Анализ погрешностей при определении параметров грунта для расчета заземляющих устройств в районах Крайнего Севера

Характерной особенностью грунтов в районах Крайнего Севера является значительное непостоянство удельного сопротивления по простиранию

èпо глубине при сложных границах разделов между отдельными слоями с постоянными электрическими параметрами. Так, в [1] отмечается, что для Норильского промышленного района мерзлые рыхлые четвертичные отложения, представленные, как правило, песками, глинами, галечниками

èих разностями, отличаются сильной фракциональной изменчивостью в горизонтальном направлении, невыдержанностью по мощности. Все эти факторы приводят к анизотропии во всем исследуемом пространстве.

Для иллюстрации сказанного приведем пример инженерно-геологического заключения по геоэлектрическому разрезу на территории главной понижающей подстанции (ГПП), составленному комплексной экспедицией инженерных изысканий института “Норильскпроект” (òàáë. 1). По этим данным на площадке сооружения заземляющего устройства (ЗУ) наблюдается значительная дифференциация удельных сопротивлений и мощности слоев h, диапазон изменения которых составляет:

1 = 100 2700 Îì ì; h1 = 0,17 0,9 ì; 2 = 513 10 800 Îì ì; h2 = 0,51 21,6 ì; 3 = 0 7980 Îì ì;

h3 = 18,9 74 м и более; 4 = 0, h4 > 1000 м, т.е. происходит изменение по простиранию, и это не единичный случай, а общая закономерность для районов Крайнего Севера [2, 3]. Так, в [1] указывается, что одной из существенных особенностей строения геоэлектрического разреза в условиях развития многолетних пород является наличие негоризонтальных границ раздела мерзлых и талых пород.

Âсвязи с этим возникает вопрос о достоверности исходной информации о геоэлектрическом разрезе в условиях Крайнего Севера, оценке ее погрешности и соответственно адекватности расчетной модели грунта реальной структуре при проектировании заземляющих устройств.

Âнастоящее время рекомендуется использовать для предпроектных изысканий комплексную методику, базирующуюся на сочетании методов электропрофилирования (ЭП) и вертикального

электрического зондирования (ВЭЗ) [4], которую и примем за основу оценки результатов изысканий.

Многолетний опыт работы геофизической партии комплексной экспедиции инженерных изысканий института “Норильскпроект” показывает, что кривые ВЭЗ, проинтерпретированные с помощью палеток, рассчитанных для кусочно-однородных сред, дают погрешности в десятки, а то и сотни процентов. Геофизики, сталкиваясь с трудностями интерпретации кривых ВЭЗ на многолетнемерзлых грунтах, в основном, предполагают, что большие погрешности интерпретации обусловлены наличием наклонных и вертикальных границ раздела, а также боковым влиянием высокоомных (низкоомных) пород и другими искажающими факторами. На это обстоятельство указывается в [2]: “ В процессе обработки данных ВЭЗ большую роль играет методика установления типа кривой ВЭЗ, так как за счет горизонтальных неоднородностей и рельефа в условиях многолетней мерзлоты кривые оказываются настолько искаженными, что их количественная интерпретация становится затруднительной”.

В [5] говорится, что физические свойства многолетней мерзлоты даже в пределах одного литологического комплекса непостоянны и каждое отдельное определение характеризует только слу- чайное значение случайного параметра геоэлектрического разреза, зависящего от участка и времени проведения работ.

