电力工程中极址区域地电阻率适宜性评价

郑 斌，石 川

（中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071）

地电阻率是电力工程中接地系统设计所需的重要参数，也是极址选择的重要参考依据。对地电阻率影响因素的认识不足，一方面会导致极址选择时未能充分对比分析不同极址的地电阻率差异，另一方面会导致现场地电阻率测量时不能准确选择测量方法并有效识别干扰因素，为极址的正确选择埋下隐患。因此，全面认识不同地质因素对地电阻率的影响机理，对极址的选择具有重要的意义。文章通过收集查阅文献资料，结合自身工作经验，分析了地形地貌、地层岩性、岩土体结构、地质构造、水文地质条件以及人类活动等六种地质因素对地电阻率的影响机理，并选择以上六种因素作为评价因子，提出一种基于“专家打分”的极址区域地电阻率适宜性评价的方法。

1 地电阻率的地质影响因素

1.1 地形地貌

有关地形地貌影响地电阻率的研究较少。彭刚认为不同的地貌单元的地电特性差别较大，并通过实测丘陵、冲积平原、泻湖湖沼平原、冲积海积平原、海积平原五种地貌单元的地电阻率（表1），来分析地形地貌与土壤电阻率的关系。对于山地，由于基岩或风化岩埋深小甚至出露地表，土壤含水率低，大地电阻率普遍偏大。可见，不同的地貌单元电阻率具有以下一般规律，山地电阻率>冲击平原地电阻率>低山丘陵地电阻率>泻湖湖沼平原、冲积海积平原和海积平原的土壤电阻率。

表1 不同地貌单元地电阻率值

此外，不同的地形地貌给地电阻率的测量带来误差，影响视电阻率的大小，从而影响接地系统设计：山地地形复杂多变，地层结构较平原地区更为复杂，地电阻率测量误差也较大；而丘陵、平原地区地形和地层结构也较为简单，因而地电阻率测量误差也较小。

1.2 地层岩性

文章从土体电阻率和岩体电阻率两个方面讨论地层岩性对极址区域地电阻率的影响。

（1）土体电阻率。土体的导电能力取决于其内部氧化物颗粒之间的水分和溶解盐（导电离子），土体电阻率不是定值，其大小受多种因素影响，主要有以下几点：①颗粒组成：地基土颗粒越小，土层的架空现象越少，地电阻率值越低，如，对于角砾和圆砾，其地电阻率值一般为150~340 Ω·m，而粉细砂的地电阻率值一般为57~90 Ω·m。②含水量：土体中的水多含有一定量的导电离子。当土体中含水量越大，其导电离子的含量也越大，土体的地电阻率也越小。③矿化度：土体的矿化度越高，其内部的导电离子浓度也越高，越有利于电荷的传导，结果导致土体的地电阻率越小；反之，则越大。④均一性：土体均匀程度越高，其对地电阻率的测试离散型影响越小，所测值越具有代表性。当土体中夹有透镜体，则地电阻率差异性较大，地电阻率在透镜体范围内易形成异常电阻带，不利于电流的扩散。⑤温度：温度降低至0 ℃以下，土体中水分将逐步冻结，导致地电阻率增加。相反，当温度升高至0 ℃以上，土体中导电离子的活性增加，土体电阻率逐渐降低；而当温度继续升高并超过45 ℃，土体中的水粘度和张力会下降导致水势升高吸力下降，从而降低含水量，最终土体电阻率升高。⑥致密性：土体致密性越好，土体的密实程度越大，其电阻率越小。以粘土为例，保持含水量和温度不变，将单位压力由1 961 Pa增大到19 610 Pa时，此时电阻率下降到原来的65%。

（2）岩体电阻率。对于岩体，其电阻率取决于组成岩石的矿物成分、孔隙度、含水率、温度、压力等。一般而言，岩浆岩、变质岩和沉积岩的电阻率依次变小。结构紧密的岩石，其电阻率较高；结构松散的岩石，其电阻率低。透水率高的砂岩和砾岩，其地电阻率取决于含水条件， 地电阻率大小与含水量成反比，与孔隙水矿化度和电解质含量成反比。

1.3 岩土体结构

岩土地在空间中的分布方式多种多样，一般可归纳为水平层状分布、斜层状分布、竖直层状分布以及复合层状分布等。复杂多变的岩土体分布方式，给接地极区域地电阻率的测量带来较大影响，同时也影响接地极地表电位的计算。目前常用的地表电位计算模型有水平分层、垂直分层以及两者叠加一起的复合分层（图1），以上计算模型只适用于地层结构简单的极址区域。对于复杂的岩土结构，计算结果差强人意。因此，极址应首先考虑地层结构简单，层位分布均匀的场地，此类场地便于建模和计算，同时准确度较高。

图1 岩土体空间分布示意图

不同电阻率的岩土体组合方式也多种多样。以水平分层为例，根据不同岩土地电阻率高低关系可归纳为“均匀型”“高-低型”和“低-高型”。对于垂直分层亦有类似组合方式。不同的岩土地组合方式下，地电阻率测量结果与真实值存在差异。因此，极址区域地电阻率的测量应根据地层组合方式的不同选择合适的测量方法，以减小测量误差。

1.4 地质构造

岩土体中存在断层、褶皱等地质构造体，在空间上导致岩土体分布不连续，同时导致岩土体工程性质的各向异性，最终影响地电阻率的分布，并在一定程度上影响接地系统的正常运行。

断层或断裂破碎带是影响接地极区域地电阻率的主要构造因素。大型断裂带，尤其是张性断裂破碎带，其宽度大、延伸长、控制范围广，断裂带介质的弹性模量和泊松比显著小于周围地质体，导致区域范围内介质应变空间分布不均匀，进一步造成地电阻率空间分布异常而形成低阻带。此外，条带状富水区往往沿断层带发育，这也在一定程度上降低了断层带地质体的地电阻率。

