一种季节性冻土厚度的测量装置及其测量方法与流程

本发明涉及电力接地系统测量领域，具体涉及一种季节性冻土厚度的测量方法。

背景技术：

由于环境温度变化大，造成该区域上层土壤存在季节性冻结现象，冻结后在上层土壤中形成高土壤电阻率层，而且与非冻结情况相比，该层的土壤电阻率在不同的季节相差数十到数百倍，从而造成地网接地电阻在不同的季节差异非常大。地网安全的主要指标为接地电阻、跨步电压、接触电压，土壤冻结将造成接地电阻上升，接地电阻增大会造成地网电位上升，从而引起跨步电压与接触电压增大，危及人员与设备安全。因此，季节性冻土地区需要测量冻土层厚度，以指导地网设计。

季节性冻土厚度的测量属于水平双层土壤结构及参数测量的范畴。目前普遍采用的方法是，通过温纳四极法测量一系列视在电阻率，然后通过算法或者仿真软件反演出所需的土壤模型。这种方法确定的土壤模型是数学上的等效，得到的解是一系统列的土壤厚度与电阻率，没有唯一性，因此与实际的土壤结构不符，怎样精确测量季节性冻土的厚度是十分有必要的。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题提供一种季节性冻土厚度的测量方法，其可实现对季节性冻土的厚度的测量且测量精度高。

在地表浅层埋入接地极并且注入电流，地表的电位会因之改变。 在仿真软件中建立双层土壤模型，上层土壤电阻率500Ω·m,下层土壤电阻率50Ω·m，上层土壤厚度为0.3m。在土壤模型中加入两个电流极，相距20m。位于点B₁处电流极的埋深为0.5m不变，位于水平间距20米外的点A₁处的电流极的埋深依次取0.1m、0.2m、0.3m、……、0.9m，并且在电流极中通入1安培的电流与大地构成回路。在电流极A₁和B₁之间的连线上打入电压探针C₁和电压探针D₁，电压探针C₁到电流极A₁的距离为0.5米；电压探针D₁距电流极A₁的距离为1.5米，电压探针C₁和D₁埋入土壤深度为5cm。

假定位于点A₁处接地极中的电流是注入大地的，位于点B₁处接地极中的电流是流出大地的。通过仿真测量出点C₁、点D₁处的电位V1、V2，并计算V1-V2。绘制出电流极埋深与V1-V2的变化率之间的曲线关系见附图1。从附图1可以看出，电流极埋深位于土壤分界处，V1-V2的变化率出现极大值。即电流极埋入垂直地表方向分层的土壤结构中时，在注入电流不变的情况下，改变电流极的埋入深度，地表电位的分布会发生改变。在电流极将要越过土壤分界处时，地表电位的变化率出现极大值。

利用这一规律本发明专利提出一种实地测量季节性冻土厚度的测量方法，具体通过下述技术方案实现：

一种季节性冻土厚度的测量方法，包括：

在冻土区域打入两个电流极，分别为A极和B极，在A极和B极之间串联可调电源和电流测量装置，其中，A极和B极之间的距离大于10米；

在A极和B极之间的连线上打入探针C和探针D，所述探针C和探针D均位于A B两极的中轴线和A极之间，其中，探针C与A极之间的距离不小于探针C直径的10倍且不大于探针C直径的20倍，B极埋入土壤的深度大于探针直径的10倍；A B两极的中轴线即A极和B极之间的中轴线。

按上述结构多次对探针C和探针D之间的电压差U_X进行测量，其中，X表示测量的次数，且第一次测量时，A极埋入的深度为Y厘米，以后每测一次，A极埋深增加Y厘米；每次测量时，调节可调电源的电压，以保持A极和B极所在回路电流不变；

从第二次测量开始计算U_X-1-U_X，并从第四次测量开始比较（U_X-1-U_X）、（U_X-2-U_X-1）与（U_X-3-U_X-2）的大小关系，当（U_X-1-U_X）<（U_X-2-U_X-1）且（U_X-3-U_X-2）<（U_X-2-U_X-1）时，上层土壤的厚度D为：

D=Y*（X -1）-Y/2；

其中，D的单位为厘米。

A极和B极之间的距离要大于冻土厚度的10倍，而季节性冻土厚度一般在1米左右，故将其距离设置在大于10米的位置。A极与探针C之间的距离不宜过大也不宜过小，在不小于探针C直径的10倍且不大于探针C直径的20倍之间为最佳，10倍探针C直径距离为电压敏感区段，A极的电极会对探针C的电极造成影响，测量误差大，影响精度；而在大于20倍探针C直径距离范围，其电压变化不大。B极埋入深度越深越好，其深度越深，电阻越小，电流越大，使得测量精度越高。采用本方案，其测量误差为±Y/2厘米。

为了对地表土壤的冻土厚度进行测量，所述A极第一次测量埋入的深度Y不小于2厘米且不大于10厘米。将Y设置在此范围内，既便于对地表土壤的冻土进行测量，且可有效的将测量误差控制在不大于±5厘米的范围内，以满足工程测量的要求。虽然Y的值关系到测量误差，Y值越小，其测量误差越小，但是，当Y值很小时，每次测量时电压表的变化不大，对实际测量没有太大意义。