Для уменьшения погрешностей интерпретации кривых ВЭЗ авторами целого ряда работ предлагается учесть градиентное изменение удельных сопротивлений по глубине, обосновывая последнее физическими предпосылками. Основной причи- ной градиентности геоэлектрического разреза, как утверждается в докладе Марковича Ю. В. на науч- но-техническом совещании, проходившем в Норильске в 1979 г., является изменчивость температуры по глубине в зависимости от сезона. Рассмотрим, соответствует ли это утверждение действительности. С этой целью выделим расчетный сезон – наиболее электроопасный сезон с точки зрения возможного поражения людей напряжениями прикосновения и шага. Как следует из [5], для Край-

него Севера характерны три периода эксплуатации электроустановок:

безопасный сезон (октябрь – апрель); стереотипный сезон (июль – сентябрь); электроопасный сезон (май – июнь). Результаты многолетних наблюдений метео-

станций северо-востока России и Якутии позволяют проследить за изменением температуры грунта в зависимости от глубины и времени года. В òàáë. 2, взятой из [3], приведена температура грунта, измеренная на разной глубине в электроопасный сезон.

Данные òàáë. 2 показывают, что изменение температуры грунта в электроопасный сезон происходит от более низких к менее. При этом в июне еще на глубине 0,8 м температура грунта остается ниже нуля. Анализ кривых изменения удельных сопротивлений в зависимости от температуры показывает, что в естественном залегании достаточно больших объемов породы скачкообразно возрастает при переходе их из талого состояния в мерзлое и далее практически остается постоянным, если даже отдельных обломков и минеральных прослоев породы заметно изменяется при изменении температуры. Что касается обратного изменения температуры при переходе грунта из мерзлого состояния в талое, то в этом случае необходимо учесть наличие гистерезисных явлений цикла промерзание – оттаивание. Например, коренных пород не зависит от температуры вплоть до 0°С. При дальнейшем повышении температуры удельное сопротивление коренных пород уменьшается скачкообразно. Такая зависимость от температуры наблюдается и для рыхлых отложений. Кроме этого, в [6] указывается на то, что независимость в большинстве случаев горных по-

Ò à á ë è ö à 1

род от температуры лежит в пределах точности наблюдений.

Таким образом, в электроопасный сезон, принимаемый за расчетный, отсутствуют физические предпосылки появления градиентных структур как функции изменения мерзлых горных пород от температуры при переходе грунтов из мерзлого состояния в талое.

Âприродных условиях строение геоэлектриче- ского разреза определяется действием многих совместных факторов: температуры, льдистости, литологии и теплопроводности мерзлых горных пород. Тем не менее, для конкретного измерения в конкретный период времени возможно рассмотрение отдельных горизонтов литологически однородных с равномерно распределенной льдистостью мерзлых пород независимо от каких-либо факторов как электрически однородных. Это обстоятельство позволяет применять электроразведку в области распространения многолетнемерзлых грунтов столь же широко, как и вне ее для широкого класса задач [6]. Но означает ли это, что получа- емые таким образом геоэлектрические разрезы максимально соответствуют реальным и их дальнейшая детализация позволяет точнее рассчитывать параметры ЗУ? Прежде чем дать ответ на поставленный вопрос, проанализируем разрешающую способность метода ВЭЗ.

Â[6] и ряде других исследований указывается на некоторое снижение разрешающей способности метода ВЭЗ в условиях многолетней мерзлоты, связанное с факторами, учет которых при оценке возможности постановки и решения конкретных задач обязателен:

появление дополнительных границ раздела, не связанных с литологическим строением исследуемой толщи;

образование обычно громадного различия по электропроводности между талыми и мерзлыми рыхлыми отложениями, между мерзлыми рыхлыми и скальными породами и соответственно громадного экранирующего эффекта мерзлых рыхлых отложений, который усиливается при появлении сверху талого слоя;

быстрое изменение параметров и нередко структуры разреза по площади, обусловленное изменчивостью свойств мерзлых рыхлых отложений;

существование сезонных изменений типа и параметров геоэлектрического разреза мерзлых толщ.

Большая доля снижения разрешающей способности метода ВЭЗ обусловлена влиянием наклонных и вертикальных границ раздела. Причем, влияние этого фактора может быть значительным и должно учитываться при производстве работ и при интерпретации кривых ВЭЗ [1], так как эта особенность может быть ошибочно истолкована как следствие уменьшения мерзлых пород с глубиной за счет температуры, льдистости.

