王希梅,董顯倫
(1.臺州市水利水電勘測設(shè)計院,浙江臺州318000;2.臺州市十一海塘水閘管理中心,浙江臺州318000)
天臺水文站的設(shè)計
王希梅1,董顯倫2
(1.臺州市水利水電勘測設(shè)計院,浙江臺州318000;2.臺州市十一海塘水閘管理中心,浙江臺州318000)
以天臺水文站為設(shè)計實例,詳細介紹了單跨纜道水文站的設(shè)計方法和計算過程,重點介紹了水文纜道的設(shè)計計算,可為類似工程設(shè)計提供參考。表1個。
水文站;設(shè)計;設(shè)計思路;計算
按照國務(wù)院《關(guān)于切實加強中小河流治理和山洪地質(zhì)災(zāi)害防治若干意見》(國發(fā)〔2010〕31號)文件精神,加強水文測站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、密切監(jiān)控河流汛情,對提高當?shù)刂行『恿鞯乃臏y驗、洪水預(yù)報能力以及防汛減災(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)測系統(tǒng)建設(shè)項目的一個組成部分。根據(jù)浙江省水利廳、省水文局的統(tǒng)一安排,天臺縣中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)項目規(guī)劃新建天臺水文站。
1.1 收集資料
要做好設(shè)計,必須收集好各項資料,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量,并在實地勘察的基礎(chǔ)上搞清楚土地歸屬、性質(zhì)及規(guī)劃,以免給后續(xù)工作帶來麻煩。
1.2 確定工程等級及設(shè)計標準
水文站的工程等級及設(shè)計標準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)裝備標準》(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。
水文站的設(shè)計標準分為防洪、測洪建設(shè)標準,根據(jù)水文站的級別劃分和水文站的重要性來確定。當出現(xiàn)防洪標準相應(yīng)洪水時,應(yīng)能保證設(shè)施設(shè)備、建筑物不被淹沒、沖毀,人身安全有保障。當發(fā)生測洪標準相應(yīng)洪水時,水文(水位)設(shè)施設(shè)備應(yīng)能正常運行,測站測報工作應(yīng)能正常開展[1]。
天臺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。防洪標準為50年一遇,測洪標準為30年一遇。
1.3 水文水位計算
根據(jù)規(guī)范要求,測站觀測設(shè)施及站房應(yīng)建在防洪標準洪水水位1.0m以上,有堤防的應(yīng)高于堤頂高程;測站專用變壓器、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)測要求能夠觀測到設(shè)計最高水位和歷史最低水位。因此,水文水位計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)計標準的洪水位(見表1)。
表1 天臺水文站站址不同洪水標準的洪水位
1.4 工程選址及總體布置
站址選擇的一般要求是:所處測驗河段河道順直,河床平整,水流平穩(wěn),無漫灘,便于測驗,能夠達到規(guī)范要求的精度,具備水文站建設(shè)條件。天臺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。
水文測站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)應(yīng)由相應(yīng)的觀測項目確定。天臺水文站為駐測站,主要建設(shè)內(nèi)容為:新建鉛魚測流纜道1處、水位臺1處、纜道技術(shù)業(yè)務(wù)用房和雨量觀測場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);水位觀測平臺應(yīng)靠近基本水尺斷面,兩種間距不宜大于3m;水位觀測平臺與纜道測流斷面宜保持3~5m的水平距離。
天臺水文站總體布置為: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應(yīng),位于右岸堤防背水坡腳處;水位臺位于左岸河床邊側(cè),處于纜道測流斷面上游側(cè),由引橋與站區(qū)連接。
天臺水文站為駐測站,采用鉛魚式水文纜道測流,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)計需要確定以下幾個主要的參數(shù)[2_3]:
(1)主索加載垂度計算
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的垂度。垂度過小,裝配拉力大,絞車運用靈活性差;垂度過大,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]。本項目纜道跨度為330m,屬于大跨度纜道,加載垂度按下式計算:
式中,fv為加載垂度(m);L為纜道跨度(m)。
經(jīng)計算,加載垂度fv為9.43m。
(2)塔架設(shè)計高度計算
非通航河流塔架柱的設(shè)計高度≥非通航河流塔架柱的設(shè)計高程-塔架基礎(chǔ)高程。
非通航河流塔架柱的設(shè)計高程≥設(shè)計測洪水位+安全超高(2.5m)+行車懸吊點至吊載儀器底部高度(2.5m)+加載垂度fv(m)。
