江蘇地區(qū)地震臺站地網(wǎng)設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)研究

立 凱，瞿 旻，秦 磊

（1.江蘇省地震局連云港地震臺，江蘇 連云港 222061；2.江蘇省地震局，江蘇 南京 210014）

隨著行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地震臺站綜合防雷》（DB／T 68－2017）的推出，以及各級地震主管部門對地震臺站綜合觀測技術(shù)保障系統(tǒng)建設(shè)工作的重視，地網(wǎng)建設(shè)成為地震臺站綜合觀測技術(shù)保障系統(tǒng)發(fā)揮作用的重要基礎(chǔ)之一。江蘇地處長江中下游地區(qū)，每年的夏季梅雨季節(jié)為雷電高發(fā)期，而地震臺站通常地處偏僻，且很多位于山腳下或山窩等無遮擋的雷區(qū)，經(jīng)常出現(xiàn)雷擊事件，輕則供電線路出現(xiàn)故障或儀器數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，重則整套觀測系統(tǒng)被擊毀（王黨席等，2015）。因此構(gòu)建完善的綜合觀測技術(shù)保障系統(tǒng)是臺站建設(shè)的基礎(chǔ)，地網(wǎng)建設(shè)的效果則直接關(guān)系到保障系統(tǒng)的效能。本文針對江蘇轄區(qū)內(nèi)常見類型的地震臺站地網(wǎng)，通過公式推導(dǎo)與計算，嘗試提出江蘇地區(qū)臺站地網(wǎng)建設(shè)基本要求，以期能有效減輕雷擊對臺站儀器設(shè)備的危害。

1 江蘇省地震臺站現(xiàn)狀

根據(jù)現(xiàn)有觀測類型，江蘇區(qū)域內(nèi)臺站主要有地面測震臺、井下測震臺、山洞測震臺、地磁臺、地電臺、鉆孔形變臺、鉆孔流體臺和洞體形變臺。根據(jù)臺站歸屬又可劃分為省屬專業(yè)臺站和地方性臺站，省屬專業(yè)臺通常為綜合臺，有2個及以上的觀測項目；地方性臺站以無人值守臺站為主，通常以某一類觀測學(xué)科的設(shè)備為主。這些臺站主要位于人煙較少的地區(qū)，如景區(qū)、農(nóng)村、城郊、廠區(qū)和功德園等地，有的在山腳下，有的在半山坡，有的在田間或山洞等地。由于臺站所處地區(qū)的土壤條件不同，其地網(wǎng)制作要求和方法也不盡相同。通常情況下，地震臺站的地網(wǎng)電阻值通?？捎墒剑?）（中國地震局，2017）計算得到：

式中R為接地電阻，ρx為土壤電阻率，S為地網(wǎng)面積。影響地震臺站地網(wǎng)電阻值的主要因素有土壤電阻率和地網(wǎng)面積。當(dāng)?shù)卣鹋_站位于農(nóng)村或郊區(qū)等地時，其土壤電阻率通常不超過200Ω·m，尤其是蘇中、蘇南水鄉(xiāng)地區(qū)，土壤電阻率通常不高于50Ω·m，不需要大面積制作地網(wǎng)，建設(shè)難度較低。當(dāng)臺站處于山腳、半山坡和山洞時，土壤電阻率較高，且土壤覆蓋層較薄，接地棒難以完全打入地下，且臺站周圍用地易受限制，地網(wǎng)制作存在較大難度。

2 江蘇省地震臺站地網(wǎng)設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 地震臺站地網(wǎng)建設(shè)通用要求

地震臺站應(yīng)根據(jù)所在地的土壤電阻率以及所選取的接地體類型和降低接地電阻的方法，進(jìn)行統(tǒng)一接地設(shè)計和實施。無人值守的地震臺站，接地宜采用法拉第籠結(jié)構(gòu)（黃錫定等，2007；見圖1）。

