地電阻影像探測於現地施測改良

地電阻影像探測於一般土壤表面與土石壩壩體施測方式採用「傳統貫 入式電極」，傳統貫入式電極材質為不鏽鋼棒，長度為 30 cm 而直徑為 1.0 cm，施測時將電極棒貫入地表約 15-20 cm 深。進行資料擷取前必須事先檢 核地表面與電極棒間電阻值（Resistance check），即為電極棒與地面間的導 電品質，根據過去施測經驗，地表面與電極棒間的電阻檢核值（Resistance check）一般在土壤表面施測時皆控制在小於 1k-Ohm，所擷取資料品質較 好，資料反算後誤差也較小（E. Athanasiou et.al, 2005）。

本計畫根據新山水庫、石門水庫等現地施測經驗，當地表存在鋪面，

例如一般柏油道路路面、壩體通達道路等，地表與電極棒之間的電阻檢核 值通常較大，可從數十 k-Ohm 甚至數百 k-Ohm，電流不易傳遞使得地表淺 層資料品質較差（Johansson et al,2003），擷取資料整體受到淺層影響較大，

反算後結果誤差值也將偏大，參考「水庫安全監測問題評析與非破壞性檢 測技術應用之研究」計畫中以仁義潭水庫壩基施測為例（圖 4.3），該案例 佈設於壩基柏油路面，量測後淺層視電阻率變異係數高達 54%，反算後誤 差也高達 25.7％，顯然有必要改善上述情況中電極棒與地表間存在的高電 阻問題。

圖 4.3 仁義潭水庫壩基測線

1.傳統貫入式電極的改良

改良地電阻影像探測技術主要著眼在地表存在鋪面時，降低電極棒與 地表所存在的高電阻問題，本計畫設計改良方法如表 4.1，傳統電極棒皆採

用不鏽鋼電極，但藉由注入不同導電液來改善電極棒與地表導電品質，進 而提升量測資料精確度，使得反算後剖面具有較小誤差。

測試場址選定在交大博愛校區（圖 4.4），施測排列涵蓋各種的特性的 排列幾何，例如 Dipole-Dipole、Wenner、Pole-Dipole、Pole-Pole，測線間距 為 2 m，共 24 根電極，施測方式為先以鑽機在柏油路上鑽出直經為 1.2cm 深度為 30cm 的孔，先於孔中灌入導電液後再將電擊棒插入，而導電液的濃 度皆為飽和的導電液，在同一天施作完水與 CuSO4後，於 2 天後再進行 NaCl 的測試，以避免兩種導電液互相干擾，而在資料擷取的設定上，三種導電 液的設定皆相同，所設定的資料品質因子 Q max（quality factor requested – standard deviation in ％），而決定資料品質因子 Q max 為資料點的疊帶次數 為 3-6 次，當資料品質收斂到小於所設定的資料品質因子 Q max 時，則收 錄該筆資料，最後施測結果將以原始資料視電阻率變異係數（％）、反算後 結果則與鑽探取樣剖面比對，並比較均方根誤差（RMS）大小。

表 4.1 傳統灌入式電極於檢測上改良方法

電極棒種類 導電液

實驗組 不銹鋼電極 CuSO4、NaCl

對照組 不銹鋼電極 無

圖 4.4 改良電極測線配置圖與施測示意圖

以下將針對試驗改良結果作一說明：

Wenner 改良結果

試驗結果首先針對原始資料部分討論，Wenner 量測後資料層數共有 7 層，分別取同一層資料點變異係數套疊，如圖 4.5 至圖 4.11 所示，當資料 層數 n=1、2、3 時，導電液變異係數量明顯小於水，當 n=4 以下時，導電 液對於量測結果的改良效果則不顯著，但整體資料點變異係數很小，代表 當 n=4 以下時的資料品質不論是採用導電液或水在先天本質上較佳。有此 可見，導電液對於淺層（n≦3）有較佳的結果，但對於較深層資料點（n>4）

