汪 洋

（中國水利水電科學研究院，北京 100044）

1 概述

水電站廠房是水利工程中一種非常重要的建筑物。廠房的主要作用是將水能轉換為電能，一般情況下，它還擔負著監(jiān)測和控制所有其他水工建筑物的重任，也是電站工作人員經(jīng)常工作的地方。

習慣上把廠房發(fā)電機層以下稱為水下部分，發(fā)電機層以上稱為水上部分。按水上部分的結構特征分為：地面廠房，地下廠房，壩內(nèi)廠房，河床式廠房和溢流式廠房等。本文主要探討地面廠房。

地面廠房水上部分的結構包括屋面系統(tǒng)，吊車梁排架和廠房各層樓板等。其中屋面系統(tǒng)作為廠房的組成部分，它可有效地保護廠房內(nèi)的人員和設備。屋面系統(tǒng)可以遮擋陽光、風、降水、灰塵等，具有防曬、防潮、保溫、保潔等作用。

汶川大地震證明廠房屋面系統(tǒng)還應當具有另一重要作用，即保護發(fā)電設備不被高空墜物損壞。2008年汶川地震中，水利工程除了某些大壩產(chǎn)生裂縫外，另一個嚴重的問題是位于山谷中的大量廠房被高空崩落的石塊砸壞。地處汶川境內(nèi)的沙牌電站廠房，就遭受了嚴重的破壞。

沙牌電站廠房緊鄰5.12地震震中，屋面系統(tǒng)采用建筑用彩鋼板，鋼板厚度約為0.8mm，屬于薄鋼板。該廠房位于岷江支流草坡河河谷中，兩岸山勢陡峻，山坡巖體破碎。地震中，左岸山坡的落石將屋頂擊穿，如圖1，并將一臺機組砸壞，鄰近左岸山坡的一面邊墻也被砸的千瘡百孔。截至2009年10月17日，作者前去考察時，鋼板屋頂已經(jīng)修復，仍然采用彩鋼板屋頂，屋頂?shù)囊唤怯直挥嗾鸬穆涫伊眩鐖D2。被砸壞的機組還沒有恢復運行，這期間的修復費用和損失的發(fā)電效益非常巨大。

沙牌電站的機組之所以被砸壞，甚至徹底報廢，與薄弱的廠房屋頂有很大關系。采用薄鋼板式屋頂顯然是不可取的，余震中的落石再次證明了這一點，這是當初設計時存在的缺陷。因此作者建議，修建于高山峽谷中的水電站地面廠房，尤其在兩岸邊坡不穩(wěn)定時，應當采用混凝土屋頂而非薄鋼板屋頂?；炷廖蓓攲⒋蟠蠼档碗娬镜氖軗p程度，減少突發(fā)事件帶來的經(jīng)濟損失。

圖1 沙牌震后廠區(qū)實情（2008.05.18航拍）[4]

圖2 沙牌電站修復實情（2009.10.17）

下面對混凝土屋頂?shù)挚勾祟悰_擊破壞的效果，以及如何提高混凝土屋頂?shù)目箾_擊能力進行分析。

2 混凝土屋頂抗沖擊計算

落石對屋頂板的沖擊屬于鋼筋混凝土板受低速沖擊的問題。鋼筋混凝土板在低速沖擊下既要考慮其整體變形，又要考慮其局部變形。局部變形通常發(fā)生在結構整體變形之前或其初始階段。在局部變形條件下，沖擊體侵徹入結構體，可能形成正面漏斗坑。同時由于拉伸波從結構表面反射可能形成背面混凝土崩落，還可能形成貫穿。

本文提到沙牌電站的薄鋼板屋頂被落石擊穿，屬于貫穿破壞。為了與之對比，我們應該著重計算混凝土板局部變形中的貫穿破壞，分析混凝土屋頂?shù)挚孤涫瘬舸┑哪芰Α?/p>

解放軍理工大學工程兵工程學院的王明洋教授研究了鋼筋混凝土板在低速沖擊下的計算方法。在他的論文[1]中，他采用俄羅斯人的實驗數(shù)據(jù)，應用量綱分析和回歸分析方法得到了適用于兩個沖擊初速區(qū)間的計算公式，如下：

其中 β=104Rd3/

R—混凝土的立方體強度（Pa）；

d—沖擊體直徑（m）；

Ms—沖擊體質(zhì)量（kg）；

v0—物體撞擊混凝土板時的速度（m/s）；

hs—板不發(fā)生震坍的最小厚度（m）；

hp—板不發(fā)生貫穿的最小厚度（m）；

η—考慮沖擊體頭部形狀系數(shù)（平頭沖擊體η=1.0，具有大頂角的錐形沖擊體 η=1.07，球形沖擊體η=1.18，小頂角的錐形 η=1.26）；

該組公式適用于縱向鋼筋含鋼率μ≤115%，以及沒有橫向鋼筋（μω=0）的混凝土板。

工程中，高空落物的速度一般較低，小于75m/s，所以采用式（1）計算混凝土板的最小貫穿厚度。首先假設沙牌電站最初即采用混凝土屋頂。根據(jù)地震實情，假定一種計算工況：假設有一塊1m×1m的立方體石塊從沙牌電站左岸邊坡（約20m高）自由落體，末端速度為19.8m/s，砸在厚度為hp的混凝土屋頂板上，混凝土的立方體強度為10MPa，石塊的密度取為3000kg/m3。則由式（1）可計算出不發(fā)生貫穿破壞的最小厚度為

