電力工程中極址區(qū)域地電阻率適宜性評價(jià)

鄭 斌，石 川

（中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071）

地電阻率是電力工程中接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的重要參數(shù)，也是極址選擇的重要參考依據(jù)。對地電阻率影響因素的認(rèn)識不足，一方面會導(dǎo)致極址選擇時(shí)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(dǎo)致現(xiàn)場地電阻率測量時(shí)不能準(zhǔn)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(rèn)識不同地質(zhì)因素對地電阻率的影響機(jī)理，對極址的選擇具有重要的意義。文章通過收集查閱文獻(xiàn)資料，結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)，分析了地形地貌、地層巖性、巖土體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件以及人類活動(dòng)等六種地質(zhì)因素對地電阻率的影響機(jī)理，并選擇以上六種因素作為評價(jià)因子，提出一種基于“專家打分”的極址區(qū)域地電阻率適宜性評價(jià)的方法。

1 地電阻率的地質(zhì)影響因素

1.1 地形地貌

有關(guān)地形地貌影響地電阻率的研究較少。彭剛認(rèn)為不同的地貌單元的地電特性差別較大，并通過實(shí)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(guān)系。對于山地，由于基巖或風(fēng)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(guī)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(tǒng)設(shè)計(jì)：山地地形復(fù)雜多變，地層結(jié)構(gòu)較平原地區(qū)更為復(fù)雜，地電阻率測量誤差也較大；而丘陵、平原地區(qū)地形和地層結(jié)構(gòu)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(gè)方面討論地層巖性對極址區(qū)域地電阻率的影響。

（1）土體電阻率。土體的導(dǎo)電能力取決于其內(nèi)部氧化物顆粒之間的水分和溶解鹽（導(dǎo)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(diǎn)：①顆粒組成：地基土顆粒越小，土層的架空現(xiàn)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(xì)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(dǎo)電離子。當(dāng)土體中含水量越大，其導(dǎo)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(nèi)部的導(dǎo)電離子濃度也越高，越有利于電荷的傳導(dǎo)，結(jié)果導(dǎo)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(dāng)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(nèi)易形成異常電阻帶，不利于電流的擴(kuò)散。⑤溫度：溫度降低至0 ℃以下，土體中水分將逐步凍結(jié)，導(dǎo)致地電阻率增加。相反，當(dāng)溫度升高至0 ℃以上，土體中導(dǎo)電離子的活性增加，土體電阻率逐漸降低；而當(dāng)溫度繼續(xù)升高并超過45 ℃，土體中的水粘度和張力會下降導(dǎo)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(shí)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(shí)，此時(shí)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(zhì)巖和沉積巖的電阻率依次變小。結(jié)構(gòu)緊密的巖石，其電阻率較高；結(jié)構(gòu)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(zhì)含量成反比。

1.3 巖土體結(jié)構(gòu)

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(fù)合層狀分布等。復(fù)雜多變的巖土體分布方式，給接地極區(qū)域地電阻率的測量帶來較大影響，同時(shí)也影響接地極地表電位的計(jì)算。目前常用的地表電位計(jì)算模型有水平分層、垂直分層以及兩者疊加一起的復(fù)合分層（圖1），以上計(jì)算模型只適用于地層結(jié)構(gòu)簡單的極址區(qū)域。對于復(fù)雜的巖土結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)果差強(qiáng)人意。因此，極址應(yīng)首先考慮地層結(jié)構(gòu)簡單，層位分布均勻的場地，此類場地便于建模和計(jì)算，同時(shí)準(zhǔn)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(jù)不同巖土地電阻率高低關(guān)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(jié)果與真實(shí)值存在差異。因此，極址區(qū)域地電阻率的測量應(yīng)根據(jù)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(zhì)構(gòu)造

巖土體中存在斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造體，在空間上導(dǎo)致巖土體分布不連續(xù)，同時(shí)導(dǎo)致巖土體工程性質(zhì)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(tǒng)的正常運(yùn)行。

斷層或斷裂破碎帶是影響接地極區(qū)域地電阻率的主要構(gòu)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(zhì)的彈性模量和泊松比顯著小于周圍地質(zhì)體，導(dǎo)致區(qū)域范圍內(nèi)介質(zhì)應(yīng)變空間分布不均勻，進(jìn)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(qū)往往沿?cái)鄬訋Оl(fā)育，這也在一定程度上降低了斷層帶地質(zhì)體的地電阻率。

1.5 水文地質(zhì)條件

文章從地下水位，地下水礦化度和地下水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)三個(gè)方面探討以地下水條件為代表的水文地質(zhì)條件，對接地極區(qū)域的地電阻率的影響。

（1）地下水位。極址區(qū)域的地電阻率隨地下水位的持續(xù)上升或者下降會發(fā)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(shí)，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(wěn)定的地下水有利于入地電流的擴(kuò)散，同時(shí)能夠減弱接地極運(yùn)行的熱效應(yīng)，對接地系統(tǒng)的運(yùn)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(qū)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(qū)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(dǎo)致極址運(yùn)行時(shí)發(fā)生電流外溢。

（2）地下水礦化度。地下水的礦化度較高時(shí)，水中導(dǎo)電礦物質(zhì)離子含量相應(yīng)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(jìn)入周圍地質(zhì)體中，最終可能造成地質(zhì)體內(nèi)導(dǎo)電離子增加而進(jìn)一步降低地電阻率。