Известно, что погрешность конечного результата определяется следующим соотношением:

0 = 1 + 2 + 3,

ãäå 1 – неустранимая погрешность; 2 – погрешность метода; 3 – вычислительная погрешность.

Неустранимая погрешность соответствует точ- ности исходной информации и включает в себя следующие составляющие:

относительную погрешность измерений, определяемую классом точности приборов и самой методикой постановки эксперимента; для метода ВЭЗ она составляет 5% [6];

погрешность количественной интерпретации кривых ВЭЗ как степень приближения палеточной или машинной кривой к экспериментальной составляет 5% [3, 7];

погрешность количественной интерпретации кривых ВЭЗ как сопоставление расчетных параметров структуры с экспериментальными. Для установления влияния этого вида погрешности не-

обходима мера сравнения. С этой целью обычно используют параметрические ВЭЗ, которые сняты совместно с каротажными скважинами или при обножениях. Однако даже в пределах одного пласта породы могут быть неоднородными и их меняется, причем, иногда значительно. В [6] приводятся средние погрешности по определению мощности мерзлых рыхлых отложений, определяемой методом ВЭЗ и сопоставляемой с результатами последующего бурения и шурфовки. Погрешность в этом случае составляла от 12,3 до 20,9%. При- чем, частично погрешность обусловлена влиянием вертикальных и наклонных границ разделов. Известно, что наличие вертикального или наклонного контакта между слоями вблизи точек ВЭЗ искажает результаты интерпретации кривых ВЭЗ и приводит к неправильному представлению о поверхности опорного горизонта, погрешности при этом могут быть более 50%;

погрешность приведения кривой ВЭЗ к расчетному сезону, оцениваемая величиной порядка 10%, что соответствует ее минимальному значе- нию.

К погрешности метода следует отнести погрешность от неучета принципа эквивалентности при машинной интерпретации кривых ВЭЗ, которая составляет 20% [6]. Таким образом, суммарная погрешность при наиболее благоприятных условиях достигает порядка 60%. Кроме этого, в погрешность исходной информации о грунтах входит неравномерность по простиранию на площадке сооружения заземлителя. Количественно оценить этот вид погрешности не представляется возможным. Для иллюстрации этого факта приведем пример расчета сопротивления растеканию вертикального электрода в зависимости от точки снятия кривой ВЭЗ для ранее приведенного разреза (òàáë. 3.). Расчет производился по формулам [8].

Как следует из данных òàáë. 3, различие в определении Rç в зависимости от выбора точки снятия кривой ВЭЗ по отношению к обобщенному разрезу превысило 200%. Причем, с увеличением длины электрода погрешность возрастает и в конкретном примере отрицательная. В действительности неучет изменения по простиранию может вносить погрешность любого знака.

Итак, анализ точности исходной информации о геоэлектрическом разрезе многолетнемерзлых грунтов показывает, что при принятой методике предпроектных изысканий площадки сооружения заземляющего устройства (ЗУ) во многих случаях оценить погрешность параметров грунтовой структуры невозможно. Построенные обобщенные расчетные модели являются лишь точечной структурой и даже в первом приближении не соответствуют действительности.

В связи с этим и из соображений здравого смысла нет резона применять методы расчетов па-

раметров ЗУ, построенные на использовании сложных детерминированных моделей структур грунтов. Применение алгоритмов, в основе которых лежат сложные структуры грунтов, кроме сложностей расчетов, приводит к потере физиче- ского смысла самой сути проблемы.

Так как на практике ЗУ отдельных электроустановок с помощью естественных заземлителей и специально проложенных связей объединены в единую заземляющую сеть, охватывающую большие территории, то выбор расчетных моделей грунтов возможен только на базе обобщенных геоэлектрических разрезов, в особенности, если к проблеме сооружения ЗУ подходить комплексно и в первую очередь учитывать влияние естественных заземлителей. Параметры заземляющих сетей менее подвержены сезонным колебаниям, тем самым, позволяя принимать за расчетные модели структуры грунтов с более высокими удельными сопротивлениями. Это обстоятельство приводит к появлению положительных погрешностей, т.е. результаты расчетов являются оценкой сверху. Во всех остальных случаях один из путей уменьшения неустранимой погрешности – перевод ее в разряд случайных величин.

