青島膠州灣大橋雷擊災害淺析

孫琪等

摘 要：為了給青島膠州灣大橋管理部門及有關人員提供必要的防雷安全信息，該文依據相關的國家技術規范，根據大橋設計資料和多次現場勘查情況以及山東省閃電定位系統2007年-2013年共七年的監測數據，對膠州灣大橋的雷擊災害風險進行了分析，同時還給出了相應的防腐、防雷擊完善措施建議。

關鍵詞：膠州灣大橋 雷擊災害 特征分析

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

雷電災害已成為危害程度僅次于暴雨洪澇、氣象地質災害的一大氣象災害，嚴重威脅著社會公共安全和人民生命財產安全。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到900萬次[1]。據不完全統計，青島地區平均每年因雷擊造成的人員傷亡十余人，雷擊造成的直接經濟損失近千萬元。因此，對大型、重點項目應當進行雷電災害風險評估，從而從源頭上防止或最大程度地降低雷電災害給社會生產和人民生活造成的損失。

青島膠州灣大橋為世界最長的跨海大橋之一，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資單一企業投資建設的最大規模的交通基礎設施項目，是山東省 “五縱四橫一環”公路網上框架的重要組成部分，是青島市規劃的膠州灣東西兩岸跨海通道“一路、一橋、一隧”中的“一橋”。為保障項目的防雷安全，本文對大橋雷擊概率及雷電活動情況等進行了風險評估并提出防雷措施完善建議，以便為管理部門及有關人員提供必要的防雷安全信息。

1 項目概況

青島膠州灣大橋東起環膠州灣高速李村河大橋北200m處，西端在黃島紅石崖與濟青高速南線連接，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塔，高達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，青島側陸上橋梁5.85km，紅石崖側陸上段橋梁及道路共0.9km，紅島連接線長1.9km。設計為雙向六車道高速公路兼城市快速路八車道，設計行車速度為80km/h，橋梁寬35m，設計基準期100年。

2 雷暴主要特征分析

2.1 青島地區雷擊大地密度特征

雷擊大地密度是指每年每平方公里所發生的雷擊大地次數[次/（km2.a）]。根據山東省雷電監測數據，從表1可以看出青島全市境內2007年～2013年落雷次數分別為45743個、8788個、16662個、25184個、23758個、20464個和11715個，將年落雷次數除以青島市的總面積（含各區市）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2007-2013年的雷電資料統計，得出青島地區雷電流平均幅值為11.25KA。

2007～2013年青島全市落雷次數（見表1）。

2.2 項目所在地近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為例進行數據分析，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，該地區平均雷電流幅值為：12.33kA，高于青島地區平均值11.25kA。其中，0～5kA雷電流強度占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 大橋雷擊風險分析

3.1 雷擊風險和風險分量

雷電流是根本的損害源。根據需保護對象特性的不同，雷擊可能引起各種損失。風險R是年平均可能損失量。對于雷擊后可能出現的各種類型的風險包括：人員生命損失風險（R1）、公眾服務損失風險（R2）、文化遺產損失風險（R3）、經濟損失風險（R4）[2-3]。

3.2 年預計雷擊次數計算

根據防雷相關規范[4-5]及工程設計，青島膠州灣大橋工程的防雷設計按第二類防雷建筑物的防雷設計標準來進行。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站及管理設施等。

3.3 各損失風險值計算

雷擊大橋時，存在的風險分量包括：RA：雷擊大橋造成生物傷害有關的風險分量；RB：因危險火花放電觸發火災有關的風險分量；RC：與LEMP造成內部系統失效有關的風險分量；RM：與LEMP引起內部系統失效有關的風險分量；RU：電流注入入戶線路產生的接觸電壓造成人身傷害有關的風險分量；RV：與雷電流經過入戶服務設施產生的物理損害（入戶設施和金屬部件之間的危險火花放電觸發火災或爆炸，通常位于線路入戶處）有關的風險分量；RW：與入戶線路上感應出的并傳導進入建筑物內的過電壓引起內部系統失效有關的風險分量；RZ：與入戶線路上感應出的以及傳導進入建筑物內的過電壓引起內部系統失效有關的風險分量[2]。各風險分量計算公式見表2。

4 結論及防雷措施完善建議

4.1 結論

青島膠州灣大橋的防雷設計按第二類防雷建筑物的防雷設計標準來進行，工程已采取了適當的雷擊防護措施。根據以上的計算與比較也可以看出，采取了雷擊防護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險R1、公眾服務損失風險R2、文化遺產損失風險R3，同時還存在一定的經濟損失風險R4；其人員生命損失風險R1、公眾服務損失風險R2、文化遺產損失風險R3均小于風險容許值；同時，由于大沽河航道橋索塔高度最高，各項雷擊風險也最大，尤其需要加強防護。

4.2 防雷措施完善建議

根據第二類防雷建筑物的要求及防雷措施現狀，提出以下防雷措施完善建議：

各項防雷措施應遵循現行規范的有關規定。根據大橋所處位置及雷電災害風險評估的結論，大橋各主體結構和配套設備比其他區段遭受雷擊的概率要高很多，因此，各索塔、外場監控設備、航標燈、燈桿等需要保護的外場保護設備均應設置有效的直擊雷防護裝置，如接閃桿、接閃帶、接閃網等。室外的設備金屬外殼、 金屬外皮和建構筑物金屬構件等均應接地。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管、電纜支架等需做保護接地。

5 結語

通過分析計算發現，對于不同的防護對象，因選取了不同的因子進行評估計算，得出的風險值必然不同，建設方尤其應該對風險值相對較高的對象采取加強防護的措施。

同時，考慮到經濟與技術結合的最大效益，國內和國際標準規定了允許落閃頻率和可接受的最大風險值，該文中的建議即是基于這些值給出的，超出規定值的雷擊損壞是可能存在的，任何的設計方案都難以做到百分之百的有效防護。

參考文獻

[1] 馬丁·尤曼.防雷技術與科學[M].北京：氣象出版社，2011：4.

[2] 中國氣象局.雷電災害風險評估技術規范（QX/T85-2007）[S].北京：氣象出版社，2008.

[3] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局國家標準化管理委員會.GB/T 21714.2-2008/IEC 62305-2，2006，雷電防護第2部分：風險管理[S].北京：中國標準出版社，2008.