石质基础建筑接地系统的降阻措施浅析

姚庆节, 周 琪

(重庆市计量质量检测研究院, 重庆 401123)

0 引言

接地电阻阻值的大小直接影响建筑防雷、电气系统的安全性和有效性,是保证建筑安全使用的重要指标。如果接地阻值过大,在遭受雷击或发生短路故障等情况导致接地网的电位会大幅升高,将给各类设备和楼内人员的的人身安全带来严重威胁。西南地区多山,可利用建设用土地资源偏少,广泛分部的喀斯特地形生态环境脆弱,受气候条件影响,一旦植受到破坏,极易发生水土流失,甚至形成大片裸露的石质山坡。受这样的地形条件限制,该地区很多建筑不得不直接在石质基础上进行建设[1]。岩石基础抗压强度高,有利于稳固建筑物,但由于岩石的导电性能通常大大弱于土壤,给这类建设的接地工程建设带来不少困难,本文从接地极布置、接地体选择、维护工作等方面讨论了降低接地电阻的一些方法,以提高这一类建筑接地系统稳定性和可靠性。

1 工程概况

新建实验楼共5层,高24 m, 建筑面积14 000 m2。在前期所作地质勘探中发现建设地块上仅有很薄的地面覆土,厚度0.30～0.40 m,局部稍厚的地方也不足1 m,再往下即为基岩,持力层为中风化砂岩。施工图中设计的防雷接地系统利用桩基础钢筋焊接连通作为接地体,地梁底部设置2根4 mm×50 mm的镀锌扁钢。设计单位在设计施工图时考虑到可能出现接地电阻过大,接地效果较差的情况,在图纸中注明当接地电阻不达标时需设置人工接地体,但没有具体的设计做法。当接地系统完工后初步检测发现接地电阻达1.5Ω,未达验收要求。如何设置人工接地体,改进接地网性能达到验收条件就摆在了现场工程师的面前(图1)。

图1 基础断面

2 措施分析及改造方案设计

本项目的基岩为遂宁组砂岩,属于较典型的多孔介质,含钙泥质胶结,构成其骨架的矿物主要为石英、云母、长石等硅酸盐,电阻率都比较高,因此成岩矿物之间的孔隙以及孔隙中所含液体的导电性才是决定岩石导电性的主要因素[2]。加上本项目实测接地电阻阻值与合格标准差距不大,为了减低成本,首先想到使用降阻剂来降低接地体附件岩石的电阻,改善接地性能。然而通过实际使用后发现效果不理想:整体降阻效果有限且在不同方向上的电阻降低值存在差异。分析各向效果不一致的原因可能是岩层孔隙分布存在各向异性以及成岩矿物成分的分布不均匀引起的。开挖石方的情况表面,本项目所在地块整体在一片完整的岩石上的,降阻剂只能减小接地体与基岩间、以及邻近部分岩石的电阻,对整体接地电阻的改善效果有限,需要采取其他措施来降低整体接地电阻。工程中降低接地装置接地电阻的常用方法有换土、扩大地网面积和增加埋深等方法[3]。

2.1 换填

换填应该能够和好地解决与建筑接地体的连接问题,但由于本项目地块坐落在一片整体岩石上,方案设计时为降低项目的整体工程造价对室外景观工程仅安排了少量花池等孤立的绿化地。为达到理想的降阻效果,需要扩大绿地面积并与相邻地块的土壤相连,这必然大幅改变原来的施工图设计,手续繁复、造价高昂。而且需增加土石方开挖量和种植土采购运输费用,反复分析比较后还是因其成本实在太高而不得不放弃。

2.2 增加埋深

对土壤来说,该方法不但能够增大接地体与土壤接触面积,而且很多时候能够挖到含水层,从而大大降低接地电阻。但本项目建筑物地下为一整片岩石,完整性较好且厚度未知,继续挖深虽然能够扩大接触面,但接触的岩石电阻率依然高。为了解决这一问题,请地质勘察单位进行了地质补充勘察。结果表明基岩厚度较大,厚度超过40 m,而且更深岩层的物理导电能力同样不强,增加埋深的方法不但同样成本很高,而且降阻效果仍然存疑。同时地质勘察报告也判定场区地下水赋存条件差,地下水贫乏,继续探挖耗时费力,而其结果还难以预见。即使改造能有较好效果,从实施的时机来看本项目基础工程已经完工,作为接地体的镀锌扁钢位于地梁底部,已被后续施工浇筑的混凝土掩埋,增加其埋深已经不具备施工条件。强行改造不但耗时费力而且必然要对已完成的工程进行破拆,施工难度大费用高而且破坏建筑的结构安全。效果难言乐观,该措施也不适用。

