感潮河段直立式水位觀測平臺設計

張忠中

摘要：長期重要的水文站常采用直立式水位觀測平臺記錄水位數據。感潮河段水文特性復雜，水位受河道水流、潮汐、波浪等水動力因素影響，容易引起平臺結構穩定和水位觀測精度問題。為此，結合閩江河口水文站工程，開展感潮河段直立式水位觀測平臺設計研究。通過相關規范分析、空間數值模型計算以及工程造價對比分析，提出了水位觀測平臺方案選型重要原則以及進水孔孔徑確定原則。建議感潮河段常規水位觀測平臺采用岸式方案，特殊需求時采用島式高承臺方案，進水孔孔徑確定應在標準規范公式計算前提下適當留有裕度。實踐表明：閩江河口水文站新建水位觀測平臺的觀測數據滿足感潮河段水位觀測精度要求。研究成果可供后續相似工程參考。

關 鍵 詞：水位觀測平臺; 方案選型; 結構穩定性; 進水孔孔徑; 感潮河段

中圖法分類號： TV314

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.017

0 引 言

水文數據具有專業性、敏感性和重要性的特點。長期連續實測的水文數據資料，可為當地的經濟建設、災害預警和科學研究等方面提供重要的基礎資料。其中，水位數據是水文數據中最基本最重要的內容之一。

水位觀測平臺是水文站的一個重要的標志之一，是保證水位觀測數據連續性、準確性和可靠性的重要觀測設施。目前，中國大部分重要水文站常采用直立式（浮子式水位計）水位觀測平臺監測水位數據。然而水位觀測平臺屬于特種結構，行業標準中個別核心公式[1]的符號注釋甚至還存在紕漏;相關參考文獻較少，研究內容也主要集中在進水孔尺寸確定方面[2-5]，水位觀測平臺方案選型等方面文獻極為缺乏。水位觀測平臺通常布設在河流、水庫湖泊和海濱等區域。在洪水期，河流水位變幅大，水流流速快;在水庫庫區，湖泊水位變幅小，水流流速慢;而在海濱區域，水位主要受潮汐和波浪影響，同時腐蝕問題嚴重。感潮河段介于河流與濱海之間，該區間兼備河流和海濱區域的水文特性，且具有雙向水流運動特點。因此，感潮河段的水位觀測平臺設計也最為復雜。本文結合閩江河口水文站工程實例，通過開展感潮河段直立式水位觀測平臺設計研究，以期為后續類似工程提供參考。

1 感潮河段直立式水位觀測平臺關鍵要素

水位觀測平臺屬于防汛抗旱特殊要求的特種構筑物。感潮河段直立式水位觀測平臺主要存在觀測平臺結構整體穩定和水位觀測精度的問題。因此，設計關鍵要素在于水位觀測平臺方案選型與進水孔孔徑確定。

水位觀測平臺承受河道洪水影響，設計標準要求不低于當地防洪標準，以保證在自然災害情況下能夠正常發揮作用。方案選型直接決定了觀測平臺承受荷載大小，對觀測平臺的整體穩定影響大，進而影響到整體工程造價。

感潮河段的水位同時受河道雙向水流、潮汐、波浪等水動力因素影響。而水位測井內水位要求與河道內水位保持一致，同時還應具有良好的消波性能，需盡可能消減波浪對水位記錄的影響。進水孔孔徑偏大時，雖然能保證井內外水位一致，但是消波性能得不到保證，自記曲線出現帶狀痕跡，降低了觀測資料的質量;進水孔孔徑偏小時，雖然消波性能得到增強，但是會出現井內外水位滯后現象。進水孔孔徑決定了水位觀測成果的質量[2-5]。因此，本文主要針對水位觀測平臺方案選型和進水孔孔徑開展分析探討。

2 感潮河段水位觀測平臺方案選型

2.1 直立式水位觀測平臺整體穩定要求

直立式水位觀測平臺的型式可分為島式、岸式和島岸結合式。水位觀測平臺方案選型首先需要考慮結構整體穩定要求。不同行業標準對結構整體穩定要求稍有差別。SL 384-2007《水位觀測平臺技術標準》[1]（以下簡稱《平臺標準》）關于水位觀測平臺整體穩定要求為

K穩=M穩/M傾≥2.50（1）

M穩=（FK+GK）×B2（2）

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;FK為上部結構傳至基礎頂面的豎向力值，kN;GK為基礎自重和基礎上的土重，kN。

結合公式（1）和（2），M傾≤（FK+GK）×B5，即偏心距e=M傾/（FK+GK）=B5。

由于不同規范標準之間度量標準不一致，經轉換一致后方可進行比較。由GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規范》[6]可知：

