水位臺(tái)設(shè)計(jì)過程及要點(diǎn)

韋祖紅

(梧州市水文水資源局，廣西 梧州 543002)

水位臺(tái)設(shè)計(jì)過程及要點(diǎn)

韋祖紅

(梧州市水文水資源局，廣西 梧州 543002)

以蒼梧站水位臺(tái)設(shè)計(jì)及計(jì)算過程為例，本著總體布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、主體安全、牢固的理念，對島岸結(jié)合式水位臺(tái)測井、基礎(chǔ)、進(jìn)水渠的設(shè)計(jì)和水位臺(tái)穩(wěn)定性、地基承載力的計(jì)算進(jìn)行解析，并給出一般水位臺(tái)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，收集現(xiàn)場精準(zhǔn)的資料和根據(jù)測站級別制定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是做好水位臺(tái)設(shè)計(jì)工作的前提。

水位臺(tái)；設(shè)計(jì)；計(jì)算

隨著水位觀測設(shè)備與技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，水文站實(shí)現(xiàn)水位信息自動(dòng)采集和傳輸，提高了水位數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)臅r(shí)效性。水位計(jì)是觀測水位的主要設(shè)備，由于受水流、風(fēng)浪、氣溫、水面漂浮物等客觀條件限制，各種水位計(jì)在實(shí)際使用中存在一定的局限性。如壓力式水位計(jì)，傳感器的零點(diǎn)高程不能因水流和風(fēng)浪的影響而發(fā)生變化；如雷達(dá)水位計(jì)，水面有漂浮物時(shí)測不到真實(shí)水位，枯水河底暴露時(shí)不易判斷是否為真實(shí)水位；又如超聲波水位計(jì)，超聲波在空氣中轉(zhuǎn)播衰減很快，聲速還受氣溫影響；再如浮子式水位計(jì)，需建設(shè)自記水位井，即水位臺(tái)，但浮子式水位計(jì)具有技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、故障少且容易處理、維護(hù)簡單方便的特點(diǎn)。浮子式水位計(jì)不易受外界條件影響，適用范圍廣，是我國應(yīng)用最多的水位計(jì)。因此，在當(dāng)前和未來一定時(shí)期內(nèi)，水位臺(tái)仍是觀測水位的主要設(shè)施，新建或改建水位臺(tái)仍存在很大的發(fā)展空間。

1 水位臺(tái)建設(shè)概況

1.1 基本情況

梧州市水文水資源局管轄33處水文(位)站，共建有水位臺(tái)31座，占總數(shù)的93.9%，其中西江中下游洪水預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)改建5座、“十一五”期間新建或重建6座、“十二五”期間新建20座。水位臺(tái)對保證水位觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性發(fā)揮了重要作用，其優(yōu)點(diǎn)和作用在防汛和實(shí)時(shí)水位監(jiān)測中得到充分體現(xiàn)。

1.2 斷面特點(diǎn)

建設(shè)水位臺(tái)，需從測站斷面所處河段的地形、地質(zhì)條件和測站的防洪、測洪標(biāo)準(zhǔn)等因素考慮。梧州轄區(qū)多為山區(qū)和丘陵區(qū)地貌，區(qū)域內(nèi)河流分布主要有西江、潯江、桂江、濛江、黃華江、北流河、義昌河、長行水等8條河流。根據(jù)山區(qū)河流特殊的地質(zhì)、地形條件和水位變幅情況，水位臺(tái)的布置形式多為島岸結(jié)合式。根據(jù)斷面特點(diǎn)，在滿足水位觀測的情況下，選擇投資較少、便于施工和使用的位置布置水位臺(tái)測井。

2 水位臺(tái)設(shè)計(jì)

