地震救災(zāi)初期防雷應(yīng)急保障方法及應(yīng)用

莊 嘉，吳永斌，劉平英，胡 穎，殷 嫻

(云南省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，云南 昆明 650034)

0 引言

災(zāi)后安置是地震救災(zāi)的主要工作，根據(jù)實施時間和安置期限的不同，可分為應(yīng)急安置、過渡安置和永久安置[1]，分別對應(yīng)地震救災(zāi)初期、中期和后期。建設(shè)安置點是災(zāi)后安置的主要措施，安置點也是災(zāi)區(qū)民眾聚集和臨時居住的主要場所，其選址原則是避開地震斷裂帶和山洪等主要次生災(zāi)害，大多選擇地勢較高的空曠地帶[2]，按照現(xiàn)代防雷理論[3][4]，這類區(qū)域均屬于雷擊易發(fā)區(qū)?？梢哉f，地震災(zāi)區(qū)的雷電防護重點在于對安置點的防雷保護。多年來，國內(nèi)專家學(xué)者對地震災(zāi)區(qū)的雷電防護進行了大量研究。左雄等[5]以汶川8.0級地震、玉樹7.1級地震為例，分析了目前地震災(zāi)后雷電災(zāi)害防御面臨的臨時安置點防雷設(shè)施不完善等新形勢，提出了加強防雷減災(zāi)工作組織領(lǐng)導(dǎo)、防雷工程建設(shè)以及雷電災(zāi)害應(yīng)急管理的一些措施；胡穎等[6]研究了云南省地震活動和雷電活動的相關(guān)性，提出了地震高發(fā)區(qū)應(yīng)加強雷電防護的建議；彭啟洋等、王文英等以魯?shù)?.5級地震、玉樹7.1級地震為例，分析了災(zāi)區(qū)的雷電活動特征，提出了對策措施；靳小兵等[9,10]、馬俊貴等[11]、楊成山等[12]結(jié)合救災(zāi)中期過渡安置房的實際情況，提出了過渡安置房雷電防護技術(shù)及方法；杜建忠等[13]、陳家強等[14]歸納總結(jié)汶川8.0級地震救災(zāi)經(jīng)驗，對用于救災(zāi)中后期過渡安置點的雷電防護裝置進行了研究。目前，在地震救災(zāi)初期應(yīng)急安置點雷電防御方面的研究國內(nèi)學(xué)者很少涉及。地震救災(zāi)初期，由于時間緊迫，應(yīng)急安置點是在非常規(guī)條件下就近高速建設(shè)而成，沒有采取有效的雷電防護措施，大多數(shù)安置點都存在雷擊隱患。在雷電活動頻發(fā)季節(jié)，各安置點人員聚集，同時受災(zāi)民眾正處于災(zāi)后恐慌期[1]，如再發(fā)生雷擊傷亡事件，后果不堪設(shè)想。

2018年9月8日，云南省墨江縣發(fā)生5.9級地震，根據(jù)云南省氣象局發(fā)布的地震應(yīng)急氣象專報顯示災(zāi)區(qū)近期將有強對流天氣發(fā)生，而新建的各應(yīng)急安置點并未采取任何防雷措施。對此云南省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心迅速抽調(diào)技術(shù)人員前往災(zāi)區(qū)開展防雷應(yīng)急保障，僅用3 d時間完成了保障任務(wù)，在其后強對流天氣過程中有效保障了災(zāi)區(qū)民眾生命安全，獲得了良好的社會效益。本文結(jié)合該案例，通過分析地震救災(zāi)初期特點，提出相適應(yīng)的防雷應(yīng)急保障應(yīng)用流程，并研究分析得出關(guān)鍵技術(shù)方法。

