水位台设计过程及要点

韦祖红

(梧州市水文水资源局，广西 梧州 543002)

水位台设计过程及要点

韦祖红

(梧州市水文水资源局，广西 梧州 543002)

以苍梧站水位台设计及计算过程为例，本着总体布局和结构设计合理、主体安全、牢固的理念，对岛岸结合式水位台测井、基础、进水渠的设计和水位台稳定性、地基承载力的计算进行解析，并给出一般水位台的设计要点，收集现场精准的资料和根据测站级别制定设计标准是做好水位台设计工作的前提。

水位台；设计；计算

随着水位观测设备与技术的不断更新和发展，水文站实现水位信息自动采集和传输，提高了水位数据采集和传输的时效性。水位计是观测水位的主要设备，由于受水流、风浪、气温、水面漂浮物等客观条件限制，各种水位计在实际使用中存在一定的局限性。如压力式水位计，传感器的零点高程不能因水流和风浪的影响而发生变化；如雷达水位计，水面有漂浮物时测不到真实水位，枯水河底暴露时不易判断是否为真实水位；又如超声波水位计，超声波在空气中转播衰减很快，声速还受气温影响；再如浮子式水位计，需建设自记水位井，即水位台，但浮子式水位计具有技术成熟、运行稳定可靠、故障少且容易处理、维护简单方便的特点。浮子式水位计不易受外界条件影响，适用范围广，是我国应用最多的水位计。因此，在当前和未来一定时期内，水位台仍是观测水位的主要设施，新建或改建水位台仍存在很大的发展空间。

1 水位台建设概况

1.1 基本情况

梧州市水文水资源局管辖33处水文(位)站，共建有水位台31座，占总数的93.9%，其中西江中下游洪水预警预报系统改建5座、“十一五”期间新建或重建6座、“十二五”期间新建20座。水位台对保证水位观测数据的准确性、可靠性发挥了重要作用，其优点和作用在防汛和实时水位监测中得到充分体现。

1.2 断面特点

建设水位台，需从测站断面所处河段的地形、地质条件和测站的防洪、测洪标准等因素考虑。梧州辖区多为山区和丘陵区地貌，区域内河流分布主要有西江、浔江、桂江、濛江、黄华江、北流河、义昌河、长行水等8条河流。根据山区河流特殊的地质、地形条件和水位变幅情况，水位台的布置形式多为岛岸结合式。根据断面特点，在满足水位观测的情况下，选择投资较少、便于施工和使用的位置布置水位台测井。

2 水位台设计

水位台设计前期工作的重点是现场实地勘察，收集有关资料，包括地形、地质、水文气象特征和水力条件等资料，作为决定水位台的布置形式、测井的布置位置以及进水渠和观测桥等建设的依据。水位台设计要点：水位台满足测洪和防洪要求；测井垂直，测井内截面尺寸满足安装所使用的浮子式水位计；测井和基础安全、稳定；进水渠不易堵塞且清淤方便。建议如下。

① 当测井四周地质条件较差时，应在测井外侧建挡土墙及护坡，以保证水位台稳定性和抵抗冲刷能力。

② 当断面较为平坦或滩地较低时，测井应设置在靠近平常水位边的位置，以减短进水渠的长度，减少清淤工作。

③ 当断面边坡较陡且基础埋深超过5 m时，测井设置位置应尽量远离陡坡，避免基坑开挖引起边坡塌方。

④ 当测井位置在平常水位以下有1.0 m以上厚砂层时，应更换测井位置，避免施工时遇到流砂、透水等情况，影响工期和投资。

以苍梧水文站岛岸结合式水位台设计为例，主要介绍测井布置位置的选择，测井、基础、进水渠的设计及水位台稳定性、地基承载力的计算。

水位台由①基础、②测井、③进水渠、④沉沙池、⑤观测桥、⑥桥墩、⑦仪器房等组成(见图1)。

图1 水位台设计示意(单位：高程m，尺寸mm)

2.1 设计标准

苍梧站位于浔江，浔江属于珠江流域西江水系，集水面积为309 586 km2，属大河一般控制站，为1类水文站。100 年一遇水位27.82 m(85基面，下同)，历史最低水位为2.20 m，防洪堤顶高程为28.10 m，根据大河一般控制站100 年一遇测洪标准[1]确定该站水位台设计标准：测井平台高程为28.60 m，测井底高程为1.7 m，进水渠底高程为2.0 m，最大流速为3.4 m/s。

