杜永兵

（中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

國內(nèi)電力事業(yè)建設(shè)迅速，電網(wǎng)覆蓋不斷完善，電壓及其安全級別也隨著技術(shù)的成熟而漸漸提升。在系統(tǒng)容量持續(xù)擴大中，接地短路電流值明顯提高，而且確保接地模塊穩(wěn)定是保障電網(wǎng)安全的有效思路。電阻是評估接地效能的重要指標，應(yīng)當加強對其的測試力度。

1 影響土壤電阻率的要素

（1）巖土體礦物組分和接觸狀態(tài)，決定著電阻率實際數(shù)值，其中后者的影響力更大，前者自有的導(dǎo)電能力與含量均發(fā)揮次要作用。簡單來講，礦物顆粒之間的接觸狀態(tài)實際分成蜂窩狀、鑲嵌式、單粒狀，其中蜂窩狀對電阻率的影響更大，而鑲嵌式礦物成分是由具體含量與導(dǎo)電能力決定其影響力，剩下的單粒狀不會對土壤電阻率有明顯的作用。

（2）巖土體內(nèi)的孔隙水。此類孔隙水的鹽分含量偏高，容易產(chǎn)生電解液，但其電阻率始終在巖土體礦物之下?？紫端娮杪室话闾幱?～10Ω·m 之間，和水礦化度為反向變動。如果是飽和狀態(tài)，巖土體電阻率和孔隙水含量是負相關(guān)，和其電阻率是正相關(guān)。同時，孔隙水是弱結(jié)合水，逐漸轉(zhuǎn)化成毛細水與自由水，在孔隙水逐漸增加中，電阻率隨之下降。

（3）巖土體溫度。這項影響要素的實際表現(xiàn)是礦物成分和孔隙水與溫度的聯(lián)系，在巖土體礦物具有導(dǎo)電性，電阻率會在溫度上升中相應(yīng)提高，如果是離子礦物，電阻率則在溫度提高中反向變動。在20～25m 深的地層中，不會被自然季節(jié)變化影響，溫度常年基本不變。

（4）巖土體的圍壓。圍壓提高中，電阻率會隨之下降。也就是說，在測量深度提高中，不考慮含水量與地下水的干擾，巖土體電阻率會漸漸下降。

2 電力項目土壤電阻率測試方法分析

根據(jù)測試設(shè)備劃分，電阻率測試中可選擇二極、三極、中間梯度、對稱四級等不同裝置。電力項目中，因為場地內(nèi)的空間、地表形態(tài)、測試區(qū)域、深度參數(shù)等條件的差異，適宜的測試方法會有差異。比較常見的方式是三極裝置的電測井法與對稱四極裝置的電測深法、高密度電法。

2.1 方法原理

電阻率屬于土壤一項基本物理特性，單位正方體范圍內(nèi)，相對面之間會受到電場的影響，而電阻率就是對電流的導(dǎo)電作用。通常是1m單位體積中，土壤電阻值就是其電阻率。對此項參數(shù)進行測試，主要是為了保障接地設(shè)計的合理性。以對稱四極電測深法為例，根據(jù)圖1 所示，將兩個供電電極（A、B）以及測量電極（M、N），以A、M、N、B 排序，順著場內(nèi)地表，直線式打進土體內(nèi)，測試過程中確保到測量電極固定不動。布極之處，AM 與NB 相等，在漸漸變大及變小中，根據(jù)MN 中心點的位置，測量各個深度條件下的土壤電阻率。相關(guān)計算公式如下。

圖1 對稱四極電測深法布極

其 中：ρ——電 阻 率，Ω·m；K——電 機 裝 置 系 數(shù)；ΔU——測量電極間的電壓值，V；I——供電電極間的電流值，A；AM 與AN、MN——電極的間距，m。

高密度電法屬于普通電阻率測深與剖面兩種方法的結(jié)合體，運行原理和測深法一致，野外作業(yè)所選的設(shè)備，同樣為對稱四極裝置，都是借助供電電機往地下輸送電流，隨后測量M、N 電極的電位差，由此確認MN 中心點的電阻率。

2.2 適用條件

電測深法對場地平整度有較高的要求，需要測試區(qū)域地表平整或是沒有明顯起伏的條件。通過該方法得出的突然電阻率結(jié)果，其誤差主要受到以下4 個方面的影響：①地表形態(tài)，起伏越明顯，誤差相對更大，要根據(jù)地形特點加以修正。②測量電極之間、供電電極之間的距離，在距離增加中，誤差會隨之加重，并且在測量深度加大中，誤差會變大。③供電電極和測量之間的距離越遠，誤差會逐漸縮小。④場地土壤自身的物理性質(zhì)改變，特別是含水率。

