天臺(tái)水文站的設(shè)計(jì)

王希梅，董顯倫

（1．臺(tái)州市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江臺(tái)州318000；2．臺(tái)州市十一海塘水閘管理中心，浙江臺(tái)州318000）

天臺(tái)水文站的設(shè)計(jì)

王希梅1，董顯倫2

（1．臺(tái)州市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江臺(tái)州318000；2．臺(tái)州市十一海塘水閘管理中心，浙江臺(tái)州318000）

以天臺(tái)水文站為設(shè)計(jì)實(shí)例，詳細(xì)介紹了單跨纜道水文站的設(shè)計(jì)方法和計(jì)算過(guò)程，重點(diǎn)介紹了水文纜道的設(shè)計(jì)計(jì)算，可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。表1個(gè)。

水文站；設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)思路；計(jì)算

0 引 言

按照國(guó)務(wù)院《關(guān)于切實(shí)加強(qiáng)中小河流治理和山洪地質(zhì)災(zāi)害防治若干意見(jiàn)》（國(guó)發(fā)〔2010〕31號(hào)）文件精神，加強(qiáng)水文測(cè)站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、密切監(jiān)控河流汛情，對(duì)提高當(dāng)?shù)刂行『恿鞯乃臏y(cè)驗(yàn)、洪水預(yù)報(bào)能力以及防汛減災(zāi)工作具有積極的作用，是“十二五”期間中小河流治理非工程措施的重大舉措，是浙江省中小河流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目的一個(gè)組成部分。根據(jù)浙江省水利廳、省水文局的統(tǒng)一安排，天臺(tái)縣中小河流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目規(guī)劃新建天臺(tái)水文站。

1 設(shè)計(jì)思路及步驟

1.1 收集資料

要做好設(shè)計(jì)，必須收集好各項(xiàng)資料，主要有：工程區(qū)的水文、氣象、地質(zhì)、地震等情況，特別是做好站址處的地形測(cè)量，并在實(shí)地勘察的基礎(chǔ)上搞清楚土地歸屬、性質(zhì)及規(guī)劃，以免給后續(xù)工作帶來(lái)麻煩。

1.2 確定工程等級(jí)及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

水文站的工程等級(jí)及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的確定與一般水利工程有所不同，主要依據(jù)《水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)》（SL276—2002），按照水文站站址集雨面積大小、所處地理位置以及作用的不同，水文站分為大河重要控制站、大河一般控制站、區(qū)域代表站和小河站四級(jí)。

水文站的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分為防洪、測(cè)洪建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)水文站的級(jí)別劃分和水文站的重要性來(lái)確定。當(dāng)出現(xiàn)防洪標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)洪水時(shí)，應(yīng)能保證設(shè)施設(shè)備、建筑物不被淹沒(méi)、沖毀，人身安全有保障。當(dāng)發(fā)生測(cè)洪標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)洪水時(shí)，水文（水位）設(shè)施設(shè)備應(yīng)能正常運(yùn)行，測(cè)站測(cè)報(bào)工作應(yīng)能正常開(kāi)展［1］。

天臺(tái)水文站所在河流為始豐溪，站址以上集雨面積為1033km2，屬于區(qū)域代表站。防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，測(cè)洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇。

1.3 水文水位計(jì)算

根據(jù)規(guī)范要求，測(cè)站觀測(cè)設(shè)施及站房應(yīng)建在防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水水位1.0m以上，有堤防的應(yīng)高于堤頂高程；測(cè)站專用變壓器、專用供電線路、專用通信線路及通信天線應(yīng)建在歷年最高洪水位3.0m以上；水位監(jiān)測(cè)要求能夠觀測(cè)到設(shè)計(jì)最高水位和歷史最低水位。因此，水文水位計(jì)算需要提供站址處的歷史最低洪水位、歷史最高洪水位和相應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪水位（見(jiàn)表1）。

表1 天臺(tái)水文站站址不同洪水標(biāo)準(zhǔn)的洪水位

1.4 工程選址及總體布置

站址選擇的一般要求是：所處測(cè)驗(yàn)河段河道順直，河床平整，水流平穩(wěn)，無(wú)漫灘，便于測(cè)驗(yàn)，能夠達(dá)到規(guī)范要求的精度，具備水文站建設(shè)條件。天臺(tái)水文站站址選定于赤城街道始豐溪左岸南門大橋上游80m處。

