古樹名木雷電災害防御研究

楊 磊高級工程師 強玉華高級工程師

(麗水市氣象局，浙江 麗水 323000)

0 引言

古樹是指樹齡在100年以上樹木，名木是指稀有、珍貴和具有歷史價值、重要紀念意義的樹木。隨著建設美麗中國、森林城市的推進，各地方政府對古樹名木的保護也更加重視，多個省份相繼出臺古樹名木保護辦法。影響古樹名木生長的因素比較多，其中自然現(xiàn)象對古樹名木的影響主要包括大風、霜凍和雷電，其中雷電對樹木的破壞最嚴重，直接造成樹木劈裂、折斷、起火甚至死亡。例如，2021年5月12日，福建福安市600多年樹齡古樹遭受雷擊起火燃燒；2020年6月，湖北省浠水縣汪崗鎮(zhèn)潭廟沖村500年以上樹齡的古樹多次遭雷擊。全國因雷擊引起的古樹損壞十分常見，為防止其再次遭受雷擊，通常在古樹名木上安裝防雷裝置。目前研究主要有：李萬里淺析古樹名木防雷與接地設計注意事項；王海蕓探討古樹采用獨立避雷針進行防護的必要性和避雷針安裝的位置；李兆華等提出采用不同類型的接閃裝置對單株、多株古樹名木實施防雷保護的技術要求和方法。目前古樹名木雷電防御研究大多集中在工程性的防御方法，很少對古樹名木開展風險等級的劃分，較少研究建筑物與古樹間的相互影響。古樹名木通常生長于村落、古剎、風景名勝區(qū)，建筑物與古樹名木之間相互影響，在保護古樹名木的同時需要統(tǒng)籌考慮建筑物和人員安全。本文通過分析雷電危害機理，計算雷電災害風險數(shù)據(jù)，確定古樹名木的防護等級，同時采取工程性的雷電防護方法，制定科學的雷電防護方案。

1 古樹名木的雷電危害機理

2 古樹名木雷電損害風險計算及防御

2.1 雷電損害風險計算

古樹名木遭受雷擊的次數(shù)和風險與古樹名木的高度、形狀、所處的地理位置、當?shù)氐睦妆姸燃爸苓吔ㄖ飳艠涞挠绊懹嘘P。古樹名木和建筑物的年預計雷擊次數(shù)

N

可表示為：

N

=

k

·

N

·

A

(1)

式中：

N

—古樹或建筑物年預計雷擊次數(shù)，次/a；

N

—年雷擊大地密度，次/km/a；

A

—古樹或建筑物雷擊等效面積，km；

k

—古樹或建筑物所處位置修正系數(shù)。

N

結合30年人工雷暴日觀測和10年閃電定位儀探測記錄綜合分析來計算，可表示為：

N

=(0

.

1

T

×

T

+

N

1×

T

)

/

(

T

+

T

)

(2)

式中：

T

—人工觀測雷暴日年限，a；

T

—年均雷暴日，當?shù)貫?9.4天；

N

1—地閃探測數(shù)值，次/km/a；

T

—地閃數(shù)據(jù)探測年限，a。

根據(jù)古樹和建筑物年預計雷擊次數(shù)，以及《古樹名木保護辦法》中規(guī)定的分級保護辦法，劃分防雷保護等級。

2.2 古樹名木的雷電防御

按防雷等級劃分進行防雷保護，可從3方面進行考慮，其一是在古樹上直接安裝防雷裝置；其二是在古樹名木附近建筑物上安裝防雷裝置，使其保護范圍能覆蓋古樹；其三是在古樹名木附近地面安裝獨立接閃器。

(1)在古樹名木直接安裝防雷裝置，防雷裝置包括接閃器、引下線、接地裝置。接閃器直接設置在樹木的主干或粗壯樹干的最頂部，要便于安裝和固定。接閃器的高度應高于樹冠最高點不小于1.0m。接閃器的材質應優(yōu)先采用圓鋼，圓鋼的尺寸參照《建筑物防雷設計規(guī)范》中5.2條款相關規(guī)定。接閃器采用抱箍固定，應考慮樹體的生長變化，抱箍宜采用柔性材料作為底襯，柔性材料的寬度應大于抱箍寬度，且抱箍長度應留有一定余量。

