水庫水文設(shè)施避雷接地體項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐

張忠科，程 斌，左志海，李 軍，張春玲

(泰安市水文中心，山東 泰安 271000)

泰安市有大中型水庫17座，其中大型水庫1座，東平湖1處；中型水庫15座；小型水庫671座，其中小(1)型90座，小(2)型581座；大中型水庫都有水文監(jiān)測設(shè)施設(shè)備，有些設(shè)施設(shè)備已陳舊老化，自動(dòng)化程度不高，無法滿足當(dāng)前防汛抗洪的基本要求；有的水庫還缺少部分水文設(shè)施設(shè)備，亟需增加、改建工程設(shè)施項(xiàng)目，更新迭代現(xiàn)代化、智能化、數(shù)字化的水文監(jiān)測設(shè)施設(shè)備；小型水庫基本上就沒有水文監(jiān)測設(shè)施設(shè)備，亟需科學(xué)合理的規(guī)劃布設(shè)水文監(jiān)測設(shè)施設(shè)備，這些需要新建的水文監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)施工程項(xiàng)目都需要避雷接地體系統(tǒng)，科學(xué)合理、規(guī)范設(shè)計(jì)出符合水庫已建基礎(chǔ)上的避雷接地體系統(tǒng)，是擺在我們面前的主要任務(wù)，究竟水庫工程項(xiàng)目的避雷接地體系統(tǒng)與河道的設(shè)計(jì)有所區(qū)別，與工民建建設(shè)工程的更是不同，水庫由于環(huán)境地質(zhì)、地形、建設(shè)規(guī)模、大壩結(jié)構(gòu)等因素的差異太大，布設(shè)位置的不同，設(shè)計(jì)也有天壤之別，不能照抄照搬統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)圖集，要因地制宜，區(qū)別對待設(shè)計(jì)出符合水庫建設(shè)基礎(chǔ)上的接地體系統(tǒng)。

1 水文設(shè)施配套接地體概況

目前泰安市大中型水庫壩前都有水位監(jiān)測項(xiàng)目；溢洪道有普通水位觀測設(shè)施，個(gè)別水庫有流速監(jiān)測設(shè)施設(shè)備及視頻監(jiān)控設(shè)施設(shè)備，有水文站的水庫，院內(nèi)有雨量觀測設(shè)備、蒸發(fā)觀測項(xiàng)目及院內(nèi)視頻監(jiān)控等；大部分小型水庫是無水文監(jiān)測設(shè)施設(shè)備，個(gè)別小型水庫只有普通水尺觀測設(shè)施；目前一個(gè)水庫要有以下水文監(jiān)測設(shè)施設(shè)備才能滿足防汛抗洪的工程規(guī)范要求，而且這些水文監(jiān)測設(shè)施都要有與之配套的避雷接地體系統(tǒng)。

1.1 水位監(jiān)測設(shè)施

主要包括為普通水尺和遙測水位計(jì)。普通水尺不需要避雷接地系統(tǒng)；浮子水位計(jì)和雷達(dá)式水位計(jì)、氣泡水位計(jì)等一系列自動(dòng)遙測設(shè)施，這類設(shè)施需要與之配套的避雷接地體系統(tǒng)。

1.2 雨量、蒸發(fā)觀測設(shè)施

雨量、蒸發(fā)觀測設(shè)施設(shè)備主要設(shè)在大中型水庫有水文站的院內(nèi)觀測場里，如果水庫沒有設(shè)水文站的就在附近區(qū)域單獨(dú)設(shè)雨量觀測設(shè)施設(shè)備。雨量設(shè)備包括普通雨量計(jì)和遙測雨量計(jì)；蒸發(fā)設(shè)備包括普通蒸發(fā)皿和自動(dòng)遙測蒸發(fā)器；雨量設(shè)施設(shè)備、蒸發(fā)觀測設(shè)施設(shè)備不需要布設(shè)避雷接地體系統(tǒng)。

1.3 流量監(jiān)測設(shè)施

流量監(jiān)測主要是監(jiān)測出、入庫水量而設(shè)立的設(shè)施設(shè)備。設(shè)施有流速儀纜道、自行走式雷達(dá)波測流等水文纜道監(jiān)測設(shè)施；其他設(shè)施有固定式雷達(dá)波測速系統(tǒng)、測掃雷達(dá)測速等水文測速設(shè)施；水文纜道及測速設(shè)施都需要與之配套的避雷接地體系統(tǒng)。