S=3（B/2-e）×B（3）

式中：S為基礎底面實際受壓面積;B為力矩作用方向基礎底邊邊長;e為偏心矩。

結合上述公式，推導得S=0.9B2。即基礎底面與地基土之間脫離區（零應力區）面積為基底面積的10%。

表1所列為不同標準對結構整體穩定要求對比。由表1可知，《平臺標準》的整體穩定要求稍高于GB 50135-2019《高聳結構設計標準》[7]中其他各類塔的要求。

2.2 直立式水位觀測平臺主要荷載分析

水位觀測平臺整體穩定取決于觀測平臺所承受的荷載。水位觀測平臺所承受主要荷載為水流沖擊荷載[1]。關于水流沖擊荷載計算，不同行業標準間稍有差別。按照《平臺標準》規定，作用于水位觀測平臺上的水流沖擊荷載P0為

P0=0.4KwρFV02h（4）

式中：Kw為水阻力系數，圓形截面取0.8;ρ為水的密度;F為水位觀測平臺每米高度的阻水面積，m2;V0為水位觀測平臺處最大水面流速，m/s;h為測井出土至水面的高度。

對可能發生比設計水流沖擊荷載還要大的荷載（漂浮物、冰排、波浪等），《平臺標準》要求用水流沖擊荷載乘以綜合工作條件修正系數（3.0～5.0）確定。

為保證水位觀測平臺能夠記錄到設計最高/最低水位，水位測井井口應高于設計最高水位0.5 m以上;水位測井井底應低于設計最低水位0.5 m以下。這些要求造成水位測井整體高度較高，相應水流沖擊荷載較大，且水位觀測平臺的傾覆力矩與測井高度呈平方增長比例。以閩江河口猴嶼站水位觀測平臺為例，工程區域基巖埋深較淺，水位觀測平臺相應場地地下2 m為中風化凝灰巖，歷史最高水位5.28 m，歷史最低水位-3.52 m，歷史最大流速3 m/s，水位最大變化率為1.5 m/h。在設計洪水工況下，如表2所列，2種平臺方案承受荷載相差較大，將直接影響水位平臺相關結構尺寸的選擇。

2.3 直立式水位觀測平臺方案比選

島式平臺相對于岸式平臺承受更大水流荷載，相應主體結構尺寸較大。島式平臺通常還需要配套河道圍堰施工，施工造價偏高。此外，由能量方程可知[8]：水流遇障礙物時，迎水面水流的流速水頭將轉換為位置水頭和壓強水頭，即水位井等結構對水流的干擾將可能影響水位井區域的水位高程。島式平臺由于水位井等結構位于河道中，尤其在洪水期，河道內水位變化和水流流速較快，該影響更為嚴重。岸式平臺由于通過管道進水，可以有效減小水位測井對水流的影響。表3為岸式和島式平臺方案技術經濟等對比結果。

綜上分析，常規感潮河段水位觀測平臺方案型式優先推薦采用岸式方案。此外，當整體穩定要求對結構尺寸起控制作用時，單純增加水位觀測平臺結構尺寸，不夠經濟合理。尤其在水位觀測平臺位于河道內的情況下，觀測平臺基礎上覆土還需考慮浮托力和水流局部沖刷影響。建議采用毛石混凝土等耐沖刷且價格相對低廉的高容重材料回填。閩江河口猴嶼站水位觀測平臺采用毛石混凝土回填方案后，在滿足整體穩定的前提下，井壁厚度尤其是基礎尺寸大幅優化。

2.4 島式水位觀測平臺方案

由上文分析可知，常規感潮河段水位觀測平臺型式宜推薦采用岸式。當有特殊功能需求或站址條件限制時需要采用島式水位觀測平臺，如閩江感潮河段擬新建的竹岐站水文綜合觀測平臺，該平臺需同時具備水位、流量、泥沙等多項水文測驗項目功能。為同時兼顧各種水文測驗功能的需求，該平臺離岸約45 m，采用島式觀測平臺方案。由于島式觀測平臺方案廣泛應用于海港工程的驗潮站，因此有必要對島式觀測平臺方案開展分析。

感潮河段水位觀測平臺整體高度相對較高。島式水位觀測平臺若采用傳統懸臂結構型式，當懸臂長度較長時，設計工況下上部結構在相關荷載作用下變形撓度較大。此外，傳統懸臂式水位觀測平臺方案需要施工圍堰，在干地施工條件下施工才能夠保證質量，施工費用較高。此時島式水位觀測平臺可考慮采用框架核心筒方案和高樁承臺方案。這2種方案結構型式相對復雜，應采用空間結構分析軟件建立整體模型分析計算。