因原本資料變異性即不大，因此改善效果有限。

0 4 8 12 16 20 24 Data points

0 2 4 6 8

coefficient of variation(%)

n =1

Data points 0

1 2 3

coefficient of variation(%)

n=2 water CuSO4

NaCl

圖 4.6 Wenner 資料層數 n=2 時的變異係數

0 4 8 12 16 Data points

0

coefficient of variation(%)

n=3

Data p oints 0

coefficient of variation(%)

n=4 water CuSO₄ NaCl

圖 4.8 Wenner 資料層數 n=4 時的變異係數

0 2 4 6 8 10 Data points

0 0.1 0.2 0.3

coefficient of variation(%)

n=5

Data points 0

coefficient of variation(%)

n=6 water CuSO₄ NaCl

圖 4.10 Wenner 資料層數 n=6 時的變異係數

0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 Data points

0

coefficient of variation(%)

n=7 剖面較為接近，而以反算後均方根誤差（Root Mean Square）比較反算後誤 差量（如表表 4.3），以導電液 CuSO4 溶液反算結果最佳，其次為水與導電

圖 4.12 加入導電液 CuSO4溶液反算後的結果-Wenner

圖 4.13 加入導電液 NaCl 溶液反算後的結果-Wenner

圖 4.14 加入水溶液反算後的結果-Wenner

表 4.3 導電液與水反算後之 RMS 誤差比較-Wenner Wenner CuSO4 NaCl water

RMS 0.96 3.9 1.51

2.非破壞式電極的改良

在去年「水庫安全監測問題評析與非破壞性檢測技術應用之研究」計 畫中，針對混凝土材料檢測目的所新開發的「非侵入式電極」，已成功應用 在混凝土壩施測，確實可以有效達到非破壞檢測之目的，而且採用非侵入 式電極量測資料其反算後地電阻影像剖面能明顯指示配筋位置（低電阻區 域）與施工縫存在位置（高電阻區域）。但目前非侵入式電極擷取資料品質 較差，反算後影像存在較大誤差，例如以石門水庫廊道測線為例（圖 4.15），

淺層視電阻率變異係數高達 210%，而反算後誤差也高達 32.6％，有待後續 提出改進方式。

圖 4.15 石門水庫廊道測線

針對上述非破壞式電極應用的問題點，改良非破壞式電極，以在混凝 土壩上檢測時，提升量測資料的精確度，進而可使反算後的剖面有較小的 誤差。改良方法如表 4.4，除了以銅板作為電極，配合不同導電液拌合皂土，

討論導電介質的改善影響之外，另外以海綿作為電極，並以海綿吸附導電 液直接設置於於混凝土材料上進行測試。

表 4.4 非侵入式電極檢測上改良方法

電極棒種類 導電介質

皂土+ CuSO4

實驗組 銅板

皂土+ NaCl

對照組 銅板 皂土+水

測試場址選在頭前溪旁的混凝土河堤上（圖 4.16），施測排列涵蓋僅為 淺層的排列幾何，例如 Dipole-Dipole、Wenner、Wenner-Schlumberger，測 線間距為 2 m，共 24 個非破壞式電極，施測方式為將準備飽和的導電液，

將皂土倒入均勻拌和至具有黏著性，在同一天施作完水與 CuSO4後，於 2 天後再進行 NaCl 的測試，以避免兩種導電液互相干擾，而在資料擷取的設 定上，三種導電液的設定皆相同，所設定的資料品質因子 Q max（quality factor requested – standard deviation in ％），而決定資料品質因子 Q max 為 資料點的疊帶次數為 3-6 次，當資料品質收斂到小於所設定的資料品質因子

Q max 時，則收錄該筆資料，最後施測結果將以原始資料視電阻率變異係 數、反算後結果比較均方根誤差（RMS）大小。

圖 4.16 非侵入式電極施測示意圖 以下將針對試驗改良結果作一說明：

Wenner 測試結果

Wenner 的原始資料共有 7 層資料層數，以下僅取淺層（n=1~6 層）的 資料來說明。圖 4.17至圖 4.22分別為 n=1 至 6 的原始資料的變異係數（％）， 當 n=1、2 時（圖 4.17 與圖 4.18 所示）可以明顯看出使用 CuSO4電解液的 資料點變異係數最小，其次為 NaCl 電解液與水；而在其他 n=3 至 6 層時（圖 4.19 至圖 4.22所示），其原本資料點變異係數本來即相對較佳，因此導電液 改善空間相對有限，但仍可看出以 CuSO4電解液的大部分資料點變異係數 較小。