圖1 法拉第籠結(jié)構(gòu)圖

房頂用直徑為不小于8 mm的鍍鋅圓鋼，圍成網(wǎng)格，如圖1中“房頂”所示的防護(hù)裝置。外圈四周間隔30 cm垂直焊接高15 cm的一截圓鋼。在外圈的四個角用4 mm×40 mm的扁銅或鍍鋅扁鋼作為引下線，將“房頂”所示的防護(hù)裝置與避雷地網(wǎng)相連接。離觀測房外墻1 m外挖溝，間隔5 m打入用50 mm×50 mm×5 mm角鋼做的長度為2.5 m的垂直接地體，接地體的上端距地面宜不小于0.7 m。用4 mm×40 mm的扁銅或鍍鋅扁鋼將垂直接地體連接成網(wǎng)，如圖1中“避雷地網(wǎng)”所示。所有焊接處均采用搭接焊，焊接長度為扁鋼寬度的2倍，焊接面不少于3個棱邊，且焊接處涂上防銹劑。如果地網(wǎng)的接地電阻大于4Ω，則需增加外延接地極，即距5 m外再挖溝加做一圈接地線，或添加長效降阻劑以降低接地電阻，達(dá)到規(guī)定要求。應(yīng)在室內(nèi)設(shè)接地排（接地母線），并與避雷地網(wǎng)等電位連接。

地震臺站應(yīng)以建筑物基礎(chǔ)地為主，采用共用接地方式，即建筑物基礎(chǔ)地、儀器設(shè)備地、電源地（變壓器地）等共用一個地網(wǎng)，其接地電阻值應(yīng)不大于4Ω。不同建筑物之間的地網(wǎng)，距離在20 m以內(nèi)的應(yīng)相互連接，距離在20 m及以上的不必互相連接。信號線等線路的屏蔽層兩端應(yīng)與各自所在的建筑物的地網(wǎng)連接。當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)接地電阻值未達(dá)到要求時，采取外延增加接地網(wǎng)尺寸，將接地體深埋于低電阻率的土壤中，使用降阻劑、接地模塊和換土等方法使其達(dá)到要求。接地體之間連接應(yīng)采用搭接焊方式，扁鋼搭接長度應(yīng)為其寬邊的2倍，圓鋼搭接長度應(yīng)為其直徑的10倍，焊接面不應(yīng)少于3個棱邊，所有焊接點均應(yīng)進(jìn)行防銹處理。不應(yīng)使用工業(yè)鹽作為降阻材料，可用長效降阻劑。接地網(wǎng)地電阻值應(yīng)是連續(xù)無降雨雪7天后的工頻測量值。

2.2 低土壤電阻率臺站地網(wǎng)建設(shè)

對于有人值守專業(yè)臺站，其主觀測樓可采用建筑地或“建筑地＋專用地網(wǎng)”的方式（黃暉等，2008），專用地網(wǎng)主要指設(shè)備地和信號地。主觀測樓應(yīng)具有避雷帶，且避雷帶與觀測樓建筑地相連接，連接點不少于4處。與臺站觀測樓呈星型連接的獨立觀測房應(yīng)具備獨立地網(wǎng)，對于新建觀測房應(yīng)盡量使用法拉第籠結(jié)構(gòu)建設(shè)地網(wǎng)，對于改造地網(wǎng)應(yīng)根據(jù)場地條件因地制宜。當(dāng)獨立觀測房地網(wǎng)與主觀測樓地網(wǎng)間距小于20 m時，避雷帶應(yīng)與主觀測樓地網(wǎng)連接，且連接點不少于2處。

對于無人值守臺站，在新建時應(yīng)盡量使用法拉第籠結(jié)構(gòu)建設(shè)地網(wǎng)（瞿旻等，2015），但至少應(yīng)在臺站附近有帶狀或網(wǎng)狀地網(wǎng)接入。在土壤條件良好的情況下，只需確保地網(wǎng)面積滿足基本需求即可，在場地條件和經(jīng)費允許情況下應(yīng)盡量制作5 m×10 m的地網(wǎng)，引入室內(nèi)不少于2根熱鍍鋅扁鋼，最低不低于5 m×5 m或長15 m（4根垂直接地極3個水平接地極，如圖2）的帶狀地網(wǎng)。考慮到江蘇中部及南部屬于多雨區(qū)，蘇北屬于一般地區(qū)，故土壤電阻率在多雨區(qū)時計算時應(yīng)為一般地區(qū)的1／2。

圖2 帶狀地網(wǎng)示意圖

單個垂直接地體，簡單估算公式為：

單個水平接地體，簡單估算公式為：

式（2）、（3）中的L表示接地體的長度。帶狀地網(wǎng)電阻可用各單個垂直接地體和水平接地體阻值的并聯(lián)公式求得（王黨席等，2015），以4根垂直接地體3個水平接地體為例，其阻值計算等效為圖3。根據(jù)閉環(huán)網(wǎng)和帶狀網(wǎng)接地電阻計算方法，得到降雨一般區(qū)不同地網(wǎng)在不同土壤電阻率情況的理論接地電阻，見表1。