引下線的上端與接閃器連接，下端與接地裝置連接。連接方式可以采用焊接或螺栓壓接，連接點過渡電阻應不大于0.03Ω，根數(shù)不應少于2根，可選用多芯銅絞線或鋼絞線等較好施工的材質，布設于樹冠的稀疏一側。引下線應以最短路徑接地，盡量保持平直，轉彎處應為鈍角。古樹名木周圍有人員活動，引下線從地面至2.7m高度設置絕緣套管，防止接觸電壓和旁側閃擊。引下線距地0.3～1.8m間應設置斷接卡，便于檢修維護。為防止雷電引起的接觸電壓和跨步電壓，還應在引下線距地面高度3m內設置防雷警示標識，并在距古樹名木投影外設置非金屬封閉圍欄。

接地裝置應布置在古樹名木樹冠的稀疏一側，設置在樹冠垂直投影3m以外，避免破壞古樹名木的根系。水平接地體通常采用圓鋼或扁鋼，埋深不宜小于0.8m；垂直接地體通常采用角鋼、鋼管或圓鋼，長度不小于2.5m，間距大于5m。條件容許情況，接地裝置應圍繞古樹名木設置成環(huán)形接地體。沖擊接地電阻值不大于30Ω。傳統(tǒng)的圓鋼、扁鋼、角鋼等材料在布設時可能傷害到古樹根系，可采用復合材料組成的接地降阻模塊或采用深井鉆孔技術，通過減少對土壤的開挖，從而減少對根系破壞。當接地電阻值較高時，對開挖的人工接地槽，回填土壤電阻率更低的土壤來降低接地電阻。

(2)在古樹名木周邊建筑物上設置接閃器或在古樹3m外布置獨立接閃器，也可以對古樹名木形成有效保護。設置的接閃器高度參照《建筑物防雷設計規(guī)范》中附錄D中滾球法確定接閃器的保護范圍相關條款規(guī)定。

3 風險等級劃分及防御實例

3.1 風險等級劃分

以位于東經(jīng)119°56′2"北緯28°28′8"的一株古樟樹和一幢建筑物為例，該古樟樹高度為21.6m，樹冠最寬為27.8m。周圍15.7m處有一幢18.6m×11.5m×12.6m的民用建筑物。

將古樹及建筑物3km范圍內近10年的閃電定位數(shù)據(jù)、閃電強度數(shù)據(jù)等通過Sufer軟件進行分析，所在地3km范圍總閃電次數(shù)117次，探測平均地閃密度約為：

N

1=5.9次/km/a，如圖1。平均雷擊電流強度為30.9kA，如圖2；最大正閃電強度為213.2kA，最大負閃電強度為-126.1kA。

圖1 平均地閃密度分布圖Fig.1 Average lightning density distribution

圖2 平均雷擊電流分布圖Fig.2 Average lightning current distribution

古樹的形狀和建筑物常見的規(guī)則長寬高不同，

A

應根據(jù)樹木形狀進行計算，沿樹木周邊逐點計算出最大擴展寬度，可通過ATOUCAD繪制古樹的雷擊等效接收面積圖來計算，古樹雷擊等效面積

A

1為0.018 13km。

建筑物的雷擊等效接收面積按下式計算：

+

πH

(200-

H

)×10

(3)

式中：

L

、

W

、

H

—分別為建筑物的長、寬、高，m。根據(jù)式(3)計算，建筑物的

A

2為0.010 55km。

當古樹和建筑物的距離較近時，古樹和建筑物之間存在相互作用，計算雷擊等效接收面積時應考慮其相互影響。

(4)

式中：

L

—建筑物與樹木平行長度，m；

D

—古樹雷擊等效面積時的擴展寬度，m。

(5)

L

—古樹與建筑物平行長度，m。

D

—建筑物雷擊等效面積時的擴展寬度，m。

將以上分析的雷擊等效面積

A

，通過式(2)計算的雷擊大地密度

N

，修正系數(shù)

k

=1，帶入式(1)計算結果，見下表。

表 年預計雷擊次數(shù)Tab. Estimated annual number of lightning strikes

通過計算以上情況的年預計雷擊次數(shù)

