石質(zhì)基礎(chǔ)建筑接地系統(tǒng)的降阻措施淺析

姚慶節(jié), 周 琪

(重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院, 重慶 401123)

0 引言

接地電阻阻值的大小直接影響建筑防雷、電氣系統(tǒng)的安全性和有效性,是保證建筑安全使用的重要指標(biāo)。如果接地阻值過(guò)大,在遭受雷擊或發(fā)生短路故障等情況導(dǎo)致接地網(wǎng)的電位會(huì)大幅升高,將給各類設(shè)備和樓內(nèi)人員的的人身安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。西南地區(qū)多山,可利用建設(shè)用土地資源偏少,廣泛分部的喀斯特地形生態(tài)環(huán)境脆弱,受氣候條件影響,一旦植受到破壞,極易發(fā)生水土流失,甚至形成大片裸露的石質(zhì)山坡。受這樣的地形條件限制,該地區(qū)很多建筑不得不直接在石質(zhì)基礎(chǔ)上進(jìn)行建設(shè)[1]。巖石基礎(chǔ)抗壓強(qiáng)度高,有利于穩(wěn)固建筑物,但由于巖石的導(dǎo)電性能通常大大弱于土壤,給這類建設(shè)的接地工程建設(shè)帶來(lái)不少困難,本文從接地極布置、接地體選擇、維護(hù)工作等方面討論了降低接地電阻的一些方法,以提高這一類建筑接地系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

1 工程概況

新建實(shí)驗(yàn)樓共5層,高24 m, 建筑面積14 000 m2。在前期所作地質(zhì)勘探中發(fā)現(xiàn)建設(shè)地塊上僅有很薄的地面覆土,厚度0.30～0.40 m,局部稍厚的地方也不足1 m,再往下即為基巖,持力層為中風(fēng)化砂巖。施工圖中設(shè)計(jì)的防雷接地系統(tǒng)利用樁基礎(chǔ)鋼筋焊接連通作為接地體,地梁底部設(shè)置2根4 mm×50 mm的鍍鋅扁鋼。設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)施工圖時(shí)考慮到可能出現(xiàn)接地電阻過(guò)大,接地效果較差的情況,在圖紙中注明當(dāng)接地電阻不達(dá)標(biāo)時(shí)需設(shè)置人工接地體,但沒(méi)有具體的設(shè)計(jì)做法。當(dāng)接地系統(tǒng)完工后初步檢測(cè)發(fā)現(xiàn)接地電阻達(dá)1.5Ω,未達(dá)驗(yàn)收要求。如何設(shè)置人工接地體,改進(jìn)接地網(wǎng)性能達(dá)到驗(yàn)收條件就擺在了現(xiàn)場(chǎng)工程師的面前(圖1)。

圖1 基礎(chǔ)斷面

2 措施分析及改造方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的基巖為遂寧組砂巖,屬于較典型的多孔介質(zhì),含鈣泥質(zhì)膠結(jié),構(gòu)成其骨架的礦物主要為石英、云母、長(zhǎng)石等硅酸鹽,電阻率都比較高,因此成巖礦物之間的孔隙以及孔隙中所含液體的導(dǎo)電性才是決定巖石導(dǎo)電性的主要因素[2]。加上本項(xiàng)目實(shí)測(cè)接地電阻阻值與合格標(biāo)準(zhǔn)差距不大,為了減低成本,首先想到使用降阻劑來(lái)降低接地體附件巖石的電阻,改善接地性能。然而通過(guò)實(shí)際使用后發(fā)現(xiàn)效果不理想:整體降阻效果有限且在不同方向上的電阻降低值存在差異。分析各向效果不一致的原因可能是巖層孔隙分布存在各向異性以及成巖礦物成分的分布不均勻引起的。開挖石方的情況表面,本項(xiàng)目所在地塊整體在一片完整的巖石上的,降阻劑只能減小接地體與基巖間、以及鄰近部分巖石的電阻,對(duì)整體接地電阻的改善效果有限,需要采取其他措施來(lái)降低整體接地電阻。工程中降低接地裝置接地電阻的常用方法有換土、擴(kuò)大地網(wǎng)面積和增加埋深等方法[3]。

2.1 換填

換填應(yīng)該能夠和好地解決與建筑接地體的連接問(wèn)題,但由于本項(xiàng)目地塊坐落在一片整體巖石上,方案設(shè)計(jì)時(shí)為降低項(xiàng)目的整體工程造價(jià)對(duì)室外景觀工程僅安排了少量花池等孤立的綠化地。為達(dá)到理想的降阻效果,需要擴(kuò)大綠地面積并與相鄰地塊的土壤相連,這必然大幅改變?cè)瓉?lái)的施工圖設(shè)計(jì),手續(xù)繁復(fù)、造價(jià)高昂。而且需增加土石方開挖量和種植土采購(gòu)運(yùn)輸費(fèi)用,反復(fù)分析比較后還是因其成本實(shí)在太高而不得不放棄。