0 4 8 12 16 20

coefficient of variation(%)

n=1

data points 0

coefficient of variation(%)

n=2 water CuSO₄ NaCl

圖 4.18 Wenner 資料層數 n=2 時的變異係數

0 4 8 12 16 data po ints

0

coefficient of variation(%)

n=3

data points 0

coefficient of variation(%)

n=4 water CuSO₄ NaCl

圖 4.20 Wenner 資料層數 n=4 時的變異係數

0 2 4 6 8 data points

0

coefficient of variation(%)

n=5

data points 0

coefficient of variation(%)

n=6

所收錄的第一次資料品質較差，但進行完第一次量測後，接續進行第二次 量測，其資料的品質則較佳，接續的第三次量測結果也較佳，如圖 4.23 所 示，其原因為受到介電常數（dielectric constant）的影響，當外加一電場於 地層中時，介質電荷受到邊界束制，使得內部電荷產生位移，導致正負電 荷重新排列，於表面形成表面電荷，形成極化現象，以巨觀角度而言，此 電介質雖視為電中性，但受到外在電場的影響造成極化現象，形成一內部 電場，以微觀角度而言，電介質內部與外部電場會有所影響，除了電荷極 化現象之外，一般的造岩礦物主要以離子鍵組成，因此外加電場時也會產 生離子的極化現象，因此第一次施測即為等同於給予一內部電場。因此本 團隊進行現地施測時，為了確保得到較佳的量測資料，會先施測一組測試 組，接續量測的資料才為真正採用的資料。而下段敘述的重複性施測討論，

則是以第二次與第三次量測結果來進行討論。

圖 4.23 地電阻多次重複量測的比較

目前利用地電阻影像剖面法進行調查時，對於地下結構物解析能力即

存在不確定性，而量測結果又會受到自然或人為因素影響而增加更多不確 定性，因此本小節將嘗試以重複施測方式於同一測線重複施測，討論相同 排列方法重複性與變異性，量化儀器本身量測誤差，定義出最適合用於監 測的排列方式。

施測場址同樣選定為交通大學博愛校區，測線中點處有鑽探孔可供比 對。，分別以 Dipole-Dipole、Wenner、Pole-Dipole 與 Pole-Pole 排列方式施 測，以相同的測線起點重複施作 2 次，待現地施作完成後，再比較 Res2Dinv 反算結果的差異百分比，藉此確定 Time-lapse inversion method 反算的資料 準確性，另外可提供在判釋地電阻剖面時應注意的位置，例如差異百分比 較大的位置。結果表示在圖 4.24 至圖 4.27，圖(a)與圖(b)分別代表第一次與 第二次量測結果，圖(c)為以 Res2Dinv 反算軟體所計算兩次量測結果差異百 分比。

圖 4.24 為 Dipole-Dipole 的比較結果，由圖(a)(b)無法明顯看出兩次量測 之間的差異，但藉由反算後差異百分比圖(c)則可看出明顯的變異，在剖面 左邊界差異百分比從-25％至 20％，而右邊界也有-10％至-1％的變化幅度，

但剖面其餘區域變異幅度較小，約在-1％至 3％，造成兩次結果在邊界處差 此在淺層的監測時通常建議使用 Wenner，此結果與過去文獻所建議的監測 方式相符。

圖 4.26 為 Pole-Dipole 比較結果，圖(a)(b)顯示前後兩次量測結果並無明 顯差異，但由兩次結果的差異百分比（圖(c)）顯示在邊界差異性較大，變 異幅度約在 15％-75％，其原因可能是邊界位置訊號較為靈敏，容易受到外 界幹擾。已知 Pole-Dipole 排列方式其地層電阻率靈敏度以電位極間最為靈