水位臺(tái)設(shè)計(jì)前期工作的重點(diǎn)是現(xiàn)場實(shí)地勘察，收集有關(guān)資料，包括地形、地質(zhì)、水文氣象特征和水力條件等資料，作為決定水位臺(tái)的布置形式、測井的布置位置以及進(jìn)水渠和觀測橋等建設(shè)的依據(jù)。水位臺(tái)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：水位臺(tái)滿足測洪和防洪要求；測井垂直，測井內(nèi)截面尺寸滿足安裝所使用的浮子式水位計(jì)；測井和基礎(chǔ)安全、穩(wěn)定；進(jìn)水渠不易堵塞且清淤方便。建議如下。

① 當(dāng)測井四周地質(zhì)條件較差時(shí)，應(yīng)在測井外側(cè)建擋土墻及護(hù)坡，以保證水位臺(tái)穩(wěn)定性和抵抗沖刷能力。

② 當(dāng)斷面較為平坦或?yàn)┑剌^低時(shí)，測井應(yīng)設(shè)置在靠近平常水位邊的位置，以減短進(jìn)水渠的長度，減少清淤工作。

③ 當(dāng)斷面邊坡較陡且基礎(chǔ)埋深超過5 m時(shí)，測井設(shè)置位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離陡坡，避免基坑開挖引起邊坡塌方。

④ 當(dāng)測井位置在平常水位以下有1.0 m以上厚砂層時(shí)，應(yīng)更換測井位置，避免施工時(shí)遇到流砂、透水等情況，影響工期和投資。

以蒼梧水文站島岸結(jié)合式水位臺(tái)設(shè)計(jì)為例，主要介紹測井布置位置的選擇，測井、基礎(chǔ)、進(jìn)水渠的設(shè)計(jì)及水位臺(tái)穩(wěn)定性、地基承載力的計(jì)算。

水位臺(tái)由①基礎(chǔ)、②測井、③進(jìn)水渠、④沉沙池、⑤觀測橋、⑥橋墩、⑦儀器房等組成(見圖1)。

圖1 水位臺(tái)設(shè)計(jì)示意(單位：高程m，尺寸mm)

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

蒼梧站位于潯江，潯江屬于珠江流域西江水系，集水面積為309 586 km2，屬大河一般控制站，為1類水文站。100 年一遇水位27.82 m(85基面，下同)，歷史最低水位為2.20 m，防洪堤頂高程為28.10 m，根據(jù)大河一般控制站100 年一遇測洪標(biāo)準(zhǔn)[1]確定該站水位臺(tái)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：測井平臺(tái)高程為28.60 m，測井底高程為1.7 m，進(jìn)水渠底高程為2.0 m，最大流速為3.4 m/s。

2.2 選擇測井位置

由于大斷面地形較陡，且已建有防洪堤、護(hù)坡和擋土墻；擬建測井范圍高程1.0 m以上都是防洪堤施工時(shí)開挖出來的泥和黑泥，須開挖的基坑深度超過5 m；測井井身高，即從基礎(chǔ)頂面至平臺(tái)高26.6 m，水對測井的傾覆力矩很大；斷面處在廣西長洲水利樞紐下游3 km，在西江航運(yùn)干線上，潯江為Ⅰ級航道，且有很多大型貨運(yùn)船通過。從基礎(chǔ)開挖的深度及抵抗沖刷能力、測井的穩(wěn)定性和斷面處通航能力等方面考慮，水位臺(tái)測井位置選擇在已建護(hù)坡底部、擋土墻內(nèi)側(cè)，見圖1。然后根據(jù)測井位置進(jìn)行基礎(chǔ)、進(jìn)水渠、觀測橋及橋墩的布置和設(shè)計(jì)。

2.3 水位臺(tái)穩(wěn)定性

水位臺(tái)穩(wěn)定性與基礎(chǔ)底面尺寸及高度、測井外徑和高度有關(guān)，還與基礎(chǔ)埋深、風(fēng)和水沖擊荷載等因素有關(guān)。影響水位臺(tái)穩(wěn)定性的荷載主要有：測井和儀器房的浮重，基礎(chǔ)及其臺(tái)階上方土的浮重，風(fēng)和水沖力荷載。

