天臺水文站的設計

王希梅，董显伦

（1．台州市水利水电勘测设计院，浙江台州318000；2．台州市十一海塘水闸管理中心，浙江台州318000）

天臺水文站的設計

王希梅1，董显伦2

（1．台州市水利水电勘测设计院，浙江台州318000；2．台州市十一海塘水闸管理中心，浙江台州318000）

以天台水文站为设计实例，详细介绍了单跨缆道水文站的设计方法和计算过程，重点介绍了水文缆道的设计计算，可为类似工程设计提供参考。表1个。

水文站；设计；设计思路；计算

0 引 言

按照国务院《关于切实加强中小河流治理和山洪地质灾害防治若干意见》（国发〔2010〕31号）文件精神，加强水文测站基础设施建设、密切监控河流汛情，对提高当地中小河流的水文测验、洪水预报能力以及防汛减灾工作具有积极的作用，是“十二五”期间中小河流治理非工程措施的重大举措，是浙江省中小河流水文监测系统建设项目的一个组成部分。根据浙江省水利厅、省水文局的统一安排，天台县中小河流水文监测系统建设项目规划新建天台水文站。

1 设计思路及步骤

1.1 收集资料

要做好设计，必须收集好各项资料，主要有：工程区的水文、气象、地质、地震等情况，特别是做好站址处的地形测量，并在实地勘察的基础上搞清楚土地归属、性质及规划，以免给后续工作带来麻烦。

1.2 确定工程等级及设计标准

水文站的工程等级及设计标准的确定与一般水利工程有所不同，主要依据《水文基础设施建设及技术装备标准》（SL276—2002），按照水文站站址集雨面积大小、所处地理位置以及作用的不同，水文站分为大河重要控制站、大河一般控制站、区域代表站和小河站四级。

水文站的设计标准分为防洪、测洪建设标准，根据水文站的级别划分和水文站的重要性来确定。当出现防洪标准相应洪水时，应能保证设施设备、建筑物不被淹没、冲毁，人身安全有保障。当发生测洪标准相应洪水时，水文（水位）设施设备应能正常运行，测站测报工作应能正常开展［1］。

天台水文站所在河流为始丰溪，站址以上集雨面积为1033km2，属于区域代表站。防洪标准为50年一遇，测洪标准为30年一遇。

1.3 水文水位计算

根据规范要求，测站观测设施及站房应建在防洪标准洪水水位1.0m以上，有堤防的应高于堤顶高程；测站专用变压器、专用供电线路、专用通信线路及通信天线应建在历年最高洪水位3.0m以上；水位监测要求能够观测到设计最高水位和历史最低水位。因此，水文水位计算需要提供站址处的历史最低洪水位、历史最高洪水位和相应设计标准的洪水位（见表1）。

表1 天台水文站站址不同洪水标准的洪水位

1.4 工程选址及总体布置

站址选择的一般要求是：所处测验河段河道顺直，河床平整，水流平稳，无漫滩，便于测验，能够达到规范要求的精度，具备水文站建设条件。天台水文站站址选定于赤城街道始丰溪左岸南门大桥上游80m处。

水文测站基础设施建设应由相应的观测项目确定。天台水文站为驻测站，主要建设内容为：新建铅鱼测流缆道1处、水位台1处、缆道技术业务用房和雨量观测场1处。

工程的总体布置一般情况下要符合以下要求：缆道房宜修建在水文缆道塔架上游一侧；水位观测平台应靠近基本水尺断面，两种间距不宜大于3m；水位观测平台与缆道测流断面宜保持3～5m的水平距离。

天台水文站总体布置为：缆道主索跨度为330m；左岸为站区，位于堤顶内侧，修建缆道技术业务用房和缆道塔架，两者结合布置；右岸修建缆道塔架，与左岸缆道塔架垂直对应，位于右岸堤防背水坡脚处；水位台位于左岸河床边侧，处于缆道测流断面上游侧，由引桥与站区连接。