水文測(cè)站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)應(yīng)由相應(yīng)的觀測(cè)項(xiàng)目確定。天臺(tái)水文站為駐測(cè)站，主要建設(shè)內(nèi)容為：新建鉛魚測(cè)流纜道1處、水位臺(tái)1處、纜道技術(shù)業(yè)務(wù)用房和雨量觀測(cè)場(chǎng)1處。

工程的總體布置一般情況下要符合以下要求：纜道房宜修建在水文纜道塔架上游一側(cè)；水位觀測(cè)平臺(tái)應(yīng)靠近基本水尺斷面，兩種間距不宜大于3m；水位觀測(cè)平臺(tái)與纜道測(cè)流斷面宜保持3～5m的水平距離。

天臺(tái)水文站總體布置為：纜道主索跨度為330m；左岸為站區(qū)，位于堤頂內(nèi)側(cè)，修建纜道技術(shù)業(yè)務(wù)用房和纜道塔架，兩者結(jié)合布置；右岸修建纜道塔架，與左岸纜道塔架垂直對(duì)應(yīng)，位于右岸堤防背水坡腳處；水位臺(tái)位于左岸河床邊側(cè)，處于纜道測(cè)流斷面上游側(cè)，由引橋與站區(qū)連接。

2 主要建筑物設(shè)計(jì)

天臺(tái)水文站為駐測(cè)站，采用鉛魚式水文纜道測(cè)流，需建設(shè)生產(chǎn)業(yè)務(wù)用房及附屬配套設(shè)施，其中纜道塔架設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。

纜道主要構(gòu)件的安全系數(shù)應(yīng)符合下列要求：一是承載索（主索）。鉛魚纜道不應(yīng)小于2.5。二是纜道塔架（柱）基礎(chǔ)、錨碇。鉛魚纜道不應(yīng)小于3.0。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)塔架（柱）不應(yīng)小于3.0。

2.1 纜道塔架

纜道塔架的設(shè)計(jì)需要確定以下幾個(gè)主要的參數(shù)［2_3］：

（1）主索加載垂度計(jì)算

在跨度已確定的條件下，工作索裝配拉力的大小決定于纜道安裝時(shí)的垂度。垂度過(guò)小，裝配拉力大，絞車運(yùn)用靈活性差；垂度過(guò)大，往往在較大風(fēng)力下，工作索容易和其他纜索纏繞。主索加載垂度可根據(jù)跨度的大小選用不同的公式［2］。本項(xiàng)目纜道跨度為330m，屬于大跨度纜道，加載垂度按下式計(jì)算：

式中，fv為加載垂度（m）；L為纜道跨度（m）。

經(jīng)計(jì)算，加載垂度f(wàn)v為9.43m。

（2）塔架設(shè)計(jì)高度計(jì)算

非通航河流塔架柱的設(shè)計(jì)高度≥非通航河流塔架柱的設(shè)計(jì)高程－塔架基礎(chǔ)高程。

非通航河流塔架柱的設(shè)計(jì)高程≥設(shè)計(jì)測(cè)洪水位＋安全超高（2.5m）＋行車懸吊點(diǎn)至吊載儀器底部高度（2.5m）＋加載垂度f(wàn)v（m）。

同時(shí)，塔架的設(shè)計(jì)高度還應(yīng)滿足游輪、平衡錘在塔架上下移動(dòng)高度的要求。

天臺(tái)水文站纜道塔架頂支架設(shè)計(jì)高程≥50.38＋2.5＋2.5＋9.43＝64.81m，設(shè)計(jì)取值65.00m。

（3）主索的設(shè)計(jì)拉力

主索拉力跟主索加載垂度和主索、工作索的直徑選擇密切相關(guān)，主索、工作索直徑和主索拉力兩者互為相關(guān)，須經(jīng)過(guò)試算最終確定。

