青島膠州灣大橋雷擊災(zāi)害淺析

孫琪等

摘 要：為了給青島膠州灣大橋管理部門及有關(guān)人員提供必要的防雷安全信息，該文依據(jù)相關(guān)的國家技術(shù)規(guī)范，根據(jù)大橋設(shè)計(jì)資料和多次現(xiàn)場勘查情況以及山東省閃電定位系統(tǒng)2007年-2013年共七年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對膠州灣大橋的雷擊災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行了分析，同時還給出了相應(yīng)的防腐、防雷擊完善措施建議。

關(guān)鍵詞：膠州灣大橋 雷擊災(zāi)害 特征分析

中圖分類號：tn312.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0081-02

雷電災(zāi)害已成為危害程度僅次于暴雨洪澇、氣象地質(zhì)災(zāi)害的一大氣象災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著社會公共安全和人民生命財產(chǎn)安全。在地球大氣層中，全球每一瞬間都有約2000個雷暴存在，在一天中全球閃電達(dá)到900萬次[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，青島地區(qū)平均每年因雷擊造成的人員傷亡十余人，雷擊造成的直接經(jīng)濟(jì)損失近千萬元。因此，對大型、重點(diǎn)項(xiàng)目應(yīng)當(dāng)進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險評估，從而從源頭上防止或最大程度地降低雷電災(zāi)害給社會生產(chǎn)和人民生活造成的損失。

青島膠州灣大橋?yàn)槭澜缱铋L的跨海大橋之一，全長36.48km，是我國北方冰凍海域首座特大型橋梁集群工程和我國目前國有獨(dú)資單一企業(yè)投資建設(shè)的最大規(guī)模的交通基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，是山東省 “五縱四橫一環(huán)”公路網(wǎng)上框架的重要組成部分，是青島市規(guī)劃的膠州灣東西兩岸跨海通道“一路、一橋、一隧”中的“一橋”。為保障項(xiàng)目的防雷安全，本文對大橋雷擊概率及雷電活動情況等進(jìn)行了風(fēng)險評估并提出防雷措施完善建議，以便為管理部門及有關(guān)人員提供必要的防雷安全信息。

1 項(xiàng)目概況

青島膠州灣大橋東起環(huán)膠州灣高速李村河大橋北200m處，西端在黃島紅石崖與濟(jì)青高速南線連接，包括滄口、紅島和大沽河航道橋以及海上非通航孔橋和路上引橋、黃島兩岸接線工程和紅島連接線工程等。

其中，大沽河航道橋的主塔為獨(dú)塔，高達(dá)149m，是海灣大橋上的最高塔。大橋路線全長新建里程約35.48km，其中海上段長度26.75km，青島側(cè)陸上橋梁5.85km，紅石崖側(cè)陸上段橋梁及道路共0.9km，紅島連接線長1.9km。設(shè)計(jì)為雙向六車道高速公路兼城市快速路八車道，設(shè)計(jì)行車速度為80km/h，橋梁寬35m，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期100年。

2 雷暴主要特征分析

2.1 青島地區(qū)雷擊大地密度特征

雷擊大地密度是指每年每平方公里所發(fā)生的雷擊大地次數(shù)[次/（km2.a）]。根據(jù)山東省雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，從表1可以看出青島全市境內(nèi)2007年～2013年落雷次數(shù)分別為45743個、8788個、16662個、25184個、23758個、20464個和11715個，將年落雷次數(shù)除以青島市的總面積（含各區(qū)市）10654平方公里，得出年平均雷擊大地密度，取這七年的平均值2.04次/（km2.a），該值作為青島市的雷擊大地密度的平均值。同樣，根據(jù)2007-2013年的雷電資料統(tǒng)計(jì)，得出青島地區(qū)雷電流平均幅值為11.25KA。

2007～2013年青島全市落雷次數(shù)（見表1）。

2.2 項(xiàng)目所在地近7年來雷電活動情況

以較位于大橋中心位置的紅島航道橋所處地點(diǎn)為例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，2007年1月1日～2013年12月31日，平均雷擊大地密度為1.5次/（km2·a），較青島地區(qū)平均值要小。見圖1。

但是，從雷電流特征圖（見圖2）上可以看出，該地區(qū)平均雷電流幅值為：12.33kA，高于青島地區(qū)平均值11.25kA。其中，0～5kA雷電流強(qiáng)度占16.0%；5～10kA的雷電流占27.0%；10～15kA的雷電流占27.0%；15～20kA的雷電流占17.0%；20～25kA的雷電流占8.0%；25～30kA的雷電流占3.0%；30～35kA的雷電流占1.0%；35～40kA的雷電流占1.0%；無40kA及以上的雷電流。

3 大橋雷擊風(fēng)險分析

3.1 雷擊風(fēng)險和風(fēng)險分量

雷電流是根本的損害源。根據(jù)需保護(hù)對象特性的不同，雷擊可能引起各種損失。風(fēng)險R是年平均可能損失量。對于雷擊后可能出現(xiàn)的各種類型的風(fēng)險包括：人員生命損失風(fēng)險（R1）、公眾服務(wù)損失風(fēng)險（R2）、文化遺產(chǎn)損失風(fēng)險（R3）、經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險（R4）[2-3]。