2 主要建筑物设计

天台水文站为驻测站，采用铅鱼式水文缆道测流，需建设生产业务用房及附属配套设施，其中缆道塔架设计是关键。

缆道主要构件的安全系数应符合下列要求：一是承载索（主索）。铅鱼缆道不应小于2.5。二是缆道塔架（柱）基础、锚碇。铅鱼缆道不应小于3.0。钢筋混凝土结构塔架（柱）不应小于3.0。

2.1 缆道塔架

缆道塔架的设计需要确定以下几个主要的参数［2_3］：

（1）主索加载垂度计算

在跨度已确定的条件下，工作索装配拉力的大小决定于缆道安装时的垂度。垂度过小，装配拉力大，绞车运用灵活性差；垂度过大，往往在较大风力下，工作索容易和其他缆索缠绕。主索加载垂度可根据跨度的大小选用不同的公式［2］。本项目缆道跨度为330m，属于大跨度缆道，加载垂度按下式计算：

式中，fv为加载垂度（m）；L为缆道跨度（m）。

经计算，加载垂度fv为9.43m。

（2）塔架设计高度计算

非通航河流塔架柱的设计高度≥非通航河流塔架柱的设计高程－塔架基础高程。

非通航河流塔架柱的设计高程≥设计测洪水位＋安全超高（2.5m）＋行车悬吊点至吊载仪器底部高度（2.5m）＋加载垂度fv（m）。

同时，塔架的设计高度还应满足游轮、平衡锤在塔架上下移动高度的要求。

天台水文站缆道塔架顶支架设计高程≥50.38＋2.5＋2.5＋9.43＝64.81m，设计取值65.00m。

（3）主索的设计拉力

主索拉力跟主索加载垂度和主索、工作索的直径选择密切相关，主索、工作索直径和主索拉力两者互为相关，须经过试算最终确定。

主索的设计拉力：

设计拉力必须满足：KH≤Tj

式中，H为主索的设计拉力（kN）；q为主索单位长度自重（kN／m）；Pv为主索所承载的垂直集中荷载（含铅鱼、行车及行车上所附有的牵引索的重量，kN）；L为缆道跨度（m）；fv为加载垂度（m）；Tj为主索破断拉力（kN）；K为安全系数。

经计算，天台水文站选择主索规格：6×19＋FC～20，公称抗拉强度1670MPa以上的合成纤维芯钢丝绳。工作索规格：6×19＋FC～8，公称抗拉强度1670MPa以上的合成纤维芯钢丝绳。铅鱼重量250kg。

经计算，主索的设计拉力为82.89kN，主索安全系数K＝2.65＞2.5（安全）。

（4）缆道塔架结构

塔架（柱）按材质可分为钢结构和钢筋混凝土结构，按抗倾覆能力分自立式和拉线式（非自立式）。本项目缆道塔架采用自立式钢筋混凝土框架结构。

右岸缆道塔架采用自立式钢筋混凝土框架结构。塔架基础采用灌注桩，灌注桩直径为80cm，桩长11m，桩顶为1.5m厚承台，承台顶高程为48.60m。承台上为框架结构，框架立柱为80cm× 80cm，横向连系梁为40cm×60cm，塔架高度17m，塔架顶高程为65.60m。在63.40m高程布置检修平台。

锚碇采用钢筋混凝土方块锚，根据规范要求，方块锚三向尺寸比例参考a∶h∶b＝4∶3∶2，天台水文站右岸方块锚设计尺寸（长×高×宽）为3m× 2.5m×1.8m。

由于左岸站区空间有限，左岸缆道塔架与缆道房一起布置。塔架结构型式与右岸塔架基本相同。

（5）缆道塔架稳定计算

缆道塔架基础灌注桩承载力，按《建筑桩基技术规范》中单桩竖向极限承载力标准值估算［4］。

锚碇的抗滑稳定需计算锚碇水平向稳定安全系数和竖向稳定安全系数，安全系数均需满足规范要求。

经计算，右岸缆道塔架桩基单桩竖向承载力安全系数K＝3.46＞3满足规范要求。锚碇水平向稳定安全系数K1＝4.60＞3，锚碇竖向稳定安全系数K2＝5.87＞3，均满足规范要求。

