水位臺設計過程及要點

韋祖紅

(梧州市水文水資源局，廣西 梧州 543002)

水位臺設計過程及要點

韋祖紅

(梧州市水文水資源局，廣西 梧州 543002)

以蒼梧站水位臺設計及計算過程為例，本著總體布局和結構設計合理、主體安全、牢固的理念，對島岸結合式水位臺測井、基礎、進水渠的設計和水位臺穩定性、地基承載力的計算進行解析，并給出一般水位臺的設計要點，收集現場精準的資料和根據測站級別制定設計標準是做好水位臺設計工作的前提。

水位臺；設計；計算

隨著水位觀測設備與技術的不斷更新和發展，水文站實現水位信息自動采集和傳輸，提高了水位數據采集和傳輸的時效性。水位計是觀測水位的主要設備，由于受水流、風浪、氣溫、水面漂浮物等客觀條件限制，各種水位計在實際使用中存在一定的局限性。如壓力式水位計，傳感器的零點高程不能因水流和風浪的影響而發生變化；如雷達水位計，水面有漂浮物時測不到真實水位，枯水河底暴露時不易判斷是否為真實水位；又如超聲波水位計，超聲波在空氣中轉播衰減很快，聲速還受氣溫影響；再如浮子式水位計，需建設自記水位井，即水位臺，但浮子式水位計具有技術成熟、運行穩定可靠、故障少且容易處理、維護簡單方便的特點。浮子式水位計不易受外界條件影響，適用范圍廣，是我國應用最多的水位計。因此，在當前和未來一定時期內，水位臺仍是觀測水位的主要設施，新建或改建水位臺仍存在很大的發展空間。

1 水位臺建設概況

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31座，占總數的93.9%，其中西江中下游洪水預警預報系統改建5座、“十一五”期間新建或重建6座、“十二五”期間新建20座。水位臺對保證水位觀測數據的準確性、可靠性發揮了重要作用，其優點和作用在防汛和實時水位監測中得到充分體現。

1.2 斷面特點

建設水位臺，需從測站斷面所處河段的地形、地質條件和測站的防洪、測洪標準等因素考慮。梧州轄區多為山區和丘陵區地貌，區域內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。根據山區河流特殊的地質、地形條件和水位變幅情況，水位臺的布置形式多為島岸結合式。根據斷面特點，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測井。

2 水位臺設計

水位臺設計前期工作的重點是現場實地勘察，收集有關資料，包括地形、地質、水文氣象特征和水力條件等資料，作為決定水位臺的布置形式、測井的布置位置以及進水渠和觀測橋等建設的依據。水位臺設計要點：水位臺滿足測洪和防洪要求；測井垂直，測井內截面尺寸滿足安裝所使用的浮子式水位計；測井和基礎安全、穩定；進水渠不易堵塞且清淤方便。建議如下。

① 當測井四周地質條件較差時，應在測井外側建擋土墻及護坡，以保證水位臺穩定性和抵抗沖刷能力。

② 當斷面較為平坦或灘地較低時，測井應設置在靠近平常水位邊的位置，以減短進水渠的長度，減少清淤工作。

③ 當斷面邊坡較陡且基礎埋深超過5 m時，測井設置位置應盡量遠離陡坡，避免基坑開挖引起邊坡塌方。

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

以蒼梧水文站島岸結合式水位臺設計為例，主要介紹測井布置位置的選擇，測井、基礎、進水渠的設計及水位臺穩定性、地基承載力的計算。

水位臺由①基礎、②測井、③進水渠、④沉沙池、⑤觀測橋、⑥橋墩、⑦儀器房等組成(見圖1)。

圖1 水位臺設計示意(單位：高程m，尺寸mm)

