感潮河段直立式水位观测平台设计

张忠中

摘要：长期重要的水文站常采用直立式水位观测平台记录水位数据。感潮河段水文特性复杂，水位受河道水流、潮汐、波浪等水动力因素影响，容易引起平台结构稳定和水位观测精度问题。为此，结合闽江河口水文站工程，开展感潮河段直立式水位观测平台设计研究。通过相关规范分析、空间数值模型计算以及工程造价对比分析，提出了水位观测平台方案选型重要原则以及进水孔孔径确定原则。建议感潮河段常规水位观测平台采用岸式方案，特殊需求时采用岛式高承台方案，进水孔孔径确定应在标准规范公式计算前提下适当留有裕度。实践表明：闽江河口水文站新建水位观测平台的观测数据满足感潮河段水位观测精度要求。研究成果可供后续相似工程参考。

关 键 词：水位观测平台; 方案选型; 结构稳定性; 进水孔孔径; 感潮河段

中图法分类号： TV314

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.017

0 引 言

水文数据具有专业性、敏感性和重要性的特点。长期连续实测的水文数据资料，可为当地的经济建设、灾害预警和科学研究等方面提供重要的基础资料。其中，水位数据是水文数据中最基本最重要的内容之一。

水位观测平台是水文站的一个重要的标志之一，是保证水位观测数据连续性、准确性和可靠性的重要观测设施。目前，中国大部分重要水文站常采用直立式（浮子式水位计）水位观测平台监测水位数据。然而水位观测平台属于特种结构，行业标准中个别核心公式[1]的符号注释甚至还存在纰漏;相关参考文献较少，研究内容也主要集中在进水孔尺寸确定方面[2-5]，水位观测平台方案选型等方面文献极为缺乏。水位观测平台通常布设在河流、水库湖泊和海滨等区域。在洪水期，河流水位变幅大，水流流速快;在水库库区，湖泊水位变幅小，水流流速慢;而在海滨区域，水位主要受潮汐和波浪影响，同时腐蚀问题严重。感潮河段介于河流与滨海之间，该区间兼备河流和海滨区域的水文特性，且具有双向水流运动特点。因此，感潮河段的水位观测平台设计也最为复杂。本文结合闽江河口水文站工程实例，通过开展感潮河段直立式水位观测平台设计研究，以期为后续类似工程提供参考。

1 感潮河段直立式水位观测平台关键要素

水位观测平台属于防汛抗旱特殊要求的特种构筑物。感潮河段直立式水位观测平台主要存在观测平台结构整体稳定和水位观测精度的问题。因此，设计关键要素在于水位观测平台方案选型与进水孔孔径确定。

水位观测平台承受河道洪水影响，设计标准要求不低于当地防洪标准，以保证在自然灾害情况下能够正常发挥作用。方案选型直接决定了观测平台承受荷载大小，对观测平台的整体稳定影响大，进而影响到整体工程造价。

感潮河段的水位同时受河道双向水流、潮汐、波浪等水动力因素影响。而水位测井内水位要求与河道内水位保持一致，同时还应具有良好的消波性能，需尽可能消减波浪对水位记录的影响。进水孔孔径偏大时，虽然能保证井内外水位一致，但是消波性能得不到保证，自记曲线出现带状痕迹，降低了观测资料的质量;进水孔孔径偏小时，虽然消波性能得到增强，但是会出现井内外水位滞后现象。进水孔孔径决定了水位观测成果的质量[2-5]。因此，本文主要针对水位观测平台方案选型和进水孔孔径开展分析探讨。

2 感潮河段水位观测平台方案选型

2.1 直立式水位观测平台整体稳定要求

直立式水位观测平台的型式可分为岛式、岸式和岛岸结合式。水位观测平台方案选型首先需要考虑结构整体稳定要求。不同行业标准对结构整体稳定要求稍有差别。SL 384-2007《水位观测平台技术标准》[1]（以下简称《平台标准》）关于水位观测平台整体稳定要求为

K稳=M稳/M倾≥2.50（1）

M稳=（FK+GK）×B2（2）

式中：K稳为抗倾覆安全系数;M稳为稳定力矩;M倾为倾覆力矩;FK为上部结构传至基础顶面的竖向力值，kN;GK为基础自重和基础上的土重，kN。

结合公式（1）和（2），M倾≤（FK+GK）×B5，即偏心距e=M倾/（FK+GK）=B5。

由于不同规范标准之间度量标准不一致，经转换一致后方可进行比较。由GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》[6]可知：