2.2 缆道技术业务用房

中小河流水文站要完成单站监测任务一般需要4人，生产业务用房建筑面积可根据《水文基础设施建设及技术装备标准》进行测算。本项目缆道技术业务用房主要由缆道房及相关功能配套用房组成，根据缆道主索的安装高程和缆道房结构安全需要采用三层框架结构，基础采用灌注桩基础。缆道技术业务用房占地面积73.4m2，总建筑面积232.44m2，其中一层设置发电机室、配电室、资料室、工具间等，二层设置泥沙处理室、值班室、化验室等，三层设置流量观测房、绞车房、水情报汛房等。

根据规定，缆道技术业务用房应建在防洪水位1.0m以上。天台水文站防洪水位为50.76m，缆道技术业务用房地面高程不低于51.76m。本次设计缆道技术业务用房地面高程为51.80m。

除满足水文测验功能要求外，房屋建筑风格还要与周围环境协调，并充分体现自身的特色，水文基础设施外观应突出水文工作特色，体现简朴大方的形象。

2.3 水位台

水位观测设施根据《水位观测标准》选定，观测井的内径应根据放置仪器数量多少来确定。水位台观测井井底应低于设计最低水位0.5m，测井口应高于设计最高水位0.5m以上［5］。

天台水文站水位观测设施为浮子式水位计、水尺。水文观测平台根据设计洪水位并考虑到波浪影响综合确定，设计水位观测平台高程为52.00m。水位观测井内径为1m，外径为1.4m，测井内底高程42.80m，基础底高程42.00m。水位观测井前设2个沉沙井和1个进水池。历史最低洪水位为43.56m，本次设计观测井底部引水管中心线高程为43.40m，引水管采用υ100不锈钢管。水位台引桥宽1.5m，长12.5m。

水位台上游布置1.2m宽水尺观测踏步，踏步边缘设水尺。水尺桩设置应与水面垂直，并高于测站历年最高、低于测站历年最低水位0.5m；同一组水尺应设置在同一断面线上，相邻两支水尺观测范围应有0.2m的重合。

2.4 雨量观测场

只要建设场地许可，均应建设标准雨量观测场；受建设场地周边环境影响，可采用筒式或杆式观测设施。设置雨量器和自记雨量计的项目建设4m×6m降水观测场（常用），同时观测降水蒸发的项目建设12m×12m降水、蒸发观测场。本项目雨量观测场尺寸为12m×12m，布置雨量观测设施。降水量观测误差受风的影响最大，因此，观测场地应避开强风区。观测场周围应不受树木、建筑物及突变地形的影响，避免不开建筑物和树木的，雨量器离障碍物边缘的距离不应小于障碍物顶部与仪器口高差的2倍。

观测场地应平整，地面种植草皮，其高度不大于20cm，不允许种植高杆植物，观测场周边种植植物一般不超过观测场平台高程。

2.5 机电及排水系统设计

天台水文站为防汛值班、水情监测中心、办公和测验四位一体工程，按三级负荷供电。主要用电设备为水文绞车、各类测量仪器与试验设备、照明、动力、空调排风设备等。配套布置供电系统、照明、通风系统、防雷及接地系统、消防系统、弱电系统等。生活给水设计由市政管网直接供水。生活污水经化粪池处理后接入市政管网，雨水经雨水管后排入河道内。

［1］ SL276—2002，水文基础设施建设及技术装备标准［S］．

［2］ SL622—2014，水文缆道设计规范［S］．

［3］ SL443—2009，水文缆道测验规范［S］．

［4］ JGJ94—2008，建筑桩基技术规范［S］．

［5］ SL384—2007，水位观测平台技术标准［S］．

责任编辑 吴 昊

2015－03－17

王希梅（1980－），女，工程师，主要从事水利工程规划、设计工作。

E_mail：allendxl＠126.com