2.1 設計標準

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，根據大河一般控制站100 年一遇測洪標準[1]確定該站水位臺設計標準：測井平臺高程為28.60 m，測井底高程為1.7 m，進水渠底高程為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，即從基礎頂面至平臺高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，在西江航運干線上，潯江為Ⅰ級航道，且有很多大型貨運船通過。從基礎開挖的深度及抵抗沖刷能力、測井的穩定性和斷面處通航能力等方面考慮，水位臺測井位置選擇在已建護坡底部、擋土墻內側，見圖1。然后根據測井位置進行基礎、進水渠、觀測橋及橋墩的布置和設計。

2.3 水位臺穩定性

水位臺穩定性與基礎底面尺寸及高度、測井外徑和高度有關，還與基礎埋深、風和水沖擊荷載等因素有關。影響水位臺穩定性的荷載主要有：測井和儀器房的浮重，基礎及其臺階上方土的浮重，風和水沖力荷載。

2.3.1 測井

測井結構采用現澆C 25鋼筋混凝土，測井井壁垂直，測井截面為圓形，測井內安裝1臺浮子式水位計，內徑為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；測井底設清淤設施，即測井底比進水渠底低0.3 m；測井平臺為梁、板結構，平臺梁即儀器房的基礎梁，見圖1。作用于測井的各種荷載計算如下。

1) 水沖擊荷載

水沖擊荷載即水對測井的作用力，其標準值的計算公式[1]為：

(1)

式中 P0為水沖擊荷載標準值，kN； Kω為水阻力系數，圓形截面取0.8； ρ為水的密度系數，取1.0t/m3； F為測井井身每米高度的阻水面積,經計算為2.0m2； V0為測井井身處最大水面流速，經調查，取3.4m/s； h為測井出土面至水面的高度，經計算為19.09m。

由式(1)代入，求得水沖力荷載標準值P0=141.2kN。

2) 風荷載和風沖擊荷載

垂直作用于水面以上測井和儀器房的風荷載標準值和風沖擊力荷載標準值計算公式[1]為：

ωk=βzusuzω0

(2)

P1=ωks

(3)

式中ωk為風荷載標準值，kN/m2；βz為z高處的風振系數，經計算得1.85；us為風荷載體型系數，經查表計算得2.4；uz為風壓高度變化系數，查表得1.72；ω0為基本風壓，查表得0.35 kN/m2；P1為風沖擊力荷載標準值；s為水面以上測井和儀器房的阻風面積，經計算得14.62 m2。

由式(2)(3)代入，求得風荷載標準值ωk=2.67 kN/m2，風沖擊荷載標準值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，計算水位臺穩定性時，應不計橋的自重。經計算，測井和儀器房的自重N=1 591 kN，遇百年一遇洪水時，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

水位臺基礎不僅要滿足自身的結構要求，基礎基底尺寸和埋深還應滿足穩定性、地基承載力和抵抗沖刷的要求。基礎采用現澆C 30鋼筋混凝土結構，基礎長(l)×寬(b)×高(a)為：6.0 m×4.6 m×2.1 m，其中基礎墊層0.1 m，基礎埋深d=8.83 m。基礎及其臺階上土受到的自重力和浮重力計算公式[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 計算安全系數

1) 計算力矩。水位臺的穩定力矩為：基礎和基礎上方土的浮重力力矩+測井和儀器房的浮重力力矩。水位臺最不利的荷載組合為水沖力荷載+水風沖力荷載，因此，最大傾覆力矩為：水沖力力矩+風沖力力矩。水位臺的穩定力矩和傾覆力矩計算示意見圖2。

圖2 水位臺的穩定力矩和傾覆力矩計算示意

2) 計算K穩。水位臺穩定安全系數計算公式[1]為：

(6)

式中K穩為抗傾覆安全系數；M穩為穩定力矩；M傾為傾覆力矩。

水位臺穩定安全系數計算過程及結果見表1。

表1 水位臺穩定安全系數計算

經計算，K穩=2.70≥2.5，水位臺基礎設計滿足穩定性的要求。

2.4 水位臺承載力

2.4.1 地基承載力

地基承載力除了與土的性質有關外，還與基礎底面尺寸和埋深等因素有關，當基底寬度大于3 m或埋深大于0.5 m時，根據地質資料獲知的地基承載力標準值，按式(7)[2]進行寬度或深度修正：

f=fk+ηbγ(b-3)+ηdγ0(d-0.5)

