古樹名木雷電災(zāi)害防御研究

楊 磊高級(jí)工程師 強(qiáng)玉華高級(jí)工程師

(麗水市氣象局，浙江 麗水 323000)

0 引言

古樹是指樹齡在100年以上樹木，名木是指稀有、珍貴和具有歷史價(jià)值、重要紀(jì)念意義的樹木。隨著建設(shè)美麗中國(guó)、森林城市的推進(jìn)，各地方政府對(duì)古樹名木的保護(hù)也更加重視，多個(gè)省份相繼出臺(tái)古樹名木保護(hù)辦法。影響古樹名木生長(zhǎng)的因素比較多，其中自然現(xiàn)象對(duì)古樹名木的影響主要包括大風(fēng)、霜凍和雷電，其中雷電對(duì)樹木的破壞最嚴(yán)重，直接造成樹木劈裂、折斷、起火甚至死亡。例如，2021年5月12日，福建福安市600多年樹齡古樹遭受雷擊起火燃燒；2020年6月，湖北省浠水縣汪崗鎮(zhèn)潭廟沖村500年以上樹齡的古樹多次遭雷擊。全國(guó)因雷擊引起的古樹損壞十分常見，為防止其再次遭受雷擊，通常在古樹名木上安裝防雷裝置。目前研究主要有：李萬(wàn)里淺析古樹名木防雷與接地設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)；王海蕓探討古樹采用獨(dú)立避雷針進(jìn)行防護(hù)的必要性和避雷針安裝的位置；李兆華等提出采用不同類型的接閃裝置對(duì)單株、多株古樹名木實(shí)施防雷保護(hù)的技術(shù)要求和方法。目前古樹名木雷電防御研究大多集中在工程性的防御方法，很少對(duì)古樹名木開展風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分，較少研究建筑物與古樹間的相互影響。古樹名木通常生長(zhǎng)于村落、古剎、風(fēng)景名勝區(qū)，建筑物與古樹名木之間相互影響，在保護(hù)古樹名木的同時(shí)需要統(tǒng)籌考慮建筑物和人員安全。本文通過分析雷電危害機(jī)理，計(jì)算雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)，確定古樹名木的防護(hù)等級(jí)，同時(shí)采取工程性的雷電防護(hù)方法，制定科學(xué)的雷電防護(hù)方案。

1 古樹名木的雷電危害機(jī)理

2 古樹名木雷電損害風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算及防御

2.1 雷電損害風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

古樹名木遭受雷擊的次數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)與古樹名木的高度、形狀、所處的地理位置、當(dāng)?shù)氐睦妆?qiáng)度及周邊建筑物對(duì)古樹的影響有關(guān)。古樹名木和建筑物的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)

N

可表示為：

N

=

k

·

N

·

A

(1)

式中：

N

—古樹或建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)，次/a；

N

—年雷擊大地密度，次/km/a；

A

—古樹或建筑物雷擊等效面積，km；

k

—古樹或建筑物所處位置修正系數(shù)。

N

結(jié)合30年人工雷暴日觀測(cè)和10年閃電定位儀探測(cè)記錄綜合分析來計(jì)算，可表示為：

N

=(0

.

1

T

×

T

+

N

1×

T

)

/

(

T

+

T

)

(2)

式中：

T

—人工觀測(cè)雷暴日年限，a；

T

—年均雷暴日，當(dāng)?shù)貫?9.4天；

N

1—地閃探測(cè)數(shù)值，次/km/a；

T

—地閃數(shù)據(jù)探測(cè)年限，a。

根據(jù)古樹和建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)，以及《古樹名木保護(hù)辦法》中規(guī)定的分級(jí)保護(hù)辦法，劃分防雷保護(hù)等級(jí)。

2.2 古樹名木的雷電防御

按防雷等級(jí)劃分進(jìn)行防雷保護(hù)，可從3方面進(jìn)行考慮，其一是在古樹上直接安裝防雷裝置；其二是在古樹名木附近建筑物上安裝防雷裝置，使其保護(hù)范圍能覆蓋古樹；其三是在古樹名木附近地面安裝獨(dú)立接閃器。

(1)在古樹名木直接安裝防雷裝置，防雷裝置包括接閃器、引下線、接地裝置。接閃器直接設(shè)置在樹木的主干或粗壯樹干的最頂部，要便于安裝和固定。接閃器的高度應(yīng)高于樹冠最高點(diǎn)不小于1.0m。接閃器的材質(zhì)應(yīng)優(yōu)先采用圓鋼，圓鋼的尺寸參照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中5.2條款相關(guān)規(guī)定。接閃器采用抱箍固定，應(yīng)考慮樹體的生長(zhǎng)變化，抱箍宜采用柔性材料作為底襯，柔性材料的寬度應(yīng)大于抱箍寬度，且抱箍長(zhǎng)度應(yīng)留有一定余量。

