水文缆道设计过程及要点

李维华 ，吉辛望 ，郑玉峰

（1.河北省唐秦水文水资源勘测局，河北 唐山 063000；2.海河水利委员会引滦工程管理局，河北 迁西 064309）

0 引言

随着水文测验技术的不断发展和更新，新型的水文数据采集设备逐步武装到基层测站，提高了数据采集的时效性。但由于受测验断面等客观条件限制，新型的流量测验设备在实际使用中往往存在一定的局限性。如 ADCP 测流设备，在不具备过河建筑物和专用过河牵引船的情况下，仍需借助缆道承载索做水平运行，才能达到连续测量水面流速的目的；又如手持式电波流速仪，在施测起伏度较小的水面流速时，测验误差会成倍增大。因此，在当前乃至今后一定时期内，水文缆道仍是众多测站在抢测洪水过程时不可替代的主要技术装备，即传统的水文缆道测验设施仍存在相当大的发展空间。

1 缆道建设概况

1.1 基本情况

唐秦水文局管辖唐山、秦皇岛地区测站 18 处，共建有水文缆道 17 处，占主要流量测验断面总数的 94.4 %。其中开口式水文缆道 4 处、闭口式 13 处。多数水文缆道建于 20 世纪 60～80 年代，运行年限最长的至今已近 50 年，其实用性的优点在防汛和实时水文要素采集中得到充分体现，收到了测取数据及时，测验精度准确的效果。

1.2 地貌及断面特点

建设水文缆道，需要参照测站断面所处河段的地形、地貌及地质条件。唐山、秦皇岛地区大致分为山区、丘陵区和平原区 3 个地貌单元，区域内河流分布有滦河、青龙河、还乡河等 8 条河流。测验河段多分布在山区和丘陵区。测验河道 2 岸土质多为坚实褐土和山崖，断面形状多为窄深型。山区河流这些特殊的地质、地形条件，对布设水文缆道而言，保证了在河道 2 岸设立承载索支架及地锚时基础的稳定性；设计时在保证缆道安全超高前提下，与宽浅型河道相比，降低了 2 岸支架的高度，节省了建材费用。故水文缆道在本地区得到较好的应用。

2 缆道设计实例

设计的前期工作重点是实地勘查，收集现场有关资料，包括地形、地貌与地质、测站水文气象等资料，作为决定缆道总体布置及结构配套的依据。这里，以桃林口站开口式单跨水文缆道设计过程为例，主要介绍有关承载索、牵引索、支架高度、立式板锚的设计方法和计算过程。

2.1 设计标准

桃林口站位于青龙河下游，属大河重要控制站。青龙河为滦河最大支流，处于燕山山脉东侧，坡陡流急。水文测验河段右岸为山脚，左岸为山前台地，高水水面宽达 500 m。根据大河重要控制站 50 年一遇测洪建设标准[1]，确定该站水文缆道设计标准：洪峰流量 10000 m3/s ，最高洪水位 80.00 m（黄海基面），最大流速 5.00 m/s，承载索跨度 512 m。

2.2 承载索设计

承载索设计主要包括垂度、荷载及拉力设计。设计方法主要为依据设计标准，按有关公式进行解析计算。

1）加载垂度

加载垂度指承载索在各项荷载共同作用下，位于缆道跨度 1/2 处的垂度，计算公式[2]为：

式中：ƒv为加载垂度；L 为缆道设计跨度。

2）水平负荷

水平集中荷载由缆道入水悬索、施测仪器承受的水流冲力组成，计算公式[2]为：

式中：FZ为水平集中荷载；∑ FA为入水部分索、仪器承受的水流冲力；∑ FB为水上部分索、仪器风阻力；vA，vB为水的流速和风速，分别取 5.00，10.00 m/s；AA，AB为阻水、挡风面积，实际面积分别为0.05，14.34 m2，挡风面积是主副索（承载、循环、升降索）及行车架实际挡风投影面积之和；ρA，ρB为水和空气的密度，分别取 102.000，0.125 kg /m3；KA，KB为阻水、阻风体型系数，取 0.8。

按式（2）或（3），求得水平负荷 Fz= 1 207 (N)。

3）加载拉力

加载拉力计算公式[2]：

式中：Fs为承载索加载拉力，是加载拉力（F）的水平分量，因 Fs≈ F，故以 Fs代替 F，并称 Fs为加载拉力；ρι为主索单位长度自重；Fj为钢丝绳破断拉力；L 为缆道设计跨度；k 为安全系数；Fv为垂直集中荷载，由行车架、工作台及铅鱼和部分牵引索的重量组成，计算中取实际重量 700 kg。