2.2 增加埋深

對(duì)土壤來(lái)說(shuō),該方法不但能夠增大接地體與土壤接觸面積,而且很多時(shí)候能夠挖到含水層,從而大大降低接地電阻。但本項(xiàng)目建筑物地下為一整片巖石,完整性較好且厚度未知,繼續(xù)挖深雖然能夠擴(kuò)大接觸面,但接觸的巖石電阻率依然高。為了解決這一問(wèn)題,請(qǐng)地質(zhì)勘察單位進(jìn)行了地質(zhì)補(bǔ)充勘察。結(jié)果表明基巖厚度較大,厚度超過(guò)40 m,而且更深巖層的物理導(dǎo)電能力同樣不強(qiáng),增加埋深的方法不但同樣成本很高,而且降阻效果仍然存疑。同時(shí)地質(zhì)勘察報(bào)告也判定場(chǎng)區(qū)地下水賦存條件差,地下水貧乏,繼續(xù)探挖耗時(shí)費(fèi)力,而其結(jié)果還難以預(yù)見。即使改造能有較好效果,從實(shí)施的時(shí)機(jī)來(lái)看本項(xiàng)目基礎(chǔ)工程已經(jīng)完工,作為接地體的鍍鋅扁鋼位于地梁底部,已被后續(xù)施工澆筑的混凝土掩埋,增加其埋深已經(jīng)不具備施工條件。強(qiáng)行改造不但耗時(shí)費(fèi)力而且必然要對(duì)已完成的工程進(jìn)行破拆,施工難度大費(fèi)用高而且破壞建筑的結(jié)構(gòu)安全。效果難言樂(lè)觀,該措施也不適用。

2.3 擴(kuò)大地網(wǎng)面積

擴(kuò)大地網(wǎng)面積同樣也是對(duì)土壤地質(zhì)效果較好,而對(duì)本項(xiàng)目來(lái)說(shuō)需通過(guò)擴(kuò)大綠化地面積和換填增加種植土來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先需要在巖石基礎(chǔ)上開挖石方外運(yùn)棄土,然后再購(gòu)買種植土填入,簡(jiǎn)單計(jì)算即可知其造價(jià)雖低于換土但同樣不菲。為了降低改造成本,這個(gè)方向上的另一個(gè)思路是增加一塊較薄的綠化帶連接鄰近地塊和埋設(shè)地網(wǎng)的現(xiàn)有綠化地,從而接通遠(yuǎn)方大地增加散流棉結(jié),降低接地電阻。經(jīng)過(guò)核算,這個(gè)方案減少的費(fèi)用有限而且存在造成綠化帶內(nèi)植物難以存活。其次周邊均為斜坡旱地,無(wú)農(nóng)田、河溝、魚塘等分布,外界因素對(duì)提高降阻效果的影響不明,且存在紅線外相關(guān)條件在今后的實(shí)際使用中可能存在較大不確定性等不利因素影響,故最終也被否定。

相對(duì)對(duì)于擴(kuò)大面積,優(yōu)化地網(wǎng)布置是能夠降低接地電阻的,如文獻(xiàn)[4]指出相比于等間距布置,不等間距等壓網(wǎng)有一定均壓效果。但仔細(xì)分析不難發(fā)現(xiàn),本項(xiàng)目建筑四周的土壤均為回填的種植土,雷擊電流通過(guò)土壤散流到達(dá)巖石以后仍然將受到阻礙,實(shí)際仍然需要通過(guò)石質(zhì)基巖向外擴(kuò)散雷擊電流。只有通過(guò)綠化地地表土壤與地塊外地表土壤也相接,擴(kuò)散電流才能夠通到遠(yuǎn)端大地,而其過(guò)流斷面小且導(dǎo)電能力受天氣變化影響較大,實(shí)際使用中的降阻效果能夠在較長(zhǎng)的時(shí)間段保證可靠仍然有較大的不確定性。

