電力工程中極址區域地電阻率適宜性評價

鄭 斌，石 川

（中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

地電阻率是電力工程中接地系統設計所需的重要參數，也是極址選擇的重要參考依據。對地電阻率影響因素的認識不足，一方面會導致極址選擇時未能充分對比分析不同極址的地電阻率差異，另一方面會導致現場地電阻率測量時不能準確選擇測量方法并有效識別干擾因素，為極址的正確選擇埋下隱患。因此，全面認識不同地質因素對地電阻率的影響機理，對極址的選擇具有重要的意義。文章通過收集查閱文獻資料，結合自身工作經驗，分析了地形地貌、地層巖性、巖土體結構、地質構造、水文地質條件以及人類活動等六種地質因素對地電阻率的影響機理，并選擇以上六種因素作為評價因子，提出一種基于“專家打分”的極址區域地電阻率適宜性評價的方法。

1 地電阻率的地質影響因素

1.1 地形地貌

有關地形地貌影響地電阻率的研究較少。彭剛認為不同的地貌單元的地電特性差別較大，并通過實測丘陵、沖積平原、瀉湖湖沼平原、沖積海積平原、海積平原五種地貌單元的地電阻率（表1），來分析地形地貌與土壤電阻率的關系。對于山地，由于基巖或風化巖埋深小甚至出露地表，土壤含水率低，大地電阻率普遍偏大。可見，不同的地貌單元電阻率具有以下一般規律，山地電阻率>沖擊平原地電阻率>低山丘陵地電阻率>瀉湖湖沼平原、沖積海積平原和海積平原的土壤電阻率。

表1 不同地貌單元地電阻率值

此外，不同的地形地貌給地電阻率的測量帶來誤差，影響視電阻率的大小，從而影響接地系統設計：山地地形復雜多變，地層結構較平原地區更為復雜，地電阻率測量誤差也較大；而丘陵、平原地區地形和地層結構也較為簡單，因而地電阻率測量誤差也較小。

1.2 地層巖性

文章從土體電阻率和巖體電阻率兩個方面討論地層巖性對極址區域地電阻率的影響。

（1）土體電阻率。土體的導電能力取決于其內部氧化物顆粒之間的水分和溶解鹽（導電離子），土體電阻率不是定值，其大小受多種因素影響，主要有以下幾點：①顆粒組成：地基土顆粒越小，土層的架空現象越少，地電阻率值越低，如，對于角礫和圓礫，其地電阻率值一般為150~340 Ω·m，而粉細砂的地電阻率值一般為57~90 Ω·m。②含水量：土體中的水多含有一定量的導電離子。當土體中含水量越大，其導電離子的含量也越大，土體的地電阻率也越小。③礦化度：土體的礦化度越高，其內部的導電離子濃度也越高，越有利于電荷的傳導，結果導致土體的地電阻率越小；反之，則越大。④均一性：土體均勻程度越高，其對地電阻率的測試離散型影響越小，所測值越具有代表性。當土體中夾有透鏡體，則地電阻率差異性較大，地電阻率在透鏡體范圍內易形成異常電阻帶，不利于電流的擴散。⑤溫度：溫度降低至0 ℃以下，土體中水分將逐步凍結，導致地電阻率增加。相反，當溫度升高至0 ℃以上，土體中導電離子的活性增加，土體電阻率逐漸降低；而當溫度繼續升高并超過45 ℃，土體中的水粘度和張力會下降導致水勢升高吸力下降，從而降低含水量，最終土體電阻率升高。⑥致密性：土體致密性越好，土體的密實程度越大，其電阻率越小。以粘土為例，保持含水量和溫度不變，將單位壓力由1 961 Pa增大到19 610 Pa時，此時電阻率下降到原來的65%。

