電力工程場地土壤電阻率測試方法分析

戴 春，王 偉，田 磊

(1. 深圳新能電力開發(fā)設(shè)計院有限公司， 廣東 深圳 518052；2.深圳供電規(guī)劃設(shè)計院有限公司， 廣東 深圳 518054)

0 引言

隨著我國電力事業(yè)的飛速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，系統(tǒng)電壓安全等級不斷提高，系統(tǒng)電壓等級不斷提高，系統(tǒng)容量不斷增大，接地短路電流越來越大，一個安全有效的接地裝置顯得越來越重要。而接地電阻值是接地裝置重要設(shè)計參數(shù)，一個準(zhǔn)確有效的接地電阻值直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運行[1]。變電站各設(shè)備、配件的接地體為場地土壤，若土壤電阻率測試偏小，造成接地體電阻值設(shè)計值偏小，會造成安全隱患；反之又會造成不必要的資源浪費。因此如何經(jīng)濟、準(zhǔn)確地測量土壤電阻率是關(guān)鍵。而土壤電阻率測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性取決于測量人員對影響土壤電阻率的巖土特征因素、各測量方法的適用條件和使用范圍的了解程度，以及對電阻率測試方法的熟練程度。

1 土壤電阻率的影響因素

影響土壤電阻率的巖土特征主要包括礦物組分與接觸關(guān)系、孔隙水的導(dǎo)電性與含量、巖土體溫度(地溫)及圍壓條件等[2]。

1) 巖土體礦物組分及接觸關(guān)系

巖土體礦物組分及接觸關(guān)系決定其電阻率大小，其中礦物顆粒的接觸關(guān)系起重要作用，礦物組分的導(dǎo)電性和含量大小起次要作用。巖土體的礦物顆粒的接觸關(guān)系主要表現(xiàn)為蜂窩形(包圍形)、鑲嵌形(彼此交叉接觸排列)、單粒形(被包圍形)三種類型，蜂窩形的礦物成分對巖土體的電阻率起主導(dǎo)作用，鑲嵌形的礦物成分按含量的多少及導(dǎo)電性的強弱成比例，而單粒形的礦物成分對巖土體的電阻率影響不大。

2)巖土體中的孔隙水

巖土體中的孔隙水因含有某些鹽分(電解質(zhì))而形成電解液，其電阻率都遠(yuǎn)小于巖土體礦物的電阻率(巖土體孔隙水的電阻率很少超過10 010 Ωm，通常在1 ～10 Ωm，與水的總礦化度成反比關(guān)系)；根據(jù)在飽和條件下巖土體的電阻率ρ=ρ水·(3/ω-1)可知巖土體的電阻率與孔隙水含量成反比，與孔隙水的電阻率成正比[3]；另外在孔隙水為弱結(jié)合水(薄膜水)轉(zhuǎn)變?yōu)槊?xì)水、自由水的過程中，隨著孔隙水含量增多巖土體的電阻率會急劇變小。

3)巖土體溫度

巖土體電阻率與溫度的關(guān)系主要體現(xiàn)在其所含礦物成分及孔隙水與溫度的關(guān)系：當(dāng)巖土體組成礦物成分為電子導(dǎo)電礦物或礦石時，電阻率隨溫度升高而上升；為離子礦物時電阻率隨溫度升高而降低。在地表20 ～25 m 地段，巖土層不受季節(jié)影響，保持當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟萚4]。

4)巖土體所處圍壓

巖土體電阻率隨圍壓升高而逐漸降低，即隨著測量深度增大，在含水量不變或無地下水影響的情況下，相同巖土體的電阻率會逐漸變低[5]。

2 土壤電阻率的測量方法

常用的測量裝置有二極裝置、三極裝置、中間梯度裝置和對稱四極裝置等。在變電站場地電阻率測量中，由于變電站場地面積規(guī)模不同、地形地貌不同、電阻率測試范圍和深度要求不同，所要求的測試方法也有所不同，常用的測試方法及裝置有電測井法(三極裝置)、電測深法(對稱四極裝置)和高密度電法(對稱四極裝置)。

2.1 測試原理

1)電測井法(三極裝置)[6]：通常采用雙測量電極進(jìn)行測量，把供電電極B放在地面，供電電極A和測量電極對MN放在井內(nèi)，這樣可以近似地把B極看作與A極相距無窮遠(yuǎn)，因而B點對MN的影響可以忽略不計，則A點可以看作為點源。假定介質(zhì)是均勻且?guī)r層厚度是無限厚的，那么放井中的A點的電源場的等位面就是一個球面，通過測量M、N電極間的電位差△UMN及電流計的電流IAB，根據(jù)巖土層電阻率ρ和△UMN、IAB之間的關(guān)系即可求得巖土層電阻率ρ。

式中：K為電極裝置系數(shù)；在測量中采用雙測量電極，電極裝置系數(shù)K。

2)電測深法(對稱四極裝置)[6]：該方法把兩供電電極A、B，兩測量電極M、N按A、M、N、B的順序沿地表直線排列打入土中一定深度，并保持MN基本不動(AB/30