（3）地下水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。處于流動(dòng)狀態(tài)的地下水對地電阻率的影響更大，一方面加快導(dǎo)電離子在水中的運(yùn)移以及與周圍地質(zhì)體的交換；另一方面，流動(dòng)的地下水能夠減弱接地系統(tǒng)運(yùn)行過程中對周邊環(huán)境的熱效應(yīng)。

1.6 人類活動(dòng)

對地電阻率具有顯著影響的人類活動(dòng)主要為大型帶有導(dǎo)電性質(zhì)的構(gòu)筑物的修建，如接地的變電站、大型金屬管道（網(wǎng)）等。這些構(gòu)筑物具有良好的導(dǎo)電性，一方面造成構(gòu)筑物附近地電阻率測量值顯著減小；另一方面提供了一個(gè)電阻較小的通道，導(dǎo)致電流經(jīng)通道大量外泄，影響一定范圍內(nèi)地電位差，給周圍環(huán)境形成威脅。此外，無機(jī)或有機(jī)生產(chǎn)廢棄物排放在自然環(huán)境中，將影響大地電阻率。無機(jī)廢棄物如垃圾填埋場滲透液，含有大量導(dǎo)電離子，當(dāng)滲透進(jìn)入巖土體內(nèi)會顯著降低滲透范圍內(nèi)的地電阻率；有機(jī)廢棄物如柴油等液體，其作為絕緣體進(jìn)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(shí)應(yīng)避開以上大型導(dǎo)電構(gòu)筑物或無機(jī)和有機(jī)廢棄物排放區(qū)域。

2 極址區(qū)域地電阻率適宜性評價(jià)

2.1 評價(jià)方法

文章采用“宏觀評判”結(jié)合“專家打分”的方式評價(jià)擬選極址的地電阻率適宜性。首先收集極址區(qū)域地質(zhì)資料并篩選合適的備選極址，其次通過現(xiàn)場專項(xiàng)地質(zhì)勘察進(jìn)行宏觀評判，最后根據(jù)專家打分表（表2）按照公式（1）計(jì)算評價(jià)得分并結(jié)合宏觀評判結(jié)果進(jìn)行綜合評價(jià)，并根據(jù)評價(jià)結(jié)果選擇合適的極址區(qū)域，流程如圖2所示。

表2 地電阻率適宜性評價(jià)表

圖2 極址區(qū)域地電阻率適宜性評價(jià)流程圖

式中，dij為各評價(jià)因子，D為評價(jià)總分

2.2 極址地電阻率適宜性評價(jià)

（1）區(qū)域地質(zhì)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(qū)域內(nèi)的以下地質(zhì)資料：①比例尺為1∶ 5000-1∶ 50000，具有坐標(biāo)及換流站等擬定構(gòu)筑物位置的地形圖；②擬選區(qū)域的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)資料，尤其是大型區(qū)域斷裂，破碎帶等；③擬選區(qū)域的水文地質(zhì)資料，確定地下水位周期變化規(guī)律、含水層厚度、含水層分布規(guī)律、礦化度以及運(yùn)移狀態(tài)等。④擬選區(qū)域周邊已建或擬建大型地下金屬管道（網(wǎng)）、電力設(shè)施、通信設(shè)施、大型生產(chǎn)廠區(qū)、大型地下洞室等的坐標(biāo)、規(guī)模等資料；⑤實(shí)測或收集擬選區(qū)域的地電阻率分布資料。

（2）評價(jià)原則及結(jié)果。根據(jù)實(shí)測或收集得到的地質(zhì)資料，綜合考慮下列地質(zhì)原則，并結(jié)合表2按公式（1）給出擬選極址的評分，依據(jù)評分高低最終給出極址的備選區(qū)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(qū)；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(qū)。②地層巖性上，應(yīng)盡量避免高電阻率的基巖裸露區(qū)域，選擇地電阻率相對低的地區(qū)，如砂土出露區(qū)域、含水率較高的第四系覆蓋層區(qū)域等。③巖土體結(jié)構(gòu)上，應(yīng)以地層結(jié)構(gòu)簡單，分布均勻?yàn)橐耍缢綄訝罘植嫉膮^(qū)域，避免地層組合較為復(fù)雜的褶皺區(qū)域。④地質(zhì)構(gòu)造上，應(yīng)避開斷層或斷裂破碎帶等不良地質(zhì)構(gòu)造，選擇地質(zhì)構(gòu)造相對簡單的場地。⑤水文地質(zhì)上，應(yīng)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(wěn)定為宜，但是應(yīng)避免條帶狀分布的含水層。⑥人類活動(dòng)上，應(yīng)避開大型地下金屬管道、大型電力設(shè)施以及通信系統(tǒng)、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(jié)論與展望

地形地貌、地層巖性、巖土體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件以及人類活動(dòng)等是影響地電阻率的主要因素，在極址選擇時(shí)應(yīng)綜合考慮，并重點(diǎn)評價(jià)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(zhǔn)確依據(jù)。根據(jù)以上宏觀判斷，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)按照文章提出的極址區(qū)域地電阻率適宜性評價(jià)公式對不同極址進(jìn)行打分，對提高極址選擇的科學(xué)性和有效性有重要意義。該方法未能考慮不同評價(jià)因子對地電阻率的影響權(quán)重，后續(xù)工作建議研究各評價(jià)因子對于地電阻率的貢獻(xiàn)度，以提高評估準(zhǔn)確度。