1.4 視頻監(jiān)控設(shè)施

主要布設(shè)在入庫監(jiān)測斷面上1-2個(gè)；水庫壩前觀測斷面上1個(gè)；水文站站房院內(nèi)一般布設(shè)2個(gè)左右；水庫溢洪道監(jiān)測斷面上布設(shè)1-2個(gè)；視頻監(jiān)控的主要作用是查看水文設(shè)施設(shè)備的運(yùn)行情況，視頻監(jiān)控設(shè)施也需要配套相應(yīng)的避雷接地體系統(tǒng)。

2 避雷接地體系統(tǒng)作用

2.1 保護(hù)設(shè)施設(shè)備

水文設(shè)施避雷接地系統(tǒng)的主要作用就是保護(hù)設(shè)施免遭雷電的攻擊，確保監(jiān)測設(shè)備不被雷電瞬間浪涌電流燒壞，保證設(shè)備的正常運(yùn)行能夠及時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，為防汛抗洪提供所需水文資料，為防洪決策提供有力支撐；如果水文設(shè)施的避雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，施工后的接地阻值達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，超出規(guī)范要求。運(yùn)行過程中的設(shè)施設(shè)備可能遭受雷電攻擊而損壞，儀器設(shè)備無法傳輸數(shù)據(jù)，無數(shù)據(jù)的決策成了無源之水。

2.2 保護(hù)人身安全

設(shè)備在運(yùn)行過程中難免會出現(xiàn)問題，如果工作人員正在檢查維修儀器時(shí)，恰遇雷電，如果避雷接地正常運(yùn)行，就可以保護(hù)人身不遭雷擊，不會有生命危險(xiǎn)；巧遇避雷接地體阻值超出設(shè)計(jì)規(guī)范要求，雷電的浪涌電流不能瞬間進(jìn)入接地體，設(shè)備可能燒毀，人身也可能遭受雷電的攻擊而傷亡；如果接地體阻值無限大，設(shè)備就燒毀，人身就可能重傷、甚至死亡。

2.3 保護(hù)儀器設(shè)備的用電安全

交流電及太陽能的電源接地導(dǎo)線、配電箱開關(guān)及外殼等設(shè)備都要連接到避雷接地體上；如果沒有連接或者連接不牢固，遭遇雷電時(shí)就不能保護(hù)設(shè)備的供電安全，導(dǎo)致線路及儀器設(shè)備燒毀、起火等安全事故。

3 水文監(jiān)測設(shè)施接地體設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

水庫水文設(shè)施避雷接地體系統(tǒng)是水文工程建設(shè)項(xiàng)目的重要組成部分，在設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮，不能照搬標(biāo)準(zhǔn)圖集；水庫的水利工程建設(shè)項(xiàng)目都早已完成，在已建工程基礎(chǔ)上進(jìn)行的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)原則不僅要符合現(xiàn)有建設(shè)情況，不破壞原有工程設(shè)施，而且設(shè)計(jì)方案還要符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，設(shè)計(jì)出的方案還能夠完成施工任務(wù)，實(shí)現(xiàn)避雷接地體設(shè)計(jì)適用、經(jīng)濟(jì)的功能性原則。

3.2 設(shè)計(jì)思路

大部分水庫都是在野外的山區(qū)，單一水庫大壩建設(shè)情況不一樣，大壩周圍環(huán)境也不一樣，水庫的地形、地質(zhì)地貌有差異；因此在水庫上新設(shè)水文監(jiān)測設(shè)施的工程建設(shè)項(xiàng)目時(shí)就要實(shí)地考察調(diào)研；首先要確定布設(shè)水文設(shè)施設(shè)備的監(jiān)測種類，其次確定水文設(shè)施布設(shè)的地點(diǎn)、方式等；尤其是要綜合考慮避雷接地體的設(shè)計(jì)方式，既要滿足水庫現(xiàn)有建設(shè)基礎(chǔ)的實(shí)際情況，還要考慮設(shè)計(jì)方案是否符合規(guī)范，是否滿足施工需求、施工成本低的綜合設(shè)計(jì)方案；不能墨守成規(guī)，盡可能實(shí)現(xiàn)“一庫一策”的設(shè)計(jì)思路，在思路上突破，在設(shè)計(jì)上創(chuàng)新，在功能上滿足避雷效果，在外觀上美麗整潔。

