中部非洲西部地区地表电阻率特征

2013-08-29魏树满高燕和张美多

资源环境与工程 2013年4期

魏树满，高燕和，张美多

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

0 引言

中部非洲是指从撒哈拉沙漠与非洲大陆西部突起部分合围的广大纵深地区，不包括东非大裂谷西部。该地区一般是指中非共和国、喀麦隆、赤道几内亚、加蓬、刚果共和国(简称“刚果(布)”)、刚果民主共和国(简称“刚果(金)”)、圣多美和普林西比等7 个国家。该地区水量完全依赖刚果河及其支流，流域面积仅次于亚马逊河，属热带雨林气候，常年湿热。

喀麦隆曼维莱水电站、刚果(布)英布鲁水电站、刚果(金)ZONGOⅡ水电站分布在中部非洲的西部地区(见图1)，本文通过总结3 座水电站的电阻率测试成果，以点带面地归纳了该地区地表电阻率的一般性特征，并对其成因进行了粗浅分析，旨在为同行和设计人员提供一些参考。

1 曼维莱水电站

1.1 工程简介

曼维莱水电站位于喀麦隆南部紧邻赤道几内亚的恩特姆河(NTEM)主干流上，地处热带丛林地区，距首都雅温得340 km。采用低坝挡水，长引渠引水，埋置式地下厂房，长尾水布置的方式。总装机容量201 MW，水库总库容1.3 亿m3。

1.2 地形、地质简况

工程区位于喀麦隆南部，属高原地带，海拔高程400～700 m，地表有浓密的热带雨林。

地层岩性主要为下元古界Ntem 组花岗片麻岩(Pt1N)以及辉绿岩、花岗闪长岩等。第四系堆积物分布广泛，按成因可分为冲积、坡积、残积和湖积等类型。

1.3 电阻率测试结果

1.3.1 水的电阻率

实测恩特姆河水的电阻率为660～755 Ω·m，平均值为716 Ω·m;地下水(井水)的电阻率为223～234 Ω·m，平均值为229 Ω·m;雨水的电阻率为3 518～3 526 Ω·m，平均值为3 521 Ω·m。

图1 地理位置示意图Fig.1 Schematic diagram of geographical position

1.3.2 岩土体电阻率

工程区覆盖层主要为第四系棕黄色粉质粘土和棕红色粉质粘土，对称四极电测深多呈D 型曲线(如图2)。棕黄色粉质粘土的电阻率为2 640～3 641 Ω·m，平均电阻率值为3 263 Ω·m;其下部的棕红色粉质粘土的电阻率为436～550 Ω·m，平均电阻率值为500 Ω·m。

下元古界花岗片麻岩和辉绿岩的实测电阻率为2 000～8 000 Ω·m.。

图2 C2K-3 点电测深曲线Fig.2 Electrical sounding curve of C2K-3

2 英布鲁水电站

2.1 工程简介

英布鲁水电站位于刚果(布)首都布拉柴维尔以北215 km 处的刚果河一级支流莱菲尼河(LEFINI)上，距刚果河河口14 km，为河床径流式水电站，项目总装机容量为120 MW，由4 台30 MW 机组组成，年平均发电量为6.815 亿kW·h。2011年5月建成，现已成为刚果(布)国家电网的主力电站。

2.2 地质简况

工程区内地层岩性主要有白垩系(K)胶结不良的软弱砂岩、第三系(N)砂壤土及第四系(Q)松散堆积物。

2.3 电阻率测试结果

2.3.1 水的电阻率

实测莱菲尼河水电阻率为1 050～1 280 Ω·m，平均值为1 130 Ω·m。地下水(钻孔涌水)电阻率为550～680 Ω·m，平均值为630 Ω·m。

2.3.2 岩土体电阻率

表层砂壤土(N1)的电阻率为3 200～6 800 Ω·m，平均值为5 460 Ω·m;其下部砂壤土(N1)的电阻率为2 130～2 560 Ω·m，平均值为2 300 Ω·m。

砂岩的电阻率为6 000～9 200 Ω·m，平均值为7 580 Ω·m;含水砂岩的电阻率为4 400～5 470 Ω·m，平均值为4 830 Ω·m。

3 ZONGOⅡ水电站

3.1 工程简介

ZONGOⅡ水电站位于刚果(金)下刚果省，距首都金沙萨公路里程约130 km，距港口城市马塔迪约285 km;拦河坝距20世纪60年代建成的ZONGOⅠ水电站厂房约1.4 km。为低坝引水式水电站，拦河坝位于刚果河一级支流因基西(INKISI)河上，距因基西河河口约4.4 km;水电站厂房布置于刚果河左岸滩地上，上游距因基西河河口约1.6 km。总装机容量150 MW，由三台单机容量50 MW 机组组成，多年平均发电量约9.02 亿kW·h。

3.2 地形、地质简况

坝址位于因基西(INKISI)河上，坝址河谷大体呈不对称梯形，地面高程340～425 m，植被茂盛，河水湍急;隧洞段沿线地面高程380～480 m，隧洞埋深一般为40～130 m;压力钢管段地面高程270～380 m;厂房位于刚果河左岸，大体在一级阶地后缘位置。一级阶地阶面高程222～235 m 左右，宽度50～80 m，植被发育，生长有棕榈树。