1.5 水文地质条件

文章从地下水位，地下水矿化度和地下水运动状态三个方面探讨以地下水条件为代表的水文地质条件，对接地极区域的地电阻率的影响。

（1）地下水位。极址区域的地电阻率随地下水位的持续上升或者下降会发生周期性变化，且具有一定的滞后性。具体来说，地下水位大幅度上升时，岩土体含水率显著增大，地电阻率随之降低；反之，岩土体含水率显著降低，地电阻率随之上升。可见，水位高（含水层较厚）且稳定的地下水有利于入地电流的扩散，同时能够减弱接地极运行的热效应，对接地系统的运行是较为有利的。地下水位对地电阻率的影响同样具有各向异性：平行于地下水含水层展布方向区域的地电阻率往往较低，而与地下水含水层展布方向垂直区域的地电阻率较高。条带状含水层分布易造成局部地电阻率降低，将导致极址运行时发生电流外溢。

（2）地下水矿化度。地下水的矿化度较高时，水中导电矿物质离子含量相应增大，地电阻率会大幅减小。地下水通过岩土体中的孔隙、裂隙等进入周围地质体中，最终可能造成地质体内导电离子增加而进一步降低地电阻率。

（3）地下水运动状态。处于流动状态的地下水对地电阻率的影响更大，一方面加快导电离子在水中的运移以及与周围地质体的交换；另一方面，流动的地下水能够减弱接地系统运行过程中对周边环境的热效应。

1.6 人类活动

对地电阻率具有显著影响的人类活动主要为大型带有导电性质的构筑物的修建，如接地的变电站、大型金属管道（网）等。这些构筑物具有良好的导电性，一方面造成构筑物附近地电阻率测量值显著减小；另一方面提供了一个电阻较小的通道，导致电流经通道大量外泄，影响一定范围内地电位差，给周围环境形成威胁。此外，无机或有机生产废弃物排放在自然环境中，将影响大地电阻率。无机废弃物如垃圾填埋场渗透液，含有大量导电离子，当渗透进入岩土体内会显著降低渗透范围内的地电阻率；有机废弃物如柴油等液体，其作为绝缘体进入岩土体后会附着于颗粒表面而改变电流流通方式，地电阻率随之增大。因此，极址选择时应避开以上大型导电构筑物或无机和有机废弃物排放区域。

2 极址区域地电阻率适宜性评价

2.1 评价方法

文章采用“宏观评判”结合“专家打分”的方式评价拟选极址的地电阻率适宜性。首先收集极址区域地质资料并筛选合适的备选极址，其次通过现场专项地质勘察进行宏观评判，最后根据专家打分表（表2）按照公式（1）计算评价得分并结合宏观评判结果进行综合评价，并根据评价结果选择合适的极址区域，流程如图2所示。

表2 地电阻率适宜性评价表

图2 极址区域地电阻率适宜性评价流程图

式中，dij为各评价因子，D为评价总分

2.2 极址地电阻率适宜性评价

（1）区域地质资料。极址与换流站距离一般为8-50 km，因此选择极址前，建议收集以换流站为中心直径100 km区域内的以下地质资料：①比例尺为1∶ 5000-1∶ 50000，具有坐标及换流站等拟定构筑物位置的地形图；②拟选区域的地形地貌、地质构造及水文地质资料，尤其是大型区域断裂，破碎带等；③拟选区域的水文地质资料，确定地下水位周期变化规律、含水层厚度、含水层分布规律、矿化度以及运移状态等。④拟选区域周边已建或拟建大型地下金属管道（网）、电力设施、通信设施、大型生产厂区、大型地下洞室等的坐标、规模等资料；⑤实测或收集拟选区域的地电阻率分布资料。

（2）评价原则及结果。根据实测或收集得到的地质资料，综合考虑下列地质原则，并结合表2按公式（1）给出拟选极址的评分，依据评分高低最终给出极址的备选区域。

①地形地貌上，尽可能选择地势平坦开阔的冲积、海积平原等近河海地区；对于丘陵或山地，极址尽可能选择第四系覆盖层厚度较大，地形较为平缓的地区。②地层岩性上，应尽量避免高电阻率的基岩裸露区域，选择地电阻率相对低的地区，如砂土出露区域、含水率较高的第四系覆盖层区域等。③岩土体结构上，应以地层结构简单，分布均匀为宜，如水平层状分布的区域，避免地层组合较为复杂的褶皱区域。④地质构造上，应避开断层或断裂破碎带等不良地质构造，选择地质构造相对简单的场地。⑤水文地质上，应以具有丰富的地下水，地下水矿化度较高，地下水位较高且稳定为宜，但是应避免条带状分布的含水层。⑥人类活动上，应避开大型地下金属管道、大型电力设施以及通信系统、大型垃圾填埋场等不利情况，以防入地电流通过这些低阻通道外泄。

3 结论与展望

地形地貌、地层岩性、岩土体结构、地质构造、水文地质条件以及人类活动等是影响地电阻率的主要因素，在极址选择时应综合考虑，并重点评价地层岩性、断裂带和地下水的地电阻率特征，为极址选择提供准确依据。根据以上宏观判断，结合专家经验按照文章提出的极址区域地电阻率适宜性评价公式对不同极址进行打分，对提高极址选择的科学性和有效性有重要意义。该方法未能考虑不同评价因子对地电阻率的影响权重，后续工作建议研究各评价因子对于地电阻率的贡献度，以提高评估准确度。