

电阻率法作为一种观测性科学技术，高质量、高保证地收录到揭示地电场时空分布的数据是开展精细化地质解释的前提[1]。电极作为一种大地与仪器设备之间的传感桥梁，提高数据信噪比不仅需关注其与二者之间的耦合性问题，还应考虑电极材料、埋深以及所处环境对地电信号的干扰影响[2]。金属棒、不极化电极是电法勘探应用中主要的2 种材料，大地电场监测时采用不极化电极能够有效地降低电极极化噪声的干扰，并使用多极距观测系统，使观测资料应用价值大大提高[3]。为探究不同种类电极长期电场监测的稳定性及有效性，田山等[4]在大地电场观测中比较铅电极与不极化电极的数据一致性，试验表明，铅电极观测系统的稳定性明显高于固体不极化电极观测系统，并具有长期的连续性、稳定性；李庆等[5]结合不同的场地、不同的条件进行电极极化的对比试验，表明铅电极在地表土壤具有较强的稳定性；美国AGI公司[6]采用双模式电极模式，供电与测量电极分离，取得较好的应用效果，但现场使用较为不便。

近年来，不锈钢电极在高密度电法测量中取得较好的应用效果，考虑不同钢电极在测量与供电之间的电极极化电位差[7]，当电法转换器切换时间较快而极化电位下降较慢时，则造成测量电极存在一定的测量误差[8]。在工程应用中，为提高现场的工作效率，采用拟地震化采集模式的并行电法技术在水库大坝渗漏探测中得到广泛应用[9]，但并行电法供电与测量的时间较短，尤其是供电电极在供电完成即转换成测量电极，如何确保探测效果成为突出的难题。为评价并行电法探测结果的可靠性，本文以山塘大坝渗漏探测为研究对象，通过交换测线的起始位置，并利用铜棒作为供电与测量电极，分析温纳三极左右装置电阻率数据体的一致性。

2 方法原理

2.1 并行电法技术

并行电法是在高密度电法分装置数据采集的基础上改进而来，优势体现为供电电极在供电的过程中，排列上的所有电极进行地电场数据的同步采集，从而避免电极的空闲，提高工作效率[10]。并行电法有AM 法和ABM 法2 种供电方式，其中AM 法为单点电源形成的稳定电场，通过不同位置电位的测量，获得多种形式的自然场、1 次场、2 次场的全场地电数据体，不同时空的地电信号见图1。通过对不同时刻、不同空间地电数据体的处理、分析、解译，结合地质资料，从而推断出地质体的异常，为解决水文、工程、环境等问题提供可靠的技术支撑。

图1 单电极电位时间变化图

2.2 电极极化机理

在自然界中，地质体内始终存在变化和稳定电场的相互作用，地球表面主要分布着大地电场和自然电场，通过测量和分析地电场的时空变化对解决工程地质问题有重要作用。在电法勘探的过程中，当金属电极作为测量电极时，金属本身与周围介质之间充分接触，而介质内部的电解质溶液发生迁移，从而在电极与介质之间形成双电层，产生相对稳定的接触电位，即电极极化电位[11]。因此，电阻率测量得到的地电信号除目标体引起的电场信号外，同时存在电极极化电位引起的噪声信号，对成果解译带来干扰。

3 工程试验

3.1 工程概况及测线布置

双溪坞山塘位于杭州市富阳区大源镇大同村。山塘坝址以上集雨面积为0.99 km2，主流长度1.22 km，正常库容0.66 万m3，总库容0.96 万m3。大坝为黏土心墙坝，坝顶高程为126.00 m，最大坝高为14.51 m，坝顶长29.10 m，坝顶宽4.00 m，采用厚300 mm 碎石垫层为基层，铺筑环保彩砖。探测时，水位距坝顶高差约1.96 m，下游左坝脚排水沟底部发现渗漏出水点，且渗漏量较大。故对双溪坞山塘开展大坝渗漏隐患探测工作，探明塘坝渗漏位置并分析渗漏原因，为下一步定向处理提供技术支持。

双溪坞山塘大坝坝体并行电法测线布置平面见图2。测线CX1、CX2 均布置34 道电极，电极间距均为1.00 m。其中测线CX1 起始1#电极位于右岸溢洪道左边墙处，34#电极位于左岸山体与大坝交接处，测线CX2 恰好与CX1 电极布设起止位置交换。

图2 并行电法测线布置平面图

3.2 数据采集与分析

现场数据采集器为并行电法仪，采样时间为0.50 s，采样间隔为0.05 s，供电方式为单正法，采集方式为AM 法，64 道电极只需花费96.00 s，经处理可得到温纳三极左装置、右装置数据体。测线CX1 与CX2 单独采样，当测线CX1 采集结束后，电极位置保持不改，调换电缆线位置后进行测线CX2 数据采样。

视电阻率剖面见图3。图3（a）、（b）分别为温纳三极右装置、温纳三极左装置数据得到的色谱云图，图3（a）中显示大坝中部位视电阻率明显较低，异常区阻值小于50 Ω· m 且呈圈闭状分布，同时在大坝的左岸边缘处也存在斜条带状低阻区域，可能受场地所限，测线结果未能显示出全部形态；图3（b）低阻区位置与图3（a）基本吻合，但异常区形态存在较大差异，可能与电法装置类型有关；测线CX2 是由测线CX1 改变电缆线起止位置所得，起始电极位于左岸，终止电极位于右岸，温纳三极左、右装置均反映出18～25 m 段存在明显的低阻异常，可能是引起大坝渗漏的主要原因。

图3 视电阻率剖面图

3.3 对比验证

根据测线CX1、CX2 的现场布置可知，若不考虑电极极化效应，则测线CX1 的温纳三极右装置图像应是测线CX2 的温纳三极左装置图像横坐标正反向翻转。为进一步探讨测线CX2 的温纳三极左装置数据是否存在极化现象，把测线CX2 的起止坐标与CX1 的起止坐标作统一处理见图4。

图4（a）即为测线CX2 温纳三极左装置数据经坐标改正后的图像，结果与图3（a）基本一致，图4（b）与图3（b）低阻异常区范围也基本吻合。渗漏区位置与下游渗漏点基本对应，表明大坝坝体段存在渗流薄弱区。

图4 测线CX2三极装置横向翻转图

4 结 论

（1）并行电法采集效率较高，经处理得到温纳三极左装置、右装置数据体揭示出大坝内部的渗漏隐患区，探测成果可靠，具有广阔的应用前景。

（2）在电法勘探中，铜棒电极极化效应对并行电法采集的数据影响较小，不同起点温纳三极装置视电阻率的坐标与归一化的图像基本一致。