S=3（B/2-e）×B（3）

式中：S为基础底面实际受压面积;B为力矩作用方向基础底边边长;e为偏心矩。

结合上述公式，推导得S=0.9B2。即基础底面与地基土之间脱离区（零应力区）面积为基底面积的10%。

表1所列为不同标准对结构整体稳定要求对比。由表1可知，《平台标准》的整体稳定要求稍高于GB 50135-2019《高耸结构设计标准》[7]中其他各类塔的要求。

2.2 直立式水位观测平台主要荷载分析

水位观测平台整体稳定取决于观测平台所承受的荷载。水位观测平台所承受主要荷载为水流冲击荷载[1]。关于水流冲击荷载计算，不同行業标准间稍有差别。按照《平台标准》规定，作用于水位观测平台上的水流冲击荷载P0为

P0=0.4KwρFV02h（4）

式中：Kw为水阻力系数，圆形截面取0.8;ρ为水的密度;F为水位观测平台每米高度的阻水面积，m2;V0为水位观测平台处最大水面流速，m/s;h为测井出土至水面的高度。

对可能发生比设计水流冲击荷载还要大的荷载（漂浮物、冰排、波浪等），《平台标准》要求用水流冲击荷载乘以综合工作条件修正系数（3.0～5.0）确定。

为保证水位观测平台能够记录到设计最高/最低水位，水位测井井口应高于设计最高水位0.5 m以上;水位测井井底应低于设计最低水位0.5 m以下。这些要求造成水位测井整体高度较高，相应水流冲击荷载较大，且水位观测平台的倾覆力矩与测井高度呈平方增长比例。以闽江河口猴屿站水位观测平台为例，工程区域基岩埋深较浅，水位观测平台相应场地地下2 m为中风化凝灰岩，历史最高水位5.28 m，历史最低水位-3.52 m，历史最大流速3 m/s，水位最大变化率为1.5 m/h。在设计洪水工况下，如表2所列，2种平台方案承受荷载相差较大，将直接影响水位平台相关结构尺寸的选择。

2.3 直立式水位观测平台方案比选

岛式平台相对于岸式平台承受更大水流荷载，相应主体结构尺寸较大。岛式平台通常还需要配套河道围堰施工，施工造价偏高。此外，由能量方程可知[8]：水流遇障碍物时，迎水面水流的流速水头将转换为位置水头和压强水头，即水位井等结构对水流的干扰将可能影响水位井区域的水位高程。岛式平台由于水位井等结构位于河道中，尤其在洪水期，河道内水位变化和水流流速较快，该影响更为严重。岸式平台由于通过管道进水，可以有效减小水位测井对水流的影响。表3为岸式和岛式平台方案技术经济等对比结果。

综上分析，常规感潮河段水位观测平台方案型式优先推荐采用岸式方案。此外，当整体稳定要求对结构尺寸起控制作用时，单纯增加水位观测平台结构尺寸，不够经济合理。尤其在水位观测平台位于河道内的情况下，观测平台基础上覆土还需考虑浮托力和水流局部冲刷影响。建议采用毛石混凝土等耐冲刷且价格相对低廉的高容重材料回填。闽江河口猴屿站水位观测平台采用毛石混凝土回填方案后，在满足整体稳定的前提下，井壁厚度尤其是基础尺寸大幅优化。

2.4 岛式水位观测平台方案

由上文分析可知，常规感潮河段水位观测平台型式宜推荐采用岸式。当有特殊功能需求或站址条件限制时需要采用岛式水位观测平台，如闽江感潮河段拟新建的竹岐站水文综合观测平台，该平台需同时具备水位、流量、泥沙等多项水文测验项目功能。为同时兼顾各种水文测验功能的需求，该平台离岸约45 m，采用岛式观测平台方案。由于岛式观测平台方案广泛应用于海港工程的验潮站，因此有必要对岛式观测平台方案开展分析。