電測深法的應(yīng)用優(yōu)勢在于，其測試過程不會被地下水位干擾，如果場地環(huán)境較好，測點布置比較靈活。測試實踐中，技術(shù)員用到的設(shè)備，裝配難度小，容易操作，總體工作成本不高。另外，該種測試方法的缺點也比較明顯，其極易被地形條件限值，起伏略大就導(dǎo)致測試結(jié)果誤差增加。并且支持測量深度范圍較小，并且在深度增加中，誤差會隨之加大。

同樣使用四極裝置的高密度電法，也容易被現(xiàn)場平整度限制，相對適用測量場地范圍大，地表平整的項目。通過該方法進行電阻率測量，引起結(jié)果誤差的因素和電測深法相同。其應(yīng)用優(yōu)勢也和上一種類似，地下水位對測試準確性沒有任何影響，儀器安設(shè)操作簡單，支持自動獲取測試結(jié)果，而且根據(jù)電阻率的剖面圖，技術(shù)員能直觀發(fā)現(xiàn)各測點的異常，比如分層、孤石、斷裂與溶洞等。該測試方法的使用缺陷主要有：容易被地表形態(tài)干擾，并且支持測試的土層深度有限，深度增加中，誤差會有所提高，現(xiàn)場規(guī)劃區(qū)需保障物理空間足夠。此外，和上一種方法相比，高密度電法的投資成本更多，比較適合用于測量土壤電阻率和其他探測數(shù)據(jù)驗證的項目。

2.3 方法選擇

在變電項目場地內(nèi)，電阻率測試要結(jié)合工程所處點位、巖土條件特點、測量深度等進行方法篩選。變電項目中，場地不屬于巖溶及土洞，或者在基礎(chǔ)影響區(qū)域內(nèi)沒有孤石、溶洞及土洞。在此種環(huán)境前提下，與丘陵及山區(qū)等類似，周邊低、中間明顯高的地表形態(tài)場地，并且地下水位片普遍偏深的場地，以及場地范圍內(nèi)地形起伏較小的項目，應(yīng)當首要選擇電測深法。如果項目場地內(nèi)，地形起伏明顯、設(shè)計和實際的場地標高有較大差值，需要提前將場地進行平整處理，才能運用電測深法，測試場地內(nèi)土壤電阻率。另外，對于地下水偏淺以及孔中水位和泥漿水位穩(wěn)定時間較長，建議選擇電測井方法。而類似于盆地，周圍高于中間，以及沖積平原等較為平緩的場地，并且地下水深度不大，可以優(yōu)先選擇電測井法。在測量水位條件未達到測試標準，以及地表形態(tài)起伏較小的場地，建議選擇電測深法。

基礎(chǔ)影響區(qū)域內(nèi)，存在溶洞、孤石及土洞的項目。通常面對該種工程，技術(shù)員要進行適宜的物探處理，如此才能根據(jù)現(xiàn)場鉆探數(shù)據(jù)，確認巖土分布狀況，所以，測試電阻率中，建議選擇高密度電方法。不僅能獲取比較精準的電阻率數(shù)據(jù)，還可以借助巖土剖面上的電阻率情況，參考鉆孔信息，比較精確地體現(xiàn)出場地內(nèi)巖土分布特點，確保巖土勘察結(jié)果的品質(zhì)，并能控制前期物探的任務(wù)量。此種場地條件下進行鉆探處理，經(jīng)常會出現(xiàn)漏水及下套管成孔的情況，很難發(fā)揮出電測井法的作用。再加上套管的干擾，導(dǎo)致測量的電阻率并不精準，所以不建議選擇電測井法。

3 電力項目土壤電阻率測試方法的應(yīng)用

廣東省500kV 電白輸變電工程，規(guī)劃場地南側(cè)600m 左右是高速公路，東北側(cè)2km 左右是觀珠鎮(zhèn)。本項目電阻率的測試任務(wù)是在地表下0～60m 的區(qū)域。外業(yè)操作共有五日，需要進行13 處測點的工作。在該項目場地中，站址是花崗巖的剝蝕殘丘，地表起伏不大，并有良好的植被發(fā)育，大多數(shù)是經(jīng)濟作物，區(qū)域內(nèi)局部開發(fā)程度不高。總體來看，擬建區(qū)域的地球物理電性并不復(fù)雜，淺表相對偏高，中間略低，具有深部高電的特點，各個區(qū)域的電性有所不同。

