水文纜道設(shè)計(jì)過(guò)程及要點(diǎn)

李維華 ，吉辛望 ，鄭玉峰

（1.河北省唐秦水文水資源勘測(cè)局，河北 唐山 063000；2.海河水利委員會(huì)引灤工程管理局，河北 遷西 064309）

0 引言

隨著水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，新型的水文數(shù)據(jù)采集設(shè)備逐步武裝到基層測(cè)站，提高了數(shù)據(jù)采集的時(shí)效性。但由于受測(cè)驗(yàn)斷面等客觀條件限制，新型的流量測(cè)驗(yàn)設(shè)備在實(shí)際使用中往往存在一定的局限性。如 ADCP 測(cè)流設(shè)備，在不具備過(guò)河建筑物和專用過(guò)河牽引船的情況下，仍需借助纜道承載索做水平運(yùn)行，才能達(dá)到連續(xù)測(cè)量水面流速的目的；又如手持式電波流速儀，在施測(cè)起伏度較小的水面流速時(shí)，測(cè)驗(yàn)誤差會(huì)成倍增大。因此，在當(dāng)前乃至今后一定時(shí)期內(nèi)，水文纜道仍是眾多測(cè)站在搶測(cè)洪水過(guò)程時(shí)不可替代的主要技術(shù)裝備，即傳統(tǒng)的水文纜道測(cè)驗(yàn)設(shè)施仍存在相當(dāng)大的發(fā)展空間。

1 纜道建設(shè)概況

1.1 基本情況

唐秦水文局管轄唐山、秦皇島地區(qū)測(cè)站 18 處，共建有水文纜道 17 處，占主要流量測(cè)驗(yàn)斷面總數(shù)的 94.4 %。其中開(kāi)口式水文纜道 4 處、閉口式 13 處。多數(shù)水文纜道建于 20 世紀(jì) 60～80 年代，運(yùn)行年限最長(zhǎng)的至今已近 50 年，其實(shí)用性的優(yōu)點(diǎn)在防汛和實(shí)時(shí)水文要素采集中得到充分體現(xiàn)，收到了測(cè)取數(shù)據(jù)及時(shí)，測(cè)驗(yàn)精度準(zhǔn)確的效果。

1.2 地貌及斷面特點(diǎn)

建設(shè)水文纜道，需要參照測(cè)站斷面所處河段的地形、地貌及地質(zhì)條件。唐山、秦皇島地區(qū)大致分為山區(qū)、丘陵區(qū)和平原區(qū) 3 個(gè)地貌單元，區(qū)域內(nèi)河流分布有灤河、青龍河、還鄉(xiāng)河等 8 條河流。測(cè)驗(yàn)河段多分布在山區(qū)和丘陵區(qū)。測(cè)驗(yàn)河道 2 岸土質(zhì)多為堅(jiān)實(shí)褐土和山崖，斷面形狀多為窄深型。山區(qū)河流這些特殊的地質(zhì)、地形條件，對(duì)布設(shè)水文纜道而言，保證了在河道 2 岸設(shè)立承載索支架及地錨時(shí)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)時(shí)在保證纜道安全超高前提下，與寬淺型河道相比，降低了 2 岸支架的高度，節(jié)省了建材費(fèi)用。故水文纜道在本地區(qū)得到較好的應(yīng)用。

2 纜道設(shè)計(jì)實(shí)例

設(shè)計(jì)的前期工作重點(diǎn)是實(shí)地勘查，收集現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)資料，包括地形、地貌與地質(zhì)、測(cè)站水文氣象等資料，作為決定纜道總體布置及結(jié)構(gòu)配套的依據(jù)。這里，以桃林口站開(kāi)口式單跨水文纜道設(shè)計(jì)過(guò)程為例，主要介紹有關(guān)承載索、牽引索、支架高度、立式板錨的設(shè)計(jì)方法和計(jì)算過(guò)程。

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

桃林口站位于青龍河下游，屬大河重要控制站。青龍河為灤河最大支流，處于燕山山脈東側(cè)，坡陡流急。水文測(cè)驗(yàn)河段右岸為山腳，左岸為山前臺(tái)地，高水水面寬達(dá) 500 m。根據(jù)大河重要控制站 50 年一遇測(cè)洪建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[1]，確定該站水文纜道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：洪峰流量 10000 m3/s ，最高洪水位 80.00 m（黃?；妫?，最大流速 5.00 m/s，承載索跨度 512 m。