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

4）承载索型号确定

取 ρι＝ 2.855 kg/m，计算值为 2.834 kg/m，为偏安全计，采用较大的理论值，经查 X-t 型钢丝绳型号表[3]，确定选用直径 28 mm，GB371-64（钢丝 6×7）、公称抗拉强度 160 kg/mm2的钢丝绳作为承载索。此类钢丝绳的破断拉力 Fj= 454538 N，安全系数 k ＝ 3.2，符合 Fj≥ k Fs的要求。

5）空索垂度

a）承载索单位长度承受风力

承载索单位长度承受风力计算公式[2]：

式中：ω 为承载索单位长度承受的风力；k0为风载体型系数，取 1.2；d 为承载索直径；v 为架设缆道河段设计重现期内 10 min 平均最大风速，取 10.0 m/s；ω0为垂直作用面风力。

按式 (6)～(7) 式，求得承载索单位长度承受的风力 ω = 2.1（N/m）。

b）空索拉力

空索拉力计算公式[2]：

式 (8)～(11) 中：F0为空索拉力；La为左边跨长度 42.7 m；Lb为右边跨长度 29.0 m；Ek为承载索弹性模量；Ak为承载索截面面积。

按式 (8)～(11) 用迭代法求得空索拉力 F0=125211（N）。

c）空索垂度

空索垂度计算公式[2]：式中：F0s为空索拉力（F0）的水平分量，因 F0≈ F0s，故以 F0s代替 F0，并称 F0s为空索拉力；ƒ0为空索垂度。

按式 (12)，求得空索垂度 ƒ0= 7.33（m）。

2.3 左、右岸支架高度设计

左、右岸支架高度设计，主要依据为设计洪水位（80.00 m）、设计行车架及铅鱼高度（2.00 m）、设计安全超高（2.60 m）及实测支架基础地面高程（左岸 80.50 m，右岸 82.80 m）。

按式 (13)～(14)，分别求得支架顶点高程为 97.40 m，支架左岸高度为 16.70 m，右岸高度为 14.50 m。

2.4 承载索锚碇设计

锚体形状设计采用立式混凝土板锚，工程量较小，可有效节省建材，施工也较简便，且成型后抗拔能力较强。立式板锚受力示意图如图 1 所示。

图1 立式板锚受力示意图

1）锚体尺寸

设板锚 3 向尺寸分别为 ιa，ιb，hd，入地角为 β。板锚在水平方向上的拉力 Hj由式（15）[2]保证：

式中：G 为锚块自重；k 为地锚稳定安全系数，取2.5；Ft为锚拉杆设计拉力；p1为锚块后方主动土压力；p2为锚块前方被动土压力；γ 为土的容重，取 1700 kg/m3；µ 为土壤与混凝土间的摩擦系数，取 0.45；β 为承载索连接地锚入地角，为偏安全计，取 β = 30˚；β1为土壤计算抗剪角；ι为锚栓尺寸。

取锚体长ιa= 2.0 m，埋土层厚度 d1= 1.0 m。按上式，分别求得锚体埋深 d2= 2.8 m，锚体厚 db= 0.65 m，锚体高 hd= 1.8 m。

2）锚杆直径

锚杆直径计算公式[2]：

式中：d 为锚杆直径；[σ]拉为钢材允许拉应力；F 为锚碇设计拉力，F ＝ 140323（N）。

按式 (21)，求得锚杆直径 d ＝ 34.3 (mm)。为偏安全计，采用直径为 45.0 mm 的 2＃圆钢 (加 10 mm防腐层) 作为承载索的锚杆。

3）锚栓尺寸

锚栓尺寸（见图 1，长度为 ι，宽度为 b1）的设计应同时符合 3 项要求[2]。

a）应符合混凝土抗压的要求：

b）应符合混凝土抗剪的要求：

c）应符合自身抗弯的要求：

式 (22)～(24) 中：W 为锚栓截面的抗矩，从型钢表上查得 W＝114.2（cm3）；Lj为混凝土抗剪的长度，（ ι′ 为锚栓距锚体前方的距离，取45.0 cm）；k1为混凝土承压安全系数，取 3.0；[σ压]为混凝土轴心抗压设计强度，取 1030×104N/m2；[σ剪]为混凝土抗剪设计强度，取 127×104N/m2（约为抗拉强度的 2 倍）；[σ弯]为锚栓抗弯设计强度，取 16671×104N/m2。

