水库水文设施避雷接地体项目工程设计与实践

张忠科，程 斌，左志海，李 军，张春玲

(泰安市水文中心，山东 泰安 271000)

泰安市有大中型水库17座，其中大型水库1座，东平湖1处；中型水库15座；小型水库671座，其中小(1)型90座，小(2)型581座；大中型水库都有水文监测设施设备，有些设施设备已陈旧老化，自动化程度不高，无法满足当前防汛抗洪的基本要求；有的水库还缺少部分水文设施设备，亟需增加、改建工程设施项目，更新迭代现代化、智能化、数字化的水文监测设施设备；小型水库基本上就没有水文监测设施设备，亟需科学合理的规划布设水文监测设施设备，这些需要新建的水文监测系统设施工程项目都需要避雷接地体系统，科学合理、规范设计出符合水库已建基础上的避雷接地体系统，是摆在我们面前的主要任务，究竟水库工程项目的避雷接地体系统与河道的设计有所区别，与工民建建设工程的更是不同，水库由于环境地质、地形、建设规模、大坝结构等因素的差异太大，布设位置的不同，设计也有天壤之别，不能照抄照搬统一设计标准图集，要因地制宜，区别对待设计出符合水库建设基础上的接地体系统。

1 水文设施配套接地体概况

目前泰安市大中型水库坝前都有水位监测项目；溢洪道有普通水位观测设施，个别水库有流速监测设施设备及视频监控设施设备，有水文站的水库，院内有雨量观测设备、蒸发观测项目及院内视频监控等；大部分小型水库是无水文监测设施设备，个别小型水库只有普通水尺观测设施；目前一个水库要有以下水文监测设施设备才能满足防汛抗洪的工程规范要求，而且这些水文监测设施都要有与之配套的避雷接地体系统。

1.1 水位监测设施

主要包括为普通水尺和遥测水位计。普通水尺不需要避雷接地系统；浮子水位计和雷达式水位计、气泡水位计等一系列自动遥测设施，这类设施需要与之配套的避雷接地体系统。

1.2 雨量、蒸发观测设施

雨量、蒸发观测设施设备主要设在大中型水库有水文站的院内观测场里，如果水库没有设水文站的就在附近区域单独设雨量观测设施设备。雨量设备包括普通雨量计和遥测雨量计；蒸发设备包括普通蒸发皿和自动遥测蒸发器；雨量设施设备、蒸发观测设施设备不需要布设避雷接地体系统。

1.3 流量监测设施

流量监测主要是监测出、入库水量而设立的设施设备。设施有流速仪缆道、自行走式雷达波测流等水文缆道监测设施；其他设施有固定式雷达波测速系统、测扫雷达测速等水文测速设施；水文缆道及测速设施都需要与之配套的避雷接地体系统。

1.4 视频监控设施

主要布设在入库监测断面上1-2个；水库坝前观测断面上1个；水文站站房院内一般布设2个左右；水库溢洪道监测断面上布设1-2个；视频监控的主要作用是查看水文设施设备的运行情况，视频监控设施也需要配套相应的避雷接地体系统。

2 避雷接地体系统作用

2.1 保护设施设备

水文设施避雷接地系统的主要作用就是保护设施免遭雷电的攻击，确保监测设备不被雷电瞬间浪涌电流烧坏，保证设备的正常运行能够及时传输数据，为防汛抗洪提供所需水文资料，为防洪决策提供有力支撑；如果水文设施的避雷接地系统设计不合理，施工后的接地阻值达不到设计标准，超出规范要求。运行过程中的设施设备可能遭受雷电攻击而损坏，仪器设备无法传输数据，无数据的决策成了无源之水。

2.2 保护人身安全

设备在运行过程中难免会出现问题，如果工作人员正在检查维修仪器时，恰遇雷电，如果避雷接地正常运行，就可以保护人身不遭雷击，不会有生命危险；巧遇避雷接地体阻值超出设计规范要求，雷电的浪涌电流不能瞬间进入接地体，设备可能烧毁，人身也可能遭受雷电的攻击而伤亡；如果接地体阻值无限大，设备就烧毁，人身就可能重伤、甚至死亡。

2.3 保护仪器设备的用电安全

交流电及太阳能的电源接地导线、配电箱开关及外壳等设备都要连接到避雷接地体上；如果没有连接或者连接不牢固，遭遇雷电时就不能保护设备的供电安全，导致线路及仪器设备烧毁、起火等安全事故。