引下線的上端與接閃器連接，下端與接地裝置連接。連接方式可以采用焊接或螺栓壓接，連接點(diǎn)過渡電阻應(yīng)不大于0.03Ω，根數(shù)不應(yīng)少于2根，可選用多芯銅絞線或鋼絞線等較好施工的材質(zhì)，布設(shè)于樹冠的稀疏一側(cè)。引下線應(yīng)以最短路徑接地，盡量保持平直，轉(zhuǎn)彎處應(yīng)為鈍角。古樹名木周圍有人員活動(dòng)，引下線從地面至2.7m高度設(shè)置絕緣套管，防止接觸電壓和旁側(cè)閃擊。引下線距地0.3～1.8m間應(yīng)設(shè)置斷接卡，便于檢修維護(hù)。為防止雷電引起的接觸電壓和跨步電壓，還應(yīng)在引下線距地面高度3m內(nèi)設(shè)置防雷警示標(biāo)識(shí)，并在距古樹名木投影外設(shè)置非金屬封閉圍欄。

接地裝置應(yīng)布置在古樹名木樹冠的稀疏一側(cè)，設(shè)置在樹冠垂直投影3m以外，避免破壞古樹名木的根系。水平接地體通常采用圓鋼或扁鋼，埋深不宜小于0.8m；垂直接地體通常采用角鋼、鋼管或圓鋼，長(zhǎng)度不小于2.5m，間距大于5m。條件容許情況，接地裝置應(yīng)圍繞古樹名木設(shè)置成環(huán)形接地體。沖擊接地電阻值不大于30Ω。傳統(tǒng)的圓鋼、扁鋼、角鋼等材料在布設(shè)時(shí)可能傷害到古樹根系，可采用復(fù)合材料組成的接地降阻模塊或采用深井鉆孔技術(shù)，通過減少對(duì)土壤的開挖，從而減少對(duì)根系破壞。當(dāng)接地電阻值較高時(shí)，對(duì)開挖的人工接地槽，回填土壤電阻率更低的土壤來降低接地電阻。

(2)在古樹名木周邊建筑物上設(shè)置接閃器或在古樹3m外布置獨(dú)立接閃器，也可以對(duì)古樹名木形成有效保護(hù)。設(shè)置的接閃器高度參照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄D中滾球法確定接閃器的保護(hù)范圍相關(guān)條款規(guī)定。

3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分及防御實(shí)例

3.1 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

以位于東經(jīng)119°56′2"北緯28°28′8"的一株古樟樹和一幢建筑物為例，該古樟樹高度為21.6m，樹冠最寬為27.8m。周圍15.7m處有一幢18.6m×11.5m×12.6m的民用建筑物。

將古樹及建筑物3km范圍內(nèi)近10年的閃電定位數(shù)據(jù)、閃電強(qiáng)度數(shù)據(jù)等通過Sufer軟件進(jìn)行分析，所在地3km范圍總閃電次數(shù)117次，探測(cè)平均地閃密度約為：

N

1=5.9次/km/a，如圖1。平均雷擊電流強(qiáng)度為30.9kA，如圖2；最大正閃電強(qiáng)度為213.2kA，最大負(fù)閃電強(qiáng)度為-126.1kA。

圖1 平均地閃密度分布圖Fig.1 Average lightning density distribution

圖2 平均雷擊電流分布圖Fig.2 Average lightning current distribution

古樹的形狀和建筑物常見的規(guī)則長(zhǎng)寬高不同，

A

應(yīng)根據(jù)樹木形狀進(jìn)行計(jì)算，沿樹木周邊逐點(diǎn)計(jì)算出最大擴(kuò)展寬度，可通過ATOUCAD繪制古樹的雷擊等效接收面積圖來計(jì)算，古樹雷擊等效面積

A

1為0.018 13km。

建筑物的雷擊等效接收面積按下式計(jì)算：

+

πH

(200-

H

)×10

(3)

式中：

L

、

W

、

H

—分別為建筑物的長(zhǎng)、寬、高，m。根據(jù)式(3)計(jì)算，建筑物的

A

2為0.010 55km。

當(dāng)古樹和建筑物的距離較近時(shí)，古樹和建筑物之間存在相互作用，計(jì)算雷擊等效接收面積時(shí)應(yīng)考慮其相互影響。

(4)

式中：

L

—建筑物與樹木平行長(zhǎng)度，m；

D

—古樹雷擊等效面積時(shí)的擴(kuò)展寬度，m。

(5)

L

—古樹與建筑物平行長(zhǎng)度，m。

D

—建筑物雷擊等效面積時(shí)的擴(kuò)展寬度，m。

將以上分析的雷擊等效面積

A

，通過式(2)計(jì)算的雷擊大地密度

N

，修正系數(shù)

k

=1，帶入式(1)計(jì)算結(jié)果，見下表。

表 年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)Tab. Estimated annual number of lightning strikes

通過計(jì)算以上情況的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)

