水文纜道設(shè)計(jì)過程及要點(diǎn)

水文纜道設(shè)計(jì)過程及要點(diǎn)李維華;吉辛望;鄭玉峰【摘要】以桃林口站水文纜道設(shè)計(jì)過程為例,本著經(jīng)濟(jì)合理、方便適用的原則，對開口式單跨水文纜道的承載索、牽引索、支架、地錨的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分項(xiàng)解析介紹，包括設(shè)計(jì)公式選用、數(shù)據(jù)計(jì)算、各種參數(shù)的確定,并給出一般水文纜道的設(shè)計(jì)要點(diǎn).【期刊名稱】《水利信息化》【年(卷)，期】2011(000)001【總頁數(shù)】5頁(P44-47,64)【關(guān)鍵詞】水文纜道;設(shè)計(jì);荷載;安全系數(shù)【作者】李維華;吉辛望;鄭玉峰【作者單位】河北省唐秦水文水資源勘測局，河北唐山063000;海河水利委員會(huì)引灤工程管理局，河北遷西064309;河北省唐秦水文水資源勘測局，河北唐山063000【正文語種】中文【中圖分類】P3350引言隨著水文測驗(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站，提高了數(shù)據(jù)采集的時(shí)效性。但由于受測驗(yàn)斷面等客觀條件限制，新型的流量測驗(yàn)設(shè)備在實(shí)際使用中往往存在一定的局限性。如ADCP測流設(shè)備，在不具備過河建筑物和專用過河牽引船的情況下，仍需借助纜道承載索做水平運(yùn)行，才能達(dá)到連續(xù)測量水面流速的目的；又如手持式電波流速儀，在施測起伏度較小的水面流速時(shí)，測驗(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站在搶測洪水過程時(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)測站18處，共建有水文纜道17處，占主要流量測驗(yàn)斷面總數(shù)的94.4%。其中開口式水文纜道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)，收到了測取數(shù)據(jù)及時(shí)，測驗(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。測驗(yàn)河段多分布在山區(qū)和丘陵區(qū)。測驗(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)場有關(guān)資料，包括地形、地貌與地質(zhì)、測站水文氣象等資料，作為決定纜道總體布置及結(jié)構(gòu)配套的依據(jù)。這里，以桃林口站開口式單跨水文纜道設(shè)計(jì)過程為例，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。水文測驗(yàn)河段右岸為山腳，左岸為山前臺地，高水水面寬達(dá)500m。根據(jù)大河重要控制站50年一遇測洪建設(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10000m3/s，最高洪水位80.00m（黃?；妫?，最大流速5.00m/s，承載索跨度512m。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：fv為加載垂度；L為纜道設(shè)計(jì)跨度。取下界值即纜道在整個(gè)運(yùn)行過程中，最低點(diǎn)應(yīng)不低于纜道支架頂點(diǎn)12.8m。2） 水平負(fù)荷水平集中荷載由纜道入水懸索、施測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；，F(xiàn)A為入水部分索、儀器承受的水流沖力；，F(xiàn)B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5.00,10.00m/s;AA,AB為阻水、擋風(fēng)面積，實(shí)際面積分別為0.05,14.34m2，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；pA,pB為水和空氣的密度，分別取102.000,0.125kg/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=1207(N)。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必F,故以Fs代替「，并稱Fs為加載拉力；pi為主索單位長度自重；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、工作臺及鉛魚和部分牽弓I索的重量組成，計(jì)算中取實(shí)際重量700kg。按式⑷~(5),采用迭代法求得pi=2.834(kg/m),Fs=140323(N)。承載索型號確定取pi=2.855kg/m，計(jì)算值為2.834kg/m，為偏安全計(jì)，采用較大的理論值，經(jīng)查X-t型鋼絲繩型號表［3］，確定選用直徑28mm,GB371-64(鋼絲6x7)、公稱抗拉強(qiáng)度160kg/mm2的鋼絲繩作為承載索。此類鋼絲繩的破斷拉力Fj=454538N，安全系數(shù)k=3.2,符合Fj>kFs的要求?？账鞔苟瘸休d索單位長度承受風(fēng)力承載索單位長度承受風(fēng)力計(jì)算公式［2］:式中：3為承載索單位長度承受的風(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)10min平均最大風(fēng)速，取10.0m/s；30為垂直作用面風(fēng)力。按式(6)~(7)式，求得承載索單位長度承受的風(fēng)力3=2.1(N/m)。