电力工程场地土壤电阻率测试方法分析

戴 春，王 伟，田 磊

(1. 深圳新能电力开发设计院有限公司， 广东 深圳 518052；2.深圳供电规划设计院有限公司， 广东 深圳 518054)

0 引言

随着我国电力事业的飞速发展，电网规模不断扩大，系统电压安全等级不断提高，系统电压等级不断提高，系统容量不断增大，接地短路电流越来越大，一个安全有效的接地装置显得越来越重要。而接地电阻值是接地装置重要设计参数，一个准确有效的接地电阻值直接关系到电力系统的安全运行[1]。变电站各设备、配件的接地体为场地土壤，若土壤电阻率测试偏小，造成接地体电阻值设计值偏小，会造成安全隐患；反之又会造成不必要的资源浪费。因此如何经济、准确地测量土壤电阻率是关键。而土壤电阻率测量数据准确性取决于测量人员对影响土壤电阻率的岩土特征因素、各测量方法的适用条件和使用范围的了解程度，以及对电阻率测试方法的熟练程度。

1 土壤电阻率的影响因素

影响土壤电阻率的岩土特征主要包括矿物组分与接触关系、孔隙水的导电性与含量、岩土体温度(地温)及围压条件等[2]。

1) 岩土体矿物组分及接触关系

岩土体矿物组分及接触关系决定其电阻率大小，其中矿物颗粒的接触关系起重要作用，矿物组分的导电性和含量大小起次要作用。岩土体的矿物颗粒的接触关系主要表现为蜂窝形(包围形)、镶嵌形(彼此交叉接触排列)、单粒形(被包围形)三种类型，蜂窝形的矿物成分对岩土体的电阻率起主导作用，镶嵌形的矿物成分按含量的多少及导电性的强弱成比例，而单粒形的矿物成分对岩土体的电阻率影响不大。

2)岩土体中的孔隙水

岩土体中的孔隙水因含有某些盐分(电解质)而形成电解液，其电阻率都远小于岩土体矿物的电阻率(岩土体孔隙水的电阻率很少超过10 010 Ωm，通常在1 ～10 Ωm，与水的总矿化度成反比关系)；根据在饱和条件下岩土体的电阻率ρ=ρ水·(3/ω-1)可知岩土体的电阻率与孔隙水含量成反比，与孔隙水的电阻率成正比[3]；另外在孔隙水为弱结合水(薄膜水)转变为毛细水、自由水的过程中，随着孔隙水含量增多岩土体的电阻率会急剧变小。

3)岩土体温度

岩土体电阻率与温度的关系主要体现在其所含矿物成分及孔隙水与温度的关系：当岩土体组成矿物成分为电子导电矿物或矿石时，电阻率随温度升高而上升；为离子矿物时电阻率随温度升高而降低。在地表20 ～25 m 地段，岩土层不受季节影响，保持当地年平均温度[4]。

4)岩土体所处围压

岩土体电阻率随围压升高而逐渐降低，即随着测量深度增大，在含水量不变或无地下水影响的情况下，相同岩土体的电阻率会逐渐变低[5]。

2 土壤电阻率的测量方法

常用的测量装置有二极装置、三极装置、中间梯度装置和对称四极装置等。在变电站场地电阻率测量中，由于变电站场地面积规模不同、地形地貌不同、电阻率测试范围和深度要求不同，所要求的测试方法也有所不同，常用的测试方法及装置有电测井法(三极装置)、电测深法(对称四极装置)和高密度电法(对称四极装置)。

2.1 测试原理

1)电测井法(三极装置)[6]：通常采用双测量电极进行测量，把供电电极B放在地面，供电电极A和测量电极对MN放在井内，这样可以近似地把B极看作与A极相距无穷远，因而B点对MN的影响可以忽略不计，则A点可以看作为点源。假定介质是均匀且岩层厚度是无限厚的，那么放井中的A点的电源场的等位面就是一个球面，通过测量M、N电极间的电位差△UMN及电流计的电流IAB，根据岩土层电阻率ρ和△UMN、IAB之间的关系即可求得岩土层电阻率ρ。

式中：K为电极装置系数；在测量中采用双测量电极，电极装置系数K。

2)电测深法(对称四极装置)[6]：该方法把两供电电极A、B，两测量电极M、N按A、M、N、B的顺序沿地表直线排列打入土中一定深度，并保持MN基本不动(AB/30