基岩为上元古界(Pt3a)巨厚层—厚层砂岩，紫色，坚硬致密，耐风化。覆盖层为第四系(Q4)残积土、冲洪积土。

3.3 电阻率测试结果

3.3.1 水的电阻率

实测因基西河水电阻率为170～180 Ω·m，平均值为174 Ω·m;刚果河水电阻率为317～359 Ω·m，平均值为335 Ω·m;坝址区地下水(泉水)电阻率为180～185 Ω·m，平均值为183 Ω·m。

3.3.2 岩土体电阻率

坝址区、电站厂房区的对称四极电测深的多呈D型曲线(见图3)。坝址区电阻率测试结果表明:第四系(Q4)残积土冲洪积土及上元古界(Pt3a)全风化砂岩的电阻率为1 500～2 200 Ω·m，平均值为1 876 Ω·m;强风化—弱风化砂岩400～630 Ω·m，平均值为453 Ω·m;完整砂岩露头的电阻率为1 633～1 842 Ω·m，平均值为1 724 Ω·m。

电站厂房区电阻率测试结果表明:干燥松散沙一般为5 000～8 400 Ω·m，平均值为6 766 Ω·m，在刚果河边的沙层高密度电法测试的最大值达16 000 Ω·m;冲洪积土2 500～4 000 Ω·m，平均值为3 214 Ω·m;基岩890～2 080 Ω·m，平均值为1 296 Ω·m。

4 电阻率特征分析

4.1 电阻率特征

图3 CW5-60 点电测深曲线Fig.3 Electrical sounding curve of CW5-60

通过对上述3 座水电站实测电阻率的总结，可归纳中部非洲地区地表电阻率具有如下特征:①地表水(河水)的电阻率实测值为170～1 280 Ω·m;②地下水(井水、泉水等)的电阻率实测值为180～680 Ω·m;③地表土的电阻率一般大于其下部土体的电阻率，地表土的电阻率实测值为1 500～6 800 Ω·m，下部土体的电阻率实测值为436～2 560 Ω·m;④白垩系(K)胶结不良的软弱砂岩电阻率为4 400～9 200 Ω·m;⑤上元古界(Pt3a)巨厚层—厚层致密砂岩电阻率为1 630～1 840 Ω·m;⑥下元古界花岗片麻岩和辉绿岩的实测电阻率为2 000～8 000 Ω·m。

该地区无论是水的还是土壤的电阻率普遍比国内的常见值［1，2］偏大，有的＞10 倍以上。如莱菲尼河水电阻率最大实测达1 280 Ω·m，是国内河水电阻率最大常见值的12.8 倍。

此地区高电阻率现象很令人费解，甚至有人怀疑测试结果有问题。通过测试方法的比对以及改变水的NaCI浓度试验分析论证表明电阻率测试结果是正确的。同时水质分析试验结果表明:因基西河水的电导率为88 μS/cm;刚果河水的电导率为21 μS/cm，说明在导电性方面野外测试结果和室内试验结果的是一致的［3］。

4.2 电阻率特征分析

4.2.1 土壤电阻率

大地有两种导电方式，电子导电和离子导电，通常金属矿物及石墨以电子导电为主，而多数岩石、土壤则以离子导电为主［4］。土壤导电方式主要是各种无机盐类或酸、碱离解成的自由移动的阴阳离子导电。而各类无机盐或酸、碱又必须在有水的情况下才能离解成自由移动的导电离子，干燥的土壤或纯净的水是不导电或导电能力很差的。所以土壤电阻率的大小主要取决于土壤中导电离子的浓度和土壤中的含水量。一般认为，土壤电阻率是土壤中所含导电离子浓度A 的倒数1/A 和单位体积土壤含水量B 的倒数1/B 的函数［5］，即

也就是说，土壤中所含导电离子浓度越高，土壤的导电性就越好，ρ 就越小;反之就越大。土壤越湿，含水量越多，导电性能就越好，ρ 值就越小;反之就越大。

上述观点在国内的电阻率测试解释中是适用的，但解释中部非洲地区的土壤电阻率特征就不太合适了。该地区属热带雨林气候，全年多雨，无干季，年降水量在2 000 mm 以上，最少雨月降水量也超过60 mm，应该说该地区土壤的含水量是很大的，但土壤尤其是地表土的电阻率却较高。笔者认为:①降水量较大导致土壤的淋溶作用强烈，上部土层的可溶性物质和细微土粒遭到淋洗，逐渐渗透到下部土层或流失，多年的大量降水带走了土壤中易溶于水的导电离子，使土壤中所含导电离子浓度越来越低，从而降低了土壤的导电能力;②由于当地土壤的含水主要由大气降水补给，但雨水的电阻率却高达3500 Ω·m 以上，可以说土壤的含水量越多，其导电性能就越差。

4.2.2 河水的电阻率

河水电阻率偏高主要是由于降雨量大及工业不发达所致。刚果河一级支流莱菲尼河水电阻率为1 050～1 280 Ω·m;在位于金沙萨和布拉柴维尔等大城市的下游的ZONGOⅡ水电站的刚果河水电阻率也相对较大，虽然上游的城市的生活用水及工业污水直接排入刚果河，但实测值仍为317～359 Ω·m。

综合分析认为:非洲中部地区地表电阻率偏高的主要因素是降雨量大且雨水中含有的自由移动的离子浓度低，以及工业不发达污染少有关。