优选的，所述A极第一次测量埋入的深度Y为5厘米。

优选的，所述A极和B极之间的距离为20厘米。

一种季节性冻土厚度的测量装置，包括均用于埋入地表的A极和B极，所述A极和B极之间串联有可调电源和电流测量装置；

还包括均用于埋入地表的探针C和探针D，所述探针C和探针D之间串联有电压测量装置，所述探针C和探针D位于A B两极的中轴线和A极之间。

作为优选，所述A极和B极之间的距离大于10米。

作为优选，所述探针C与A极的距离不小于探针C直径的10倍且不大于探针C直径的20倍。

作为优选，所述B极埋入地表的深度大于探针直径的10倍。

本发明与现有技术相比，至少具有如下的优点和有益效果：

本发明的方法和装置利用在电流极将要越过土壤分界处时地表电位的变化率出现极大值的原理，实现对季节性冻土厚度的测量，其测量精度高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为地极埋深与V₁-V₂的变化率之间的曲线关系。

图2为本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

一种季节性冻土厚度的测量方法，包括：

在冻土区域打入两个电流极，分别为A极和B极，在A极和B极之间串联可调电源和电流测量装置，其中，A极和B极之间的距离大于10米，可调电源采用直流或交流均可；

在A极和B极之间的连线上打入探针C和探针D，所述探针C和探针D均位于A B两极的中轴线和A极之间，其中，探针C与A极之间的距离不小于探针C直径的10倍且不大于探针C直径的20倍，B极埋入土壤的深度大于探针直径的10倍；

按上述结构多次对探针C和探针D之间的电压差U_X进行测量，其中，X表示测量的次数，且第一次测量时，A极埋入的深度为Y厘米，以后每测一次，A极埋深增加Y厘米；每次测量时，调节可调电源的电压，以保持A极和B极所在回路电流不变；

从第二次测量开始计算U_X-1-U_X，并从第四次测量开始比较（U_X-1-U_X）、（U_X-2-U_X-1）与（U_X-3-U_X-2）的大小关系，当（U_X-1-U_X）<（U_X-2-U_X-1）且（U_X-3-U_X-2）<（U_X-2-U_X-1）时，上层土壤的厚度D为：

D=Y*（X -1）-Y/2；

其中，D的单位为厘米。

所述A极第一次测量埋入的深度Y不小于2厘米且不大于10厘米。

所述A极第一次测量埋入的深度Y为5厘米。

所述A极和B极之间的距离为20厘米。

在季节性冻土区域，上层土壤电阻率远大于下层土壤电阻率，因此在该地区打下两个电流极后，电流极之间的地表电位受表面电流密度的影响，当其中一个电流极深度增加，会导致地表两点电位差下降，由于电流极穿透上层冻土后，接地电阻急剧下降，导致地表电位差变化率急剧减少。根据这一特点，发明人发明了上述测量方法，该方法能解决了季节性冻土厚度测量的问题，给地网埋深设计提供参考，也可以用于评估现有地网在土壤冻结季节是否能满足安全要求。

下面列举某季节性冻土区变电站接地网区域冻土厚度的测量。

在待测季节性冻土地区选择一处较平的地面打入两个电流极，即A极和B极，电流极间距20米；利用可调电源给电流极注入直流电流，将电流表串联在电流通路中，在整个测量过程中通过调节可调电源的电压，以保持电流表的读数不变；

在电流极A和B之间的连线上打入探针C和探针D，探针C到A极的距离为0.5米；探针D距A极的距离为1.5米，探针C和探针D埋入土壤深度为5厘米；

电流极B埋入土壤深度为25 厘米；第一次测量时，电流极A埋入土壤深度为5厘米；以后每测一次，电流极A埋深增加5厘米。

记录每次探针C与探针D的电压U_X，从第二次测量开始，计算（U_X-1-U_X）。

测量得到U₁=38.8V，U₂=36.5V，U₃=34.8V，U₄=32.4V，U₅=29.5V，U₆=16.6V，U₇=14.4V。U₁-U₂=2.3V，U₂-U₃=1.7V，U₃-U₄=2.4V，U₄-U₅=2.9V，U₅-U₆=12.9V，U₆-U₇=2.2V。

通过比较前七次测量结果，发现（U₆-U₇）<（U₅-U₆）且（U₄-U₅）<（U₅-U₆）时，采用下式计算上层土壤的厚度D：

D＝5×（7-1）-2.5=27.5cm

此时D为季节性冻土层的厚度，误差为±2.5cm。

一种季节性冻土厚度的测量装置，包括均用于埋入地表的A极和B极，所述A极和B极之间串联有可调电源和电流测量装置；可调电源可采用直流可调电源和交流可调电源，可采用电源和变压器实现，为本领域的常规技术手段；电流测量装置可采用电流表等结构实现；

还包括均用于埋入地表的探针C和探针D，所述探针C和探针D之间串联有电压测量装置，所述探针C和探针D位于A B两极的中轴线和A极之间；电压测量装置可采用电压表等结构实现。

A极和B极之间的距离大于10米，优选的可设为20米。

探针C与A极的距离不小于探针C直径的10倍且不大于探针C直径的20倍。

B极埋入地表的深度大于探针直径的10倍。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。