感潮河段水位观测平台整体高度相对较高。岛式水位观测平台若采用传统悬臂结构型式，当悬臂长度较长时，设计工况下上部结构在相关荷载作用下变形挠度较大。此外，传统悬臂式水位观测平台方案需要施工围堰，在干地施工条件下施工才能够保证质量，施工费用较高。此时岛式水位观测平台可考虑采用框架核心筒方案和高桩承台方案。这2种方案结构型式相对复杂，应采用空间结构分析软件建立整体模型分析计算。

框架核心筒方案的核心筒（水位测井）采用同等直径的桩基础，在核心筒外设置4根桩柱，仪器室的框架柱落在对应桩柱上。桩柱与井筒通过斜撑和框架梁形成框架核心筒整体结构。框架核心筒方案为了保证框架和井筒之间有效连接，井筒实心段（设计低水位以下）区域需与桩柱设置斜撑连接。为保证施工质量，需要对应设置钢围堰，创造干地施工条件（见图1）。

高桩承台方案常用于海港工程的验潮站。承台底部常高出河道多年平均低潮位，以便于施工期在不需要施工围堰的情况下，有条件进行承台钢筋绑扎和混凝土浇筑等工作。承台顶高程宜高于多年平均高潮位以上，便于承台上部结构施工。水位测井井筒常布置于承臺中部，承台之下井筒常采用预制管，通过预埋锚筋等和承台混凝土同时浇筑形成整体;承台之上井筒常采用现浇钢筋混凝土井筒（见图2）。

以闽江感潮河段拟新建竹岐站水文综合观测平台为例，该区域覆盖层厚约7 m，其下碎块状强风化凝灰岩层厚约3 m，之后为弱风化凝灰熔岩层。综合观测平台区域历史最低水位为-0.85 m，历史最高水位为14.97 m，历史最大流速为3 m/s。

通过计算分析，3种岛式方案相关计算结果如表4所列，3种岛式方案工程造价对比结果如表5所列。3种岛式水位观测平台方案在结构计算均理论可行的前提下，由于传统悬臂式方案和框架核心筒方案均需要配套围堰施工，施工造价偏高。因此，岛式水位观测平台推荐采用高桩承台方案。

3 进水孔孔径的确定原则

3.1 进水孔孔径公式

感潮河段水位观测平台的进水孔孔径设计非常关键。《平台标准》关于进水孔孔径相关的公式，个别符号注释有误，易造成误解，因此有必要对进水孔孔径公式进行水力学原理推导分析。

进水孔孔径主要取决于河道观测区水位最大变化率和井筒净尺寸。水位观测平台进水孔方向一般垂直河道主流方向，进水管进出水口位于河床底部，河道内水流对进水管流入或流出水量的影响可忽略。水位观测平台进出水形式属于淹没出流，井内外的水头差ΔH主要消耗在克服进水管的沿程水头损失和局部水头损失上[8]，即：

ΔH=hf+hj=λldV22g+ζV22g（5）

V=1λld+ζ2gΔH（6）

式中：ΔH为井内外水头差，即水位滞后量，m;hf为沿程水头损失;hj为局部水头损失;V为管内流速，m/s;λ为沿程水头损失系数;l为管长;d为管径;ζ 为局部水头损失系数;g为重力加速度。

根据质量守恒原理，单位时间内水位井内流入或流出的流量与进水孔的流量一致[9]，即：

Q= S孔V =S井筒dhdt（7）

结合公式（6）和（7）可得：

S孔S井筒=1μ2gΔHdhdt（8）

μ=1λld+ζ（9）

式中：Q为流量，m3/s;S孔为进水管净截面积，m2;S井筒为水位井井筒净截面积，m2;dhdt为dt时间内井筒内水位变化量;μ为流量系数。该式即为港航行业标准[9]中进水孔孔径计算公式。

公式（8）再变化，即得《平台标准》的水位滞后量公式[1]：

ΔH=12gμ2（A井A孔）2（dhdt）2（10）

式中：A井同S井筒;A孔同S孔。

可见水利和港航行业标准关于水/潮位测井进水孔孔径设计方面本质是一致的。仅《平台标准》关于ω注释有误，由上述分析可知，ω即μ应为进水管流量系数。建议在后续《平台标准》修编或更新时，给予更正。