主索的設(shè)計(jì)拉力：

設(shè)計(jì)拉力必須滿足：KH≤Tj

式中，H為主索的設(shè)計(jì)拉力（kN）；q為主索單位長(zhǎng)度自重（kN／m）；Pv為主索所承載的垂直集中荷載（含鉛魚、行車及行車上所附有的牽引索的重量，kN）；L為纜道跨度（m）；fv為加載垂度（m）；Tj為主索破斷拉力（kN）；K為安全系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，天臺(tái)水文站選擇主索規(guī)格：6×19＋FC～20，公稱抗拉強(qiáng)度1670MPa以上的合成纖維芯鋼絲繩。工作索規(guī)格：6×19＋FC～8，公稱抗拉強(qiáng)度1670MPa以上的合成纖維芯鋼絲繩。鉛魚重量250kg。

經(jīng)計(jì)算，主索的設(shè)計(jì)拉力為82.89kN，主索安全系數(shù)K＝2.65＞2.5（安全）。

（4）纜道塔架結(jié)構(gòu)

塔架（柱）按材質(zhì)可分為鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，按抗傾覆能力分自立式和拉線式（非自立式）。本項(xiàng)目纜道塔架采用自立式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

右岸纜道塔架采用自立式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。塔架基礎(chǔ)采用灌注樁，灌注樁直徑為80cm，樁長(zhǎng)11m，樁頂為1.5m厚承臺(tái)，承臺(tái)頂高程為48.60m。承臺(tái)上為框架結(jié)構(gòu)，框架立柱為80cm× 80cm，橫向連系梁為40cm×60cm，塔架高度17m，塔架頂高程為65.60m。在63.40m高程布置檢修平臺(tái)。

錨碇采用鋼筋混凝土方塊錨，根據(jù)規(guī)范要求，方塊錨三向尺寸比例參考a∶h∶b＝4∶3∶2，天臺(tái)水文站右岸方塊錨設(shè)計(jì)尺寸（長(zhǎng)×高×寬）為3m× 2.5m×1.8m。

由于左岸站區(qū)空間有限，左岸纜道塔架與纜道房一起布置。塔架結(jié)構(gòu)型式與右岸塔架基本相同。

（5）纜道塔架穩(wěn)定計(jì)算

纜道塔架基礎(chǔ)灌注樁承載力，按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值估算［4］。

錨碇的抗滑穩(wěn)定需計(jì)算錨碇水平向穩(wěn)定安全系數(shù)和豎向穩(wěn)定安全系數(shù)，安全系數(shù)均需滿足規(guī)范要求。

經(jīng)計(jì)算，右岸纜道塔架樁基單樁豎向承載力安全系數(shù)K＝3.46＞3滿足規(guī)范要求。錨碇水平向穩(wěn)定安全系數(shù)K1＝4.60＞3，錨碇豎向穩(wěn)定安全系數(shù)K2＝5.87＞3，均滿足規(guī)范要求。

2.2 纜道技術(shù)業(yè)務(wù)用房

中小河流水文站要完成單站監(jiān)測(cè)任務(wù)一般需要4人，生產(chǎn)業(yè)務(wù)用房建筑面積可根據(jù)《水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)算。本項(xiàng)目纜道技術(shù)業(yè)務(wù)用房主要由纜道房及相關(guān)功能配套用房組成，根據(jù)纜道主索的安裝高程和纜道房結(jié)構(gòu)安全需要采用三層框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用灌注樁基礎(chǔ)。纜道技術(shù)業(yè)務(wù)用房占地面積73.4m2，總建筑面積232.44m2，其中一層設(shè)置發(fā)電機(jī)室、配電室、資料室、工具間等，二層設(shè)置泥沙處理室、值班室、化驗(yàn)室等，三層設(shè)置流量觀測(cè)房、絞車房、水情報(bào)汛房等。

根據(jù)規(guī)定，纜道技術(shù)業(yè)務(wù)用房應(yīng)建在防洪水位1.0m以上。天臺(tái)水文站防洪水位為50.76m，纜道技術(shù)業(yè)務(wù)用房地面高程不低于51.76m。本次設(shè)計(jì)纜道技術(shù)業(yè)務(wù)用房地面高程為51.80m。

除滿足水文測(cè)驗(yàn)功能要求外，房屋建筑風(fēng)格還要與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)，并充分體現(xiàn)自身的特色，水文基礎(chǔ)設(shè)施外觀應(yīng)突出水文工作特色，體現(xiàn)簡(jiǎn)樸大方的形象。

2.3 水位臺(tái)