2.3.1 測井

測井結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆C 25鋼筋混凝土，測井井壁垂直，測井截面為圓形，測井內(nèi)安裝1臺(tái)浮子式水位計(jì)，內(nèi)徑為1.5 m；從測井底至高程11.0 m，測井外徑為2.4 m，壁厚為0.45 m，在高程11.0 m以上，外徑為2.0 m，壁厚為0.25 m；測井底設(shè)清淤設(shè)施，即測井底比進(jìn)水渠底低0.3 m；測井平臺(tái)為梁、板結(jié)構(gòu)，平臺(tái)梁即儀器房的基礎(chǔ)梁，見圖1。作用于測井的各種荷載計(jì)算如下。

1) 水沖擊荷載

水沖擊荷載即水對測井的作用力，其標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算公式[1]為：

(1)

式中 P0為水沖擊荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN； Kω為水阻力系數(shù)，圓形截面取0.8； ρ為水的密度系數(shù)，取1.0t/m3； F為測井井身每米高度的阻水面積,經(jīng)計(jì)算為2.0m2； V0為測井井身處最大水面流速，經(jīng)調(diào)查，取3.4m/s； h為測井出土面至水面的高度，經(jīng)計(jì)算為19.09m。

由式(1)代入，求得水沖力荷載標(biāo)準(zhǔn)值P0=141.2kN。

2) 風(fēng)荷載和風(fēng)沖擊荷載

垂直作用于水面以上測井和儀器房的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值和風(fēng)沖擊力荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式[1]為：

ωk=βzusuzω0

(2)

P1=ωks

(3)

式中ωk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；βz為z高處的風(fēng)振系數(shù)，經(jīng)計(jì)算得1.85；us為風(fēng)荷載體型系數(shù)，經(jīng)查表計(jì)算得2.4；uz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，查表得1.72；ω0為基本風(fēng)壓，查表得0.35 kN/m2；P1為風(fēng)沖擊力荷載標(biāo)準(zhǔn)值；s為水面以上測井和儀器房的阻風(fēng)面積，經(jīng)計(jì)算得14.62 m2。

由式(2)(3)代入，求得風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值ωk=2.67 kN/m2，風(fēng)沖擊荷載標(biāo)準(zhǔn)值P1=39.04 kN。

3) 測井和儀器房的自重

由于觀測橋與測井搭接為活接，計(jì)算水位臺(tái)穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)不計(jì)橋的自重。經(jīng)計(jì)算，測井和儀器房的自重N=1 591 kN，遇百年一遇洪水時(shí)，測井的浮力F1=473.2 kN，測井和儀器房的浮重N′=N-F1=1 117.8 kN。

2.3.2 基礎(chǔ)

水位臺(tái)基礎(chǔ)不僅要滿足自身的結(jié)構(gòu)要求，基礎(chǔ)基底尺寸和埋深還應(yīng)滿足穩(wěn)定性、地基承載力和抵抗沖刷的要求。基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆C 30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)長(l)×寬(b)×高(a)為：6.0 m×4.6 m×2.1 m，其中基礎(chǔ)墊層0.1 m，基礎(chǔ)埋深d=8.83 m。基礎(chǔ)及其臺(tái)階上土受到的自重力和浮重力計(jì)算公式[2]為：

G=AdγG

(4)

(5)

由式(4)(5)代入，求得重力G=4 874.2kN，浮重力G′=2 437.1kN。

2.3.3 計(jì)算安全系數(shù)

1) 計(jì)算力矩。水位臺(tái)的穩(wěn)定力矩為：基礎(chǔ)和基礎(chǔ)上方土的浮重力力矩+測井和儀器房的浮重力力矩。水位臺(tái)最不利的荷載組合為水沖力荷載+水風(fēng)沖力荷載，因此，最大傾覆力矩為：水沖力力矩+風(fēng)沖力力矩。水位臺(tái)的穩(wěn)定力矩和傾覆力矩計(jì)算示意見圖2。