同時,塔架的設(shè)計高度還應(yīng)滿足游輪、平衡錘在塔架上下移動高度的要求。
天臺水文站纜道塔架頂支架設(shè)計高程≥50.38+2.5+2.5+9.43=64.81m,設(shè)計取值65.00m。
(3)主索的設(shè)計拉力
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)過試算最終確定。
主索的設(shè)計拉力:
設(shè)計拉力必須滿足:KH≤Tj
式中,H為主索的設(shè)計拉力(kN);q為主索單位長度自重(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)計算,天臺水文站選擇主索規(guī)格:6×19+FC~20,公稱抗拉強度1670MPa以上的合成纖維芯鋼絲繩。工作索規(guī)格:6×19+FC~8,公稱抗拉強度1670MPa以上的合成纖維芯鋼絲繩。鉛魚重量250kg。
經(jīng)計算,主索的設(shè)計拉力為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11m,樁頂為1.5m厚承臺,承臺頂高程為48.60m。承臺上為框架結(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。
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,天臺水文站右岸方塊錨設(shè)計尺寸(長×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準值估算[4]。
錨碇的抗滑穩(wěn)定需計算錨碇水平向穩(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)裝備標準》進行測算。本項目纜道技術(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、化驗室等,三層設(shè)置流量觀測房、絞車房、水情報汛房等。
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)計纜道技術(shù)業(yè)務(wù)用房地面高程為51.80m。
除滿足水文測驗功能要求外,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)簡樸大方的形象。
2.3 水位臺
水位觀測設(shè)施根據(jù)《水位觀測標準》選定,觀測井的內(nèi)徑應(yīng)根據(jù)放置儀器數(shù)量多少來確定。水位臺觀測井井底應(yīng)低于設(shè)計最低水位0.5m,測井口應(yīng)高于設(shè)計最高水位0.5m以上[5]。
天臺水文站水位觀測設(shè)施為浮子式水位計、水尺。水文觀測平臺根據(jù)設(shè)計洪水位并考慮到波浪影響綜合確定,設(shè)計水位觀測平臺高程為52.00m。水位觀測井內(nèi)徑為1m,外徑為1.4m,測井內(nèi)底高程42.80m,基礎(chǔ)底高程42.00m。水位觀測井前設(shè)2個沉沙井和1個進水池。歷史最低洪水位為43.56m,本次設(shè)計觀測井底部引水管中心線高程為43.40m,引水管采用υ100不銹鋼管。水位臺引橋?qū)?.5m,長12.5m。
水位臺上游布置1.2m寬水尺觀測踏步,踏步邊緣設(shè)水尺。水尺樁設(shè)置應(yīng)與水面垂直,并高于測站歷年最高、低于測站歷年最低水位0.5m;同一組水尺應(yīng)設(shè)置在同一斷面線上,相鄰兩支水尺觀測范圍應(yīng)有0.2m的重合。
2.4 雨量觀測場
只要建設(shè)場地許可,均應(yīng)建設(shè)標準雨量觀測場;受建設(shè)場地周邊環(huán)境影響,可采用筒式或桿式觀測設(shè)施。設(shè)置雨量器和自記雨量計的項目建設(shè)4m×6m降水觀測場(常用),同時觀測降水蒸發(fā)的項目建設(shè)12m×12m降水、蒸發(fā)觀測場。本項目雨量觀測場尺寸為12m×12m,布置雨量觀測設(shè)施。降水量觀測誤差受風(fēng)的影響最大,因此,觀測場地應(yīng)避開強風(fēng)區(qū)。觀測場周圍應(yīng)不受樹木、建筑物及突變地形的影響,避免不開建筑物和樹木的,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。
觀測場地應(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,觀測場周邊種植植物一般不超過觀測場平臺高程。
2.5 機電及排水系統(tǒng)設(shè)計
天臺水文站為防汛值班、水情監(jiān)測中心、辦公和測驗四位一體工程,按三級負荷供電。主要用電設(shè)備為水文絞車、各類測量儀器與試驗設(shè)備、照明、動力、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)裝備標準[S].
[2] SL622—2014,水文纜道設(shè)計規(guī)范[S].
[3] SL443—2009,水文纜道測驗規(guī)范[S].
[4] JGJ94—2008,建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].
[5] SL384—2007,水位觀測平臺技術(shù)標準[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)計工作。
E_mail:allendxl@126.com