2.3 扩大地网面积

扩大地网面积同样也是对土壤地质效果较好,而对本项目来说需通过扩大绿化地面积和换填增加种植土来实现。首先需要在岩石基础上开挖石方外运弃土,然后再购买种植土填入,简单计算即可知其造价虽低于换土但同样不菲。为了降低改造成本,这个方向上的另一个思路是增加一块较薄的绿化带连接邻近地块和埋设地网的现有绿化地,从而接通远方大地增加散流棉结,降低接地电阻。经过核算,这个方案减少的费用有限而且存在造成绿化带内植物难以存活。其次周边均为斜坡旱地,无农田、河沟、鱼塘等分布,外界因素对提高降阻效果的影响不明,且存在红线外相关条件在今后的实际使用中可能存在较大不确定性等不利因素影响,故最终也被否定。

相对对于扩大面积,优化地网布置是能够降低接地电阻的,如文献[4]指出相比于等间距布置,不等间距等压网有一定均压效果。但仔细分析不难发现,本项目建筑四周的土壤均为回填的种植土,雷击电流通过土壤散流到达岩石以后仍然将受到阻碍,实际仍然需要通过石质基岩向外扩散雷击电流。只有通过绿化地地表土壤与地块外地表土壤也相接,扩散电流才能够通到远端大地,而其过流断面小且导电能力受天气变化影响较大,实际使用中的降阻效果能够在较长的时间段保证可靠仍然有较大的不确定性。

2.4 缓释型离子接地体

离子接地接地极单元外壳用铜或钢制造,内含可逆性缓释填充剂缓释接地极、引发剂和增效电解离子填充剂,其所含的回填材料具有良好的膨胀性、吸水性和离子渗透性,通过毛细管原理进行保水,能够改善电极周围土壤或岩石的导电状态,而且随着时间的推移,能够逐渐扩大周围土壤的导电范围(图2)。经过比较分析,认为结合优化接地网接地极布置结合设置缓释型离子接地体的措施能够比较稳定地降低接地电阻。同时采用其他措施,可得到较理想的降阻效果。具体实施中在邻近大楼的绿化地的底部下挖1～2 m的坑放置缓释型离子接地体,并沿大楼周边增加接地电极,连接电极和接地体并接入原接地网。这样在保证种植土厚度满足植物生长需要的同时,可以利用培植维护植物所浇的水提高和保持接地性能。新设计的人工接地网采用4 mm×50 mm镀锡铜带作水平接地体,纯铜棒作为垂直接地极,垂直接地极的铜棒为φ18 mm×3 000 mm,采用铜绞线热焊连接,接地网埋深 0.8 m。垂直接地极的布置进行优化,各接地极的位置用钢管在坑中向下钻孔,直到接地电阻满足要求为止(由于需要打穿整个沙岩层,实际这部分是本次改造过程花费时间和费用最高的部分),埋设垂直接地极时使用降阻剂,近地面的坑用工业粗盐与回填土混合回填,接地极与钢管焊接在一起,用扁铜或粗铜线相连并接至现有接地点。按入地短路电流15 000 A估算改造后接地电阻可小于 0.15 Ω(图3)。

图2 接地体埋设示意(单位:mm)

图3 新增反击器(单位:mm)

2.5 其他因素的影响

建筑接地系统的改造尚未开始,使用部门提出了新的接地需求:陆续到货的检测设备很多都要求设置单独接地网,其要求的接地电阻虽然同样小于1Ω,但由于要求单独接地,导致为改善建筑接地效果新设计的人工接地网不得不重新排布接地极。然而由于建设地块面积狭小,设置的接地网过于密集,不但影响检测设备的检测精度,而且在建筑遭受雷击时可能反击检测设备甚至造成人员伤亡。为了解决这个新出现的问题,不得不重新优化人工接地网的接地极排布,为检测设备新增了一组缓释型离子接地体,将邻近建筑的地面留给检测设备的接地网,隔离不同接地网的同时还增加了防反击措施,充分保证接地系统的安全。调整后的接地网实测接地电阻 为0.12 Ω,满足了设计和使用需求(图4)。

图4 新设接地体布置

后期使用维护中曾出现接地电阻上升的情况。分析认为是在维保检测前的大雨可能带走部分工业盐和降阻剂,在随后的高温天气下岩石阻值回升造成。先测量并分析了接地区域电阻增大的数值和分布情况,通过补充降阻剂和在特定区域加注工业盐溶液等方式,降低了接地电阻,恢复了接地

网的保护性能。

3 结束语

在石质基础上建设房屋,应提前充分了解所在地土壤、岩层的导电特性,以及周边可利用的条件,在设计阶段就做好充分的准备,尽量将问题解决在前端,以免影响建设进度,增加工程造价。在设计措施不能达到相关要求时,应充分考虑各种可用条件,尽可能多地采用多种不同原理和途径的措施并用,以提高接地导通效果并提高系统的可靠性。特别需要指出的是缓释型离子接地体能够有效改善石质基础建筑的接地系统性能,但是需要保持较好的维护检测工作保障接地网安全稳定工作,建筑投入使用后,需要重视接地系统的维保工作。最后,在项目前期应该做好地质物探和具体使用需求的调研,在设计时也应充分考虑到用户今后可能的需求,在施工图中为后续可能的改造工作预留充足的空间等条件。