江苏地区地震台站地网设计施工关键技术研究

立 凯，瞿 旻，秦 磊

（1.江苏省地震局连云港地震台，江苏 连云港 222061；2.江苏省地震局，江苏 南京 210014）

随着行业标准《地震台站综合防雷》（DB／T 68－2017）的推出，以及各级地震主管部门对地震台站综合观测技术保障系统建设工作的重视，地网建设成为地震台站综合观测技术保障系统发挥作用的重要基础之一。江苏地处长江中下游地区，每年的夏季梅雨季节为雷电高发期，而地震台站通常地处偏僻，且很多位于山脚下或山窝等无遮挡的雷区，经常出现雷击事件，轻则供电线路出现故障或仪器数据出现异常，重则整套观测系统被击毁（王党席等，2015）。因此构建完善的综合观测技术保障系统是台站建设的基础，地网建设的效果则直接关系到保障系统的效能。本文针对江苏辖区内常见类型的地震台站地网，通过公式推导与计算，尝试提出江苏地区台站地网建设基本要求，以期能有效减轻雷击对台站仪器设备的危害。

1 江苏省地震台站现状

根据现有观测类型，江苏区域内台站主要有地面测震台、井下测震台、山洞测震台、地磁台、地电台、钻孔形变台、钻孔流体台和洞体形变台。根据台站归属又可划分为省属专业台站和地方性台站，省属专业台通常为综合台，有2个及以上的观测项目；地方性台站以无人值守台站为主，通常以某一类观测学科的设备为主。这些台站主要位于人烟较少的地区，如景区、农村、城郊、厂区和功德园等地，有的在山脚下，有的在半山坡，有的在田间或山洞等地。由于台站所处地区的土壤条件不同，其地网制作要求和方法也不尽相同。通常情况下，地震台站的地网电阻值通常可由式（1）（中国地震局，2017）计算得到：

式中R为接地电阻，ρx为土壤电阻率，S为地网面积。影响地震台站地网电阻值的主要因素有土壤电阻率和地网面积。当地震台站位于农村或郊区等地时，其土壤电阻率通常不超过200Ω·m，尤其是苏中、苏南水乡地区，土壤电阻率通常不高于50Ω·m，不需要大面积制作地网，建设难度较低。当台站处于山脚、半山坡和山洞时，土壤电阻率较高，且土壤覆盖层较薄，接地棒难以完全打入地下，且台站周围用地易受限制，地网制作存在较大难度。

2 江苏省地震台站地网设计施工关键技术

2.1 地震台站地网建设通用要求

地震台站应根据所在地的土壤电阻率以及所选取的接地体类型和降低接地电阻的方法，进行统一接地设计和实施。无人值守的地震台站，接地宜采用法拉第笼结构（黄锡定等，2007；见图1）。

图1 法拉第笼结构图

房顶用直径为不小于8 mm的镀锌圆钢，围成网格，如图1中“房顶”所示的防护装置。外圈四周间隔30 cm垂直焊接高15 cm的一截圆钢。在外圈的四个角用4 mm×40 mm的扁铜或镀锌扁钢作为引下线，将“房顶”所示的防护装置与避雷地网相连接。离观测房外墙1 m外挖沟，间隔5 m打入用50 mm×50 mm×5 mm角钢做的长度为2.5 m的垂直接地体，接地体的上端距地面宜不小于0.7 m。用4 mm×40 mm的扁铜或镀锌扁钢将垂直接地体连接成网，如图1中“避雷地网”所示。所有焊接处均采用搭接焊，焊接长度为扁钢宽度的2倍，焊接面不少于3个棱边，且焊接处涂上防锈剂。如果地网的接地电阻大于4Ω，则需增加外延接地极，即距5 m外再挖沟加做一圈接地线，或添加长效降阻剂以降低接地电阻，达到规定要求。应在室内设接地排（接地母线），并与避雷地网等电位连接。

地震台站应以建筑物基础地为主，采用共用接地方式，即建筑物基础地、仪器设备地、电源地（变压器地）等共用一个地网，其接地电阻值应不大于4Ω。不同建筑物之间的地网，距离在20 m以内的应相互连接，距离在20 m及以上的不必互相连接。信号线等线路的屏蔽层两端应与各自所在的建筑物的地网连接。当地网接地电阻值未达到要求时，采取外延增加接地网尺寸，将接地体深埋于低电阻率的土壤中，使用降阻剂、接地模块和换土等方法使其达到要求。接地体之间连接应采用搭接焊方式，扁钢搭接长度应为其宽边的2倍，圆钢搭接长度应为其直径的10倍，焊接面不应少于3个棱边，所有焊接点均应进行防锈处理。不应使用工业盐作为降阻材料，可用长效降阻剂。接地网地电阻值应是连续无降雨雪7天后的工频测量值。