水位觀測(cè)設(shè)施根據(jù)《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》選定，觀測(cè)井的內(nèi)徑應(yīng)根據(jù)放置儀器數(shù)量多少來(lái)確定。水位臺(tái)觀測(cè)井井底應(yīng)低于設(shè)計(jì)最低水位0.5m，測(cè)井口應(yīng)高于設(shè)計(jì)最高水位0.5m以上［5］。

天臺(tái)水文站水位觀測(cè)設(shè)施為浮子式水位計(jì)、水尺。水文觀測(cè)平臺(tái)根據(jù)設(shè)計(jì)洪水位并考慮到波浪影響綜合確定，設(shè)計(jì)水位觀測(cè)平臺(tái)高程為52.00m。水位觀測(cè)井內(nèi)徑為1m，外徑為1.4m，測(cè)井內(nèi)底高程42.80m，基礎(chǔ)底高程42.00m。水位觀測(cè)井前設(shè)2個(gè)沉沙井和1個(gè)進(jìn)水池。歷史最低洪水位為43.56m，本次設(shè)計(jì)觀測(cè)井底部引水管中心線高程為43.40m，引水管采用υ100不銹鋼管。水位臺(tái)引橋?qū)?.5m，長(zhǎng)12.5m。

水位臺(tái)上游布置1.2m寬水尺觀測(cè)踏步，踏步邊緣設(shè)水尺。水尺樁設(shè)置應(yīng)與水面垂直，并高于測(cè)站歷年最高、低于測(cè)站歷年最低水位0.5m；同一組水尺應(yīng)設(shè)置在同一斷面線上，相鄰兩支水尺觀測(cè)范圍應(yīng)有0.2m的重合。

2.4 雨量觀測(cè)場(chǎng)

只要建設(shè)場(chǎng)地許可，均應(yīng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)雨量觀測(cè)場(chǎng)；受建設(shè)場(chǎng)地周邊環(huán)境影響，可采用筒式或桿式觀測(cè)設(shè)施。設(shè)置雨量器和自記雨量計(jì)的項(xiàng)目建設(shè)4m×6m降水觀測(cè)場(chǎng)（常用），同時(shí)觀測(cè)降水蒸發(fā)的項(xiàng)目建設(shè)12m×12m降水、蒸發(fā)觀測(cè)場(chǎng)。本項(xiàng)目雨量觀測(cè)場(chǎng)尺寸為12m×12m，布置雨量觀測(cè)設(shè)施。降水量觀測(cè)誤差受風(fēng)的影響最大，因此，觀測(cè)場(chǎng)地應(yīng)避開(kāi)強(qiáng)風(fēng)區(qū)。觀測(cè)場(chǎng)周圍應(yīng)不受樹木、建筑物及突變地形的影響，避免不開(kāi)建筑物和樹木的，雨量器離障礙物邊緣的距離不應(yīng)小于障礙物頂部與儀器口高差的2倍。

觀測(cè)場(chǎng)地應(yīng)平整，地面種植草皮，其高度不大于20cm，不允許種植高桿植物，觀測(cè)場(chǎng)周邊種植植物一般不超過(guò)觀測(cè)場(chǎng)平臺(tái)高程。

2.5 機(jī)電及排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

天臺(tái)水文站為防汛值班、水情監(jiān)測(cè)中心、辦公和測(cè)驗(yàn)四位一體工程，按三級(jí)負(fù)荷供電。主要用電設(shè)備為水文絞車、各類測(cè)量?jī)x器與試驗(yàn)設(shè)備、照明、動(dòng)力、空調(diào)排風(fēng)設(shè)備等。配套布置供電系統(tǒng)、照明、通風(fēng)系統(tǒng)、防雷及接地系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)等。生活給水設(shè)計(jì)由市政管網(wǎng)直接供水。生活污水經(jīng)化糞池處理后接入市政管網(wǎng)，雨水經(jīng)雨水管后排入河道內(nèi)。

［1］ SL276—2002，水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)［S］．

［2］ SL622—2014，水文纜道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［3］ SL443—2009，水文纜道測(cè)驗(yàn)規(guī)范［S］．

［4］ JGJ94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］．

［5］ SL384—2007，水位觀測(cè)平臺(tái)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］．

責(zé)任編輯 吳 昊

2015－03－17

王希梅（1980－），女，工程師，主要從事水利工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)工作。

E_mail：allendxl＠126.com