平原地区生活垃圾填埋场设置防雷设施的必要性探讨

陈 洁，李 悦

（天津市生活垃圾处理中心，天津 300100）

1 平原地区生活垃圾卫生填埋场易产生雷电灾害

由于生活垃圾卫生填埋场选址通常在人口密度低、土地利用价值低且充分利用天然的地形，位于夏季主导风下风向，距人畜栖居地500 m以外，因此平原地区生活垃圾卫生填埋场的占地面积通常较开阔，地势较为空旷，生活垃圾填埋场的最终堆体高度通常高于周围环境。

垃圾填埋气体是卫生填埋场的降解产物之一，其主要成分为甲烷，据国内外测试，填埋气体中的甲烷含量一般为50%～70%。这种气体不仅影响环境质量而且易燃易爆。填埋气体与空气混合，甲烷浓度达到5%～15%时遇火即会爆炸，国内外由于填埋气体的聚集和迁移引起的爆炸和火灾事故时有发生，因此要求填埋气体应设置导排系统，使填埋气体有序迁移，减少填埋场发生爆炸和火灾的危险。一般垃圾填埋场都按照相关技术规范要求建立填埋气体有组织排放系统或采取散逸排空处理。典型的做法是相隔适当距离设置填埋气收集排放管（或石笼）。填埋气体在收集排放管中的浓度一般较高，因填埋气管会高出填埋作业面，对于平原地区垃圾填埋场由于高浓度的垃圾填埋气体导电性能良好，在雷云电场下容易形成上行先导，从而易导致雷击放电起火、爆炸的危险。

生活垃圾填埋场为一年四季全天候运行的生产单位，在垃圾填埋作业过程中，除使用推土机、压实机、挖掘机、装载机等机械设备外，还有一定数量的工作人员在填埋现场作业。填埋场生产运行过程中将根据填埋场规模、日接纳生活垃圾数量、全年填埋作业计划同时开设若干个分散作业面，在无雷击防护设备条件下，填埋作业面一旦落雷，必将对作业现场的人员安全和设备设施正常运行造成危害。夏季通常是雷雨季节，降雨量相对集中，填埋区作业的临时路修筑难度较大，夏季也是生活垃圾的高产季节，填埋运行需同时开设多个分散作业面，以保证进入填埋场的生活垃圾全部卫生填埋，雷雨季节填埋区遭遇雷电灾害的风险更大。

因雷暴导致的雷击灾害突发性强，危害极大。雷暴常伴有暴雨、大风、冰雹，故往往发生综合灾害。雷暴的日变化不很明显，全天任何时候都出现过，午后发生雷暴次数多一些，其中尤以13时最多。以天津地区为例，每年的初雷暴日一般在4月，也有发生在更早的纪录。终雷暴日一般在10月，最迟至11月。

2 雷电的危害

雷电的危害性主要表现在雷电放电时所产生的各种物理效应，具有很大的破坏力，按其破坏机制可分为电效应、热效应、电磁效应和机械效应。对于平原地区生活垃圾填埋场雷电的主要威胁是直击雷和地滚雷。

直击雷指雷电直接击在建筑物上，它的高电压和大电流产生的电磁效应、热效应和机械效应会造成许多危害。如使房屋倒塌、烟囱崩毁，引起森林起火、油库、火药库爆炸，造成飞行事故、户外的人畜伤亡等。

地滚雷，即球形雷，其危害也不容忽视。球形雷是一种橙色或红色的类似火焰的发光球体，偶尔也有黄色、蓝色或绿色的。大多数火球的直径为10～100 cm。球形雷多在强雷暴时空中闪电最频繁的时候出现。球形雷通常沿水平方向以1～2 m/s的速度上下滚动，有时距地面0.5～1.0 m，有时升起2～3 m。它在空中漂游的时间可由几秒到几分钟。球形雷常由建筑物的孔洞、烟囱或开着的门窗进入室内，有时也通过不接地的门窗铁丝网进入室内。最常见的是沿大树滚下进入建筑物并伴有嘶嘶声。球形雷有时自然爆炸，有时遇到金属管线而爆炸。球形雷遇到易燃物质则造成燃烧，遇到可爆炸的气体或液体则造成更大的爆炸。有的球形雷会不留痕迹地无声消失，但大多数均伴有爆炸声且响声震耳。爆炸后偶尔有硫磺、臭氧或二氧化碳气味。球形雷火球可辐射出大量的热能，因此它的烧伤力比破坏力要大。

3 平原地区生活垃圾卫生填埋场防雷设施设置

现代防雷技术包括防止直接雷击、防止和抑制雷电电磁脉冲2个方面，其作用就是令雷击能量的安全泄放与转换。单独使用一种防雷保护措施不能有效解决垃圾填埋场遭遇雷击问题，良好的防护应采取接闪、均压、搭接、分流、屏蔽接地、布线等综合防雷、电措施，全面防护雷电通过各种方式对填埋区、生产设备及建筑物造成的危害。

平原地区生活垃圾填埋场防雷系统可由球形雷防护系统和直击雷防护系统2个部分组成。球形雷防护系统可在场区周边设置防护网；直击雷防护系统在填埋区内可考虑固定避雷针及与之相连的均压等电位地网、移动式避雷针2个部分构成。