圖3 帶狀地網(wǎng)接地電阻等效電路

表1 降雨一般區(qū)不同地網(wǎng)在不同土壤電阻率情況下的理論接地阻值（王黨席等，2015）

從表1中可以看出，蘇北等降雨一般地區(qū)制作地網(wǎng)時除了在地下水位較高的農(nóng)田中可以制作帶狀地網(wǎng)外，其它地區(qū)應(yīng)使用網(wǎng)狀地網(wǎng)設(shè)計。在蘇中及蘇南的多雨地區(qū)，ρx值計算可采取一般地區(qū)的一半，當(dāng)使用2.5 m長的垂直接地極制作地網(wǎng)時，可以根據(jù)場地條件選用帶狀地網(wǎng)或5 m×5 m網(wǎng)狀地網(wǎng)即可滿足接地電阻小于4Ω，需要注意的是土壤下層應(yīng)避開建筑垃圾。

綜合考慮臺站周邊土壤覆蓋、環(huán)境等因素，降雨一般地區(qū)的最小地網(wǎng)要求為5 m×10 m網(wǎng)狀地網(wǎng)；多雨區(qū)最小地網(wǎng)要求為5 m×5 m網(wǎng)狀地網(wǎng)或不少于4根2.5 m垂直接地極的帶狀地網(wǎng)。

2.3 高土壤電阻率臺站地網(wǎng)建設(shè)注意事項

高土壤電阻率臺站主要是指臺站周圍覆蓋層小于20 cm、土壤類型為砂石或碎石的地震臺站。根據(jù)地網(wǎng)計算公式可知降低R的方法主要有降低土壤電阻率或增加地網(wǎng)面積兩種。常見的降低土壤電阻率措施主要有7種。（1）換土：用電阻率較低的土壤替換電阻率較高的土壤。（2）對土壤進(jìn)行化學(xué)處理：將化學(xué)物和土壤混合后填入坑內(nèi)夯實，常用的化學(xué)物有爐渣、木炭、氮肥渣、石灰、食鹽等，這種方法中所需的化學(xué)物往往帶有腐蝕性且易流失，一般不得已時才采用。（3）深埋接地體：當(dāng)?shù)叵律钐幍耐寥阑蛩娮杪瘦^低時采用。（4）污水引入：為降低接地體周圍土壤電阻率，可將無腐蝕性的污水引到埋設(shè)接地體處。（5）深井接地：用鉆機(jī)鉆孔，把鋼管打入井內(nèi)，再向管內(nèi)和井內(nèi)灌滿泥漿。（6）利用水工建筑物：與水接觸的鋼筋混泥土作為流散介質(zhì)，充分利用水工建筑物（水井、水池等）以及其他與水接觸的金屬部分作為自然接地體。（7）利用化學(xué)長效降阻劑。

考慮到臺站環(huán)境保護(hù)，江蘇地區(qū)地震臺站降低土壤電阻率的方式主要是換土、使用長效降阻劑和打深井深埋接地體。打深井深埋接地體由于成本較高，考慮到防護(hù)設(shè)備的性價比，一般較少應(yīng)用。由于地網(wǎng)面積常受到場地限制，在采取換土和增加降阻劑后接地電阻仍無法降到4Ω以下時，應(yīng)按照規(guī)范要求打入足夠多的接地體，盡可能降低接地電阻。

2.4 鉆孔觀測地震臺站地網(wǎng)建設(shè)注意事項

鉆孔類臺站主要指有鉆孔形變、鉆孔流體和鉆孔測震觀測的臺站，由于鉆孔類儀器通常價格較為昂貴，鉆孔類傳感器安裝更換費時費力，部分鉆孔形變類儀器安裝后傳感器無法更換（如體應(yīng)變儀和分量應(yīng)變儀），因此這類臺站在制作地網(wǎng)時特別需要注意鉆孔與地網(wǎng)的間距。地網(wǎng)是放電的通道，而鉆孔的套管通常是鋼管，深度通常為幾十米到幾百米不等，且浸在地下水位以下，接地電阻非常小（接近于0），當(dāng)鉆孔與地網(wǎng)間距過近時易引起地電位反擊，將雷電流引向鉆孔套管，從而導(dǎo)致鉆孔下的傳感器故障。故在制作此類地網(wǎng)時應(yīng)考慮以下兩點：（1）當(dāng)鉆孔在觀測室內(nèi)且靠近中心點時，適宜做法拉第籠結(jié)構(gòu)地網(wǎng)（中心點的感應(yīng)電動勢最小，且電流放電為外延式）；（2）當(dāng)觀測室無法拉第籠式地網(wǎng)或室外條件無法做法拉第籠改造時，應(yīng)盡量將地網(wǎng)做在鉆孔的對側(cè)，且最小距離應(yīng)不小于5 m。