2.2 低土壤电阻率台站地网建设

对于有人值守专业台站，其主观测楼可采用建筑地或“建筑地＋专用地网”的方式（黄晖等，2008），专用地网主要指设备地和信号地。主观测楼应具有避雷带，且避雷带与观测楼建筑地相连接，连接点不少于4处。与台站观测楼呈星型连接的独立观测房应具备独立地网，对于新建观测房应尽量使用法拉第笼结构建设地网，对于改造地网应根据场地条件因地制宜。当独立观测房地网与主观测楼地网间距小于20 m时，避雷带应与主观测楼地网连接，且连接点不少于2处。

对于无人值守台站，在新建时应尽量使用法拉第笼结构建设地网（瞿旻等，2015），但至少应在台站附近有带状或网状地网接入。在土壤条件良好的情况下，只需确保地网面积满足基本需求即可，在场地条件和经费允许情况下应尽量制作5 m×10 m的地网，引入室内不少于2根热镀锌扁钢，最低不低于5 m×5 m或长15 m（4根垂直接地极3个水平接地极，如图2）的带状地网。考虑到江苏中部及南部属于多雨区，苏北属于一般地区，故土壤电阻率在多雨区时计算时应为一般地区的1／2。

图2 带状地网示意图

单个垂直接地体，简单估算公式为：

单个水平接地体，简单估算公式为：

式（2）、（3）中的L表示接地体的长度。带状地网电阻可用各单个垂直接地体和水平接地体阻值的并联公式求得（王党席等，2015），以4根垂直接地体3个水平接地体为例，其阻值计算等效为图3。根据闭环网和带状网接地电阻计算方法，得到降雨一般区不同地网在不同土壤电阻率情况的理论接地电阻，见表1。

图3 带状地网接地电阻等效电路

表1 降雨一般区不同地网在不同土壤电阻率情况下的理论接地阻值（王党席等，2015）

从表1中可以看出，苏北等降雨一般地区制作地网时除了在地下水位较高的农田中可以制作带状地网外，其它地区应使用网状地网设计。在苏中及苏南的多雨地区，ρx值计算可采取一般地区的一半，当使用2.5 m长的垂直接地极制作地网时，可以根据场地条件选用带状地网或5 m×5 m网状地网即可满足接地电阻小于4Ω，需要注意的是土壤下层应避开建筑垃圾。

综合考虑台站周边土壤覆盖、环境等因素，降雨一般地区的最小地网要求为5 m×10 m网状地网；多雨区最小地网要求为5 m×5 m网状地网或不少于4根2.5 m垂直接地极的带状地网。

2.3 高土壤电阻率台站地网建设注意事项

高土壤电阻率台站主要是指台站周围覆盖层小于20 cm、土壤类型为砂石或碎石的地震台站。根据地网计算公式可知降低R的方法主要有降低土壤电阻率或增加地网面积两种。常见的降低土壤电阻率措施主要有7种。（1）换土：用电阻率较低的土壤替换电阻率较高的土壤。（2）对土壤进行化学处理：将化学物和土壤混合后填入坑内夯实，常用的化学物有炉渣、木炭、氮肥渣、石灰、食盐等，这种方法中所需的化学物往往带有腐蚀性且易流失，一般不得已时才采用。（3）深埋接地体：当地下深处的土壤或水电阻率较低时采用。（4）污水引入：为降低接地体周围土壤电阻率，可将无腐蚀性的污水引到埋设接地体处。（5）深井接地：用钻机钻孔，把钢管打入井内，再向管内和井内灌满泥浆。（6）利用水工建筑物：与水接触的钢筋混泥土作为流散介质，充分利用水工建筑物（水井、水池等）以及其他与水接触的金属部分作为自然接地体。（7）利用化学长效降阻剂。

考虑到台站环境保护，江苏地区地震台站降低土壤电阻率的方式主要是换土、使用长效降阻剂和打深井深埋接地体。打深井深埋接地体由于成本较高，考虑到防护设备的性价比，一般较少应用。由于地网面积常受到场地限制，在采取换土和增加降阻剂后接地电阻仍无法降到4Ω以下时，应按照规范要求打入足够多的接地体，尽可能降低接地电阻。

