JP3695676B2

JP3695676B2 - キャパシタ法による多チャンネル電気探査方法

Info

Publication number: JP3695676B2
Application number: JP11531997A
Authority: JP
Inventors: 剛小林; 信介長谷川; 裕雅島
Original assignee: Oyo Corp
Current assignee: Oyo Corp
Priority date: 1997-04-17
Filing date: 1997-04-17
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2017-04-17
Also published as: JPH10293181A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、浅部地下探査に用いるキャパシタ法による電気探査方法に関するものである。更に詳しく述べると本発明は、キャパシタ電極装置を測定対象地盤の表面に沿って牽引しつつ、一対の電流電極間に交流電圧を印加して地盤内に通電し、地盤の電位を複数対の電位電極で検出し、同時に測定点での位置データを検出し、使用周波数と電極間距離についての減衰を補正して均質地盤の直流比抵抗に換算することで深度方向の比抵抗分布を求める多チャンネル電気探査方法に関するもである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、土木構造物の維持管理、防災、及び環境などの分野において、深度１０ｍ程度までの浅部地下探査に対する必要性が高まりつつある。そこで、この程度の深度を対象とする効率的な地下探査方法として、キャパシタ電極を用いる浅部比抵抗マッピング法が提案され開発が進められている。
【０００３】
地盤に接触していない平板電極に電圧を印加すると、平板電極と地盤の間に電荷が溜まりキャパシタ（コンデンサ）となる。このキャパシタが充電あるいは放電しきる前に電圧の極性を切り換えれば、連続的に地中に電流を流すことができる。この原理を利用して、一対の電流電極から電流を流し、一対の電位電極で電圧を検出するのがキャパシタ法による電気探査である。キャパシタ電極は、上記のように地盤に電極を接触させずに地中に電流を流すことができるため、地表面上を牽引しながら測定することが可能で、電極棒を地盤に打設する従来の一般的な電気探査法に比べて、作業効率よくデータを取得できる利点がある。
【０００４】
従来のキャパシタ法においては、一対の電流電極に対して電位電極は一対のみ設けられている、所謂シングルチャンネル方式である。これでは地盤の深度方向の比抵抗変化を測定することはできず、地表面を走査することで平面的な地盤構造（比抵抗分布）を把握し得るにすぎない。そこで、地盤の深度方向の構造、あるいは必要に応じて地盤の３次元的構造を把握できるように、一対の電流電極に対して複数対の電位電極を距離をずらせて配列し、同時に測定を行う多チャンネル浅部比抵抗マッピングシステムが提案されている。
【０００５】
キャパシタ法による多チャンネル電気探査は、原理的には図７に示すように、複数対の電極１０を組み込んだキャパシタ電極装置１２（例えば、牽引方向Ｆに対して細長い矩形状のマット１４上に、一対の電流電極と複数対の電位電極を配列した構造）を、牽引車両１６によって牽引しながら連続測定を行えば、効率的な地下の比抵抗探査が可能になる。測定したデータは牽引車両１６に搭載しているデータ収録装置１８に送って記録すればよい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
直流電気探査法では直流電流を使用するため、周波数は考慮しなくてもよい。他方、キャパシタ電極を用いたシングルチャンネル比抵抗マッピングでは、電流電極と電位電極との距離が常に一定であるので、そのまま見掛け比抵抗の値を使用しても差し支えない。しかしキャパシタ法による多チャンネル電気探査法においては、交流電流を使用することと、電流電極からの距離が異なる複数対の電位電極で地盤の電位を検出することのため、次のような特有の問題が生じる。それは、測定電位データから求めた交流の見掛け比抵抗をそのまま使用できず、印加する交流電圧の周波数の違いによる見掛け比抵抗の違い及び電流電極と電位電極との間の距離の違いによる見掛け比抵抗の違い（以下、周波数効果と呼ぶ）を考慮しなければ、直流法と同等の解析を行うことができないということである。