高密度电法是常规电阻率测深法和电阻率剖面法的组合形式[6]。其基本原理与常规的电阻率测深法完全相同，采用的装置也是对称四极装置，均是通过供电电极A、B极向地下供电流，然后在测量电极MN极测量电位差，从而求得该点(MN中心点O)在AO极距下的电阻率，土壤电阻率的计算公式及电极装置系数K与上式(1)、(3)相同。

2.2 各测试方法及优缺点

三种测试方法介绍、适用条件及优缺点如表1、表2 所示。

表1 三种测试方法布置简介

表2 各测试方法适用条件及优缺点

2.3 各测试方法成果数据特征

如表3 所示成果数据特征为同一场地利用不同测试方法所得视电阻率数据，排除表中5 ～6 m 段数据异常(据原成果资料描述“钻孔上部钢套管的影响，导致视电阻率假象异常”)，能清晰反映出电测井法所得数据与高密度法所得数据相近略微偏小，而电测深法所得数据较前。

表3 同一场地不同测试方法成果数据特征

两者所得数据明显偏高； 如图1、图2 所示高密度电法成果剖面不但可以根据实测剖面对应点位置按克里格网格化方法插值提取不同深度的视电阻率数据，而且可以通过剖面视电阻率分布。

图1 JTD4视电阻率测试电性剖面图及视电阻率等值线分布图(高密度电法)

图2 高密度电法成果特征(电阻率剖面图)

特征及异常特征解译场地孤石分布等工程地质特征。

3 土壤电阻率测试方法选择

根据目前输变电工程场地位置、岩土特征及土壤电阻率的测量深度，结合各土壤电阻率测试的方式的适用范围及优缺点，对不同工程需选用何种土壤电阻率测试方法建议如下。

3.1 变电站工程场地电阻率测试方法选取

1) 非岩溶、土洞区或基础影响范围无溶洞、土洞、孤石分布的场地：山区、丘陵等比四周地形明显高出的地段，地下水位埋深一般较大，场地范围内地形起伏不大的宜优先考虑电测深法，地形起伏大或设计场地标高与现状场地标高相差较大的宜在场地平整后采用电测深法进行土壤电阻率测量；个别地下水较浅或孔内水位及泥浆水位保持时间满足测量需要时宜采用电测井法。对于盆地、山坳等比四周地形低或山前冲积、洪积平原等平缓地段，地下水位埋深较浅，优先考虑电测井法，当测量所需水位不满足测试要求或地起伏不大时可选用电测深法。

2) 基础影响范围有溶洞、土洞、孤石分布的场地：一般需要开展一定的物探工作，以结合钻探资料证实岩土分布特征，因此开展土壤电阻率测试可优先选用高密度电法，既可提供准确的土壤电阻率资料，又能通过剖面电阻率异常结合钻孔资料准确反映场地的岩土分布特征，保证了岩土勘察成果质量同时又减少了物探工作量。该类场地钻探时多有漏水或下套管成孔，难以采用电测井法进行土壤电阻率测试，且有套管影响时测量结果不准确，因此不宜采取电测井法。

3.2 架空线路工程塔基场地电阻率测试方法选取

由于塔基场地在土壤电阻率测量深度方面要求不高，仅需浅部岩土电阻率资料，且塔基多位于高耸凸立地段，因此通常采用电测深法进行土壤电阻率测量。

3.3 配电房工程场地电阻率测试方法选取

配电房多位于城镇居民区，地形平坦，该类工程一般仅需场地浅层土壤电阻率成果，通常采用电测深法进行土壤电阻率测量；若进行了钻探工作亦可采用电测井法且能准确得到更大深度范围的土壤电阻率成果。

4 结论

通过对影响土壤电阻率的岩土特征、三种常规测量土壤电阻率的测试方法、测试原理及每种测试方法的适用条件和优缺点进行理论分析，结合当前各类输变电工程的场地特征，根据近几年来各项输变电工程场地电阻率测试报告所使用方法及取得的成果资料，总结出各测试方法的适用范围：① 电测深法适用于地势较高但测区地形起伏不大、测试深度较浅的场地，尤其架空线路塔基场地等；②电测井法适用于地下水埋深浅且有钻探工作同步进行的场地，尤其地势较低的配电房及变电站场地等；③高密度电法适用于地基复杂，测区范围大、测试深度较大的场地，尤其溶洞、土洞发育的岩溶区及孤石较多的花岗岩区等电压等级较高的变电站场地。