圖2 水位臺(tái)的穩(wěn)定力矩和傾覆力矩計(jì)算示意

2) 計(jì)算K穩(wěn)。水位臺(tái)穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式[1]為：

(6)

式中K穩(wěn)為抗傾覆安全系數(shù)；M穩(wěn)為穩(wěn)定力矩；M傾為傾覆力矩。

水位臺(tái)穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算過程及結(jié)果見表1。

表1 水位臺(tái)穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，K穩(wěn)=2.70≥2.5，水位臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)滿足穩(wěn)定性的要求。

2.4 水位臺(tái)承載力

2.4.1 地基承載力

地基承載力除了與土的性質(zhì)有關(guān)外，還與基礎(chǔ)底面尺寸和埋深等因素有關(guān)，當(dāng)基底寬度大于3 m或埋深大于0.5 m時(shí)，根據(jù)地質(zhì)資料獲知的地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，按式(7)[2]進(jìn)行寬度或深度修正：

f=fk+ηbγ(b-3)+ηdγ0(d-0.5)

(7)

式中f為地基承載力設(shè)計(jì)值，kPa；fk為地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，查地質(zhì)資料得150 kPa；ηb、ηd分別為基礎(chǔ)寬度和埋深的承載力修正系數(shù)，按基底下土類查表確定，經(jīng)查表，ηb為0，ηd為1.2；b為基礎(chǔ)底面寬度為4.6 m；γ0為在歷史最低水位時(shí)，基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，取17 kN/m3；在100年一遇水位時(shí)，基礎(chǔ)底面以上土的浮重度，取9 kN/m3；d為基礎(chǔ)埋置深度，為8.83 m。

由式(7)代入，求得當(dāng)出現(xiàn)歷史最低水位和100 年一遇水位時(shí)，地基承載力設(shè)計(jì)值分別為f=320 kPa和f′=240 kPa。

2.4.2 基礎(chǔ)底面壓力

2.8嚴(yán)格執(zhí)行交接班制度,晨會(huì)交班、不同班組的交接班、與臨床科室的交接、與外來器械的交接、滅菌消毒流程中各環(huán)節(jié)的交接過程中,進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)問題、不斷完善,做到和諧、有序、銜接。

1) 在歷史最低水位時(shí)，基礎(chǔ)底面處的壓力設(shè)計(jì)值計(jì)算公式[2]為：

(8)

式中 P為基礎(chǔ)底面處的平均壓力設(shè)計(jì)值，kPa；N為測井和儀器房的自重力，1 591kN；G為基礎(chǔ)及其臺(tái)階上土受到的重力，4 874.2kN；A為基底面積，27.6m2；

由式(8)代入，求得基底處的壓力設(shè)計(jì)值P=234kPa。

2) 出現(xiàn)100 年一遇水位時(shí)，基礎(chǔ)底面處的壓力設(shè)計(jì)值和基礎(chǔ)底面邊緣的最大壓力設(shè)計(jì)值計(jì)算公式[2]分別如下：

(9)

(10)

由式(9) (10)代入，求得P=129 kPa，Pmax=272 kPa。

2.4.3 驗(yàn)算地基承載力

P≤f

(11)

經(jīng)計(jì)算，P=234，f=320，滿足公式P≤f的要求。

2) 考慮軸心荷載和偏心荷載作用。遇100 年一遇水位時(shí)，水位臺(tái)基底壓力需同時(shí)考慮軸心荷載和偏心荷載的作用，需同時(shí)滿足以下2個(gè)公式[1]：

P′≤f′和Pmax≤1.2f′

經(jīng)計(jì)算P′=129，f′=240，Pmax=272，1.2f′=288，都滿足公式P′≤f′和Pmax≤1.2f′的要求。

3) 經(jīng)驗(yàn)算，不管是出現(xiàn)歷史最低水位還是遇100 年一遇水位，水位臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)都滿足地基承載力的要求。