3.2 进水孔孔径确定分析

由上文进水孔孔径公式推演可知，进水孔孔径设计公式近似忽略了河道水流的影响。此外，还有其他因素也会造成井内外水位偏差：测井内外不均匀波的影响;潮汐使河水密度发生时空上变化，测井内外密度差异将引起水位差;进水管道内泥沙淤积和生物生长引起进水孔缩小等[10]。因此在进水孔孔径设计时，在《平台标准》公式计算的基础上，还应适当留有余度。当感潮河段的波浪因素影响较大时，可以在测井内辅助安装消波器，通过调整消波器孔口尺寸来达到消波目的。

以闽江河口水文站2座新建水位观测平台进水孔孔径设计为例。首先确定水位观测平台测井内径，测井内径需满足水位观测仪器设备布置需求，单套浮子式水位计观测设备要求测井内径不低于800 mm。考虑到运行期常规清淤等运维操作方便以及闽江河口水文站观测平台将来可能增加仪器设备或监测项目，测井内径取1 200 mm。测井内径确定后，根据工程区域特征初步布置水位观测平台位置和进水管路由，流量系数ω可根据进水管铺设长度、弯头数量、管材材质情况等，可取0.50～0.75。最后根据前期掌握观测区域的河道水位变化率情况，即可开展进水孔孔径设计。由前期水文观测资料知，闽江河口处涨落潮最大水位变化率约1.5 m/h。根据进水孔孔径公式计算，当进水孔内径取50 mm时，水位滞后量可控制在2.0 cm之内。考虑到进水孔孔径设计还应适当留有裕度，最终确定闽江河口水文站水位观测平台进水孔孔径为60 mm。闽江河口水文站两座新建水位观测平台于2020年初投入使用，水位观测精度满足要求，运行情况良好（见图3）。

4 结 论

本文结合闽江河口水文站新建水位观测平台实例，通过相关行业规范标准分析研究、空间数值模型计算以及工程造价等对比分析，开展感潮河段直立式水位观测平台设计研究。通过水位观测平台方案选型、进水孔孔径设计等方面分析研究，得到如下结论。

（1） 常规感潮河段水位观测平台方案选型优先推荐采用岸式。当实际工程特殊要求需采用岛式时，推荐采用高桩承台方案。

（2） 《水位观测平台标准》和《海洋观测规范 第2部分：海滨观测》关于进水孔孔径设计方面本质是一致的。结合公式推导过程和工程实际运行影响因素，建议水位观测平台进水孔尺寸设计应适当留有余度。

参考文献：

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[7] 中华人民共和国住房和城乡建设部.高耸结构设计标准：GB 50135-2019[S].北京：中国计划出版社，2019.

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[9] 中国国家标准化管理委员会.海洋观测规范 第2部分：海滨观测：GB/T 14914.2-2019[S].北京：中国标准出版社，2019.

[10] 毕立海，毕晓欣，宫钦周，等.影响潮位观测质量因素分析与研究[J].海洋技术学报，2016，35（6）：77-79.

（編辑：谢玲娴）

Design of vertical water level observation platform in tidal river reach

ZHANG Zhongzhong

（Huadong Survey and Design Institute （Fujian） Co.，Ltd.，Fuzhou 350003，China）

Abstract：

The vertical water level observation platform is often used to record water level data in long-term important hydrological stations.The hydrological characteristics of tidal river reach are complex，and the water level is affected by hydrodynamic factors such as river flow，tide and waves，etc.，which can easily cause problems of platform structure stability and water level observation accuracy.Therefore，for the Minjiang estuary hydrological station project we study and design a vertical water level observation platform in the tidal river reach.Through the relevant codes and standards analysis，space numerical model calculation and project cost comparison，we put forward a principle for the scheme selection of water level observation platform and aperture determination.It is suggested that the conventional water level observation platform in the tidal river reach should adopt the shore-type scheme，while the island-type elevated pile caps platform scheme should be adopted for special needs;the diameter of the inlet hole should be determined by standard formula calculation while reserving an appropriate margin.The practice showed that the observation data of the new water level observation platform of Minjiang estuary station met the accuracy requirements of water level observation in tidal river reach.The research results can be used as reference for subsequent similar projects.

Key words：

water level observation platform;scheme selection;structure stability;diameter of inlet hole;tidal river reach