高密度電法是常規(guī)電阻率測深法和電阻率剖面法的組合形式[6]。其基本原理與常規(guī)的電阻率測深法完全相同，采用的裝置也是對稱四極裝置，均是通過供電電極A、B極向地下供電流，然后在測量電極MN極測量電位差，從而求得該點(MN中心點O)在AO極距下的電阻率，土壤電阻率的計算公式及電極裝置系數(shù)K與上式(1)、(3)相同。

2.2 各測試方法及優(yōu)缺點

三種測試方法介紹、適用條件及優(yōu)缺點如表1、表2 所示。

表1 三種測試方法布置簡介

表2 各測試方法適用條件及優(yōu)缺點

2.3 各測試方法成果數(shù)據(jù)特征

如表3 所示成果數(shù)據(jù)特征為同一場地利用不同測試方法所得視電阻率數(shù)據(jù)，排除表中5 ～6 m 段數(shù)據(jù)異常(據(jù)原成果資料描述“鉆孔上部鋼套管的影響，導(dǎo)致視電阻率假象異?！?，能清晰反映出電測井法所得數(shù)據(jù)與高密度法所得數(shù)據(jù)相近略微偏小，而電測深法所得數(shù)據(jù)較前。

表3 同一場地不同測試方法成果數(shù)據(jù)特征

兩者所得數(shù)據(jù)明顯偏高； 如圖1、圖2 所示高密度電法成果剖面不但可以根據(jù)實測剖面對應(yīng)點位置按克里格網(wǎng)格化方法插值提取不同深度的視電阻率數(shù)據(jù)，而且可以通過剖面視電阻率分布。

圖1 JTD4視電阻率測試電性剖面圖及視電阻率等值線分布圖(高密度電法)

圖2 高密度電法成果特征(電阻率剖面圖)

特征及異常特征解譯場地孤石分布等工程地質(zhì)特征。

3 土壤電阻率測試方法選擇

根據(jù)目前輸變電工程場地位置、巖土特征及土壤電阻率的測量深度，結(jié)合各土壤電阻率測試的方式的適用范圍及優(yōu)缺點，對不同工程需選用何種土壤電阻率測試方法建議如下。

3.1 變電站工程場地電阻率測試方法選取

1) 非巖溶、土洞區(qū)或基礎(chǔ)影響范圍無溶洞、土洞、孤石分布的場地：山區(qū)、丘陵等比四周地形明顯高出的地段，地下水位埋深一般較大，場地范圍內(nèi)地形起伏不大的宜優(yōu)先考慮電測深法，地形起伏大或設(shè)計場地標(biāo)高與現(xiàn)狀場地標(biāo)高相差較大的宜在場地平整后采用電測深法進(jìn)行土壤電阻率測量；個別地下水較淺或孔內(nèi)水位及泥漿水位保持時間滿足測量需要時宜采用電測井法。對于盆地、山坳等比四周地形低或山前沖積、洪積平原等平緩地段，地下水位埋深較淺，優(yōu)先考慮電測井法，當(dāng)測量所需水位不滿足測試要求或地起伏不大時可選用電測深法。

2) 基礎(chǔ)影響范圍有溶洞、土洞、孤石分布的場地：一般需要開展一定的物探工作，以結(jié)合鉆探資料證實巖土分布特征，因此開展土壤電阻率測試可優(yōu)先選用高密度電法，既可提供準(zhǔn)確的土壤電阻率資料，又能通過剖面電阻率異常結(jié)合鉆孔資料準(zhǔn)確反映場地的巖土分布特征，保證了巖土勘察成果質(zhì)量同時又減少了物探工作量。該類場地鉆探時多有漏水或下套管成孔，難以采用電測井法進(jìn)行土壤電阻率測試，且有套管影響時測量結(jié)果不準(zhǔn)確，因此不宜采取電測井法。

3.2 架空線路工程塔基場地電阻率測試方法選取

由于塔基場地在土壤電阻率測量深度方面要求不高，僅需淺部巖土電阻率資料，且塔基多位于高聳凸立地段，因此通常采用電測深法進(jìn)行土壤電阻率測量。

3.3 配電房工程場地電阻率測試方法選取

配電房多位于城鎮(zhèn)居民區(qū)，地形平坦，該類工程一般僅需場地淺層土壤電阻率成果，通常采用電測深法進(jìn)行土壤電阻率測量；若進(jìn)行了鉆探工作亦可采用電測井法且能準(zhǔn)確得到更大深度范圍的土壤電阻率成果。

4 結(jié)論

通過對影響土壤電阻率的巖土特征、三種常規(guī)測量土壤電阻率的測試方法、測試原理及每種測試方法的適用條件和優(yōu)缺點進(jìn)行理論分析，結(jié)合當(dāng)前各類輸變電工程的場地特征，根據(jù)近幾年來各項輸變電工程場地電阻率測試報告所使用方法及取得的成果資料，總結(jié)出各測試方法的適用范圍：① 電測深法適用于地勢較高但測區(qū)地形起伏不大、測試深度較淺的場地，尤其架空線路塔基場地等；②電測井法適用于地下水埋深淺且有鉆探工作同步進(jìn)行的場地，尤其地勢較低的配電房及變電站場地等；③高密度電法適用于地基復(fù)雜，測區(qū)范圍大、測試深度較大的場地，尤其溶洞、土洞發(fā)育的巖溶區(qū)及孤石較多的花崗巖區(qū)等電壓等級較高的變電站場地。