2.2 选择测井位置

由于大断面地形较陡，且已建有防洪堤、护坡和挡土墙；拟建测井范围高程1.0 m以上都是防洪堤施工时开挖出来的泥和黑泥，须开挖的基坑深度超过5 m；测井井身高，即从基础顶面至平台高26.6 m，水对测井的倾覆力矩很大；断面处在广西长洲水利枢纽下游3 km，在西江航运干线上，浔江为Ⅰ级航道，且有很多大型货运船通过。从基础开挖的深度及抵抗冲刷能力、测井的稳定性和断面处通航能力等方面考虑，水位台测井位置选择在已建护坡底部、挡土墙内侧，见图1。然后根据测井位置进行基础、进水渠、观测桥及桥墩的布置和设计。

2.3 水位台稳定性

水位台稳定性与基础底面尺寸及高度、测井外径和高度有关，还与基础埋深、风和水冲击荷载等因素有关。影响水位台稳定性的荷载主要有：测井和仪器房的浮重，基础及其台阶上方土的浮重，风和水冲力荷载。

2.3.1 测井

测井结构采用现浇C 25钢筋混凝土，测井井壁垂直，测井截面为圆形，测井内安装1台浮子式水位计，内径为1.5 m；从测井底至高程11.0 m，测井外径为2.4 m，壁厚为0.45 m，在高程11.0 m以上，外径为2.0 m，壁厚为0.25 m；测井底设清淤设施，即测井底比进水渠底低0.3 m；测井平台为梁、板结构，平台梁即仪器房的基础梁，见图1。作用于测井的各种荷载计算如下。

1) 水冲击荷载

水冲击荷载即水对测井的作用力，其标准值的计算公式[1]为：

(1)

式中 P0为水冲击荷载标准值，kN； Kω为水阻力系数，圆形截面取0.8； ρ为水的密度系数，取1.0t/m3； F为测井井身每米高度的阻水面积,经计算为2.0m2； V0为测井井身处最大水面流速，经调查，取3.4m/s； h为测井出土面至水面的高度，经计算为19.09m。

由式(1)代入，求得水冲力荷载标准值P0=141.2kN。

2) 风荷载和风冲击荷载

垂直作用于水面以上测井和仪器房的风荷载标准值和风冲击力荷载标准值计算公式[1]为：

ωk=βzusuzω0

(2)

P1=ωks

(3)

式中ωk为风荷载标准值，kN/m2；βz为z高处的风振系数，经计算得1.85；us为风荷载体型系数，经查表计算得2.4；uz为风压高度变化系数，查表得1.72；ω0为基本风压，查表得0.35 kN/m2；P1为风冲击力荷载标准值；s为水面以上测井和仪器房的阻风面积，经计算得14.62 m2。

由式(2)(3)代入，求得风荷载标准值ωk=2.67 kN/m2，风冲击荷载标准值P1=39.04 kN。

3) 测井和仪器房的自重

由于观测桥与测井搭接为活接，计算水位台稳定性时，应不计桥的自重。经计算，测井和仪器房的自重N=1 591 kN，遇百年一遇洪水时，测井的浮力F1=473.2 kN，测井和仪器房的浮重N′=N-F1=1 117.8 kN。

2.3.2 基础

水位台基础不仅要满足自身的结构要求，基础基底尺寸和埋深还应满足稳定性、地基承载力和抵抗冲刷的要求。基础采用现浇C 30钢筋混凝土结构，基础长(l)×宽(b)×高(a)为：6.0 m×4.6 m×2.1 m，其中基础垫层0.1 m，基础埋深d=8.83 m。基础及其台阶上土受到的自重力和浮重力计算公式[2]为：

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 计算安全系数

1) 计算力矩。水位台的稳定力矩为：基础和基础上方土的浮重力力矩+测井和仪器房的浮重力力矩。水位台最不利的荷载组合为水冲力荷载+水风冲力荷载，因此，最大倾覆力矩为：水冲力力矩+风冲力力矩。水位台的稳定力矩和倾覆力矩计算示意见图2。

图2 水位台的稳定力矩和倾覆力矩计算示意

2) 计算K稳。水位台稳定安全系数计算公式[1]为：

(6)

式中K稳为抗倾覆安全系数；M稳为稳定力矩；M倾为倾覆力矩。

水位台稳定安全系数计算过程及结果见表1。

表1 水位台稳定安全系数计算

经计算，K稳=2.70≥2.5，水位台基础设计满足稳定性的要求。

2.4 水位台承载力

2.4.1 地基承载力

地基承载力除了与土的性质有关外，还与基础底面尺寸和埋深等因素有关，当基底宽度大于3 m或埋深大于0.5 m时，根据地质资料获知的地基承载力标准值，按式(7)[2]进行宽度或深度修正：

f=fk+ηbγ(b-3)+ηdγ0(d-0.5)