（2）巖體電阻率。對于巖體，其電阻率取決于組成巖石的礦物成分、孔隙度、含水率、溫度、壓力等。一般而言，巖漿巖、變質巖和沉積巖的電阻率依次變小。結構緊密的巖石，其電阻率較高；結構松散的巖石，其電阻率低。透水率高的砂巖和礫巖，其地電阻率取決于含水條件， 地電阻率大小與含水量成反比，與孔隙水礦化度和電解質含量成反比。

1.3 巖土體結構

巖土地在空間中的分布方式多種多樣，一般可歸納為水平層狀分布、斜層狀分布、豎直層狀分布以及復合層狀分布等。復雜多變的巖土體分布方式，給接地極區域地電阻率的測量帶來較大影響，同時也影響接地極地表電位的計算。目前常用的地表電位計算模型有水平分層、垂直分層以及兩者疊加一起的復合分層（圖1），以上計算模型只適用于地層結構簡單的極址區域。對于復雜的巖土結構，計算結果差強人意。因此，極址應首先考慮地層結構簡單，層位分布均勻的場地，此類場地便于建模和計算，同時準確度較高。

圖1 巖土體空間分布示意圖

不同電阻率的巖土體組合方式也多種多樣。以水平分層為例，根據不同巖土地電阻率高低關系可歸納為“均勻型”“高-低型”和“低-高型”。對于垂直分層亦有類似組合方式。不同的巖土地組合方式下，地電阻率測量結果與真實值存在差異。因此，極址區域地電阻率的測量應根據地層組合方式的不同選擇合適的測量方法，以減小測量誤差。

1.4 地質構造

巖土體中存在斷層、褶皺等地質構造體，在空間上導致巖土體分布不連續，同時導致巖土體工程性質的各向異性，最終影響地電阻率的分布，并在一定程度上影響接地系統的正常運行。

斷層或斷裂破碎帶是影響接地極區域地電阻率的主要構造因素。大型斷裂帶，尤其是張性斷裂破碎帶，其寬度大、延伸長、控制范圍廣，斷裂帶介質的彈性模量和泊松比顯著小于周圍地質體，導致區域范圍內介質應變空間分布不均勻，進一步造成地電阻率空間分布異常而形成低阻帶。此外，條帶狀富水區往往沿斷層帶發育，這也在一定程度上降低了斷層帶地質體的地電阻率。

1.5 水文地質條件

文章從地下水位，地下水礦化度和地下水運動狀態三個方面探討以地下水條件為代表的水文地質條件，對接地極區域的地電阻率的影響。

（1）地下水位。極址區域的地電阻率隨地下水位的持續上升或者下降會發生周期性變化，且具有一定的滯后性。具體來說，地下水位大幅度上升時，巖土體含水率顯著增大，地電阻率隨之降低；反之，巖土體含水率顯著降低，地電阻率隨之上升。可見，水位高（含水層較厚）且穩定的地下水有利于入地電流的擴散，同時能夠減弱接地極運行的熱效應，對接地系統的運行是較為有利的。地下水位對地電阻率的影響同樣具有各向異性：平行于地下水含水層展布方向區域的地電阻率往往較低，而與地下水含水層展布方向垂直區域的地電阻率較高。條帶狀含水層分布易造成局部地電阻率降低，將導致極址運行時發生電流外溢。

（2）地下水礦化度。地下水的礦化度較高時，水中導電礦物質離子含量相應增大，地電阻率會大幅減小。地下水通過巖土體中的孔隙、裂隙等進入周圍地質體中，最終可能造成地質體內導電離子增加而進一步降低地電阻率。

（3）地下水運動狀態。處于流動狀態的地下水對地電阻率的影響更大，一方面加快導電離子在水中的運移以及與周圍地質體的交換；另一方面，流動的地下水能夠減弱接地系統運行過程中對周邊環境的熱效應。