2.2 承載索設(shè)計(jì)

承載索設(shè)計(jì)主要包括垂度、荷載及拉力設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方法主要為依據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，按有關(guān)公式進(jìn)行解析計(jì)算。

1）加載垂度

加載垂度指承載索在各項(xiàng)荷載共同作用下，位于纜道跨度 1/2 處的垂度，計(jì)算公式[2]為：

式中：?v為加載垂度；L 為纜道設(shè)計(jì)跨度。

2）水平負(fù)荷

水平集中荷載由纜道入水懸索、施測(cè)儀器承受的水流沖力組成，計(jì)算公式[2]為：

式中：FZ為水平集中荷載；∑ FA為入水部分索、儀器承受的水流沖力；∑ FB為水上部分索、儀器風(fēng)阻力；vA，vB為水的流速和風(fēng)速，分別取 5.00，10.00 m/s；AA，AB為阻水、擋風(fēng)面積，實(shí)際面積分別為0.05，14.34 m2，擋風(fēng)面積是主副索（承載、循環(huán)、升降索）及行車架實(shí)際擋風(fēng)投影面積之和；ρA，ρB為水和空氣的密度，分別取 102.000，0.125 kg /m3；KA，KB為阻水、阻風(fēng)體型系數(shù)，取 0.8。

按式（2）或（3），求得水平負(fù)荷 Fz= 1 207 (N)。

3）加載拉力

加載拉力計(jì)算公式[2]：

式中：Fs為承載索加載拉力，是加載拉力（F）的水平分量，因 Fs≈ F，故以 Fs代替 F，并稱 Fs為加載拉力；ρι為主索單位長(zhǎng)度自重；Fj為鋼絲繩破斷拉力；L 為纜道設(shè)計(jì)跨度；k 為安全系數(shù)；Fv為垂直集中荷載，由行車架、工作臺(tái)及鉛魚(yú)和部分牽引索的重量組成，計(jì)算中取實(shí)際重量 700 kg。

按式 (4)～(5)，采用迭代法求得 ρι= 2.834 (kg/m)，F(xiàn)s= 140323（N）。

4）承載索型號(hào)確定

取 ρι＝ 2.855 kg/m，計(jì)算值為 2.834 kg/m，為偏安全計(jì)，采用較大的理論值，經(jīng)查 X-t 型鋼絲繩型號(hào)表[3]，確定選用直徑 28 mm，GB371-64（鋼絲 6×7）、公稱抗拉強(qiáng)度 160 kg/mm2的鋼絲繩作為承載索。此類鋼絲繩的破斷拉力 Fj= 454538 N，安全系數(shù) k ＝ 3.2，符合 Fj≥ k Fs的要求。

5）空索垂度

a）承載索單位長(zhǎng)度承受風(fēng)力

承載索單位長(zhǎng)度承受風(fēng)力計(jì)算公式[2]：

式中：ω 為承載索單位長(zhǎng)度承受的風(fēng)力；k0為風(fēng)載體型系數(shù)，取 1.2；d 為承載索直徑；v 為架設(shè)纜道河段設(shè)計(jì)重現(xiàn)期內(nèi) 10 min 平均最大風(fēng)速，取 10.0 m/s；ω0為垂直作用面風(fēng)力。

按式 (6)～(7) 式，求得承載索單位長(zhǎng)度承受的風(fēng)力 ω = 2.1（N/m）。

b）空索拉力

空索拉力計(jì)算公式[2]：

式 (8)～(11) 中：F0為空索拉力；La為左邊跨長(zhǎng)度 42.7 m；Lb為右邊跨長(zhǎng)度 29.0 m；Ek為承載索彈性模量；Ak為承載索截面面積。

按式 (8)～(11) 用迭代法求得空索拉力 F0=125211（N）。

c）空索垂度

空索垂度計(jì)算公式[2]：式中：F0s為空索拉力（F0）的水平分量，因 F0≈ F0s，故以 F0s代替 F0，并稱 F0s為空索拉力；?0為空索垂度。

按式 (12)，求得空索垂度 ?0= 7.33（m）。

2.3 左、右岸支架高度設(shè)計(jì)

左、右岸支架高度設(shè)計(jì)，主要依據(jù)為設(shè)計(jì)洪水位（80.00 m）、設(shè)計(jì)行車架及鉛魚(yú)高度（2.00 m）、設(shè)計(jì)安全超高（2.60 m）及實(shí)測(cè)支架基礎(chǔ)地面高程（左岸 80.50 m，右岸 82.80 m）。

