自重式水文纜道在常山縣水文站的設(shè)計應(yīng)用

王培霞

(常山縣水文站，浙江 常山 324200)

1 水文纜道設(shè)計計算

水文纜道的工作原理是:在河流兩岸架設(shè)鋼繩，通過鋼繩運(yùn)送測流設(shè)備進(jìn)行水平和垂直定位的水流速測量，整個水文纜道是一個閉合系統(tǒng)。

常山水文站設(shè)計的主要數(shù)據(jù):

主索直徑:Φ=18.5mm;主索單重:q=1.2180kg/m;牽引索直徑:Φ'=4.0mm;牽引索單重:qx=0.0812kg/m;主索跨度:L=300m;主索載面面積:Fk=1.289cm2;鉛魚重量:P=250kg;行車重量:G=30kg;設(shè)計流速:Va=5.0m/s;設(shè)計風(fēng)速:Vb=30m/s;設(shè)計空載垂度f0=L/100;主索跨度的倒數(shù)A，m-1;集中荷載在岸邊時的彈性模量B，kg/cm2;集中荷載跨中央時彈性模量C，kg/cm2。

主索空載拉力計算:

加載拉力計算:

主索荷載有2種:一種是均布荷載q，承載索單位風(fēng)力W;另一種是集中荷載Pv(垂直荷載)，Pz(水平荷載)，各荷載單位均為kg。

式中:∑PA為水流沖擊力，kg，包括入水鋼絲及鉛魚、流速儀等;∑PB為水上懸索風(fēng)阻力，kg，包括牽引索、行車等。

計算后Pz=117.3+50.6=167.9kg

加載拉力公式為:

(La=30m左岸，Lb=40m右岸，L=300m河寬)

主索彈性模量:Ek=1.3×106kg/cm2

主索載面面積:Fk=1.289cm2

集中荷載位于跨中央時C=3L2［(Pv2+Pz2)/L+qPv+WPz］=2.549155×108kg/cm2

化簡后得H3-4205H2-6.36075×1010=0

解三次方程得加載拉力為:H=5982kg

其它還有纜道支柱地錨穩(wěn)定性重力、柱頂體軸向壓力、牽引索拉力、滑輪阻力等計算。另外還要查閱五金手冊，有水阻、風(fēng)力、鋼繩彈性模數(shù)和安全系數(shù)等20多個參數(shù)。水文纜道運(yùn)行布線見圖1。

圖1 常山水文站開口式纜道布線示意圖

2 水文站設(shè)計建設(shè)

通過纜道計算，采用創(chuàng)新的自重式水文纜道設(shè)計，非自重式和自重式水文纜道見圖2和圖3。

圖2 非自重式水文纜道布設(shè)示意圖

圖3 自重式水文纜道布設(shè)示意圖

從圖2、3中可以看出，自重式水文纜道是用鋼筋混凝土和地錨整體澆注，靠地錨重量使支柱承受拉力 (獲國家專利)，可以在河兩岸見縫插針式的建設(shè)，大大節(jié)約了土地，整體澆注建設(shè)既美觀又方便，改變了過去非自重水文纜道遍地拉線的笨、大、粗、亂的設(shè)計理念和形象，使水文站在號脈江河的同時，也成為江河中的一道靚麗的風(fēng)景線。

常山水文站是錢塘江上游的第一流量控制站，要求按100a一遇測洪能力設(shè)計，相應(yīng)洪水位為80.8m，相應(yīng)流量為8080m3/s，如果按老式纜道設(shè)計，根據(jù)該站的地形地貌，需要在兩岸退后50.0m處建纜道支柱，留出江濱道路，纜道鋼繩長度就要達(dá)到400.0m，拉力為7437kg，再乘3倍的安全系數(shù)，拉力要達(dá)到20多噸，這樣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資就要成倍增加，因此，采用自重式纜道建設(shè)是科學(xué)合理的。為了美觀，常山水文站將纜道支柱結(jié)合纜道房內(nèi)的鋼筋混凝土框架一起建設(shè)，全部包在纜道房里，使粗大的支柱和復(fù)雜的鋼繩走線不裸露在外，纜道房的設(shè)計布局見圖4。

按圖4纜道房上游側(cè)安裝落地玻璃，河道里的漂浮物及洪水情況看得一清二楚，一個人就可以完成洪水測驗。本站還把200kg的鉛魚開入纜道房內(nèi) (纜道房的層高要求3.5m以上)，更換測驗儀器非常方便。經(jīng)過新的設(shè)計，常山水文站建成了全國一流水文站 (見圖5)。

圖4 纜道房平面布設(shè)示意圖

圖5 常山水文站圖

3 技術(shù)經(jīng)驗和效益分析

常山水文站2007年建成投入水文測驗，通過這么多年的大洪水考驗，其設(shè)計建設(shè)是非常成功的，有多方面的技術(shù)經(jīng)驗和效益值得總結(jié)。

(1)常山自重式纜道在河兩岸垂直見縫插針式的建設(shè)，對地形幾乎沒有要求，如果按老的規(guī)范設(shè)計，纜道支柱要有多條拉線，主索鋼繩要跨越400m，現(xiàn)在只要300m，就這一項節(jié)約土地0.2hm2(3畝)以上，按2250多萬元/hm2(150多萬元/畝)計算，直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)450萬元。

(2)按老方法設(shè)計，兩岸鋼繩要跨越江濱道路，測流時來回索如果拉斷會對公路上車輛行人造成安全隱患，現(xiàn)在避開了公路，水文測驗非常安全。

(3)新方法設(shè)計縮短了纜道跨度，減少了測流時間，提高了測洪能力，水文站整體建設(shè)更加便于運(yùn)行維護(hù)和操作安全，節(jié)省人力資源，其運(yùn)行維護(hù)費(fèi)可以節(jié)約2萬元/a左右，長年累加效益較大。

(4)過去纜道要分支柱、地錨、水位臺、纜道房等多塊分散建設(shè)，還有一大堆拉線，非常不美觀，造價也高?，F(xiàn)在整體澆注建設(shè)既美觀又方便，改變了過去水文纜道笨、大、粗的設(shè)計理念和形象，使水文站在號脈江河的同時，也成為江河中的一道靚麗風(fēng)景線。

通過新技術(shù)的應(yīng)用，自重式水文纜道為水文站建設(shè)帶來了巨大的變化，使過去復(fù)雜的水文纜道建設(shè)變得簡單實(shí)用，解決了傳統(tǒng)水文纜道建設(shè)站址選擇要求高、纜道跨度長、占地面積大、懸索垂度大、測驗效率低、安全隱患多等一系列技術(shù)難題。

［1］水利部水文局.SL 443—2009水文纜道測驗規(guī)范 ［S］.北京:中國水利水電出版社，2009.

［2］張正康.自重式水文纜道［P］.中國專利:ZL200920313432.2，2010-07-28.

［3］張正康，俞錫根.浙江水文測驗技術(shù)的發(fā)展與述評 ［C］∥中國水文科技新發(fā)展—2012中國水文學(xué)術(shù)討論會論文集.南京:河海大學(xué)出版社，2012:355-358.