1.6 人類活動

對地電阻率具有顯著影響的人類活動主要為大型帶有導電性質的構筑物的修建，如接地的變電站、大型金屬管道（網）等。這些構筑物具有良好的導電性，一方面造成構筑物附近地電阻率測量值顯著減小；另一方面提供了一個電阻較小的通道，導致電流經通道大量外泄，影響一定范圍內地電位差，給周圍環境形成威脅。此外，無機或有機生產廢棄物排放在自然環境中，將影響大地電阻率。無機廢棄物如垃圾填埋場滲透液，含有大量導電離子，當滲透進入巖土體內會顯著降低滲透范圍內的地電阻率；有機廢棄物如柴油等液體，其作為絕緣體進入巖土體后會附著于顆粒表面而改變電流流通方式，地電阻率隨之增大。因此，極址選擇時應避開以上大型導電構筑物或無機和有機廢棄物排放區域。

2 極址區域地電阻率適宜性評價

2.1 評價方法

文章采用“宏觀評判”結合“專家打分”的方式評價擬選極址的地電阻率適宜性。首先收集極址區域地質資料并篩選合適的備選極址，其次通過現場專項地質勘察進行宏觀評判，最后根據專家打分表（表2）按照公式（1）計算評價得分并結合宏觀評判結果進行綜合評價，并根據評價結果選擇合適的極址區域，流程如圖2所示。

表2 地電阻率適宜性評價表

圖2 極址區域地電阻率適宜性評價流程圖

式中，dij為各評價因子，D為評價總分

2.2 極址地電阻率適宜性評價

（1）區域地質資料。極址與換流站距離一般為8-50 km，因此選擇極址前，建議收集以換流站為中心直徑100 km區域內的以下地質資料：①比例尺為1∶ 5000-1∶ 50000，具有坐標及換流站等擬定構筑物位置的地形圖；②擬選區域的地形地貌、地質構造及水文地質資料，尤其是大型區域斷裂，破碎帶等；③擬選區域的水文地質資料，確定地下水位周期變化規律、含水層厚度、含水層分布規律、礦化度以及運移狀態等。④擬選區域周邊已建或擬建大型地下金屬管道（網）、電力設施、通信設施、大型生產廠區、大型地下洞室等的坐標、規模等資料；⑤實測或收集擬選區域的地電阻率分布資料。

（2）評價原則及結果。根據實測或收集得到的地質資料，綜合考慮下列地質原則，并結合表2按公式（1）給出擬選極址的評分，依據評分高低最終給出極址的備選區域。

①地形地貌上，盡可能選擇地勢平坦開闊的沖積、海積平原等近河海地區；對于丘陵或山地，極址盡可能選擇第四系覆蓋層厚度較大，地形較為平緩的地區。②地層巖性上，應盡量避免高電阻率的基巖裸露區域，選擇地電阻率相對低的地區，如砂土出露區域、含水率較高的第四系覆蓋層區域等。③巖土體結構上，應以地層結構簡單，分布均勻為宜，如水平層狀分布的區域，避免地層組合較為復雜的褶皺區域。④地質構造上，應避開斷層或斷裂破碎帶等不良地質構造，選擇地質構造相對簡單的場地。⑤水文地質上，應以具有豐富的地下水，地下水礦化度較高，地下水位較高且穩定為宜，但是應避免條帶狀分布的含水層。⑥人類活動上，應避開大型地下金屬管道、大型電力設施以及通信系統、大型垃圾填埋場等不利情況，以防入地電流通過這些低阻通道外泄。

3 結論與展望

地形地貌、地層巖性、巖土體結構、地質構造、水文地質條件以及人類活動等是影響地電阻率的主要因素，在極址選擇時應綜合考慮，并重點評價地層巖性、斷裂帶和地下水的地電阻率特征，為極址選擇提供準確依據。根據以上宏觀判斷，結合專家經驗按照文章提出的極址區域地電阻率適宜性評價公式對不同極址進行打分，對提高極址選擇的科學性和有效性有重要意義。該方法未能考慮不同評價因子對地電阻率的影響權重，后續工作建議研究各評價因子對于地電阻率的貢獻度，以提高評估準確度。