1 救災(zāi)初期防雷應(yīng)急保障流程

1.1 地震救災(zāi)初期特點

地震救災(zāi)根據(jù)其特點可分為救災(zāi)初期、中期和后期。初期相比于中后期(表1)，總體上持續(xù)時間短，但救災(zāi)時間緊，面臨的救災(zāi)環(huán)境更為復(fù)雜，條件更為苛刻，救援難度更大。安置點防雷保障方面，保障期雖不長，但在實施時間及條件方面要求嚴苛。在地震發(fā)生后到過渡安置點建設(shè)完成前這段時期，在斷水?dāng)嚯姟⒔煌ㄟ\輸不便、雷暴隨時來臨的大環(huán)境下，面對數(shù)量龐大且分散的應(yīng)急安置點，需要采取有效措施在短時間內(nèi)提高應(yīng)急安置點的雷電防御能力，保障其中災(zāi)民及救援人員免遭雷電威脅，這對防雷應(yīng)急保障提出了更高要求。需要結(jié)合實際情況分析，制定科學(xué)適用的保障流程。

表1 地震救災(zāi)初期與中后期特點對比

1.2 防雷應(yīng)急保障流程

結(jié)合地震救災(zāi)初期的特點，制定防雷應(yīng)急保障流程圖(圖1)。

圖1 防雷應(yīng)急保障流程圖

1.2.1 前期準備 應(yīng)將防雷應(yīng)急保障物資提前配置齊全，結(jié)合資金情況，一般準備10套以上雷電應(yīng)急防護裝置及相應(yīng)配件和安裝工具，并做好日常儲存管理和保養(yǎng)，指定應(yīng)急保障車輛，確保地震災(zāi)情發(fā)生后防雷應(yīng)急保障啟動時相應(yīng)物資能及時調(diào)用。

1.2.2 接受任務(wù) 及時與指揮部、當(dāng)?shù)卣鞍仓命c負責(zé)人進行溝通，收集災(zāi)區(qū)相關(guān)信息，包括地震烈度圖、應(yīng)急安置點信息(數(shù)量、經(jīng)緯度、建設(shè)規(guī)模等)、具體聯(lián)系人、交通情況等。

1.2.3 分析確定保護對象 地震救災(zāi)初期，臨時布設(shè)的應(yīng)急安置點往往數(shù)量龐大，時間緊迫，不能泛泛開展防雷應(yīng)急保障。通過收集分析災(zāi)區(qū)閃電定位資料、地形資料，結(jié)合地震烈度圖制作災(zāi)區(qū)雷電易發(fā)區(qū)劃圖，綜合現(xiàn)場環(huán)境勘測資料，確定保護對象。

1.2.4 防雷工程設(shè)計 分析災(zāi)區(qū)氣候資料、地形資料、現(xiàn)場勘測資料、保護對象相關(guān)信息，確定防護重點，根據(jù)相關(guān)標準技術(shù)規(guī)范，依據(jù)科學(xué)合理、經(jīng)濟高效的原則編制防護方案。方案需明確防雷裝置的選址、保護范圍、布置形式、規(guī)格材料及各部分安裝工藝。

1.2.5 防雷工程施工 依據(jù)防護方案，嚴格把關(guān)施工工藝，通常以4人為一組，分頭前往各安置點，在確保安全的條件下有序施工安裝，并對工程相關(guān)資料特別是隱蔽工程進行簡要記錄。

1.2.6 竣工檢測 施工完成后，應(yīng)對工程質(zhì)量進行最終檢查檢測，確保防雷裝置接地電阻值、傾斜度、安全距離等參數(shù)符合設(shè)計要求。同時應(yīng)在桿體上懸掛“雷電危險，請勿靠近”等警示牌，周圍拉設(shè)簡易隔離圍欄，防止民眾靠近。

1.2.7 科普宣傳 對周邊災(zāi)民及救援人員進行科普宣傳，內(nèi)容包括基本防雷避險、自救互救常識，防雷裝置使用規(guī)范等，以增強災(zāi)區(qū)民眾防雷避險能力。