【０００７】
即ち、キャパシタ法では交流を使用しており、流す電流が周波数成分を有しているので、地盤中を流れる際に減衰するということである。そのため、流した交流電流を直流電流と同等に扱うには、周波数の増加に伴う電位の減衰を補正する必要がある。また電流電極と電位電極の距離が離れることによって生じる電位の減衰も考慮する必要がある。これらの減衰量は、直流電流の場合の電位の大きさに比べて、無視することができないほど大きい。
【０００８】
本発明の目的は、キャパシタ法による多チャンネル電気探査において、周波数効果を適正に補正した均質地盤の直流比抵抗を使用することにより、交流を用いた電気探査において直流電気探査と同等の２次元解析を可能とし、深度方向の比抵抗変化を効率良く且つ正確に求めることができるようにする方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一対の電流電極と該電流電極からの距離が異なる複数対の電位電極を備えたキャパシタ電極装置を、測定対象地盤の表面に沿って牽引し、前記一対の電流電極間に交流電圧を印加して地盤内に通電し、地盤の電位を前記複数対の電位電極で検出すると共に、そのときの測定点の位置データを検出し、２次元解析を行って深度方向の比抵抗分布を求めるキャパシタ法による多チャンネル電気探査方法である。ここで本発明の特徴は、各電位電極対で検出した電位データから交流の見掛け比抵抗を求め、使用する交流の周波数及び電流電極と電位電極との距離による減衰を補正するような均質地盤の直流比抵抗に換算し、その換算した直流比抵抗と測定点の位置データに基づき２次元解析を行い真の地盤構造を求める点にある。
【００１０】
そのデータ処理の最適例のフローチャートを図１に示す。測定を開始して多チャンネル測定電位データを得る。次に各電位電極での電位データをリアルタイムでスタッキング処理することにより、一定区間毎に１組の電位データを求める。その電位データから交流の見掛け比抵抗を求め、使用する交流の周波数及び電流電極と電位電極の距離による減衰を補正して均質地盤の直流比抵抗に換算する。更に、各測定区間に対する直流比抵抗の関係を全ての測定区間にわたってスムージング処理し、そのスムージング処理した直流比抵抗と前記測定区間を表す位置データに基づき、従来の直流電気探査法の２次元解析に従って地盤の深度方向の比抵抗分布を求め真の地盤構造を明らかにする。
【００１１】
電流電極と電位電極の配置関係は相向型電極配置とするのが好ましい。電極配置を考慮して、電位データから交流の見掛け比抵抗を求める。他方、この電極配置における交流の見掛け比抵抗を表す計算式に上記で求めた交流の見掛け比抵抗を代入すれば、交流の周波数及び電流電極と電位電極との距離による減衰を補正した均質地盤の直流比抵抗を計算することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
キャパシタ電極装置は、牽引車両などによって地表面上を牽引されて、通常、各電位電極で同時に且つ連続的に電位測定を行う。即ち、一対の電流電極間に高周波交流電圧を印加し、それによって地中に通電する。そして、その時の各電位電極対の電位を測定することで地盤の比抵抗を求める。電流電極からの距離が遠くなるほど、測定結果は地下の深い部分の地盤の比抵抗を反映することになるため、電流電極から距離の異なる位置に複数対の電位電極を設けて測定を行うことにより、地盤の深度方向の比抵抗分布を把握することが可能となる。
【００１３】
交流電流を用いた場合、使用周波数、電流電極と電位電極との距離、及び地盤の比抵抗により、検出する電位信号に減衰が生じる。交流の見掛け比抵抗ρ_Aは次式▲１▼により求めることができる。
ρ_A＝Ｇ・ΔＶ／Ｉ … ▲１▼