2.5 山洞觀測地震臺站地網(wǎng)建設(shè)技術(shù)探討

山洞本身具備較好的電磁屏蔽效果，但由于儀器供電及信號傳輸，導(dǎo)致雷電信號易從這些途徑進(jìn)入山洞，造成儀器損壞。山洞地網(wǎng)宜根據(jù)山洞大小及儀器安裝深度進(jìn)行綜合考慮，因山洞內(nèi)均為山體，無土壤覆蓋層，因此在山洞內(nèi)部做合格的地網(wǎng)難度和代價過大，且制作后難以測得阻值。對于儀器安裝位置較淺的山洞，宜在山洞附近尋找覆蓋層制作地網(wǎng)，并用2根扁鋼引入山洞，扁鋼平行鋪設(shè)時距離不小于0.5 m，宜間隔0.5～1 m焊接一截扁鋼呈“梯子”狀引入。對于儀器安裝位置較深的山洞，山洞外地網(wǎng)引入會導(dǎo)致放電通道過長，雷電流泄放效果較差，考慮經(jīng)濟(jì)效益，可尋找山洞內(nèi)有流水的裂隙處，將扁鋼引入其中，或?qū)ι蕉闯睗竦牡囟蔚呐潘疁线M(jìn)行改造，使之呈階梯型蓄水池，并將扁鋼放置其中（圖4）。須注意的是蓄水池的長度應(yīng)盡量長，蓄水的深度應(yīng)高于扁鋼放置的高度，蓄水池長度較長可以保證有足夠的扁鋼處于低電阻率環(huán)境中，蓄水面應(yīng)沒過扁鋼以保證扁鋼與水有充分的接觸面放電。

圖4 扁鋼入水槽示意圖

3 部分地震臺站地網(wǎng)改造工程實施

2017～2018年對江蘇省南通臺、如東臺、啟東臺、鹽城臺、徐州臺、蘇22井、新沂臺和漣水臺共計7個臺站的9個地網(wǎng)進(jìn)行改造。首先對臺站土壤電阻率進(jìn)行測量，再根據(jù)各臺站實測土壤電阻率對臺站地網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計地網(wǎng)的接地電阻理論值和工程實施完工后的實測值見表2。從表2可以看到實際值與設(shè)計值平均偏差率為－2.29%，最大偏差率不超過±17%，施工結(jié)果符合設(shè)計預(yù)期。偏差率較大的臺站，因?qū)嶋H測值較小，故在偏差率上反映較大，如啟東臺和新沂臺地網(wǎng)2均為0.5Ω左右，故偏差率略有增大；如東臺因?qū)嶋H場地限制難以達(dá)到5 m×5 m的預(yù)期，故施工結(jié)果較設(shè)計值有所增加。徐州臺土壤環(huán)境較差，通過換土有效降低了ρx值，由于場地土深只有約0.7 m，較預(yù)計值1 m淺，故而在埋設(shè)接地極時增加了長效降阻劑，從實際效果看基本符合要求。此外，測量方法和次數(shù)的不同亦會導(dǎo)致表2中測量值有些許偏差。

表2 部分地震臺土壤電阻率測量值及氣候情況

4 結(jié)論

在臺站環(huán)境調(diào)研的基礎(chǔ)上，對江蘇省內(nèi)不同類型地震臺站的地網(wǎng)進(jìn)行了設(shè)計和公式推導(dǎo)計算，得到最小地網(wǎng)設(shè)計要求，并通過2017～2018年臺站地網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計和施工后的驗證，得到較為理想的結(jié)果，對于今后臺站接地改造及建設(shè)中的設(shè)計和施工提供了標(biāo)準(zhǔn)化解決方案。由于這次改造臺站土壤大多為田園土，土壤電阻率較為理想，對于高土壤電阻率臺站及施工條件限制較多的臺站，則需要以降低ρx值和增加地網(wǎng)面積或長度為原則進(jìn)行針對性設(shè)計，相關(guān)計算模型還有待于進(jìn)一步的設(shè)計和實施結(jié)果加以驗證。地震臺站的接地建設(shè)是臺站觀測系統(tǒng)最基本的環(huán)節(jié)，是開展各項觀測的基礎(chǔ)，除了不斷完善設(shè)計和加強(qiáng)管理，也要充分考慮環(huán)境制約以及成本等方面的因素，才能真正做好地震臺站的接地建設(shè)。