1.2.8 設(shè)備材料回收 本著經(jīng)濟節(jié)約，保護環(huán)境的原則，在應(yīng)急安置點撤除后，應(yīng)對相應(yīng)防雷裝置及材料進行回收養(yǎng)護，以備下次使用。

2 主要技術(shù)方法

2.1 保護對象的確定

雷云對地放電具有選擇性[4]，其發(fā)生概率與下墊面的地質(zhì)條件、地形地貌有著較高的關(guān)聯(lián)性，通過對災(zāi)區(qū)的雷電易發(fā)性、安置點現(xiàn)場環(huán)境進行分析，篩選確定雷擊高風(fēng)險應(yīng)急安置點作為保護對象。

2.1.1 災(zāi)區(qū)雷電易發(fā)性分析 雷電易發(fā)性主要從兩個方面體現(xiàn)：雷電密度和地形條件。

①雷電密度：反映區(qū)域雷電活動的自然規(guī)律。單位面積內(nèi)地閃次數(shù)越多，則雷電易發(fā)性越高。根據(jù)2009—2018年云南省ADTD閃電定位數(shù)據(jù)格點化統(tǒng)計分析形成的云南省地閃密度概率分布圖可看出(圖2)，地閃密度在0～1.7范圍內(nèi)區(qū)間值百分比較為集中，大于1.7范圍區(qū)間值百分比較為分散。

圖2 云南省地閃密度的概率分布

②地形條件：反映區(qū)域地形對雷電活動的影響，由海拔高度、坡度、海拔差決定。以云南省為例，通過分析其海拔高度、坡度、海拔差與地閃密度的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)地閃落雷區(qū)域的海拔、坡度、海拔差的概率分布近似服從對應(yīng)的正態(tài)分布(圖3)。地閃落雷點集中在海拔值為2 000 m左右，坡度值為28°左右，落雷區(qū)域海拔差為200 m左右的區(qū)域。

圖3 云南省地閃落雷點與海拔、坡度、海拔差關(guān)系圖

在墨江縣5.9級地震中，災(zāi)區(qū)雷電易發(fā)性主要分析步驟如下：

①采用2008—2017年云南省閃電定位網(wǎng)(ADTD)墨江縣部分的地閃監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過質(zhì)量控制檢驗，剔除異常及不合理數(shù)據(jù)。

②將地閃數(shù)據(jù)按1 km×1 km精度格點化，通過ArcGIS軟件提取相應(yīng)格點最大海拔、海拔差、最大坡度等DEM數(shù)據(jù)。計算年平均雷電密度、地閃落雷點海拔、地閃落雷點坡度、地閃落雷區(qū)域海拔差，計算并繪制綜合地形條件圖層。

③將格點化的地閃數(shù)據(jù)利用ArcGIS軟件克里金插值法生成災(zāi)區(qū)年平均地閃密度圖層。

④運用yaahp軟件，歸集10位專家AHP調(diào)查問卷結(jié)果計算以上兩個圖層表征雷電易發(fā)性的權(quán)重分別為0.28(綜合地形條件圖層)和0.72(年平均地閃密度圖層)。用ArcGIS軟件中的柵格計算器將兩個圖層按各自權(quán)重進行疊加，并采用自然間斷點分析法將疊加后的圖層劃分成極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、較高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和一般易發(fā)區(qū)等5個層級得到墨江縣雷電易發(fā)區(qū)劃圖。

⑤將墨江縣雷電易發(fā)區(qū)劃圖與云南省地震局發(fā)布的墨江縣地震烈度圖綜合疊加獲得墨江縣地震災(zāi)區(qū)雷電易發(fā)區(qū)劃圖(圖4)。