3 水文监测设施接地体设计

3.1 设计原则

水库水文设施避雷接地体系统是水文工程建设项目的重要组成部分，在设计时要综合考虑，不能照搬标准图集；水库的水利工程建设项目都早已完成，在已建工程基础上进行的设计项目，设计原则不仅要符合现有建设情况，不破坏原有工程设施，而且设计方案还要符合设计标准规范，设计出的方案还能够完成施工任务，实现避雷接地体设计适用、经济的功能性原则。

3.2 设计思路

大部分水库都是在野外的山区，单一水库大坝建设情况不一样，大坝周围环境也不一样，水库的地形、地质地貌有差异；因此在水库上新设水文监测设施的工程建设项目时就要实地考察调研；首先要确定布设水文设施设备的监测种类，其次确定水文设施布设的地点、方式等；尤其是要综合考虑避雷接地体的设计方式，既要满足水库现有建设基础的实际情况，还要考虑设计方案是否符合规范，是否满足施工需求、施工成本低的综合设计方案；不能墨守成规，尽可能实现“一库一策”的设计思路，在思路上突破，在设计上创新，在功能上满足避雷效果，在外观上美丽整洁。

3.3 水文设施接地体的设计方式

3.3.1水库水文设施避雷接地体的标准设计方式

水库新建工程与配套水文设施工程建设项目同步推进时，水库工程建设项目的避雷接地体与配套水文设施避雷接地体设计都可以采用“标准图集设计法”。“标准图集设计法”的好处是不需要对设计参数验算，都是经过实践验证的方法，由于是同时施工，不需要变更就能实现的方法。水文设施建设项目避雷接地体的“标准图集设计法”如图1所示。

3.3.2 水库坝前新设水文设施避雷接地体的设计方式

目前，泰安市大中型水库坝前亟需新设视频监控等水文设施，新设设施接地体的设计要根据水库的建设情况单独设计，不能照搬“标准图集设计法”。通常情况大坝坝顶为交通道路，有沥青或混凝土两种形式的道路，路的两侧是石彻栏杆；水库大坝前全部为坝体护坡，主要有浆彻石头及混凝土连锁块等护坡方式，护坡垫层下是土工布防漏系统；在这些建成规模基础上新布设的水文设施，按照“标准图集设计法”设计的避雷接地体，与水库的防漏系统有冲突，施工任务无法完成，针对这种情况，就要另辟蹊径，采用“通用设计法”与库底的“单根钢管法”“十字架法”结合运用。“通用设计法”是指水文设施顶端避雷针到水库库底基础上引出一根热镀锌扁钢沿坝体引入到库底部分；从基础上引出的热镀锌扁钢到达库底主要有2种方式：一种是在护坡下面与垫层之间直接引入到库底，这种引入法比较隐蔽、美观整洁；另一种是在护坡上面直接引入库底，热镀锌扁钢用混凝土砂浆单独密封，这种方法是容易维修维护。

库底的“单根钢管法”“十字架法”与水体作为接地体的另一部分，这部分是接地体的独到设计方式。

(1)库底为土质结构且蓄水便于施工时，库底接地体的设计方式。水库蓄水不多，经过咨询及现场勘测库底结构为淤泥及回填土等地质结构，回填土下无土工布防漏系统，施工便于在库底展开，接地体设计就可以设计为“单根钢管法”。设计原理是利用水库中的水体和镀锌钢管及热镀锌扁钢作为一个大导电体，这个浪涌导电体与水库的蓄水量、蓄水导电粒子的密度、钢管材料、扁钢材料等有密切关系，“单根钢管法”经验算导电电阻的阻值是符合规范要求的标准。具体做法：施工中用Φ50cm镀锌钢管砸入库底淤泥土下固定，连接镀锌钢管和热镀锌扁钢并焊接牢固，在焊点处涂刷3遍防锈漆就可以。设计如图2所示。

图2 单根钢管法

(2)库底为岩石结构且蓄水便于施工时，库底接地体的设计方式。

如果库底地质结构为花岗岩时，接地体Φ50cm镀锌钢管无法砸入库底下，库底接地体可以设计为“十字架法”，这种方法的原理与“单根钢管法”一样。具体做法为：库底接地体采用2根长2m的Φ50cm热镀钢管焊接成十字架，热镀锌扁钢末端焊接在十字架的中心点上，焊接一定要牢固，在焊点处涂刷3遍防锈漆，用C20混凝土浇筑在十字架的中间固定在库底。“十字架法”如图3所示。

图3 十字架法

(3)水库蓄水无法施工时，库底接地体的设计方式。如果水库蓄水太多，接地体在库底无法施工，就不能采用“单根钢管法”；可以考虑采用“十字架法”沉入库底；这种方法简单适用，施工便捷。具体做法：在水库坝上工作间加工制作好“十字架法”接地体，把“十字架”镀锌钢管及热镀锌扁钢一同沉入水库库底，然后用“通用设计法”与水文设施的基础上的短线卡连接。