3.3 水文設(shè)施接地體的設(shè)計(jì)方式

3.3.1水庫水文設(shè)施避雷接地體的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方式

水庫新建工程與配套水文設(shè)施工程建設(shè)項(xiàng)目同步推進(jìn)時(shí)，水庫工程建設(shè)項(xiàng)目的避雷接地體與配套水文設(shè)施避雷接地體設(shè)計(jì)都可以采用“標(biāo)準(zhǔn)圖集設(shè)計(jì)法”。“標(biāo)準(zhǔn)圖集設(shè)計(jì)法”的好處是不需要對設(shè)計(jì)參數(shù)驗(yàn)算，都是經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的方法，由于是同時(shí)施工，不需要變更就能實(shí)現(xiàn)的方法。水文設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目避雷接地體的“標(biāo)準(zhǔn)圖集設(shè)計(jì)法”如圖1所示。

3.3.2 水庫壩前新設(shè)水文設(shè)施避雷接地體的設(shè)計(jì)方式

目前，泰安市大中型水庫壩前亟需新設(shè)視頻監(jiān)控等水文設(shè)施，新設(shè)設(shè)施接地體的設(shè)計(jì)要根據(jù)水庫的建設(shè)情況單獨(dú)設(shè)計(jì)，不能照搬“標(biāo)準(zhǔn)圖集設(shè)計(jì)法”。通常情況大壩壩頂為交通道路，有瀝青或混凝土兩種形式的道路，路的兩側(cè)是石徹欄桿；水庫大壩前全部為壩體護(hù)坡，主要有漿徹石頭及混凝土連鎖塊等護(hù)坡方式，護(hù)坡墊層下是土工布防漏系統(tǒng)；在這些建成規(guī)?；A(chǔ)上新布設(shè)的水文設(shè)施，按照“標(biāo)準(zhǔn)圖集設(shè)計(jì)法”設(shè)計(jì)的避雷接地體，與水庫的防漏系統(tǒng)有沖突，施工任務(wù)無法完成，針對這種情況，就要另辟蹊徑，采用“通用設(shè)計(jì)法”與庫底的“單根鋼管法”“十字架法”結(jié)合運(yùn)用?！巴ㄓ迷O(shè)計(jì)法”是指水文設(shè)施頂端避雷針到水庫庫底基礎(chǔ)上引出一根熱鍍鋅扁鋼沿壩體引入到庫底部分；從基礎(chǔ)上引出的熱鍍鋅扁鋼到達(dá)庫底主要有2種方式：一種是在護(hù)坡下面與墊層之間直接引入到庫底，這種引入法比較隱蔽、美觀整潔；另一種是在護(hù)坡上面直接引入庫底，熱鍍鋅扁鋼用混凝土砂漿單獨(dú)密封，這種方法是容易維修維護(hù)。

庫底的“單根鋼管法”“十字架法”與水體作為接地體的另一部分，這部分是接地體的獨(dú)到設(shè)計(jì)方式。

(1)庫底為土質(zhì)結(jié)構(gòu)且蓄水便于施工時(shí)，庫底接地體的設(shè)計(jì)方式。水庫蓄水不多，經(jīng)過咨詢及現(xiàn)場勘測庫底結(jié)構(gòu)為淤泥及回填土等地質(zhì)結(jié)構(gòu)，回填土下無土工布防漏系統(tǒng)，施工便于在庫底展開，接地體設(shè)計(jì)就可以設(shè)計(jì)為“單根鋼管法”。設(shè)計(jì)原理是利用水庫中的水體和鍍鋅鋼管及熱鍍鋅扁鋼作為一個(gè)大導(dǎo)電體，這個(gè)浪涌導(dǎo)電體與水庫的蓄水量、蓄水導(dǎo)電粒子的密度、鋼管材料、扁鋼材料等有密切關(guān)系，“單根鋼管法”經(jīng)驗(yàn)算導(dǎo)電電阻的阻值是符合規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)。具體做法：施工中用Φ50cm鍍鋅鋼管砸入庫底淤泥土下固定，連接鍍鋅鋼管和熱鍍鋅扁鋼并焊接牢固，在焊點(diǎn)處涂刷3遍防銹漆就可以。設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 單根鋼管法

