石質基礎建筑接地系統的降阻措施淺析

姚慶節, 周 琪

(重慶市計量質量檢測研究院, 重慶 401123)

0 引言

接地電阻阻值的大小直接影響建筑防雷、電氣系統的安全性和有效性,是保證建筑安全使用的重要指標。如果接地阻值過大,在遭受雷擊或發生短路故障等情況導致接地網的電位會大幅升高,將給各類設備和樓內人員的的人身安全帶來嚴重威脅。西南地區多山,可利用建設用土地資源偏少,廣泛分部的喀斯特地形生態環境脆弱,受氣候條件影響,一旦植受到破壞,極易發生水土流失,甚至形成大片裸露的石質山坡。受這樣的地形條件限制,該地區很多建筑不得不直接在石質基礎上進行建設[1]。巖石基礎抗壓強度高,有利于穩固建筑物,但由于巖石的導電性能通常大大弱于土壤,給這類建設的接地工程建設帶來不少困難,本文從接地極布置、接地體選擇、維護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穩定性和可靠性。

1 工程概況

新建實驗樓共5層,高24 m, 建筑面積14 000 m2。在前期所作地質勘探中發現建設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,持力層為中風化砂巖。施工圖中設計的防雷接地系統利用樁基礎鋼筋焊接連通作為接地體,地梁底部設置2根4 mm×50 mm的鍍鋅扁鋼。設計單位在設計施工圖時考慮到可能出現接地電阻過大,接地效果較差的情況,在圖紙中注明當接地電阻不達標時需設置人工接地體,但沒有具體的設計做法。當接地系統完工后初步檢測發現接地電阻達1.5Ω,未達驗收要求。如何設置人工接地體,改進接地網性能達到驗收條件就擺在了現場工程師的面前(圖1)。

圖1 基礎斷面

2 措施分析及改造方案設計

本項目的基巖為遂寧組砂巖,屬于較典型的多孔介質,含鈣泥質膠結,構成其骨架的礦物主要為石英、云母、長石等硅酸鹽,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電性才是決定巖石導電性的主要因素[2]。加上本項目實測接地電阻阻值與合格標準差距不大,為了減低成本,首先想到使用降阻劑來降低接地體附件巖石的電阻,改善接地性能。然而通過實際使用后發現效果不理想: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,對整體接地電阻的改善效果有限,需要采取其他措施來降低整體接地電阻。工程中降低接地裝置接地電阻的常用方法有換土、擴大地網面積和增加埋深等方法[3]。

2.1 換填

換填應該能夠和好地解決與建筑接地體的連接問題,但由于本項目地塊坐落在一片整體巖石上,方案設計時為降低項目的整體工程造價對室外景觀工程僅安排了少量花池等孤立的綠化地。為達到理想的降阻效果,需要擴大綠地面積并與相鄰地塊的土壤相連,這必然大幅改變原來的施工圖設計,手續繁復、造價高昂。而且需增加土石方開挖量和種植土采購運輸費用,反復分析比較后還是因其成本實在太高而不得不放棄。

2.2 增加埋深

對土壤來說,該方法不但能夠增大接地體與土壤接觸面積,而且很多時候能夠挖到含水層,從而大大降低接地電阻。但本項目建筑物地下為一整片巖石,完整性較好且厚度未知,繼續挖深雖然能夠擴大接觸面,但接觸的巖石電阻率依然高。為了解決這一問題,請地質勘察單位進行了地質補充勘察。結果表明基巖厚度較大,厚度超過40 m,而且更深巖層的物理導電能力同樣不強,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。同時地質勘察報告也判定場區地下水賦存條件差,地下水貧乏,繼續探挖耗時費力,而其結果還難以預見。即使改造能有較好效果,從實施的時機來看本項目基礎工程已經完工,作為接地體的鍍鋅扁鋼位于地梁底部,已被后續施工澆筑的混凝土掩埋,增加其埋深已經不具備施工條件。強行改造不但耗時費力而且必然要對已完成的工程進行破拆,施工難度大費用高而且破壞建筑的結構安全。效果難言樂觀,該措施也不適用。

