劉建+黃燕
【摘要】海南地處熱帶,具有典型的熱帶島嶼型氣候特征。因此海南地區(qū)的設(shè)施農(nóng)業(yè)以防暴雨、降高溫、防蟲(chóng)等為主要目的,但同時(shí)也面臨臺(tái)風(fēng)多發(fā)的惡劣天氣情況,已成為制約本地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素和亟需解決的難題。臺(tái)風(fēng)對(duì)溫室大棚的影響具有一定隨機(jī)性,特別是溫室大棚的多樣性導(dǎo)致對(duì)臺(tái)風(fēng)的抵抗力差別較大,使得對(duì)判斷溫室大棚的抗風(fēng)性存在誤區(qū)。本文通過(guò)臺(tái)風(fēng)“莎莉嘉”對(duì)海南溫室大棚造成的破壞進(jìn)行分析,以期為海南溫室大棚的抗臺(tái)風(fēng)研究和設(shè)計(jì)提供一定的思路和建議。
年第21號(hào)臺(tái)風(fēng)“莎莉嘉”(強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí))于2016年10月18日上午9:50在海南省萬(wàn)寧市和樂(lè)鎮(zhèn)沿海登陸,登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力達(dá)到14級(jí)(45 m/s)。途經(jīng)海南島中部的瓊海、瓊中、白沙、儋州等地,由洋浦進(jìn)入北部灣海面,臺(tái)風(fēng)中心橫穿海南島,歷時(shí)14 h,是1970年以來(lái)在10月登陸海南島的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng),其具有強(qiáng)度大、影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)?!吧蚣巍钡顷懞螅D蠋缀跞珝u瞬時(shí)風(fēng)力達(dá)到7級(jí)以上,臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過(guò)區(qū)域風(fēng)力達(dá)到9~11級(jí),局部地區(qū)達(dá)到12級(jí)。臺(tái)風(fēng)對(duì)全島均造成了較嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)相關(guān)報(bào)道,海南常年冬季瓜菜受災(zāi)面積達(dá)14.2萬(wàn)畝(9466.7 hm2),2300萬(wàn)株冬季育苗瓜菜受到影響,大棚及棚內(nèi)瓜菜保險(xiǎn)估損8140.8萬(wàn)元[1];海口市云龍鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施遭到破壞,其中農(nóng)業(yè)大棚基地235畝(15.7 hm2)全部不同程度受災(zāi)[2];萬(wàn)寧市的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響,經(jīng)濟(jì)損失合計(jì)2757萬(wàn)元,其中常年蔬菜受災(zāi)8050畝(536.7 hm2)、溫室大棚損毀32.24畝(2.15 hm2)[3]。
溫室大棚的破壞情況
目前,在海南使用的溫室大棚類型按抗風(fēng)能力來(lái)區(qū)分,可以分為3大類:
連棟溫室
包括用于科研觀光或育苗的玻璃(PC板)覆蓋的文洛型連棟溫室,以及部分薄膜覆蓋的鋸齒形連棟溫室。這類溫室設(shè)計(jì)的抗風(fēng)等級(jí)一般為11~12級(jí)(0.60~0.75 kN/m2),由于其骨架為桁架結(jié)構(gòu),穩(wěn)定性能好,十分有利于抵抗風(fēng)荷載的作用。從近年海南最大臺(tái)風(fēng)“威馬遜”的破壞結(jié)果看,連棟溫室的抗風(fēng)能力經(jīng)受住了考驗(yàn),骨架基本完好,僅部分覆蓋玻璃或薄膜發(fā)生損壞,少部分骨架變形也能夠快速修復(fù)(圖1)。從圖1可以看出,即使遭遇“威馬遜”這樣登陸時(shí)中心風(fēng)力達(dá)17級(jí)的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng),文洛型玻璃溫室和鋸齒形薄膜溫室的主體結(jié)構(gòu)依舊保持良好,而處于同一地區(qū)的圓拱形溫室的骨架已發(fā)生了較大程度的傾斜,很難再修復(fù)使用。
圓拱形大棚