(2)庫底為巖石結(jié)構(gòu)且蓄水便于施工時(shí)，庫底接地體的設(shè)計(jì)方式。

如果庫底地質(zhì)結(jié)構(gòu)為花崗巖時(shí)，接地體Φ50cm鍍鋅鋼管無法砸入庫底下，庫底接地體可以設(shè)計(jì)為“十字架法”，這種方法的原理與“單根鋼管法”一樣。具體做法為：庫底接地體采用2根長2m的Φ50cm熱鍍鋼管焊接成十字架，熱鍍鋅扁鋼末端焊接在十字架的中心點(diǎn)上，焊接一定要牢固，在焊點(diǎn)處涂刷3遍防銹漆，用C20混凝土澆筑在十字架的中間固定在庫底?！笆旨芊ā比鐖D3所示。

圖3 十字架法

(3)水庫蓄水無法施工時(shí)，庫底接地體的設(shè)計(jì)方式。如果水庫蓄水太多，接地體在庫底無法施工，就不能采用“單根鋼管法”；可以考慮采用“十字架法”沉入庫底；這種方法簡單適用，施工便捷。具體做法：在水庫壩上工作間加工制作好“十字架法”接地體，把“十字架”鍍鋅鋼管及熱鍍鋅扁鋼一同沉入水庫庫底，然后用“通用設(shè)計(jì)法”與水文設(shè)施的基礎(chǔ)上的短線卡連接。

3.3.3水庫溢洪道處新設(shè)水文設(shè)施避雷接地體的設(shè)計(jì)方式

在U型標(biāo)準(zhǔn)混凝土溢洪道上布設(shè)水文設(shè)施時(shí)，要先去現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)研并勘測布設(shè)的場地面積、土質(zhì)、地形地貌等；溢洪道的接地體系統(tǒng)主要分布在溢洪道擋土墻的外側(cè)部分，溢洪道是否有水都與接地體無關(guān)，設(shè)計(jì)方式只能考慮按照“標(biāo)準(zhǔn)圖集設(shè)計(jì)法”，可以適當(dāng)改進(jìn)。確定擋土墻外的區(qū)域面積及土質(zhì)是否符合規(guī)范要求，是否采用“標(biāo)準(zhǔn)圖集設(shè)計(jì)法”；如果墻外區(qū)域面積不能滿足規(guī)范條件，土質(zhì)符合規(guī)范要求且土質(zhì)深度可以達(dá)3米以上，這樣用增加深度的方法增加接地體的面積，也能夠達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；如果區(qū)域內(nèi)土質(zhì)不符合規(guī)范，就可考慮換土；最后墻外區(qū)域面積及土質(zhì)都不符合規(guī)范，就需要在下游選取地點(diǎn)。

3.3.4溢洪道下游布設(shè)水文監(jiān)測設(shè)施避雷接地體的設(shè)計(jì)方式

在標(biāo)準(zhǔn)混凝土溢洪道擋土墻外無法布設(shè)水文設(shè)施時(shí)，在下游選取合適的地點(diǎn)布設(shè)水文設(shè)施接地體；下游選取的地方要充分考慮地形、地質(zhì)、區(qū)域面積等綜合因素，勘測河底淤泥沙石埋深度，調(diào)研河底是否常年有滲水等情況，最后確定避雷接地體的設(shè)計(jì)方式是采用那種方法。同一側(cè)斷面相鄰處同時(shí)建設(shè)2個(gè)以上的水文監(jiān)測設(shè)施，考慮共用一套接地體獨(dú)立系統(tǒng)，既可以節(jié)省施工時(shí)間及減少工程量，又可以節(jié)約工程建設(shè)經(jīng)費(fèi)。

4 避雷接地體設(shè)計(jì)的實(shí)踐應(yīng)用與分析

4.1 避雷接地體設(shè)計(jì)的實(shí)踐應(yīng)用

2020年4月開始至今，泰安市水文中心對15個(gè)水庫新建水文設(shè)施避雷接地體建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行檢測分析及應(yīng)用研究，對建成的水文設(shè)施進(jìn)行跟蹤調(diào)查檢測，對試運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行比對研究。結(jié)論為：15個(gè)水庫的水文設(shè)施設(shè)備均符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4.1.1溢洪道下游布設(shè)水文設(shè)施情況