2.3 擴大地網面積

擴大地網面積同樣也是對土壤地質效果較好,而對本項目來說需通過擴大綠化地面積和換填增加種植土來實現。首先需要在巖石基礎上開挖石方外運棄土,然后再購買種植土填入,簡單計算即可知其造價雖低于換土但同樣不菲。為了降低改造成本,這個方向上的另一個思路是增加一塊較薄的綠化帶連接鄰近地塊和埋設地網的現有綠化地,從而接通遠方大地增加散流棉結,降低接地電阻。經過核算,這個方案減少的費用有限而且存在造成綠化帶內植物難以存活。其次周邊均為斜坡旱地,無農田、河溝、魚塘等分布,外界因素對提高降阻效果的影響不明,且存在紅線外相關條件在今后的實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。

相對對于擴大面積,優化地網布置是能夠降低接地電阻的,如文獻[4]指出相比于等間距布置,不等間距等壓網有一定均壓效果。但仔細分析不難發現,本項目建筑四周的土壤均為回填的種植土,雷擊電流通過土壤散流到達巖石以后仍然將受到阻礙,實際仍然需要通過石質基巖向外擴散雷擊電流。只有通過綠化地地表土壤與地塊外地表土壤也相接,擴散電流才能夠通到遠端大地,而其過流斷面小且導電能力受天氣變化影響較大,實際使用中的降阻效果能夠在較長的時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,內含可逆性緩釋填充劑緩釋接地極、引發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,通過毛細管原理進行保水,能夠改善電極周圍土壤或巖石的導電狀態,而且隨著時間的推移,能夠逐漸擴大周圍土壤的導電范圍(圖2)。經過比較分析,認為結合優化接地網接地極布置結合設置緩釋型離子接地體的措施能夠比較穩定地降低接地電阻。同時采用其他措施,可得到較理想的降阻效果。具體實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。這樣在保證種植土厚度滿足植物生長需要的同時,可以利用培植維護植物所澆的水提高和保持接地性能。新設計的人工接地網采用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,接地網埋深 0.8 m。垂直接地極的布置進行優化,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(由于需要打穿整個沙巖層,實際這部分是本次改造過程花費時間和費用最高的部分),埋設垂直接地極時使用降阻劑,近地面的坑用工業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有接地點。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

建筑接地系統的改造尚未開始,使用部門提出了新的接地需求:陸續到貨的檢測設備很多都要求設置單獨接地網,其要求的接地電阻雖然同樣小于1Ω,但由于要求單獨接地,導致為改善建筑接地效果新設計的人工接地網不得不重新排布接地極。然而由于建設地塊面積狹小,設置的接地網過于密集,不但影響檢測設備的檢測精度,而且在建筑遭受雷擊時可能反擊檢測設備甚至造成人員傷亡。為了解決這個新出現的問題,不得不重新優化人工接地網的接地極排布,為檢測設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設備的接地網,隔離不同接地網的同時還增加了防反擊措施,充分保證接地系統的安全。調整后的接地網實測接地電阻 為0.12 Ω,滿足了設計和使用需求(圖4)。

圖4 新設接地體布置

后期使用維護中曾出現接地電阻上升的情況。分析認為是在維保檢測前的大雨可能帶走部分工業鹽和降阻劑,在隨后的高溫天氣下巖石阻值回升造成。先測量并分析了接地區域電阻增大的數值和分布情況,通過補充降阻劑和在特定區域加注工業鹽溶液等方式,降低了接地電阻,恢復了接地

網的保護性能。

3 結束語

在石質基礎上建設房屋,應提前充分了解所在地土壤、巖層的導電特性,以及周邊可利用的條件,在設計階段就做好充分的準備,盡量將問題解決在前端,以免影響建設進度,增加工程造價。在設計措施不能達到相關要求時,應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,以提高接地導通效果并提高系統的可靠性。特別需要指出的是緩釋型離子接地體能夠有效改善石質基礎建筑的接地系統性能,但是需要保持較好的維護檢測工作保障接地網安全穩定工作,建筑投入使用后,需要重視接地系統的維保工作。最后,在項目前期應該做好地質物探和具體使用需求的調研,在設計時也應充分考慮到用戶今后可能的需求,在施工圖中為后續可能的改造工作預留充足的空間等條件。