2.1.2 現(xiàn)場勘測 現(xiàn)場勘測主要選擇在災(zāi)區(qū)地震烈度為7度和8度的區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)建筑損毀比較嚴重，應(yīng)急安置點布置數(shù)量較多且人員集中。勘測其中處于雷電極高易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)內(nèi)的安置點局部地理環(huán)境，將符合以下雷擊易發(fā)條件[3,4]的安置點列為保護對象：一是建于空曠地帶或具有突出效應(yīng)的山頂；二是建于土壤電阻率較小和土壤電阻率變化明顯的地方，如河床、地下水出口處、山坡與稻田接壤處、河邊、湖邊、低洼地區(qū)和地下水位高的地方等；三是建于雷暴路徑上和具有抬升作用的地方，如迎風(fēng)山口和谷口、迎風(fēng)坡面等。通過現(xiàn)場勘測，墨江縣地震災(zāi)區(qū)共確定5個應(yīng)急安置點做為保護對象(表2、圖4)。

表2 墨江地區(qū)保護對象基本信息及防雷裝置信息表

圖4 墨江縣地震災(zāi)區(qū)雷電易發(fā)區(qū)劃圖

2.2 防雷工程設(shè)計要點

地震救災(zāi)初期，應(yīng)急安置點以安置人員為主要目的，精密電子儀器和家電設(shè)備較少。因此，在考慮安置點雷電防護時，應(yīng)以安置人員為主要目標，主要以防護直擊雷以及接觸電壓、跨步電壓、旁側(cè)閃絡(luò)、地電位反擊等二次雷害[4]為主。

根據(jù)救災(zāi)初期應(yīng)急安置房的特點，結(jié)合直擊雷防護設(shè)計理念，防護思路有兩種：一種是采用獨立接閃桿對一定范圍內(nèi)的雷電進行接閃，并通過合理的接地措施對接閃雷電流進行泄放，保護該范圍內(nèi)的安置房免遭雷擊；另一種是利用帳篷、簡易房的金屬支架作為接閃裝置，通過將金屬支架進行可靠“接地”，達到接閃泄流的目的。后一思路雖看似更為簡單易行，然則隱患頗多，由于雷電的熱效應(yīng)[4]，雷電擊中帳篷金屬支架時，短時間內(nèi)產(chǎn)生高溫，極易引發(fā)火災(zāi)；由于雷電的電效應(yīng)[4]，在雷電流沿支架泄放時易對旁側(cè)人員造成接觸電壓、旁側(cè)閃絡(luò)等傷害，同時該法對地網(wǎng)要求很高，需做好均壓等電位和地表絕緣，否則易引發(fā)跨步電壓、地電位反擊等二次雷害。前一思路接閃桿位于戶外，通過合理的布設(shè)，在達到良好雷電防護效果同時可有效避免二次雷害。因此，應(yīng)采用獨立接閃桿對救災(zāi)初期的應(yīng)急安置點進行防雷保護。

目前采用獨立接閃桿的直擊雷防護方法主要有兩種：滾球法[15]和區(qū)域性防雷法[16,17]。滾球法是幾何模擬法，它以放電路徑幾何距離的長短作為接閃桿保護的判據(jù)，其保護范圍限定在保護半徑之內(nèi)，其保護半徑為：

(1)

式中，rx為接閃桿在高度為hx平面上的保護半徑；h為接閃桿高度(單位：m)；hr為滾球半徑(單位：m)，此處取值60 m[9，18]；hx為安置房高度(單位：m)。

區(qū)域性防雷法是指在需要防雷的特定區(qū)域內(nèi)，在雷電發(fā)生主要路徑的上風(fēng)向安裝接閃桿對直擊雷進行攔截，從而使下風(fēng)方向的特定區(qū)域內(nèi)避免或減少直擊雷發(fā)生的方法。其保護面積可由下式確定[17]：

A=πr2/2

(2)

式中：A為接閃桿下風(fēng)方區(qū)域的保護面積(單位：m2)；r為第一接閃點與第二接閃點之間的距離(單位：m)。其中，距離r應(yīng)分以下兩種情況而定：