因此，通過計算可初步確定，如果沙牌電站采用厚度為4.1cm甚至更厚的混凝土平面屋頂，混凝土為C10型，而且配筋合理，那么汶川地震中不會出現(xiàn)屋頂被落石砸穿的現(xiàn)象，也不會進一步造成發(fā)電機組的報廢。

反觀沙牌電站在地震中的實際表現(xiàn)，并與上述假設的情況對比，可知：

（1）混凝土屋頂比薄鋼板屋頂具有更強的抗沖擊能力；

（2）考慮高空墜物的影響，建在高山峽谷中的地面廠房宜采用混凝土屋頂；

（3）如果高空墜物將薄弱的屋頂擊穿并造成機組嚴重受損，則會帶來巨大損失，所以采用混凝土屋頂可降低突發(fā)事件帶來的損失，雖然建設費用增高，但屬于風險投資。

3 如何進一步提高屋頂?shù)目箾_擊能力

上述計算是在縱向鋼筋含鋼率μ≤115%，以及沒有橫向鋼筋（μω=0）的情況下進行的，通過增加配筋可以增加混凝土板的強度，對提高屋頂?shù)目箾_擊能力是有利的。

分析式（1）在其他條件不變的情況下，沖擊速度與混凝土的立方體強度和板厚成正比，所以采用高強混凝土和增加混凝土板的厚度都可以增加屋頂?shù)目箾_擊能力。

結構設計上，應盡量采用坡式屋頂（斜面屋頂）。因為坡式屋頂比平屋頂具有更強的抗沖擊能力。坦克的裝甲即是利用斜面增加車身的抗穿刺能力。40年代蘇聯(lián)人第一次在他們設計的T-34坦克上使用了斜面裝甲，這在坦克設計史上是革命性的，它大大提高了車身的抗穿刺能力。斜面裝甲有兩點好處，首先炮彈擊中以后容易彈開（即 “跳彈”），威力大減。其次根據(jù)三角原理，一枚水平射來的炮彈，擊中斜面裝甲以后，需要穿過的鋼板厚度相當于三角型的斜邊 （穿刺厚度比原來大大增加）。將金屬換成混凝土，這些道理同樣成立。

4 對現(xiàn)行水電站廠房設計規(guī)范的一點建議

中華人民共和國行業(yè)標準，水電站廠房設計規(guī)范（SL266-2001）中沒有關于地面廠房屋頂板的規(guī)定?！端ぴO計手冊-水電站建筑物》[3]中只提到了屋面系統(tǒng)的載荷，指出水電站廠房屋面設計時的荷載包括自重、找平面及保溫面重、防水層重、雪荷載、粉刷層重、吊平層重、活荷載，該書在默認屋頂板是混凝土板的情況下，規(guī)定采用概率極限狀態(tài)設計原則，按照材料力學方法，考慮常見的荷載，對結構進行承載能力極限狀態(tài)設計和正常使用極限狀態(tài)設計?？梢娭安]有充分重視高空墜物對地面廠房屋頂?shù)挠绊憽?/p>

結合上文的分析，作者建議在設計地面廠房屋面系統(tǒng)時應當考慮高空墜物的影響，有必要將采用何種形式的屋頂加入設計規(guī)范中。應當規(guī)定，在高山峽谷中修建的地面廠房宜采用鋼筋混凝土屋頂，不宜采用薄鋼板屋頂，而且盡量設計成斜坡式屋頂。

規(guī)范中應該具體指明在何種邊坡情況下必須采用鋼筋混凝土屋頂。對于那些緊鄰高邊坡修建的廠房應當重點考慮，同時應給出邊坡的坍落系數(shù)，以此確定建造混凝土屋頂?shù)谋匾?。該系?shù)有待進一步研究。

設計混凝土屋頂?shù)暮穸葧r，除了常規(guī)荷載外還應加入高空落物的影響。本文只考慮了物體撞擊混凝土板時局部破壞中的貫穿破壞。除此之外還有局部破壞中的背面混凝土崩落，以及整體破壞。因此，為了保證混凝土屋頂在受沖擊后還能正常工作，或者即使屋頂發(fā)生破壞也能保證廠房內(nèi)設備的安全，有必要對混凝土板的沖擊破壞做進一步詳細的研究。并且據(jù)此確定一套合理的混凝土板厚度取值。

采用坡式屋頂可以有效增加抗沖擊能力，然而屋頂?shù)钠露冗^大會增加混凝土和鋼筋的用量，如何選擇一種合理的傾角有待進一步研究。

5 結論及問題

（1）混凝土屋頂比薄鋼板屋頂具有更強的抗沖擊能力，建在高山峽谷中的地面廠房應該采用鋼筋混凝土屋頂，不應該采用薄鋼板屋頂。因為鋼筋混凝土屋頂可有效抵抗高空墜物的沖擊，降低電站的損失。如果沙牌電站采用鋼筋混凝土屋頂，機組在地震中被砸壞的情況是可以避免的。

（2）增加混凝土板的配筋，增加混凝土材料強度，增加板厚以及采用斜坡屋頂可大大加強混凝土屋頂?shù)目箾_擊能力。

（3）建議水電站廠房設計規(guī)范按照上述原則增加對廠房屋頂?shù)囊?guī)定。但是正如上文所指出的，還有許多問題有待研究。

[1]王明洋等.鋼筋混凝土板在低速沖擊下的計算方法[J].兵工學報,2004.11.

[2]鄧永紅.鋼筋混凝土板在低速沖擊下的局部破壞[J].常州工學院學報,2005.2.

[3]華東水利學院,水工設計手冊-水電站建筑物[M],北京:水利電力出版社,1989.

[4]陳秋華.沙牌水電站工程震損調(diào)查與分析[J].水電站設計,2009.9.