(7)

式中f為地基承載力設計值，kPa；fk為地基承載力標準值，查地質資料得150 kPa；ηb、ηd分別為基礎寬度和埋深的承載力修正系數，按基底下土類查表確定，經查表，ηb為0，ηd為1.2；b為基礎底面寬度為4.6 m；γ0為在歷史最低水位時，基礎底面以上土的加權平均重度，取17 kN/m3；在100年一遇水位時，基礎底面以上土的浮重度，取9 kN/m3；d為基礎埋置深度，為8.83 m。

由式(7)代入，求得當出現歷史最低水位和100 年一遇水位時，地基承載力設計值分別為f=320 kPa和f′=240 kPa。

2.4.2 基礎底面壓力

2.8嚴格執行交接班制度,晨會交班、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節的交接過程中,進一步發現問題、不斷完善,做到和諧、有序、銜接。

1) 在歷史最低水位時，基礎底面處的壓力設計值計算公式[2]為：

(8)

式中 P為基礎底面處的平均壓力設計值，kPa；N為測井和儀器房的自重力，1 591kN；G為基礎及其臺階上土受到的重力，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計值P=234kPa。

2) 出現100 年一遇水位時，基礎底面處的壓力設計值和基礎底面邊緣的最大壓力設計值計算公式[2]分別如下：

(9)

(10)

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

2.4.3 驗算地基承載力

P≤f

(11)

經計算，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，水位臺基底壓力需同時考慮軸心荷載和偏心荷載的作用，需同時滿足以下2個公式[1]：

P′≤f′和Pmax≤1.2f′

經計算P′=129，f′=240，Pmax=272，1.2f′=288，都滿足公式P′≤f′和Pmax≤1.2f′的要求。

3) 經驗算，不管是出現歷史最低水位還是遇100 年一遇水位，水位臺基礎設計都滿足地基承載力的要求。

2.5 進水渠

測井、進水渠淤積是無法避免的，尤其是在多砂河流，其淤積更加嚴重，因此，設計進水渠時，不僅要能觀測到最低水位，還應不易進淤泥和方便清理淤泥。蒼梧站進水渠為水平式，其橫截面為方形，為鋼筋混凝土結構(見圖1)。

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

2) 沉砂池的設置。進水渠中間設2個沉砂池，沉砂池底比進水渠底低0.5 m，其入口高出地面0.5 m，入口蓋活動蓋板，沉砂池兼為檢修豎井(見圖1)。

2.6 建設和運行情況

蒼梧水文站項目是廣西防洪重要城鎮水文測報工程，該站是潯江的控制站，是廣西長洲水利樞紐下游的第1個水文監測站，該水位臺是梧州局管轄的31座水位臺中最高的1座。該站的投入使用，填補了蒼梧縣城沒有水文站的空白。該水位臺從2012年3月投入運行至今，經過4 a多的時間檢驗，水位臺的總體布局和結構設計合理；測井和基礎安全、穩定，水位臺未發現傾斜；雖然長洲水利樞紐產生的水沖力很大，但有護坡和擋土墻的保護，測井和基礎未發現被沖刷現象；測井內和進水渠不易堵塞且清淤方便，水位觀測數據滿足精度要求。

3 結語

以蒼梧站水位臺設計為例，推導出島岸結合式水位臺測井、基礎、進水渠的設計和水位臺穩定性、地基承載力的計算過程。從中發現實地勘察是合理的水位臺總體布局及結構設計的依據，設計標準決定水位臺的測洪和防洪能力。因此，收集現場精準的資料和根據測站級別制定設計標準是做好水位臺設計工作的前提。

[1] 水位觀測平臺技術標準：SL 384—2007[S].

[2] 建筑地基基礎設計規范：GB 50007—2011[S].

(本文責任編輯 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，從事水文測驗設施建設和水文監測工作。

P336

：B

：1008-0112(2016)012-0026-04