①若從雷電活動路徑的上風(fēng)向第一攔截點至下風(fēng)向的2 km直線距離內(nèi)，沒有超過上風(fēng)向第一攔截點接閃桿地面海拔高度的區(qū)域，則r=2 km[17]。

②若第一攔截點下風(fēng)向2 km范圍內(nèi)存在比第一攔截點接閃桿高的地表物體時，則r值為兩者之間距離的實際測量值。

對二者定義和公式(1)、(2)分析可得：對處于接閃桿保護范圍內(nèi)的安置房，從防護效果上看，滾球法要優(yōu)于區(qū)域性防雷法；從保護范圍來看，區(qū)域性防雷法要大大優(yōu)于滾球法。在應(yīng)急安置點的雷電防護上，應(yīng)根據(jù)科學(xué)合理的原則，結(jié)合實際勘測情況選擇適用的防護方法。其選擇標準和設(shè)計要點如表3所示。

表3 技術(shù)方法選擇標準和設(shè)計要點

在墨江地震中，3#點和5#點，規(guī)模較小，地理環(huán)境適宜，通過公式(1)計算，在其側(cè)山坡等地理位置較高處各安置1座13 m高接閃桿即可滿足要求；而1#點、2#點、4#點或是規(guī)模較大(1#、2#)，或是周圍地理環(huán)境不適(4#)，若采用滾球法則須采用多支接閃桿聯(lián)合保護方有可能達到設(shè)計要求，如此不僅工時大大增加，同時二次雷害風(fēng)險及選點難度也相應(yīng)增加。故該3個安置點擬采用區(qū)域性防雷法進行設(shè)計。查詢當(dāng)?shù)亟?0 a氣象資料，繪制風(fēng)向占比玫瑰圖(圖略)可知，西風(fēng)、西南偏西風(fēng)和南風(fēng)占比較高，分別為：13.6%、16.7%和12.4%，存在主要風(fēng)向。觀察其周圍山勢地形，1#點位于山坳處，存在進風(fēng)口位于其南側(cè)，而2#點、4#點則處于西面和西南面迎風(fēng)坡面上，綜合判斷存在雷暴路徑，滿足區(qū)域性防雷法的實施要求，因此，決定采用區(qū)域性防雷法對該3個安置點進行防雷保護。接閃桿布設(shè)于安置點雷暴路徑上風(fēng)方2 km內(nèi)相對位置較高處對來自該方向的雷暴進行提前接閃，布設(shè)情況如表2所示。

2.3 施工方法及要點

2.3.1 防雷裝置的選擇 結(jié)合安置點的防雷設(shè)計方案，防雷裝置主要為接閃桿和接地裝置。與常規(guī)場所中使用的防雷裝置[15]相比，適用于地震救災(zāi)初期的防雷裝置還應(yīng)著重考慮兩個方面：運輸和安裝。要求所選用的接閃桿和接地裝置在滿足防雷技術(shù)要求的同時，在重量體積上應(yīng)盡可能的輕便，施工安裝上盡可能的簡便易于操作。

接閃桿的選擇：通過調(diào)研目前市面上的各類接閃桿，結(jié)合其優(yōu)缺點綜合篩選考慮，確定移動伸縮式接閃桿是適宜的選擇。該類接閃桿通過搖桿進行升降，伸長高度根據(jù)需要一般可在3～20 m之間，閉合高度僅為2 m左右，重量根據(jù)所選規(guī)格大致在15～150 kg，重量體積較小，易于搬運和裝卸，應(yīng)急結(jié)束后，方便回收。在安裝固定上，為確保穩(wěn)定和具有較強的抗風(fēng)能力，宜選擇底部可打地樁固定，同時裝配有三角支架和拉線的產(chǎn)品(圖5)。

圖5 移動伸縮式接閃桿示意圖

接地材料的選擇：接地裝置主要由水平接地裝置和垂直接地裝置組成。因使用周期不長，為方便裝卸，其相互連接方式可采用壓接式。為便于施工，接地材料應(yīng)在前期做如下準備：