2.5 進(jìn)水渠

測井、進(jìn)水渠淤積是無法避免的，尤其是在多砂河流，其淤積更加嚴(yán)重，因此，設(shè)計(jì)進(jìn)水渠時(shí)，不僅要能觀測到最低水位，還應(yīng)不易進(jìn)淤泥和方便清理淤泥。蒼梧站進(jìn)水渠為水平式，其橫截面為方形，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(見圖1)。

1) 確定進(jìn)水渠的長度和內(nèi)橫截面的尺寸。進(jìn)水渠外口(進(jìn)水渠入水口)需到有水流速的位置，避免垃圾和泥砂自然停留在進(jìn)水渠口，引起進(jìn)水渠堵塞。根據(jù)現(xiàn)場地形和水流情況，確定進(jìn)水渠長為23.1 m，凈高為1.5 m，進(jìn)寬為0.7 m，進(jìn)水渠內(nèi)口(測井入水口)寬和高為0.2 m×0.6 m。最外邊的那段進(jìn)水渠蓋板全部為活動(dòng)蓋板，以方便掀開并清理淤泥(見圖1)。

2) 沉砂池的設(shè)置。進(jìn)水渠中間設(shè)2個(gè)沉砂池，沉砂池底比進(jìn)水渠底低0.5 m，其入口高出地面0.5 m，入口蓋活動(dòng)蓋板，沉砂池兼為檢修豎井(見圖1)。

2.6 建設(shè)和運(yùn)行情況

蒼梧水文站項(xiàng)目是廣西防洪重要城鎮(zhèn)水文測報(bào)工程，該站是潯江的控制站，是廣西長洲水利樞紐下游的第1個(gè)水文監(jiān)測站，該水位臺(tái)是梧州局管轄的31座水位臺(tái)中最高的1座。該站的投入使用，填補(bǔ)了蒼梧縣城沒有水文站的空白。該水位臺(tái)從2012年3月投入運(yùn)行至今，經(jīng)過4 a多的時(shí)間檢驗(yàn)，水位臺(tái)的總體布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理；測井和基礎(chǔ)安全、穩(wěn)定，水位臺(tái)未發(fā)現(xiàn)傾斜；雖然長洲水利樞紐產(chǎn)生的水沖力很大，但有護(hù)坡和擋土墻的保護(hù)，測井和基礎(chǔ)未發(fā)現(xiàn)被沖刷現(xiàn)象；測井內(nèi)和進(jìn)水渠不易堵塞且清淤方便，水位觀測數(shù)據(jù)滿足精度要求。

3 結(jié)語

以蒼梧站水位臺(tái)設(shè)計(jì)為例，推導(dǎo)出島岸結(jié)合式水位臺(tái)測井、基礎(chǔ)、進(jìn)水渠的設(shè)計(jì)和水位臺(tái)穩(wěn)定性、地基承載力的計(jì)算過程。從中發(fā)現(xiàn)實(shí)地勘察是合理的水位臺(tái)總體布局及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)決定水位臺(tái)的測洪和防洪能力。因此，收集現(xiàn)場精準(zhǔn)的資料和根據(jù)測站級別制定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是做好水位臺(tái)設(shè)計(jì)工作的前提。

[1] 水位觀測平臺(tái)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：SL 384—2007[S].

[2] 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50007—2011[S].

(本文責(zé)任編輯 王瑞蘭)

Water Table Design and Key Points

WEI Zuhong

(Wuzhou Hydrology and Water Resources Bureau，Wuzhou 543002，China)

Taking Wucang station water station as an example, the design and calculation process in line with the reasonable overall layout and structural design, the main body safety and the fastness, analysis and introduction are carried out on the island shore combination water logging, foundation and entrance channel design, also the bearing capacity calculation of parsing. And design points of the water table are presented. At last, the precise site information collection and water level design standards are the premise of design work.

water table; design; calculate

2016-11-25;

2016-12-08

韋祖紅(1980)，男，本科，工程師，從事水文測驗(yàn)設(shè)施建設(shè)和水文監(jiān)測工作。

P336

：B

：1008-0112(2016)012-0026-04