框架核心筒方案的核心筒（水位測井）采用同等直徑的樁基礎，在核心筒外設置4根樁柱，儀器室的框架柱落在對應樁柱上。樁柱與井筒通過斜撐和框架梁形成框架核心筒整體結構。框架核心筒方案為了保證框架和井筒之間有效連接，井筒實心段（設計低水位以下）區域需與樁柱設置斜撐連接。為保證施工質量，需要對應設置鋼圍堰，創造干地施工條件（見圖1）。

高樁承臺方案常用于海港工程的驗潮站。承臺底部常高出河道多年平均低潮位，以便于施工期在不需要施工圍堰的情況下，有條件進行承臺鋼筋綁扎和混凝土澆筑等工作。承臺頂高程宜高于多年平均高潮位以上，便于承臺上部結構施工。水位測井井筒常布置于承臺中部，承臺之下井筒常采用預制管，通過預埋錨筋等和承臺混凝土同時澆筑形成整體;承臺之上井筒常采用現澆鋼筋混凝土井筒（見圖2）。

以閩江感潮河段擬新建竹岐站水文綜合觀測平臺為例，該區域覆蓋層厚約7 m，其下碎塊狀強風化凝灰巖層厚約3 m，之后為弱風化凝灰熔巖層。綜合觀測平臺區域歷史最低水位為-0.85 m，歷史最高水位為14.97 m，歷史最大流速為3 m/s。

通過計算分析，3種島式方案相關計算結果如表4所列，3種島式方案工程造價對比結果如表5所列。3種島式水位觀測平臺方案在結構計算均理論可行的前提下，由于傳統懸臂式方案和框架核心筒方案均需要配套圍堰施工，施工造價偏高。因此，島式水位觀測平臺推薦采用高樁承臺方案。

3 進水孔孔徑的確定原則

3.1 進水孔孔徑公式

感潮河段水位觀測平臺的進水孔孔徑設計非常關鍵。《平臺標準》關于進水孔孔徑相關的公式，個別符號注釋有誤，易造成誤解，因此有必要對進水孔孔徑公式進行水力學原理推導分析。

進水孔孔徑主要取決于河道觀測區水位最大變化率和井筒凈尺寸。水位觀測平臺進水孔方向一般垂直河道主流方向，進水管進出水口位于河床底部，河道內水流對進水管流入或流出水量的影響可忽略。水位觀測平臺進出水形式屬于淹沒出流，井內外的水頭差ΔH主要消耗在克服進水管的沿程水頭損失和局部水頭損失上[8]，即：

ΔH=hf+hj=λldV22g+ζV22g（5）

V=1λld+ζ2gΔH（6）

式中：ΔH為井內外水頭差，即水位滯后量，m;hf為沿程水頭損失;hj為局部水頭損失;V為管內流速，m/s;λ為沿程水頭損失系數;l為管長;d為管徑;ζ 為局部水頭損失系數;g為重力加速度。

根據質量守恒原理，單位時間內水位井內流入或流出的流量與進水孔的流量一致[9]，即：

Q= S孔V =S井筒dhdt（7）

結合公式（6）和（7）可得：

S孔S井筒=1μ2gΔHdhdt（8）

μ=1λld+ζ（9）

式中：Q為流量，m3/s;S孔為進水管凈截面積，m2;S井筒為水位井井筒凈截面積，m2;dhdt為dt時間內井筒內水位變化量;μ為流量系數。該式即為港航行業標準[9]中進水孔孔徑計算公式。

公式（8）再變化，即得《平臺標準》的水位滯后量公式[1]：

ΔH=12gμ2（A井A孔）2（dhdt）2（10）

式中：A井同S井筒;A孔同S孔。

可見水利和港航行業標準關于水/潮位測井進水孔孔徑設計方面本質是一致的。僅《平臺標準》關于ω注釋有誤，由上述分析可知，ω即μ應為進水管流量系數。建議在后續《平臺標準》修編或更新時，給予更正。

3.2 進水孔孔徑確定分析

由上文進水孔孔徑公式推演可知，進水孔孔徑設計公式近似忽略了河道水流的影響。此外，還有其他因素也會造成井內外水位偏差：測井內外不均勻波的影響;潮汐使河水密度發生時空上變化，測井內外密度差異將引起水位差;進水管道內泥沙淤積和生物生長引起進水孔縮小等[10]。因此在進水孔孔徑設計時，在《平臺標準》公式計算的基礎上，還應適當留有余度。當感潮河段的波浪因素影響較大時，可以在測井內輔助安裝消波器，通過調整消波器孔口尺寸來達到消波目的。