3.2 年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)計(jì)算

根據(jù)防雷相關(guān)規(guī)范[4-5]及工程設(shè)計(jì)，青島膠州灣大橋工程的防雷設(shè)計(jì)按第二類防雷建筑物的防雷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。該大橋包括滄口、紅島和大沽河航道橋、海上非通航孔橋和路上引橋、黃島兩岸接線工程和紅島連接線工程，李村河互通、紅島互通以及青島、紅島和黃島三個主線收費(fèi)站及管理設(shè)施等。

3.3 各損失風(fēng)險值計(jì)算

雷擊大橋時，存在的風(fēng)險分量包括：RA：雷擊大橋造成生物傷害有關(guān)的風(fēng)險分量；RB：因危險火花放電觸發(fā)火災(zāi)有關(guān)的風(fēng)險分量；RC：與LEMP造成內(nèi)部系統(tǒng)失效有關(guān)的風(fēng)險分量；RM：與LEMP引起內(nèi)部系統(tǒng)失效有關(guān)的風(fēng)險分量；RU：電流注入入戶線路產(chǎn)生的接觸電壓造成人身傷害有關(guān)的風(fēng)險分量；RV：與雷電流經(jīng)過入戶服務(wù)設(shè)施產(chǎn)生的物理損害（入戶設(shè)施和金屬部件之間的危險火花放電觸發(fā)火災(zāi)或爆炸，通常位于線路入戶處）有關(guān)的風(fēng)險分量；RW：與入戶線路上感應(yīng)出的并傳導(dǎo)進(jìn)入建筑物內(nèi)的過電壓引起內(nèi)部系統(tǒng)失效有關(guān)的風(fēng)險分量；RZ：與入戶線路上感應(yīng)出的以及傳導(dǎo)進(jìn)入建筑物內(nèi)的過電壓引起內(nèi)部系統(tǒng)失效有關(guān)的風(fēng)險分量[2]。各風(fēng)險分量計(jì)算公式見表2。

4 結(jié)論及防雷措施完善建議

4.1 結(jié)論

青島膠州灣大橋的防雷設(shè)計(jì)按第二類防雷建筑物的防雷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行，工程已采取了適當(dāng)?shù)睦讚舴雷o(hù)措施。根據(jù)以上的計(jì)算與比較也可以看出，采取了雷擊防護(hù)措施的青島膠州灣大橋各航道橋在遭受雷擊時存在人員生命損失風(fēng)險R1、公眾服務(wù)損失風(fēng)險R2、文化遺產(chǎn)損失風(fēng)險R3，同時還存在一定的經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險R4；其人員生命損失風(fēng)險R1、公眾服務(wù)損失風(fēng)險R2、文化遺產(chǎn)損失風(fēng)險R3均小于風(fēng)險容許值；同時，由于大沽河航道橋索塔高度最高，各項(xiàng)雷擊風(fēng)險也最大，尤其需要加強(qiáng)防護(hù)。

4.2 防雷措施完善建議

根據(jù)第二類防雷建筑物的要求及防雷措施現(xiàn)狀，提出以下防雷措施完善建議：

各項(xiàng)防雷措施應(yīng)遵循現(xiàn)行規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。根據(jù)大橋所處位置及雷電災(zāi)害風(fēng)險評估的結(jié)論，大橋各主體結(jié)構(gòu)和配套設(shè)備比其他區(qū)段遭受雷擊的概率要高很多，因此，各索塔、外場監(jiān)控設(shè)備、航標(biāo)燈、燈桿等需要保護(hù)的外場保護(hù)設(shè)備均應(yīng)設(shè)置有效的直擊雷防護(hù)裝置，如接閃桿、接閃帶、接閃網(wǎng)等。室外的設(shè)備金屬外殼、 金屬外皮和建構(gòu)筑物金屬構(gòu)件等均應(yīng)接地。電纜接線盒、終端盒的外殼、電力電纜的金屬外皮、電力線路的金屬保護(hù)管、電纜支架等需做保護(hù)接地。

5 結(jié)語

通過分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)，對于不同的防護(hù)對象，因選取了不同的因子進(jìn)行評估計(jì)算，得出的風(fēng)險值必然不同，建設(shè)方尤其應(yīng)該對風(fēng)險值相對較高的對象采取加強(qiáng)防護(hù)的措施。

同時，考慮到經(jīng)濟(jì)與技術(shù)結(jié)合的最大效益，國內(nèi)和國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了允許落閃頻率和可接受的最大風(fēng)險值，該文中的建議即是基于這些值給出的，超出規(guī)定值的雷擊損壞是可能存在的，任何的設(shè)計(jì)方案都難以做到百分之百的有效防護(hù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬丁·尤曼.防雷技術(shù)與科學(xué)[M].北京：氣象出版社，2011：4.

[2] 中國氣象局.雷電災(zāi)害風(fēng)險評估技術(shù)規(guī)范（QX/T85-2007）[S].北京：氣象出版社，2008.

[3] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 21714.2-2008/IEC 62305-2，2006，雷電防護(hù)第2部分：風(fēng)險管理[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.