取锚栓宽 b1＝ 5.3 cm，混凝土选用 150#。将上述参数分别代入式 (22)～(24) 中，经验算得到锚栓长度的取值范围为：77.2≤ ι ≤ 108（cm）。最终确定采用截面为 120 mm×53 mm×5.5 mm，长 80 cm 的槽钢作为承载索锚碇的锚栓。

4）钢筋配置

立式板锚钢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 %）直接计算横、纵钢筋配置截面面积，以此确定钢筋配置。

取钢筋网防腐层厚 d ＝10.0 cm ，则板锚去除钢筋网防腐层后的厚度dd＝db- d＝ 55（cm）。

横向钢筋截面面积：0.10 % hddd= 9.90（cm2），则横向钢筋配置选用 9 根 Φ12 mm 圆钢，其总截面面积为 10.18 cm2＞ 9.90 cm2，表明该配置满足安全性要求。

纵向钢筋截面面积：0.10 % ιadd= 11.00（cm2），则纵向钢筋配置选用 10 根 Φ12 mm 圆钢，其总截面面积为 11.31 cm2＞11.00 cm2，表明该配置满足安全性要求。

2.5 牵引索设计

计算公式[2]：

式中：Fax为装配拉力；ρι为每钢丝绳重量，采用直径 4.8 mm 的钢丝绳，ρι= 0.8 N/m ；L 同承载索跨度（512 m）；ƒx为牵引索空索装配垂度，同承载索垂度（12.8 m）。

按式 (25)，求得 Fax＝2046（N）。根据拉力 Fax值，确定铅鱼设计重量为 200 kg，13.4 (m)，此垂度接近承载索垂度。故选用直径为 4.8 mm，GB355-64（钢丝 6×19）的钢丝绳作牵引索。

2.6 缆道建设及运行情况

桃林口站水文缆道建于 1999 年，是监测桃林口水库放水过程的唯一流量测验设施。每年的 5 月开始运行，11 月结束，运行时间占年度的 58 %，缆道使用率较高。通过设备运行检验，该缆道设计指标合理、运行稳定，基础牢固、维修简便。缆道建成至今已有 11 年，在此期间施测流量多为中、低水，通过测验数据检验，该缆道测取数据及时，信号传递准确，测验精度可靠。

3 一般缆道设计要点

1）当缆道跨度大于 300 m 时，设计时应采用开口式，以减小牵引索长度，降低绞车购置费用。缆道跨度小于 300 m 时，设计时可采用闭口式，以便于紧索施工和换索维修。

2）当缆道跨度小于 200 m 时，承载索垂度可取跨度的 1/40～1/50，以减轻缆道运行时在垂直方向上可能出现的颤抖现象。

3）设计承载索时，对大于 200 m 跨度的缆道，应选取 6×7 规格的钢丝绳，即选用粗丝规格的。这是因为粗丝钢绳在使用过程中，伸展系数小、耐磨性强。对小于 200 m 的小跨度缆道，也可将 6×19 规格的钢丝绳作为初始计算依据。

4）开口式缆道的牵引索和起重索是一体装配的，总重量直接影响垂度。要保证牵引索与承载索的垂度一致，设计时应在保证安全系数的基础上，尽量采用计算值来选取索的直径和规格。

5）闭口式缆道的牵引索和起重索是分立装配的，故循环索的垂度是可以随意调节的。为偏安全计，设计时可选用安全系数较大的钢丝绳，即可直接用计算得的循环索拉力乘以 3～4 倍的安全系数，来确定索的直径及规格。

6）计算支架高度时，其承载索的安全超高一般采用 2.0～2.5 m。

4 结语

本文采用设计实例的方法，主要介绍了开口式单跨水文缆道的设计方法和计算过程。合理的水文缆道总体布置及结构设计依据来源于实地勘察，水文缆道的测洪能力来源于设计标准。故此要做好设计工作的前提是“详尽收集现场资料和制定设计标准”。

[1]水利部水文局. SL276-2002 水文基础设施建设及技术装备标准[S]. 北京：中国水利水电出版社，2002: 7.

[2]长江流域规划办公室水文处.水文缆道[M]. 北京：水利电力出版社，1978: 33-105.

[3]机械设计手册联合编写组. 机械设计手册（上册）[M].北京：化学工业出版社，1971: 585.