2.4 钻孔观测地震台站地网建设注意事项

钻孔类台站主要指有钻孔形变、钻孔流体和钻孔测震观测的台站，由于钻孔类仪器通常价格较为昂贵，钻孔类传感器安装更换费时费力，部分钻孔形变类仪器安装后传感器无法更换（如体应变仪和分量应变仪），因此这类台站在制作地网时特别需要注意钻孔与地网的间距。地网是放电的通道，而钻孔的套管通常是钢管，深度通常为几十米到几百米不等，且浸在地下水位以下，接地电阻非常小（接近于0），当钻孔与地网间距过近时易引起地电位反击，将雷电流引向钻孔套管，从而导致钻孔下的传感器故障。故在制作此类地网时应考虑以下两点：（1）当钻孔在观测室内且靠近中心点时，适宜做法拉第笼结构地网（中心点的感应电动势最小，且电流放电为外延式）；（2）当观测室无法拉第笼式地网或室外条件无法做法拉第笼改造时，应尽量将地网做在钻孔的对侧，且最小距离应不小于5 m。

2.5 山洞观测地震台站地网建设技术探讨

山洞本身具备较好的电磁屏蔽效果，但由于仪器供电及信号传输，导致雷电信号易从这些途径进入山洞，造成仪器损坏。山洞地网宜根据山洞大小及仪器安装深度进行综合考虑，因山洞内均为山体，无土壤覆盖层，因此在山洞内部做合格的地网难度和代价过大，且制作后难以测得阻值。对于仪器安装位置较浅的山洞，宜在山洞附近寻找覆盖层制作地网，并用2根扁钢引入山洞，扁钢平行铺设时距离不小于0.5 m，宜间隔0.5～1 m焊接一截扁钢呈“梯子”状引入。对于仪器安装位置较深的山洞，山洞外地网引入会导致放电通道过长，雷电流泄放效果较差，考虑经济效益，可寻找山洞内有流水的裂隙处，将扁钢引入其中，或对山洞潮湿的地段的排水沟进行改造，使之呈阶梯型蓄水池，并将扁钢放置其中（图4）。须注意的是蓄水池的长度应尽量长，蓄水的深度应高于扁钢放置的高度，蓄水池长度较长可以保证有足够的扁钢处于低电阻率环境中，蓄水面应没过扁钢以保证扁钢与水有充分的接触面放电。

图4 扁钢入水槽示意图

3 部分地震台站地网改造工程实施

2017～2018年对江苏省南通台、如东台、启东台、盐城台、徐州台、苏22井、新沂台和涟水台共计7个台站的9个地网进行改造。首先对台站土壤电阻率进行测量，再根据各台站实测土壤电阻率对台站地网进行设计，设计地网的接地电阻理论值和工程实施完工后的实测值见表2。从表2可以看到实际值与设计值平均偏差率为－2.29%，最大偏差率不超过±17%，施工结果符合设计预期。偏差率较大的台站，因实际测值较小，故在偏差率上反映较大，如启东台和新沂台地网2均为0.5Ω左右，故偏差率略有增大；如东台因实际场地限制难以达到5 m×5 m的预期，故施工结果较设计值有所增加。徐州台土壤环境较差，通过换土有效降低了ρx值，由于场地土深只有约0.7 m，较预计值1 m浅，故而在埋设接地极时增加了长效降阻剂，从实际效果看基本符合要求。此外，测量方法和次数的不同亦会导致表2中测量值有些许偏差。

表2 部分地震台土壤电阻率测量值及气候情况

4 结论

在台站环境调研的基础上，对江苏省内不同类型地震台站的地网进行了设计和公式推导计算，得到最小地网设计要求，并通过2017～2018年台站地网进行设计和施工后的验证，得到较为理想的结果，对于今后台站接地改造及建设中的设计和施工提供了标准化解决方案。由于这次改造台站土壤大多为田园土，土壤电阻率较为理想，对于高土壤电阻率台站及施工条件限制较多的台站，则需要以降低ρx值和增加地网面积或长度为原则进行针对性设计，相关计算模型还有待于进一步的设计和实施结果加以验证。地震台站的接地建设是台站观测系统最基本的环节，是开展各项观测的基础，除了不断完善设计和加强管理，也要充分考虑环境制约以及成本等方面的因素，才能真正做好地震台站的接地建设。