①水平接地裝置：采用截面積不小于70 mm2的鋼絞線[15]。

②垂直接地裝置：采用截面積不小于290 mm2的熱鍍鋅角鋼[15]，長度為1.5 m，一端打孔便于螺栓連接，一端加工成尖角便于施工。

③輔助材料及工具：與鋼絞線規(guī)格相匹配的銅鼻子、螺栓若干，液壓鉗、大錘等。

④在土壤電阻率較高的地區(qū)，宜準備降阻劑[9]。降阻劑使用量計算公式為：

(3)

2.3.2 工程實施安裝要點

接閃桿的安裝：確保桿體放置處地面大致水平；確保接閃桿的最終傾斜度不大于0.5°。

接地裝置的施工：①接地裝置布設(shè)時，應(yīng)觀察周圍環(huán)境，若接閃桿的選址位于安置房或人行通道等人員活動頻繁場所附近，則接地裝置的設(shè)計應(yīng)著重考慮預(yù)防二次雷害，可采用邊緣閉合的“環(huán)形地網(wǎng)”，加快雷電流的泄放速度，同時減少其泄放距離，確保入地雷電流的“均壓性”，防止跨步電壓的產(chǎn)生；若接閃桿選址遠離人員活動場所，則可采用邊緣非閉合的“一字型地網(wǎng)”，易于施工和降低接地電阻。

②接地裝置埋設(shè)時，水平接地體埋設(shè)深度不小于0.5 m[15]，垂直接地體間距不小于3 m[15]。

③填土?xí)r，宜做接地電阻值測試，根據(jù)情況確定是否使用降阻劑，確保最終接地電阻值不大于30 Ω。

3 結(jié)論及討論

針對震后災(zāi)區(qū)初期救援工作中應(yīng)急安置點建設(shè)方面雷電防護的缺失問題，結(jié)合實際，通過分析研究及實際應(yīng)用，得到如下結(jié)論：

①防雷應(yīng)急保障的實施應(yīng)“安全可靠、應(yīng)急高效”，結(jié)合救災(zāi)初期特點，制定科學(xué)有效的實施流程，重點對保護對象、防雷工程設(shè)計和施工3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行把控，合理運用雷電易發(fā)區(qū)劃、現(xiàn)場勘測、直擊雷防護等技術(shù)方法。一是將海拔高度、坡度、海拔差等地形因子與雷電密度因子綜合考慮，可提高災(zāi)區(qū)雷電易發(fā)區(qū)劃的精細度及準確性，結(jié)合災(zāi)區(qū)地震烈度圖和局部地理環(huán)境的勘查結(jié)果，快速確定保護對象；二是地震救災(zāi)初期應(yīng)著重應(yīng)急安置點的直擊雷防護，其防護裝置應(yīng)采用獨立接閃桿，結(jié)合實際因地制宜，合理運用“滾球法”和“區(qū)域性防雷法”進行防雷設(shè)計，同時注意規(guī)避二次雷害，在有效提高安置點直擊雷防御能力的同時將大大縮短工期，提高實施效率；三是防雷裝置可采用移動伸縮式接閃桿、壓接式接地裝置，在實施過程中可有效規(guī)避水電和運輸?shù)炔槐阋蛩?，依靠人力即可完成，現(xiàn)場施工方便高效。

②雷電成災(zāi)，群眾缺乏防雷常識是主要因素之一，應(yīng)當(dāng)動員和組織有關(guān)力量發(fā)放宣傳材料，講解科普知識, 提高災(zāi)區(qū)群眾的防雷減災(zāi)意識，增強雷電災(zāi)害安全防范和避險處置能力。地震救災(zāi)中后期，安置點的選址規(guī)劃宜考慮避開雷電極高易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)，同時應(yīng)做好感應(yīng)雷防護措施，開展系統(tǒng)全面的雷電防護工程。