Анализ погрешностей исходной информации о грунтах показывает, что наиболее достоверный путь получения информации о грунтах лежит че- рез эксперимент и статистическую обработку его результатов, т.е. построение вероятностной модели грунта. С этой целью предлагается использовать видоизмененный метод пробного электрода.

Сущность этого метода сводится к следующему:

Ò à á ë è ö à 3

измеряется сопротивление растеканию Rç заземляющей сетки, контура, сооружаемых на территории подстанций для выравнивания потенциалов, без присоединения естественных заземлителей и линий связи, а затем с учетом присоединения;

по измеренным значениям Rç определяется в обратном порядке эквивалентное удельное сопротивление грунта по формулам:

для сеточного заземлителя

комбинированного заземлителя

ãäå S – площадь заземлителя; C = 20(33,6 + S ): :(278 + S ); nk, lk – соответственно число и длина железобетонных стоек, присоединенных к заземлителю; nç, lç – соответственно число и длина вертикальных заземлителей; l – глубина погружения наиболее заглубленных вертикальных элементов

(l = lç + t ïðè lç + t lk; l = lk ïðè lç + t < lk ); t – глубина заложения горизонтальных элементов зазем-

лителя; L – длина проводников сетки.

Кроме этого, могут быть использованы отдельные вертикальные и горизонтальные заземлители.

Основным условием применения этого метода следует считать накопление статистического материала и построение карт геоэлектрического разреза для конкретных конструкций заземлителей.

При определении электрических параметров протяженных естественных заземлителей не представляется возможным учесть с достаточной степенью точности особенности прокладки, рельеф местности, высоту подвеса или глубину погружения и др., поэтому выбор точечной многослойной модели грунта не только не оправдан, но и может привести к значительному искажению реальной картины токораспределения.

Выводы

1.Для районов Крайнего Севера выбор расчетных моделей грунтов при проектировании заземляющих устройств на основе детерминированных методов предпроектных изысканий не позволяет учесть все многообразие структур грунта на площадке сооружения и в итоге приводит к значительным погрешностям и невозможности сопоставления расчетных и измеренных величин.

2.Наиболее приемлемым методом получения информации о грунтах следует считать примене-

ние статистических методов и создание карт рас-

четных моделей грунтов с оптимальной моделью

заземлителя.

Список литературы

1.Бойков С. А. Об учете бокового влияния талых пород при электроразведке методом ВЭЗ в условиях развития многолетнемерзлых пород. – В кн.: Мерзлотные исследования. М.: МГУ, 1970.

2.Альтшулер Э. Б. Предпроектные изыскания для расчетов заземлителей в условиях многолетней мерзлоты. – Электрические станции, 1978, ¹ 10.

3.Меньшов Б. Г., Альтшулер Э. Б., Шинаев А. Г. Расчет параметров заземлителей в сложных структурах многолетнемерзлых грунтов. Красноярск: КГУ, 1982.

4.Альтшулер Э. Б., Шевцов Ю. В. Предпроектные изыскания для расчетов заземлителей в условиях многолетней мерзлоты. – Электрические станции, 1976, ¹ 1.

5.Альтшулер Э. Б. Некоторые вопросы обеспечения условий электробезопасности в электроустановках Крайнего Севера. – Промышленная энергетика, 1980, ¹ 2.

6.Якупов B. C. Электропроводность и геоэлектрический разрез мерзлых толщ. М.: Наука, 1968.

7.Бобачев А. А. Зондирование методом сопротивлений. М.: МГУ, 1999.

8.Максименко Н. Н. Электробезопасность и грозозащита электроустановок в районах Крайнего Севера. Краснодар: Сов. Кубань, 2002.