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為左邊跨長度42.7m;Lb為右邊跨長度29.0m；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)?？账鞔苟瓤账鞔苟扔?jì)算公式[2]:式中：F0s為空索拉力(F0)的水平分量，因F0必F0s,故以F0s代替F0，并稱F0s為空索拉力；f0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(80.00m)、設(shè)計(jì)行車架及鉛魚高度(2.00m)、設(shè)計(jì)安全超高(2.60m)及實(shí)測支架基礎(chǔ)地面高程(左岸80.50m,右岸82.80m)。按式(13)~(14),分別求得支架頂點(diǎn)高程為97.40m，支架左岸高度為16.70m,右岸高度為14.50m。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錨體尺寸設(shè)板錨3向尺寸分別為ia,ib,hd,入地角為禺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；Y為土的容重，取1700kg/m3；p為土壤與混凝土間的摩擦系數(shù)，取0.45邙為承載索連接地錨入地角，為偏安全計(jì)，取B=30o；pi為土壤計(jì)算抗剪角；i為錨栓尺寸。取錨體長ia=2.0m,埋土層厚度di=1.0m。按上式，分別求得錨體埋深d2=2.8m，錨體厚db=0.65m，錨體高h(yuǎn)d=1.8m。錨桿直徑錨桿直徑計(jì)算公式［2］:式中：d為錨桿直徑；［。］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45.0mm的2#圓鋼伽10mm防腐層)作為承載索的錨桿。錨栓尺寸錨栓尺寸(見圖1,長度為I,寬度為b1)的設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)符合3項(xiàng)要求［2］。應(yīng)符合混凝土抗壓的要求：應(yīng)符合混凝土抗剪的要求：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為混凝土抗剪的長度，(I’為錨栓距錨體前方的距離，取45.0cm)；k1為混凝土承壓安全系數(shù)，取3.0;［。壓］為混凝土軸心抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度，取1030x104N/m2;［。剪］為混凝土抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度，取127x104N/m2(約為抗拉強(qiáng)度的2倍)；［。彎］為錨栓抗彎設(shè)計(jì)強(qiáng)度，取16671x104N/m2。取錨栓寬b1=5.3cm，混凝土選用150#。將上述參數(shù)分別代入式(22)~(24)中，經(jīng)驗(yàn)算得到錨栓長度的取值范圍為：77.2<i<108(cm)。最終確定采用截面為120mmx53mmx5.5mm,長80cm的槽鋼作為承載索錨碇的錨栓。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=10.0cm，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①12mm圓鋼，其總截面面積為10.18cm2>9.90cm2，表明該配置滿足安全性要求。縱向鋼筋截面面積：0.10%iadd=11.00(cm2)，則縱向鋼筋配置選用10根饑2mm圓鋼，其總截面面積為11.31cm2>11.00cm2，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；pi為每鋼絲繩重量，采用直徑4.8mm的鋼絲繩，pi=0.8N/m;L同承載索跨度(512m);fx為牽引索空索裝配垂度，同承載索垂度(12.8m)。按式(25)，求得Fax=2046(N)o根據(jù)拉力Fax值，確定鉛魚設(shè)計(jì)重量為200kg,13.4（m）,此垂度接近承載索垂度。故選用直徑為4.8mm,GB355-64（鋼絲6x19）的鋼絲繩作牽弓I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)測桃林口水庫放水過程的唯一流量測驗(yàn)設(shè)施。每年的5月開始運(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、維修簡便。纜道建成至今已有11年，在此期間施測流量多為中、低水，通過測驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，該纜道測取數(shù)據(jù)及時(shí)，信號傳遞準(zhǔn)確，測驗(yàn)精度可靠。3—般纜道設(shè)計(jì)要點(diǎn)1）當(dāng)纜道跨度大于300m時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用開口式，以減小牽引索長度，降低絞車購置費(fèi)用。纜道跨度小于300m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200m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)，對大于200m跨度的纜道，應(yīng)選取6x7規(guī)格的鋼絲繩，即選用粗絲規(guī)格的。這是因?yàn)榇纸z鋼繩在使用過程中，伸展系數(shù)小、耐磨性強(qiáng)。對小于200m的小跨度纜道，也可將6x19規(guī)格的鋼絲繩作為初始計(jì)算依據(jù)。4） 開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2.0~2.5m。4結(jié)語本文采用設(shè)計(jì)實(shí)例的方法，主要