按式 (13)～(14)，分別求得支架頂點(diǎn)高程為 97.40 m，支架左岸高度為 16.70 m，右岸高度為 14.50 m。

2.4 承載索錨碇設(shè)計(jì)

錨體形狀設(shè)計(jì)采用立式混凝土板錨，工程量較小，可有效節(jié)省建材，施工也較簡(jiǎn)便，且成型后抗拔能力較強(qiáng)。立式板錨受力示意圖如圖 1 所示。

圖1 立式板錨受力示意圖

1）錨體尺寸

設(shè)板錨 3 向尺寸分別為 ιa，ιb，hd，入地角為 β。板錨在水平方向上的拉力 Hj由式（15）[2]保證：

式中：G 為錨塊自重；k 為地錨穩(wěn)定安全系數(shù)，取2.5；Ft為錨拉桿設(shè)計(jì)拉力；p1為錨塊后方主動(dòng)土壓力；p2為錨塊前方被動(dòng)土壓力；γ 為土的容重，取 1700 kg/m3；μ 為土壤與混凝土間的摩擦系數(shù)，取 0.45；β 為承載索連接地錨入地角，為偏安全計(jì)，取 β = 30?；β1為土壤計(jì)算抗剪角；ι為錨栓尺寸。

取錨體長(zhǎng)ιa= 2.0 m，埋土層厚度 d1= 1.0 m。按上式，分別求得錨體埋深 d2= 2.8 m，錨體厚 db= 0.65 m，錨體高 hd= 1.8 m。

2）錨桿直徑

錨桿直徑計(jì)算公式[2]：

式中：d 為錨桿直徑；[σ]拉為鋼材允許拉應(yīng)力；F 為錨碇設(shè)計(jì)拉力，F(xiàn) ＝ 140323（N）。

按式 (21)，求得錨桿直徑 d ＝ 34.3 (mm)。為偏安全計(jì)，采用直徑為 45.0 mm 的 2＃圓鋼 (加 10 mm防腐層) 作為承載索的錨桿。

3）錨栓尺寸

錨栓尺寸（見(jiàn)圖 1，長(zhǎng)度為 ι，寬度為 b1）的設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)符合 3 項(xiàng)要求[2]。

a）應(yīng)符合混凝土抗壓的要求：

b）應(yīng)符合混凝土抗剪的要求：

c）應(yīng)符合自身抗彎的要求：

式 (22)～(24) 中：W 為錨栓截面的抗矩，從型鋼表上查得 W＝114.2（cm3）；Lj為混凝土抗剪的長(zhǎng)度，（ ι′ 為錨栓距錨體前方的距離，取45.0 cm）；k1為混凝土承壓安全系數(shù)，取 3.0；[σ壓]為混凝土軸心抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度，取 1030×104N/m2；[σ剪]為混凝土抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度，取 127×104N/m2（約為抗拉強(qiáng)度的 2 倍）；[σ彎]為錨栓抗彎設(shè)計(jì)強(qiáng)度，取 16671×104N/m2。

取錨栓寬 b1＝ 5.3 cm，混凝土選用 150#。將上述參數(shù)分別代入式 (22)～(24) 中，經(jīng)驗(yàn)算得到錨栓長(zhǎng)度的取值范圍為：77.2≤ ι ≤ 108（cm）。最終確定采用截面為 120 mm×53 mm×5.5 mm，長(zhǎng) 80 cm 的槽鋼作為承載索錨碇的錨栓。

4）鋼筋配置

立式板錨鋼筋配置可采用最小配筋率百分比（150#混凝土最小配筋率取 0.10 %）直接計(jì)算橫、縱鋼筋配置截面面積，以此確定鋼筋配置。

取鋼筋網(wǎng)防腐層厚 d ＝10.0 cm ，則板錨去除鋼筋網(wǎng)防腐層后的厚度dd＝db- d＝ 55（cm）。

橫向鋼筋截面面積：0.10 % hddd= 9.90（cm2），則橫向鋼筋配置選用 9 根 Φ12 mm 圓鋼，其總截面面積為 10.18 cm2＞ 9.90 cm2，表明該配置滿足安全性要求。