用于周年蔬菜生產(chǎn)的大棚以圓拱形為主,屋頂采用薄膜覆蓋,四周采用防蟲(chóng)網(wǎng)覆蓋,形成開(kāi)敞式結(jié)構(gòu),主要用于夏秋季常年蔬菜的生產(chǎn)。但由于單位面積的投資較低,設(shè)計(jì)的抗風(fēng)等級(jí)自然會(huì)降低,一般要求的設(shè)計(jì)抗風(fēng)等級(jí)為8~10級(jí)(0.2~0.5 kN/m2)。這類大棚能夠在一定程度上抵御臺(tái)風(fēng),但抵御能力有限,主要取決于臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度等級(jí)和必要的防臺(tái)風(fēng)措施。如2014“威馬遜”臺(tái)風(fēng)以后,海南地區(qū)沒(méi)有遭遇較大的臺(tái)風(fēng),即使如“莎莉嘉”這樣正面襲擊、影響全島的臺(tái)風(fēng),對(duì)圓拱形大棚的影響也較?。ㄔ诓扇∫欢ǖ姆琅_(tái)風(fēng)措施前提下),主要為薄膜、防蟲(chóng)網(wǎng)以及外遮陽(yáng)系統(tǒng)發(fā)生了不同程度的破壞(圖2)。
簡(jiǎn)易拱棚
用于蔬菜或西甜瓜生產(chǎn)的簡(jiǎn)易拱棚(以圓拱形單棟或連棟拱棚為主),由于投資或生產(chǎn)季節(jié)性的原因,拱棚結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易,造價(jià)低,不具有抗臺(tái)風(fēng)能力。因此只要有臺(tái)風(fēng)登陸,都會(huì)對(duì)簡(jiǎn)易拱棚造成不同程度的影響。如在臺(tái)風(fēng)“莎莉嘉”的登陸過(guò)程中,發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞的主要是簡(jiǎn)易拱棚,僅個(gè)別采取了一定防護(hù)措施的拱棚受災(zāi)較輕(圖3)。
存在的問(wèn)題與建議
海南地區(qū)溫室大棚抗風(fēng)荷載的取值
溫室大棚的使用周期短,結(jié)構(gòu)重要性程度小,導(dǎo)致在建設(shè)過(guò)程中對(duì)風(fēng)荷載的取值具有一定的隨意性,往往會(huì)按照投資額的大小來(lái)確定;或在設(shè)計(jì)之初把一些防護(hù)措施作為降低抗風(fēng)荷載的必要措施,如“破膜保架”。所謂“破膜保架”,即當(dāng)超過(guò)一定大小的風(fēng)荷載時(shí),一些常年蔬菜生產(chǎn)基地會(huì)要求將膜破掉或揭下,來(lái)保證骨架的安全。理論上這種方式是可行的。但海南每年平均會(huì)遭遇2~3次臺(tái)風(fēng)的登陸,即使海南的中部地區(qū),每3~4年也會(huì)有一次臺(tái)風(fēng)正面襲擊?!捌颇け<堋背蔀楸匾胧?,則每年可能會(huì)經(jīng)歷多次“破膜”的過(guò)程。由于臺(tái)風(fēng)登陸后影響的范圍和大小具有一定的隨機(jī)性,會(huì)導(dǎo)致可能“破膜”后,臺(tái)風(fēng)對(duì)大棚的影響并不大,但暴雨將農(nóng)作物損壞的情況,且“破膜”后也需要重新蓋膜,需要一定周期和成本,勢(shì)必影響夏秋季節(jié)的生產(chǎn)。久而久之,生產(chǎn)者的心中也會(huì)“打鼓”,當(dāng)預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)不是很大或所在地不處于預(yù)報(bào)登陸路徑上時(shí),是否可以不“破膜”?若有這樣的僥幸心理,就可能會(huì)造成大棚生產(chǎn)的重大損失。這在臺(tái)風(fēng)“莎莉嘉”登陸中的表現(xiàn)尤為突出。海口地區(qū)推廣建設(shè)的一種單拱拱棚,其造價(jià)要求較低,抗風(fēng)等級(jí)不超過(guò)7級(jí),超過(guò)時(shí)則要求“破膜”[5]。在臺(tái)風(fēng)“莎莉嘉”登陸之時(shí),由于??诓⒉惶幱陬A(yù)報(bào)的登陸路徑上,幾乎所有的種植者都沒(méi)有采取“破膜保架”的措施,導(dǎo)致該地區(qū)塑料大棚大部分倒塌,成為主要受損的大棚類型。
鑒于海南地區(qū)具有臺(tái)風(fēng)多發(fā)性的特點(diǎn),而海南溫室大棚在夏秋臺(tái)風(fēng)季節(jié)的需求性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冬季。建議海南地區(qū)溫室大棚的抗風(fēng)等級(jí)可按2個(gè)最低標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選取,即:
(1)10級(jí)風(fēng)的初始風(fēng)速25 m/s,即風(fēng)壓為0.40 kN/m2。對(duì)于季節(jié)性強(qiáng),要求使用周期短(小于3年)的大棚可選用不低于最低標(biāo)準(zhǔn)。
(2)12級(jí)風(fēng)的中間風(fēng)速34.6 m/s,即風(fēng)壓為0.75 kN/m2(??谑?0年一遇風(fēng)壓)[6]。對(duì)于除第1種情形以外的其他溫室大棚應(yīng)選用該最低標(biāo)準(zhǔn),個(gè)別沿海岸或重要的溫室可適當(dāng)提高到0.85 kN/m2(三亞市50年一遇風(fēng)壓)[6]。通過(guò)大量的實(shí)踐證明該取值能夠保證溫室大棚在使用期內(nèi)的安全性。位于海口市桂林洋的單拱大棚,是按0.75 kN/m2風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的,在臺(tái)風(fēng)“莎莉嘉”登陸后大棚和內(nèi)部蔬菜均未受到損壞,正常生產(chǎn)采收,保障了菜籃子供應(yīng)。圖4拍攝于臺(tái)風(fēng)后的第3天(2016年10月21日)。
薄膜的老化問(wèn)題
薄膜的老化問(wèn)題在海南比較突出。比如同種類型的溫室大棚,其中一個(gè)是當(dāng)年新?lián)Q且厚度相同的薄膜,另外一個(gè)是使用了1年的薄膜。在臺(tái)風(fēng)中,新膜保持完好,而使用1年的膜則發(fā)生了損壞。采取適當(dāng)措施延緩薄膜的老化破壞(特別是局部加速老化和機(jī)械損壞),能夠顯著降低溫室大棚的使用成本。如可以將薄膜折疊幾層后再卡入卡槽內(nèi),可以降低卡槽處卡簧對(duì)薄膜的機(jī)械損壞;或在卡槽內(nèi)側(cè)和卡簧與薄膜之間增加橡膠墊層,避免薄膜與卡槽、卡簧的直接接觸,保證薄膜在卡簧處的受力均勻。
薄膜的強(qiáng)度設(shè)計(jì)問(wèn)題
薄膜的設(shè)計(jì)安裝幅寬 一般情況下,在設(shè)計(jì)溫室PC板或玻璃覆蓋的時(shí)候,均要根據(jù)其表面所受的荷載來(lái)選取其分塊的大小和支撐邊框的布置位置,但在薄膜覆蓋中往往忽略了該問(wèn)題。無(wú)論幅寬大小,均采用四周固定,這樣最易于施工。但實(shí)際上幅寬大的受力面積也大,則固定處所受力也越大,即使卡槽不被拉壞,薄膜也易從卡槽處撕裂(圖2b)。實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)在相同地點(diǎn)、相同位置布置相同厚度的薄膜,在相同的使用時(shí)間,僅幅寬不一樣,在同一臺(tái)風(fēng)作用下,幅寬大的發(fā)生破壞,而幅寬小的完好無(wú)損。因此明確薄膜的抗拉能力和老化程度,設(shè)計(jì)保證一定使用年限的合理幅寬,也是海南地區(qū)進(jìn)行薄膜設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的一個(gè)方面。雖然薄膜的更換成本低,而減小使用幅寬會(huì)增加一定的安裝成本,但從使用的穩(wěn)定性,特別是如果能夠抵御臺(tái)風(fēng),保證農(nóng)作物正常生產(chǎn),產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義會(huì)更大。
薄膜設(shè)計(jì)強(qiáng)度與骨架適應(yīng) 一般情況下,要求在臺(tái)風(fēng)作用力達(dá)到骨架極限之前,薄膜應(yīng)率先發(fā)生破壞,否則會(huì)影響骨架的使用安全。因此,不能盲目提高薄膜的厚度和設(shè)計(jì)使用強(qiáng)度,而應(yīng)與骨架的設(shè)計(jì)強(qiáng)度相適應(yīng)。這在簡(jiǎn)易的拱棚上面表現(xiàn)尤為突出,往往是薄膜沒(méi)損壞,骨架已經(jīng)承擔(dān)不了,只能“膜損架亡”。
參考文獻(xiàn)
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*項(xiàng)目支持:海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(20153058)。
作者簡(jiǎn)介:劉建(1982-),男,四川綿陽(yáng)人,副教授,主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程與規(guī)劃、設(shè)計(jì)。