ここでＧは電極配置係数であり、ΔＶは電位差、Ｉは電流である。（相向型電極配置の場合はＧ＝４π・（１／ｒ−１／Ｒ）−１である。但し、ｒは対向する電流電極と電位電極の距離、Ｒは対角の関係となる電流電極と電位電極の距離である。）ＧとＩは既知の値であり、ΔＶは測定で得られる値であるから、交流の見掛け比抵抗ρ_Aを求めることができる。このようにして求めた交流の見掛け比抵抗は、直流比抵抗よりも小さな値となる。従って、交流の見掛け比抵抗を直流比抵抗に変換しなければ、真の地盤構造は求まらない。
【００１４】
ところで図２に示すように、電流電極ａ−ｂと電位電極Ａ−Ｂとを相向型電極配置としたとき、交流の見掛け比抵抗ρ_Aは次式▲２▼で計算できる。
ρ_A＝ρ（１／Ｒ×ｅ^-kr−１／ｒ×ｅ^-kR）／（１／ｒ−１／Ｒ） … ▲２▼
但し、ｋ＝（ｉωμ／ρ）^1/2
ω：使用する交流の角周波数
μ：透磁率
ρ：均質地盤の直流比抵抗
ｒ：対向する電流電極と電位電極の距離
Ｒ：対角の関係となる電流電極と電位電極の距離
である。前記▲１▼式から交流の見掛け比抵抗ρ_Aを求めることができるから、それを▲２▼式に代入すると、均質地盤としての直流比抵抗ρを計算できる。これは、周波数効果を補正した値となる。
【００１５】
上記の▲２▼式によって、交流周波数、電極間距離、及び均質地盤の直流比抵抗を変化させて交流の見掛け比抵抗を計算する。計算結果は図３のようになる。図３の（Ａ）は、均質１００Ω−ｍ地盤について、電流電極と電位電極間の距離をパラメータとして、横軸を周波数、縦軸を交流見掛け比抵抗／直流比抵抗（％）とした図であり、また図３の（Ｂ）は、周波数１２ｋHzの交流を用い、均質地盤の直流比抵抗をパラメータとして、横軸を電極間距離、縦軸を交流見掛け比抵抗／直流比抵抗（％）とした図であり、ともに周波数効果を表している。これらの関係から、交流を用いるキャパシタ法では、測定時の交流周波数と電極間距離の影響が大きいことが分かる。それ故、これらによる減衰を適正に補正することで、交流の見掛け比抵抗を均質地盤の直流比抵抗に換算でき、その換算した直流比抵抗と位置データに基づき２次元解析を行うことで、真の地盤構造（比抵抗分布）を求めることができる。
【００１６】
【実施例】
図４は本発明方法を実施するための装置の一例を示す全体構成図である。この装置は、主として、送信部２０と複数の受信部３０、及びデータ収録装置（図示せず）などからなる。ここで電流電極と電位電極とは相向型電極配置となっている。これら送信部２０と複数の受信部３０とは一連に配列されて、図７に示すように、牽引車両などによって地表面上を牽引され、データ収録装置は牽引車両に搭載されて測定が行われる。なお本実施例では、送信部２０を牽引方向Ｆの最後部に接続している。これは、送信部２０をデータ収録装置から離れた位置に設けることで、受信部３０からデータ収録装置へ送られる信号のノイズによる影響を極力低減するためである。
【００１７】
送信部２０は、一対の電流電極２２と、その電流電極間に高周波電圧を印加して地中に通電する送信装置２４を備えている。また各受信部３０は、それぞれ、地盤の電位を検出する一対の電位電極３２と、その電位電極間で検出した電位信号を増幅しデジタル信号に変換して伝送する受信装置３４を備えている。
【００１８】
各受信部３０のマット３１は、二等辺三角形の三つの角部を、底辺に対して平行及び垂直に切り落としたごとき平面形状をなしている。そして２個の矩形状の電位電極３２が、前記マット３１の底辺両隅部にそれぞれ配設される。マット３１の頂部近傍と底辺中央部には、連結用の係合穴４０を形成する。ここでマット３１は、厚さ１mm程度のポリカーボネイト等の絶縁性物質からなる。各電位電極３２は、例えば３００mm×３００mmの寸法の薄い（厚さ０．数mm程度の）銅板からなり、それをマット３１の上面の所定位置に全面で貼り付け、銅板をマットと一緒にマット底辺から牽引方向に延びるようなスリット（切り込み）を入れた構造である。即ち電位電極３２の部分は、マットを含めて櫛状となってそれぞれの部分が別々に変位可能となり、それによって柔軟性が高まり地面に対する密着性が向上するように工夫している。なお、この実施例では、マット３１の頂部近傍の係合穴と底辺中央部の係合穴の距離を１ｍに設定し、両電極の中心間距離も１ｍに設定している。そして各受信部３０のマット３１のほぼ中央に受信装置３４を搭載する。
【００１９】