光明水庫、黃前水庫、東周水庫3處大中型水庫溢洪道下游分別新建視頻監(jiān)控、水文纜道等水文設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目；原避雷接地體設(shè)計(jì)為“標(biāo)準(zhǔn)圖集設(shè)計(jì)法”的獨(dú)立系統(tǒng)，由于視頻監(jiān)控與水文纜道設(shè)施在同一側(cè)位置非常近，經(jīng)申請變更為：共用一套接地體獨(dú)立系統(tǒng)；工程完成后，聘請有監(jiān)測資質(zhì)的第三方現(xiàn)場檢測，接地電阻范圍為2.1～3.6Ω，符合設(shè)計(jì)小于4Ω的標(biāo)準(zhǔn)。

4.1.2小(一)型水庫布設(shè)水文設(shè)施

山陽水庫、彩山水庫、崅峪水庫等12個(gè)小(一)型水庫，壩前水文斷面上新設(shè)視頻監(jiān)控設(shè)施，設(shè)計(jì)單位沒有去現(xiàn)場進(jìn)行勘測調(diào)研，避雷接地體設(shè)計(jì)為“標(biāo)準(zhǔn)圖集設(shè)計(jì)法”，無法施工。經(jīng)協(xié)商變更為“十字架法”進(jìn)行施工，施工完成后，也由檢測資質(zhì)的第三方現(xiàn)場檢測，接地系統(tǒng)電阻測量范圍為1.0～2.3Ω，符合設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)小于4Ω的要求。

4.2 避雷接地體設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)分析

按照避雷接地體“標(biāo)準(zhǔn)圖集設(shè)計(jì)法”進(jìn)行施工，一處避雷接地體合同中標(biāo)單價(jià)為3.6萬元；按照壩前“單根鋼管法”或“十字架法”進(jìn)行施工，避雷接地體施工費(fèi)用審計(jì)價(jià)為1.2萬元/處，可以節(jié)省2.4萬元/處。2處水文設(shè)施共用一處“標(biāo)準(zhǔn)圖集設(shè)計(jì)法”接地體獨(dú)立系統(tǒng)，經(jīng)審計(jì)2處費(fèi)用為3.8萬元，對比“標(biāo)準(zhǔn)圖集設(shè)計(jì)法”接地獨(dú)立系統(tǒng)可以節(jié)省1.6萬元/處。通過以上經(jīng)濟(jì)核算分析，避雷接地體的設(shè)計(jì)非常重要，科學(xué)合理的設(shè)計(jì)不僅能夠縮短施工工期，更重要的是節(jié)約建設(shè)經(jīng)費(fèi)。

4.3 避雷接地設(shè)計(jì)的運(yùn)行分析

泰安市水庫新建水文監(jiān)測設(shè)施避雷接地系統(tǒng)工程建設(shè)項(xiàng)目，經(jīng)過2年多設(shè)施設(shè)備的運(yùn)行情況來看，100%的避雷接地系統(tǒng)都能夠正常運(yùn)行，發(fā)揮工程效益。每年3—4月份進(jìn)行汛前檢查時(shí)，組織專業(yè)技術(shù)人員對避雷接地體進(jìn)行現(xiàn)場檢測，所有監(jiān)測數(shù)據(jù)均小于4Ω，都符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。進(jìn)入汛期后通過計(jì)算機(jī)對水文數(shù)據(jù)的傳輸資料進(jìn)行分析研究，對視頻監(jiān)控的圖像穩(wěn)定性分析，確定儀器設(shè)備運(yùn)行正常，也證明避雷接地體的穩(wěn)定性，沒有遭受雷擊的攻擊；通過試運(yùn)行說明因地制宜的“一庫一策”的接地體設(shè)計(jì)符合規(guī)范要求。

5 結(jié)語

“十四五”水庫水文設(shè)施接地體規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，一定要實(shí)地調(diào)研，了解水庫的建設(shè)情況后，確定水文設(shè)施布設(shè)位置、布設(shè)種類；在設(shè)計(jì)方式上要?jiǎng)?chuàng)新發(fā)展，拋棄照搬照抄的設(shè)計(jì)理念，推陳出新，實(shí)現(xiàn)“一庫一策”的設(shè)計(jì)風(fēng)格、設(shè)計(jì)方案；實(shí)現(xiàn)接地體的雷電消散、疏導(dǎo)或抑制掉，實(shí)現(xiàn)對水文測報(bào)設(shè)施、儀器設(shè)備的易受雷電影響的通道上起到保護(hù)作用，確保儀器設(shè)備的安全；尤其是“單根鋼管法”、“十字架法”是值得大力倡導(dǎo)的設(shè)計(jì)方法，是在水庫建設(shè)基礎(chǔ)上的成功典范，是值得借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)。