3.1 球形雷防护系统

为防止球形雷的侵入，可考虑在填埋场周界安装金属隔离网，金属隔离网应高出地面2 m。金属隔离网网格最小直径应不大于8 cm，每隔10 m用直径50 mm镀锌钢管垂直固定，镀锌钢管地上部分2 m，埋入地下部分1 m。地上部分与金属隔离网焊接，形成闭合环绕的垃圾填埋场周界的金属隔离网，达到防治球形雷侵入的目的。其作用主要是对球形雷进行拦截防止其进入场内造成危害，当然为增加金属隔离高度和不影响场内总体布局，金属隔离也可固定在填埋场围墙上。

3.2 直击雷防护系统

3.2.1 固定避雷针及均压地网

平原地区填埋区填埋气竖管可选择固定避雷针保护填埋气体因雷击燃烧爆炸。

垃圾填埋场填埋区面积较大，并且垃圾填埋场下铺设防渗透层，防止垃圾渗沥液渗入地下污染环境，填埋场运行期间防渗透层应保护完好，不得渗漏，应重点保护。宜选用固定避雷针保护沼气竖管，防止沼气因遭雷击而燃烧爆炸。检测资料显示填埋气竖管附近距管口5 m处甲烷气浓度（体积比）近于零，可考虑距每个沼气竖管3 m处安装固定避雷针，并以沼气竖管管口为圆心，根据所需保护范围半径计算避雷针的高度和引下线抗冲击电阻的阻值。

由于避雷针需要安装在垃圾堆体中，并且不能破坏防渗透层，宜采用垂砣式底座，底座可由钢筋水泥制成半圆球体（或四方体），以防止避雷针穿透防渗层，并使避雷针在垃圾堆体中保持垂直稳定状态。考虑到随着垃圾填埋作业的不断进行，垃圾堆体不断升高，可选用能延伸的避雷针端口，在堆体部分不改变的情况下，每次延伸2 m，直至垃圾填埋封场。为防止填埋气体在独立避雷针周围区域泄露，在避雷针底座直径1 m的范围内宜采用净土压实处理，根据需要选择适用的不锈钢板材做防护。

接地系统是整体雷电防护体系中最重要的组成部分，在垃圾填埋场区内铺设等电位连接网，考虑到垃圾填埋场面积较大，根据需要可考虑垃圾填埋场以每大约30 m见方为一个单元格，在铺设初期，考虑垃圾填埋作业中垃圾压实机对接地网的影响，除将各个节点焊接牢固外，网的连接宜采用机械钻孔加铜螺栓固定的连接方式，并在每个连接点宜用多股铜线进行纵向或横向跨接作为缓冲，这样即使焊点松动也可以保证等电位连接网的完整。填埋气收集排放管（或石笼）附近配置固定式弗兰克林避雷针，固定式避雷针与等电位连接网相连接，意在场内遇雷击时通过避雷针泄流等电位网以保证填埋气排放管不被引燃引爆，同时保护场内作业人员及设备安全。各个避雷针应接到等电位连接带上。由于等电位连接网需埋在垃圾堆内，而垃圾渗沥液有强腐蚀性，故铜线应喷涂导电防腐涂料。施工后要及时夯实回填，不应影响填埋生产作业。

3.2.2 移动式避雷针

垃圾填埋场需要全天候作业，遇雷雨天气工作人员及机械设备的安全成为棘手问题。为保证填埋作业现场作业面内设备、人员的安全，应配置移动式避雷针，便于在填埋作业面内自由移动，避雷针高度应高于15 m，引下线抗冲击电阻小于10Ω。根据垃圾填埋场内各个填埋单元的面积计算，如果使用单根避雷针保护，针高应为20 m。考虑填埋作业不可能完全固定在一个填埋单元内，故宜采用多根移动式避雷针以扩大地面保护范围。移动式避雷针宜采用液压联动装置升高，底座采用可牵引拖车，要求拖车有一定的重量，保证避雷针竖起时的抗风稳定性，另外由于垃圾堆体相对松软，拖车轮胎应采用多组宽胎，并设置脚支撑架。移动避雷针可通过与固定避雷针的联接实现临时接地，移动式避雷针升起后宜采用多股铜线与就近的预留接地端子或固定避雷针可靠连接，并加绝缘护套处理。

4 问题与建议

由于垃圾填埋场填埋区内填埋气体排放管纵横交错，导电性能良好，在雷雨天气时，雷电灾害极易发生。对于繁多复杂的地理环境、现场情况，采取何种防雷设施，是今后垃圾填埋场长期研究试验的课题。气象观测是了解垃圾填埋场小气候的基础工作，建立一套行之有效的观测规范对今后进一步建立和完善生活垃圾填埋场有效预防和避免雷电灾害的工作不可或缺。

在垃圾填埋场可考虑设立一个大气电场仪，监测15 km范围内的大气电场的变化，可以提供20～30 min的预警时间，提示在危险地带作业的人员紧急撤离至安全地带或启动防雷装置，达到最有效的避雷，预防事故的发生。