各マット３１は、一つの受信部のマットの底辺中央部と次の受信部のマットの頂部近傍とが、頂部が上に位置するように一部を重ねた状態で、連結部材４２により連結される。連結部材４２は、係合穴にピンを差し込んで固定する構造でよい。三角形状のマット頂部が次のマットの底部上に乗るように組み合わせることで、矢印Ｆ方向に牽引する際に余分な抵抗がかからず、スムーズに地表面上を移動できる。
【００２０】
なお本実施例において送信部２０は、受信部３０とほぼ同様の構成となっている。マット２１や電流電極２２は、受信部３０のマット３１や電圧電極３２と同じ構成でよい。従って、受信部のマットと電極はそのまま送信部に適用できる。そして送信部２０のマット２１のほぼ中央に送信装置（及びその電源となる蓄電池）２４を搭載する。
【００２１】
送信装置２４の回路構成の一例を図５に示す。この送信装置２４は、出力２０〜１５００Ｖ程度を生じる整流電流送信装置である。送信装置２４は、高周波の正弦波（例えば、１２ｋHz）を発生する正弦波発生器５０と、その出力を増幅する増幅器５２と、その増幅出力を昇圧して出力する変圧器５４と、該変圧器５４の二次側出力を整流する整流器５６とを具備し、前記増幅器５２は、二次側出力を一次側にフィードバックして利得を制御し負荷電流を一定に維持する自動利得制御機能を有する形式である。牽引によって電流電極２２と地表面との間隔は変化する。この間隔の変化は、キャパシタとしての静電容量変化となり、定電圧で駆動すると負荷電流が変化してしまう。そこで、二次側出力を検出して一次側にフィードバックして一定電流を地中に通電できるように一次側の電圧制御を行っているのである。なお、ここで使用周波数を１２ｋHzに設定したのは、周波数が高くなるほどキャパシタに通電し易くなること、ラジオ波に対する影響が少ないことなどの理由による。
【００２２】
受信装置３４の回路構成の一例を図６に示す。受信装置３４は、電位電極３２間の電位信号を増幅する増幅器６０と、その増幅信号を必要な電圧レベルに調整する利得調整部６２と、測定信号の周波数（電流電極に印加する交流電圧の周波数）を通過させるバンドパス・フィルタ（中心周波数；１２ｋHz）６４と、実効値に変換する実効値変換部６６と、その実効値を示すアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部６８を具備している。そして得られたデジタル信号はデータ収録装置へ伝送される。受信部３０にそれぞれ増幅器６０を搭載しているのは、測定電圧が非常に小さい（通常、数μＶ程度のオーダー）ため、そのままデータ収録装置へ送ると雑音によって信号が埋没する恐れがあるからである。またバンドパス・フィルタ６４は不要な周波数のノイズの混入を極力避けるために設けている。Ａ／Ｄ変換器６８によるＡ／Ｄ変換は、伝送時のデータ伝送の際の耐ノイズ性を更に一層高めるためである。
【００２３】
このようなキャパシタ法による多チャンネル電気探査装置を用いて交流見掛け比抵抗の測定を行う。一対の電流電極間に交流電圧を印加して地盤内に通電し、地盤の電位を複数対の電位電極間で検出すると共に、そのときの測定点の位置データも検出する。前述のように周波数効果によって交流の見掛け比抵抗は大きく変化する。つまり、図３の（Ｂ）に示すように、使用する周波数が一定（ここでは１２ｋHz）であっても、電流電極と電位電極間の距離が長くなるほど交流の見掛け比抵抗は小さくなり、その見掛け比抵抗の減少割合は地盤の直流比抵抗が小さくなるほど甚だしい。従って、交流の見掛け比抵抗をそのまま使用したのではとうてい正確な比抵抗マッピングを行うことはできない。
【００２４】
多チャンネル測定では、電流電極からの距離が異なる複数の電位電極対で電位測定を行うから、この周波数効果を補正できなければならない。また地盤の比抵抗の影響も無視できない。そこで測定した交流の見掛け比抵抗から、前記▲２▼式により直流比抵抗を算出する。得られた直流比抵抗は、交流周波数、電極間距離、地盤の直流比抵抗を反映した値となる。これを２次元解析に使用することで、従来の直流電気探査と同等の解析が可能となる。
【００２５】