3.3.3水库溢洪道处新设水文设施避雷接地体的设计方式

在U型标准混凝土溢洪道上布设水文设施时，要先去现场进行调研并勘测布设的场地面积、土质、地形地貌等；溢洪道的接地体系统主要分布在溢洪道挡土墙的外侧部分，溢洪道是否有水都与接地体无关，设计方式只能考虑按照“标准图集设计法”，可以适当改进。确定挡土墙外的区域面积及土质是否符合规范要求，是否采用“标准图集设计法”；如果墙外区域面积不能满足规范条件，土质符合规范要求且土质深度可以达3米以上，这样用增加深度的方法增加接地体的面积，也能够达到设计标准；如果区域内土质不符合规范，就可考虑换土；最后墙外区域面积及土质都不符合规范，就需要在下游选取地点。

3.3.4溢洪道下游布设水文监测设施避雷接地体的设计方式

在标准混凝土溢洪道挡土墙外无法布设水文设施时，在下游选取合适的地点布设水文设施接地体；下游选取的地方要充分考虑地形、地质、区域面积等综合因素，勘测河底淤泥沙石埋深度，调研河底是否常年有渗水等情况，最后确定避雷接地体的设计方式是采用那种方法。同一侧断面相邻处同时建设2个以上的水文监测设施，考虑共用一套接地体独立系统，既可以节省施工时间及减少工程量，又可以节约工程建设经费。

4 避雷接地体设计的实践应用与分析

4.1 避雷接地体设计的实践应用

2020年4月开始至今，泰安市水文中心对15个水库新建水文设施避雷接地体建设项目进行检测分析及应用研究，对建成的水文设施进行跟踪调查检测，对试运行的设备进行比对研究。结论为：15个水库的水文设施设备均符合设计标准。

4.1.1溢洪道下游布设水文设施情况

光明水库、黄前水库、东周水库3处大中型水库溢洪道下游分别新建视频监控、水文缆道等水文设施建设项目；原避雷接地体设计为“标准图集设计法”的独立系统，由于视频监控与水文缆道设施在同一侧位置非常近，经申请变更为：共用一套接地体独立系统；工程完成后，聘请有监测资质的第三方现场检测，接地电阻范围为2.1～3.6Ω，符合设计小于4Ω的标准。

4.1.2小(一)型水库布设水文设施

山阳水库、彩山水库、崅峪水库等12个小(一)型水库，坝前水文断面上新设视频监控设施，设计单位没有去现场进行勘测调研，避雷接地体设计为“标准图集设计法”，无法施工。经协商变更为“十字架法”进行施工，施工完成后，也由检测资质的第三方现场检测，接地系统电阻测量范围为1.0～2.3Ω，符合设计规范标准小于4Ω的要求。

4.2 避雷接地体设计的经济分析

按照避雷接地体“标准图集设计法”进行施工，一处避雷接地体合同中标单价为3.6万元；按照坝前“单根钢管法”或“十字架法”进行施工，避雷接地体施工费用审计价为1.2万元/处，可以节省2.4万元/处。2处水文设施共用一处“标准图集设计法”接地体独立系统，经审计2处费用为3.8万元，对比“标准图集设计法”接地独立系统可以节省1.6万元/处。通过以上经济核算分析，避雷接地体的设计非常重要，科学合理的设计不仅能够缩短施工工期，更重要的是节约建设经费。

4.3 避雷接地设计的运行分析

泰安市水库新建水文监测设施避雷接地系统工程建设项目，经过2年多设施设备的运行情况来看，100%的避雷接地系统都能够正常运行，发挥工程效益。每年3—4月份进行汛前检查时，组织专业技术人员对避雷接地体进行现场检测，所有监测数据均小于4Ω，都符合设计规范要求。进入汛期后通过计算机对水文数据的传输资料进行分析研究，对视频监控的图像稳定性分析，确定仪器设备运行正常，也证明避雷接地体的稳定性，没有遭受雷击的攻击；通过试运行说明因地制宜的“一库一策”的接地体设计符合规范要求。

5 结语

“十四五”水库水文设施接地体规划设计时，一定要实地调研，了解水库的建设情况后，确定水文设施布设位置、布设种类；在设计方式上要创新发展，抛弃照搬照抄的设计理念，推陈出新，实现“一库一策”的设计风格、设计方案；实现接地体的雷电消散、疏导或抑制掉，实现对水文测报设施、仪器设备的易受雷电影响的通道上起到保护作用，确保仪器设备的安全；尤其是“单根钢管法”、“十字架法”是值得大力倡导的设计方法，是在水库建设基础上的成功典范，是值得借鉴的成功经验。