縱向鋼筋截面面積：0.10 % ιadd= 11.00（cm2），則縱向鋼筋配置選用 10 根 Φ12 mm 圓鋼，其總截面面積為 11.31 cm2＞11.00 cm2，表明該配置滿足安全性要求。

2.5 牽引索設(shè)計(jì)

計(jì)算公式[2]：

式中：Fax為裝配拉力；ρι為每鋼絲繩重量，采用直徑 4.8 mm 的鋼絲繩，ρι= 0.8 N/m ；L 同承載索跨度（512 m）；?x為牽引索空索裝配垂度，同承載索垂度（12.8 m）。

按式 (25)，求得 Fax＝2046（N）。根據(jù)拉力 Fax值，確定鉛魚(yú)設(shè)計(jì)重量為 200 kg，13.4 (m)，此垂度接近承載索垂度。故選用直徑為 4.8 mm，GB355-64（鋼絲 6×19）的鋼絲繩作牽引索。

2.6 纜道建設(shè)及運(yùn)行情況

桃林口站水文纜道建于 1999 年，是監(jiān)測(cè)桃林口水庫(kù)放水過(guò)程的唯一流量測(cè)驗(yàn)設(shè)施。每年的 5 月開(kāi)始運(yùn)行，11 月結(jié)束，運(yùn)行時(shí)間占年度的 58 %，纜道使用率較高。通過(guò)設(shè)備運(yùn)行檢驗(yàn)，該纜道設(shè)計(jì)指標(biāo)合理、運(yùn)行穩(wěn)定，基礎(chǔ)牢固、維修簡(jiǎn)便。纜道建成至今已有 11 年，在此期間施測(cè)流量多為中、低水，通過(guò)測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，該纜道測(cè)取數(shù)據(jù)及時(shí)，信號(hào)傳遞準(zhǔn)確，測(cè)驗(yàn)精度可靠。

3 一般纜道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）當(dāng)纜道跨度大于 300 m 時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用開(kāi)口式，以減小牽引索長(zhǎng)度，降低絞車購(gòu)置費(fèi)用。纜道跨度小于 300 m 時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)可采用閉口式，以便于緊索施工和換索維修。

2）當(dāng)纜道跨度小于 200 m 時(shí)，承載索垂度可取跨度的 1/40～1/50，以減輕纜道運(yùn)行時(shí)在垂直方向上可能出現(xiàn)的顫抖現(xiàn)象。

3）設(shè)計(jì)承載索時(shí)，對(duì)大于 200 m 跨度的纜道，應(yīng)選取 6×7 規(guī)格的鋼絲繩，即選用粗絲規(guī)格的。這是因?yàn)榇纸z鋼繩在使用過(guò)程中，伸展系數(shù)小、耐磨性強(qiáng)。對(duì)小于 200 m 的小跨度纜道，也可將 6×19 規(guī)格的鋼絲繩作為初始計(jì)算依據(jù)。

4）開(kāi)口式纜道的牽引索和起重索是一體裝配的，總重量直接影響垂度。要保證牽引索與承載索的垂度一致，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在保證安全系數(shù)的基礎(chǔ)上，盡量采用計(jì)算值來(lái)選取索的直徑和規(guī)格。

5）閉口式纜道的牽引索和起重索是分立裝配的，故循環(huán)索的垂度是可以隨意調(diào)節(jié)的。為偏安全計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)可選用安全系數(shù)較大的鋼絲繩，即可直接用計(jì)算得的循環(huán)索拉力乘以 3～4 倍的安全系數(shù)，來(lái)確定索的直徑及規(guī)格。

6）計(jì)算支架高度時(shí)，其承載索的安全超高一般采用 2.0～2.5 m。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用設(shè)計(jì)實(shí)例的方法，主要介紹了開(kāi)口式單跨水文纜道的設(shè)計(jì)方法和計(jì)算過(guò)程。合理的水文纜道總體布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)來(lái)源于實(shí)地勘察，水文纜道的測(cè)洪能力來(lái)源于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。故此要做好設(shè)計(jì)工作的前提是“詳盡收集現(xiàn)場(chǎng)資料和制定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”。

[1]水利部水文局. SL276-2002 水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2002: 7.

[2]長(zhǎng)江流域規(guī)劃辦公室水文處.水文纜道[M]. 北京：水利電力出版社，1978: 33-105.

[3]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)聯(lián)合編寫(xiě)組. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（上冊(cè)）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1971: 585.