(7)

式中f为地基承载力设计值，kPa；fk为地基承载力标准值，查地质资料得150 kPa；ηb、ηd分别为基础宽度和埋深的承载力修正系数，按基底下土类查表确定，经查表，ηb为0，ηd为1.2；b为基础底面宽度为4.6 m；γ0为在历史最低水位时，基础底面以上土的加权平均重度，取17 kN/m3；在100年一遇水位时，基础底面以上土的浮重度，取9 kN/m3；d为基础埋置深度，为8.83 m。

由式(7)代入，求得当出现历史最低水位和100 年一遇水位时，地基承载力设计值分别为f=320 kPa和f′=240 kPa。

2.4.2 基础底面压力

2.8严格执行交接班制度,晨会交班、不同班组的交接班、与临床科室的交接、与外来器械的交接、灭菌消毒流程中各环节的交接过程中,进一步发现问题、不断完善,做到和谐、有序、衔接。

1) 在历史最低水位时，基础底面处的压力设计值计算公式[2]为：

(8)

式中 P为基础底面处的平均压力设计值，kPa；N为测井和仪器房的自重力，1 591kN；G为基础及其台阶上土受到的重力，4 874.2kN；A为基底面积，27.6m2；

由式(8)代入，求得基底处的压力设计值P=234kPa。

2) 出现100 年一遇水位时，基础底面处的压力设计值和基础底面边缘的最大压力设计值计算公式[2]分别如下：

(9)

(10)

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

2.4.3 验算地基承载力

P≤f

(11)

经计算，P=234，f=320，满足公式P≤f的要求。

2) 考虑轴心荷载和偏心荷载作用。遇100 年一遇水位时，水位台基底压力需同时考虑轴心荷载和偏心荷载的作用，需同时满足以下2个公式[1]：

P′≤f′和Pmax≤1.2f′

经计算P′=129，f′=240，Pmax=272，1.2f′=288，都满足公式P′≤f′和Pmax≤1.2f′的要求。

3) 经验算，不管是出现历史最低水位还是遇100 年一遇水位，水位台基础设计都满足地基承载力的要求。

2.5 进水渠

测井、进水渠淤积是无法避免的，尤其是在多砂河流，其淤积更加严重，因此，设计进水渠时，不仅要能观测到最低水位，还应不易进淤泥和方便清理淤泥。苍梧站进水渠为水平式，其横截面为方形，为钢筋混凝土结构(见图1)。

1) 确定进水渠的长度和内横截面的尺寸。进水渠外口(进水渠入水口)需到有水流速的位置，避免垃圾和泥砂自然停留在进水渠口，引起进水渠堵塞。根据现场地形和水流情况，确定进水渠长为23.1 m，净高为1.5 m，进宽为0.7 m，进水渠内口(测井入水口)宽和高为0.2 m×0.6 m。最外边的那段进水渠盖板全部为活动盖板，以方便掀开并清理淤泥(见图1)。

2) 沉砂池的设置。进水渠中间设2个沉砂池，沉砂池底比进水渠底低0.5 m，其入口高出地面0.5 m，入口盖活动盖板，沉砂池兼为检修竖井(见图1)。

2.6 建设和运行情况

苍梧水文站项目是广西防洪重要城镇水文测报工程，该站是浔江的控制站，是广西长洲水利枢纽下游的第1个水文监测站，该水位台是梧州局管辖的31座水位台中最高的1座。该站的投入使用，填补了苍梧县城没有水文站的空白。该水位台从2012年3月投入运行至今，经过4 a多的时间检验，水位台的总体布局和结构设计合理；测井和基础安全、稳定，水位台未发现倾斜；虽然长洲水利枢纽产生的水冲力很大，但有护坡和挡土墙的保护，测井和基础未发现被冲刷现象；测井内和进水渠不易堵塞且清淤方便，水位观测数据满足精度要求。

3 结语

以苍梧站水位台设计为例，推导出岛岸结合式水位台测井、基础、进水渠的设计和水位台稳定性、地基承载力的计算过程。从中发现实地勘察是合理的水位台总体布局及结构设计的依据，设计标准决定水位台的测洪和防洪能力。因此，收集现场精准的资料和根据测站级别制定设计标准是做好水位台设计工作的前提。

[1] 水位观测平台技术标准：SL 384—2007[S].

[2] 建筑地基基础设计规范：GB 50007—2011[S].

(本文责任编辑 王瑞兰)

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

韦祖红(1980)，男，本科，工程师，从事水文测验设施建设和水文监测工作。

P336

：B

：1008-0112(2016)012-0026-04