牽引車両を走行させて距離と連動して交流電位信号の測定を行うと、移動距離１cm毎に１点の実測データを取得することが可能である。比抵抗マッピングには５０cm〜１ｍ程度毎に１点の測定データが得られれば精度は十分であるから、例えば５０cmとしても５０点の実測データが得られる。そこで、５０個の実測データのスタッキングを行う。測定値範囲の上限と下限（しきい値）を設定し、その範囲で実測データが得られたものについて、実測データを加算し、加算した回数で割算することで平均値を出す。キャパシタ電極装置は、地盤上を牽引されるため、地盤との接触状態が時々刻々変化し、その影響を受けるが、このようなスタッキング処理をリアルタイムで行うことによって、ノイズを除去でき測定精度は向上する。
【００２６】
スタッキング処理した測定データに基づいて上記のように計算した直流比抵抗は、次にスムージング処理を行うことで更にノイズが除去される。スムージング処理とは、例えば５０cm区間毎の測定データを５ｍの範囲にわたる１０点についての移動平均をとって、測定データの移動距離に対する変化を滑らかにする処理である。これを次々に行って、極端な測定データをはじき出し、測定データの信頼性を高めるのである。このスムージング処理を経たデータを用いて２次元解析を行う。
【００２７】
２次元解析法は、電気探査法（直流）において普通に用いられている方法であってよい。例えば、リニアフィルタ法などの逆解析法を用いる。これによって、真の地盤構造（比抵抗分布）が明らかになる。
【００２８】
なお、図４に示す実施例のマット形状では、頂部付近の連結用係合穴から底辺中央部の連結用係合穴までの距離が１ｍであるので、６個連結することで全長は６ｍとなる。このような構成では、地表面から６ｍ程度までの深度の地盤の比抵抗分布を求めることができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は、キャパシタ法による多チャンネル電気探査法において、得られた多チャンネル測定データに基づく交流の見掛け比抵抗から、周波数効果を勘案した直流法比抵抗を求めているため、各電位電極で得られる測定データの交流使用に起因する減衰を適正に補正することができ、直流電気探査と同等の解析手法で精度よく２次元解析を行い、地盤構造を求めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法によるデータ処理のフローチャート。
【図２】電流電極と電位電極の配置関係を示す説明図。
【図３】キャパシタ法の周波数効果を示すグラフ。
【図４】送信部と受信部の構造例を示す平面図。
【図５】その送信装置の一例を示す回路ブロック図。
【図６】その受信装置の一例を示す回路ブロック図。
【図７】キャパシタ法による電気探査システムの使用状態を示す説明図。
【符号の説明】
２０送信部
２２電流電極
２４送信装置
３０受信部
３２電位電極
３４受信装置

Claims

一対の電流電極と該電流電極からの距離が異なる複数対の電位電極を備えたキャパシタ電極装置を、測定対象地盤の表面に沿って牽引し、前記一対の電流電極間に交流電圧を印加して地盤内に通電し、地盤の電位を前記複数対の電位電極で検出すると共に、そのときの測定点の位置データを検出し、各電位電極対で検出した電位データから交流の見掛け比抵抗を求め、使用する交流の周波数及び電流電極と電位電極との距離による減衰を補正するように均質地盤の直流比抵抗に換算し、その換算した直流比抵抗と位置データに基づき２次元解析を行い真の地盤構造を求めることを特徴とするキャパシタ法による多チャンネル電気探査方法。
各電位電極対で検出した電位データを、リアルタイムでスタッキング処理することにより一定区間毎に１組の電位データを求め、求めた電位データに基づき均質地盤の直流比抵抗に換算し、次に各測定区間に対する前記直流比抵抗の関係を全ての測定区間にわたってスムージング処理し、そのスムージング処理後の直流比抵抗と前記測定区間を表す位置データに基づき２次元解析を行う請求項１記載のキャパシタ法による多チャンネル電気探査方法。
電流電極と電位電極とを相向型電極配置とし、得られた電位データからこの電極配置における交流の見掛け比抵抗を求め、他方、この電極配置における交流の見掛け比抵抗を表す計算式に上記で求めた交流の見掛け比抵抗を代入して、交流の周波数及び電流電極と電位電極との距離による減衰を補正した均質地盤の直流比抵抗に換算する請求項１又は２記載のキャパシタ法による多チャンネル電気探査方法。