N

均大于0.05次/年，小于0.25次/年，如按照建筑物防雷等級來劃分，古樹和建筑物均應劃為第三類，均須要安裝防雷裝置。

3.2 雷電防御措施

本文案例中的古樹可以直接在古樹上安裝防雷裝置，也可采用古樹附近其他位置另設防雷裝置，使古樹名木在保護范圍內，因此考慮3種方案，方案一為在周圍建筑物上設置接閃器；方案二為在古樹3m外布置獨立接閃器；方案三在古樹上直接安裝防雷裝置。

3.2.1 建筑物上設置防雷裝置

在距離古樹最高點水平距離為29.6m的民用建筑物上設置接閃器，希望能在保護民用建筑物的同時使古樹也在保護范圍內。

(6)

式中：

h

—避雷針的高度，m；

r

—避雷針在

h

高度的保護半徑，m；

h

—滾球半徑，三類防雷建筑物為60m；

h

—被保護物的高度，m。被保護物古樹的高度

h

=21.6m，設置在民用建筑物上的避雷針距地高度暫按

h

=60m計算，代入式(6)，在保護高度為21.6m時，保護最大寬度僅為13.89m，遠小于29.6m。

因此，由于建筑物距離古樹較遠，且建筑物高度較低，本文中案例不能采用在建筑物上設置接閃器來保護古樹。

3.2.2 設置獨立接閃器

在地面設置獨立接閃器也是常用的保護方法，要保持獨立接閃桿和古樹名木之間的間隔距離達到安全距離，且不得小于3m。間隔距離

S

按式(7)、(8)計算。當

h

<5

R

時，

S

≥0

.

4(

R

+0

.

1

h

)

(7)

當

h

≥5

R

時，

S

≥0

.

1(

R

+

h

)

(8)

地網(wǎng)的沖擊接地電阻按

R

=30Ω計算，

h

=21.6m，代入式(7)，計算得出

S

≥12.86m，距離太遠，施工難度較大。通常將接地電阻控制在10Ω以內較為簡單，當?shù)鼐W(wǎng)沖擊接地電阻按

R

=10Ω，計算得出

S

≥4.86m。為保留余量可選取S=5m。那么獨立避雷針距離古樹最遠處為18.9m。仍然大于針高為60m，保護高度為21.6m時的最大保護寬度13.89m。

因此，由于古樹自身高度較高，樹冠面積較大，本文中案例不能采用獨立設置接閃器保護古樹。

3.2.3 在古樹上安裝防雷裝置

傳統(tǒng)的接閃器和引下線的布置對樹木的主干均有不同程度的影響，施工工藝不完善影響古樹名木的生長，失去對古樹名木保護的意義。本文提出給古樹的頂部主干和主要分支部分套上金屬外衣，類似于給人類穿上金屬屏蔽服，金屬外衣由“8”字形的基本單元組成，環(huán)環(huán)相扣，組成形狀各異的金屬外衣，便于施工安裝且安裝成本較低，不會對古樹名木生長產(chǎn)生影響。該金屬外衣形成的法拉第金屬屏蔽網(wǎng)，能有效地保護古樹名木的主要樹干。金屬外衣可延伸至樹木的各個支桿，也可在主要部分布置，與接地體通過引下線連接也可以直接與接地裝置連接。

4 結論

(1)雷擊古樹名木造成樹干的爆裂并可能引發(fā)火災，同時對附近的人員、建筑物、設備造成雷電次生危害，包括接觸電壓、跨步電壓、旁側閃擊、電磁效應和高電位反擊。

(2)雷擊發(fā)生時，古樹和周圍建筑物之間存在相互影響。通過實例計算不同影響下的雷擊等效接收面積和年預計雷擊次數(shù)。根據(jù)古樹和建筑物年預計雷擊次數(shù)，劃分出古樹名木防雷保護等級為第三類。

(3)研究將防雷裝置布置在古樹名木主干頂部，并安裝接閃器、引下線、接地裝置的基本方法。為減少接閃器和引下線布置時對古樹的機械損傷，降低安裝難度，提出給古樹安裝金屬屏蔽衣的設想。同時，在古樹附近的建筑物上設置接閃器或者在地面設置獨立接閃器來保護古樹名木，是需要通過計算來確定方案的可行性。