3.1 儀器設(shè)備

本項目選擇的測試設(shè)備是DDC-BA 型號儀器（圖2），在使用前經(jīng)過技術(shù)校準。此型號儀器在面對50Hz 的工頻干擾時，壓制程度好于80dB。在現(xiàn)場測試中，四個電極和儀器外殼的絕緣電阻均超過300MΩ，同時，供電及測量線路、設(shè)備外殼，絕緣電阻超過100MΩ。本次測量中使用的導(dǎo)線，其本身的導(dǎo)電性能較佳，而且絕緣性能較佳，材質(zhì)柔軟抗拉。另外，該導(dǎo)線的電阻值不足10Ω/km；絕緣電阻超過2MΩ/km，達到電力工程的物探技術(shù)標準。

圖2 DDC-8A 型電阻率儀

該電阻率儀各個部分的技術(shù)參數(shù)為：①接收模塊。電壓區(qū)間是±32V，屬于24 位A/D；電壓分辨率是luV；電壓數(shù)值精度，在電壓超過3mV 的情況下，精度未超過5‰，電壓沒有超出3mV 時，測量精度在±luV。電流測量區(qū)間是0～5000mA；分辨率是10uA；測量精度是±5‰。儀器輸入阻抗達到50MΩ；對于50Hz 工頻的干擾壓制程度超過80dB；SP 補償，儀器支持全量程動態(tài)跟蹤進行數(shù)字補償。②發(fā)射模塊。供電電壓最高限值是1000V；電流最高限值是5A；輸出功率最高是5000W。儀器運行中，正供以及停供時長都是0.5～60s。另外，發(fā)射模塊還自帶過壓及過流保護，有利于現(xiàn)場測試的安全性。③工作溫度在（-10）℃～（+50）℃。

3.2 野外測試

本項目選擇的是對稱四極電測深法，野外測試作業(yè)中，站址場地范圍內(nèi)均分布測點，現(xiàn)場布點是按照設(shè)計師確認的點位坐標，技術(shù)員利用手持定位設(shè)備，完成實地測點放樣。供電與測量電極的間距設(shè)置根據(jù)設(shè)定參數(shù)布設(shè)，在本次野外測試中，供電電極的最遠間距（AB/2）是180m，包含13 處測點，供電電壓數(shù)值最大數(shù)值是380V。

考慮到電測深法，放線盡可能選擇地表變化偏小的區(qū)域。并且為確保采集到的原始信息具備可靠性，各組數(shù)據(jù)均應(yīng)當連續(xù)測試2 回，并確保記錄重復(fù)誤差在±5%以內(nèi)。四個電極均需布置在一條線上，誤差間距需在電極間距的5%以內(nèi)?，F(xiàn)場測線布設(shè)中，技術(shù)員要結(jié)合場地內(nèi)的地形地貌，與工程建設(shè)條件，做好綜合性定位。

3.3 結(jié)果推演

場內(nèi)測試中，技術(shù)人員逐次調(diào)整供電電極的距離，增加探測深度，從淺到深，分析地表之下的巖土層縱向上，土壤電阻率情況與分布規(guī)律。技術(shù)員直接在雙對數(shù)的坐標中，繪制測試數(shù)據(jù)的變化曲線，借助軟件模擬，逆向推演出各個電性層中的實際電阻率。實際推演運行過程為：在VES-2005 版程序中導(dǎo)入實測值，生成相應(yīng)曲線圖，經(jīng)過曲線平滑修正后，進行擬合分析，在平均方差在5%以內(nèi)，就可直接輸出記錄保存，反之需重新擬合分析，直至平均方差達到精度標準后才能輸出。

3.4 測試結(jié)論

本項目測試土壤電阻率時，以降雨為主，地表比較潮濕。該電力工程場地內(nèi)，地表起伏不大，上層土體是第四系的花崗巖殘積土。此土層包含粘性土、風(fēng)化角礫以及石英顆粒等，存有少量孤石。在場地內(nèi)淺層土體中，石英儲存量較大，而且其電阻率值都超過下方土體?？v向來看，測試電阻率60m 深的土層中，絕大部分的測點深部電阻率數(shù)據(jù)，都反映出隨著深度加大逐漸提高的分布規(guī)律。出現(xiàn)此種情況的主要原因應(yīng)當是花崗巖本身的風(fēng)化特點。僅有一處測點的數(shù)據(jù)表現(xiàn)略有不同，其深部電阻率反映正常，60m 處有較大幅度的衰減，這意味著該點及其附近可能會有構(gòu)造裂隙帶，在電力施工中應(yīng)當格外注意。

4 結(jié)語

結(jié)合實測案例，電測深法的可用性較佳，適合地勢起伏與目標深度較小、存在鉆探作業(yè)的測試項目中，特別是變電站與配電房等電力工程。實踐中，技術(shù)員要結(jié)合場地條件以及項目投資等諸多條件，選擇合適的測試方法，保障電阻率數(shù)據(jù)的準確度。