N

均大于0.05次/年，小于0.25次/年，如按照建筑物防雷等級(jí)來劃分，古樹和建筑物均應(yīng)劃為第三類，均須要安裝防雷裝置。

3.2 雷電防御措施

本文案例中的古樹可以直接在古樹上安裝防雷裝置，也可采用古樹附近其他位置另設(shè)防雷裝置，使古樹名木在保護(hù)范圍內(nèi)，因此考慮3種方案，方案一為在周圍建筑物上設(shè)置接閃器；方案二為在古樹3m外布置獨(dú)立接閃器；方案三在古樹上直接安裝防雷裝置。

3.2.1 建筑物上設(shè)置防雷裝置

在距離古樹最高點(diǎn)水平距離為29.6m的民用建筑物上設(shè)置接閃器，希望能在保護(hù)民用建筑物的同時(shí)使古樹也在保護(hù)范圍內(nèi)。

(6)

式中：

h

—避雷針的高度，m；

r

—避雷針在

h

高度的保護(hù)半徑，m；

h

—滾球半徑，三類防雷建筑物為60m；

h

—被保護(hù)物的高度，m。被保護(hù)物古樹的高度

h

=21.6m，設(shè)置在民用建筑物上的避雷針距地高度暫按

h

=60m計(jì)算，代入式(6)，在保護(hù)高度為21.6m時(shí)，保護(hù)最大寬度僅為13.89m，遠(yuǎn)小于29.6m。

因此，由于建筑物距離古樹較遠(yuǎn)，且建筑物高度較低，本文中案例不能采用在建筑物上設(shè)置接閃器來保護(hù)古樹。

3.2.2 設(shè)置獨(dú)立接閃器

在地面設(shè)置獨(dú)立接閃器也是常用的保護(hù)方法，要保持獨(dú)立接閃桿和古樹名木之間的間隔距離達(dá)到安全距離，且不得小于3m。間隔距離

S

按式(7)、(8)計(jì)算。當(dāng)

h

<5

R

時(shí)，

S

≥0

.

4(

R

+0

.

1

h

)

(7)

當(dāng)

h

≥5

R

時(shí)，

S

≥0

.

1(

R

+

h

)

(8)

地網(wǎng)的沖擊接地電阻按

R

=30Ω計(jì)算，

h

=21.6m，代入式(7)，計(jì)算得出

S

≥12.86m，距離太遠(yuǎn)，施工難度較大。通常將接地電阻控制在10Ω以內(nèi)較為簡(jiǎn)單，當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)沖擊接地電阻按

R

=10Ω，計(jì)算得出

S

≥4.86m。為保留余量可選取S=5m。那么獨(dú)立避雷針距離古樹最遠(yuǎn)處為18.9m。仍然大于針高為60m，保護(hù)高度為21.6m時(shí)的最大保護(hù)寬度13.89m。

因此，由于古樹自身高度較高，樹冠面積較大，本文中案例不能采用獨(dú)立設(shè)置接閃器保護(hù)古樹。

3.2.3 在古樹上安裝防雷裝置

傳統(tǒng)的接閃器和引下線的布置對(duì)樹木的主干均有不同程度的影響，施工工藝不完善影響古樹名木的生長(zhǎng)，失去對(duì)古樹名木保護(hù)的意義。本文提出給古樹的頂部主干和主要分支部分套上金屬外衣，類似于給人類穿上金屬屏蔽服，金屬外衣由“8”字形的基本單元組成，環(huán)環(huán)相扣，組成形狀各異的金屬外衣，便于施工安裝且安裝成本較低，不會(huì)對(duì)古樹名木生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。該金屬外衣形成的法拉第金屬屏蔽網(wǎng)，能有效地保護(hù)古樹名木的主要樹干。金屬外衣可延伸至樹木的各個(gè)支桿，也可在主要部分布置，與接地體通過引下線連接也可以直接與接地裝置連接。

4 結(jié)論

(1)雷擊古樹名木造成樹干的爆裂并可能引發(fā)火災(zāi)，同時(shí)對(duì)附近的人員、建筑物、設(shè)備造成雷電次生危害，包括接觸電壓、跨步電壓、旁側(cè)閃擊、電磁效應(yīng)和高電位反擊。

(2)雷擊發(fā)生時(shí)，古樹和周圍建筑物之間存在相互影響。通過實(shí)例計(jì)算不同影響下的雷擊等效接收面積和年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)。根據(jù)古樹和建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)，劃分出古樹名木防雷保護(hù)等級(jí)為第三類。

(3)研究將防雷裝置布置在古樹名木主干頂部，并安裝接閃器、引下線、接地裝置的基本方法。為減少接閃器和引下線布置時(shí)對(duì)古樹的機(jī)械損傷，降低安裝難度，提出給古樹安裝金屬屏蔽衣的設(shè)想。同時(shí)，在古樹附近的建筑物上設(shè)置接閃器或者在地面設(shè)置獨(dú)立接閃器來保護(hù)古樹名木，是需要通過計(jì)算來確定方案的可行性。