以閩江河口水文站2座新建水位觀測平臺進水孔孔徑設計為例。首先確定水位觀測平臺測井內徑，測井內徑需滿足水位觀測儀器設備布置需求，單套浮子式水位計觀測設備要求測井內徑不低于800 mm。考慮到運行期常規清淤等運維操作方便以及閩江河口水文站觀測平臺將來可能增加儀器設備或監測項目，測井內徑取1 200 mm。測井內徑確定后，根據工程區域特征初步布置水位觀測平臺位置和進水管路由，流量系數ω可根據進水管鋪設長度、彎頭數量、管材材質情況等，可取0.50～0.75。最后根據前期掌握觀測區域的河道水位變化率情況，即可開展進水孔孔徑設計。由前期水文觀測資料知，閩江河口處漲落潮最大水位變化率約1.5 m/h。根據進水孔孔徑公式計算，當進水孔內徑取50 mm時，水位滯后量可控制在2.0 cm之內。考慮到進水孔孔徑設計還應適當留有裕度，最終確定閩江河口水文站水位觀測平臺進水孔孔徑為60 mm。閩江河口水文站兩座新建水位觀測平臺于2020年初投入使用，水位觀測精度滿足要求，運行情況良好（見圖3）。

4 結 論

本文結合閩江河口水文站新建水位觀測平臺實例，通過相關行業規范標準分析研究、空間數值模型計算以及工程造價等對比分析，開展感潮河段直立式水位觀測平臺設計研究。通過水位觀測平臺方案選型、進水孔孔徑設計等方面分析研究，得到如下結論。

（1） 常規感潮河段水位觀測平臺方案選型優先推薦采用岸式。當實際工程特殊要求需采用島式時，推薦采用高樁承臺方案。

（2） 《水位觀測平臺標準》和《海洋觀測規范 第2部分：海濱觀測》關于進水孔孔徑設計方面本質是一致的。結合公式推導過程和工程實際運行影響因素，建議水位觀測平臺進水孔尺寸設計應適當留有余度。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國水利部.水位觀測平臺技術標準：SL 384-2007[S].北京：中國水利水電出版社，2007.

[2] 吳依林，顏國泰.驗潮井進水孔的設計[J].海洋技術，1989，8（2）：91-94.

[3] 呂耀光.測井水位與實際水位的誤差分析及進水口設計[J].浙江水利科技，2018（1）：33-35.

[4] 葛國昌，雷國輝.考慮水位觀測井響應滯后的數據處理方法[J].水電能源科學，2011，29（6）：61-63.

[5] 顏國泰.介紹驗潮井進水孔改進的一種方法[J].海洋技術，1991，10（3）：76-80.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑地基基礎設計規范：GB 50007-2011[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[7] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.高聳結構設計標準：GB 50135-2019[S].北京：中國計劃出版社，2019.

[8] 趙振興，何建京.水力學[M].北京：清華大學出版社，2016：146-150.

[9] 中國國家標準化管理委員會.海洋觀測規范 第2部分：海濱觀測：GB/T 14914.2-2019[S].北京：中國標準出版社，2019.

[10] 畢立海，畢曉欣，宮欽周，等.影響潮位觀測質量因素分析與研究[J].海洋技術學報，2016，35（6）：77-79.

（編輯：謝玲嫻）

Design of vertical water level observation platform in tidal river reach

ZHANG Zhongzhong

（Huadong Survey and Design Institute （Fujian） Co.，Ltd.，Fuzhou 350003，China）

Abstract：

The vertical water level observation platform is often used to record water level data in long-term important hydrological stations.The hydrological characteristics of tidal river reach are complex，and the water level is affected by hydrodynamic factors such as river flow，tide and waves，etc.，which can easily cause problems of platform structure stability and water level observation accuracy.Therefore，for the Minjiang estuary hydrological station project we study and design a vertical water level observation platform in the tidal river reach.Through the relevant codes and standards analysis，space numerical model calculation and project cost comparison，we put forward a principle for the scheme selection of water level observation platform and aperture determination.It is suggested that the conventional water level observation platform in the tidal river reach should adopt the shore-type scheme，while the island-type elevated pile caps platform scheme should be adopted for special needs;the diameter of the inlet hole should be determined by standard formula calculation while reserving an appropriate margin.The practice showed that the observation data of the new water level observation platform of Minjiang estuary station met the accuracy requirements of water level observation in tidal river reach.The research results can be used as reference for subsequent similar projects.

Key words：

water level observation platform;scheme selection;structure stability;diameter of inlet hole;tidal river reach