2.4 緩釋型離子接地體

離子接地接地極單元外殼用銅或鋼制造,內(nèi)含可逆性緩釋填充劑緩釋接地極、引發(fā)劑和增效電解離子填充劑,其所含的回填材料具有良好的膨脹性、吸水性和離子滲透性,通過(guò)毛細(xì)管原理進(jìn)行保水,能夠改善電極周圍土壤或巖石的導(dǎo)電狀態(tài),而且隨著時(shí)間的推移,能夠逐漸擴(kuò)大周圍土壤的導(dǎo)電范圍(圖2)。經(jīng)過(guò)比較分析,認(rèn)為結(jié)合優(yōu)化接地網(wǎng)接地極布置結(jié)合設(shè)置緩釋型離子接地體的措施能夠比較穩(wěn)定地降低接地電阻。同時(shí)采用其他措施,可得到較理想的降阻效果。具體實(shí)施中在鄰近大樓的綠化地的底部下挖1～2 m的坑放置緩釋型離子接地體,并沿大樓周邊增加接地電極,連接電極和接地體并接入原接地網(wǎng)。這樣在保證種植土厚度滿足植物生長(zhǎng)需要的同時(shí),可以利用培植維護(hù)植物所澆的水提高和保持接地性能。新設(shè)計(jì)的人工接地網(wǎng)采用4 mm×50 mm鍍錫銅帶作水平接地體,純銅棒作為垂直接地極,垂直接地極的銅棒為φ18 mm×3 000 mm,采用銅絞線熱焊連接,接地網(wǎng)埋深 0.8 m。垂直接地極的布置進(jìn)行優(yōu)化,各接地極的位置用鋼管在坑中向下鉆孔,直到接地電阻滿足要求為止(由于需要打穿整個(gè)沙巖層,實(shí)際這部分是本次改造過(guò)程花費(fèi)時(shí)間和費(fèi)用最高的部分),埋設(shè)垂直接地極時(shí)使用降阻劑,近地面的坑用工業(yè)粗鹽與回填土混合回填,接地極與鋼管焊接在一起,用扁銅或粗銅線相連并接至現(xiàn)有接地點(diǎn)。按入地短路電流15 000 A估算改造后接地電阻可小于 0.15 Ω(圖3)。

圖2 接地體埋設(shè)示意(單位:mm)

圖3 新增反擊器(單位:mm)

2.5 其他因素的影響

建筑接地系統(tǒng)的改造尚未開始,使用部門提出了新的接地需求:陸續(xù)到貨的檢測(cè)設(shè)備很多都要求設(shè)置單獨(dú)接地網(wǎng),其要求的接地電阻雖然同樣小于1Ω,但由于要求單獨(dú)接地,導(dǎo)致為改善建筑接地效果新設(shè)計(jì)的人工接地網(wǎng)不得不重新排布接地極。然而由于建設(shè)地塊面積狹小,設(shè)置的接地網(wǎng)過(guò)于密集,不但影響檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)精度,而且在建筑遭受雷擊時(shí)可能反擊檢測(cè)設(shè)備甚至造成人員傷亡。為了解決這個(gè)新出現(xiàn)的問(wèn)題,不得不重新優(yōu)化人工接地網(wǎng)的接地極排布,為檢測(cè)設(shè)備新增了一組緩釋型離子接地體,將鄰近建筑的地面留給檢測(cè)設(shè)備的接地網(wǎng),隔離不同接地網(wǎng)的同時(shí)還增加了防反擊措施,充分保證接地系統(tǒng)的安全。調(diào)整后的接地網(wǎng)實(shí)測(cè)接地電阻 為0.12 Ω,滿足了設(shè)計(jì)和使用需求(圖4)。

圖4 新設(shè)接地體布置

后期使用維護(hù)中曾出現(xiàn)接地電阻上升的情況。分析認(rèn)為是在維保檢測(cè)前的大雨可能帶走部分工業(yè)鹽和降阻劑,在隨后的高溫天氣下巖石阻值回升造成。先測(cè)量并分析了接地區(qū)域電阻增大的數(shù)值和分布情況,通過(guò)補(bǔ)充降阻劑和在特定區(qū)域加注工業(yè)鹽溶液等方式,降低了接地電阻,恢復(fù)了接地

網(wǎng)的保護(hù)性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

在石質(zhì)基礎(chǔ)上建設(shè)房屋,應(yīng)提前充分了解所在地土壤、巖層的導(dǎo)電特性,以及周邊可利用的條件,在設(shè)計(jì)階段就做好充分的準(zhǔn)備,盡量將問(wèn)題解決在前端,以免影響建設(shè)進(jìn)度,增加工程造價(jià)。在設(shè)計(jì)措施不能達(dá)到相關(guān)要求時(shí),應(yīng)充分考慮各種可用條件,盡可能多地采用多種不同原理和途徑的措施并用,以提高接地導(dǎo)通效果并提高系統(tǒng)的可靠性。特別需要指出的是緩釋型離子接地體能夠有效改善石質(zhì)基礎(chǔ)建筑的接地系統(tǒng)性能,但是需要保持較好的維護(hù)檢測(cè)工作保障接地網(wǎng)安全穩(wěn)定工作,建筑投入使用后,需要重視接地系統(tǒng)的維保工作。最后,在項(xiàng)目前期應(yīng)該做好地質(zhì)物探和具體使用需求的調(diào)研,在設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)充分考慮到用戶今后可能的需求,在施工圖中為后續(xù)可能的改造工作預(yù)留充足的空間等條件。