水文测站自记台结构设计方案探讨.pdf

文章通过对广东水文能力提升工程(一期)的建设目标、要求和内容进行深入分析,结合相关规范条文和工程实际情况,在观测房结构设计、测井井身支撑形式、进水方式等方面开展研究分析,重点对工程新建和改建的1 4个自记台进行“一站一策”全面设计,为后续工作奠定了坚实的基础,可为类似工程提供借鉴参考。关键词:自记台;支撑形式;进水方式;典型设计中图分类号:P 3 3 6 文献标识码:B 文章编号:1 0 0 8-0 1 1 2(2 0 2 3)0 8-0 0 7 2-0 5 收稿日期:2 0 2 3-0 3-0 7;修回日期:2 0 2 3-0 4-1 4作者简介:郭廷(1 9 9 4-),男,硕士,从事水工建筑设计工作。1 概述近年来,我国极端天气增多,人民的生命财产安全受到巨大威胁,构建智慧水利体系,以流域为单位提升水情测报和智能调度能力迫在眉睫1-2。2 0 2 1年7月,广东省水利厅印发 广东省水文现代化建设规划,系统总结分析了广东水文的发展现状和存在问题,并深入分析水文改革发展面临的新形势,紧紧围绕广东省水利改革发展总定位、总目标,提出了“民生水文、智慧水文、活力水文”的新发展定位。广东省现有水文设施不能满足水文全要素、全量程、全天候、空天地一体化监测需求,亟需对现有水文站基础设施进行提档升级建设。为了加快推进水文现代化建设3-4,广东省聚焦完善广东水文站网、提升监测能力、提高水文预测预报和分析评价水平、加快水文基础设施建设,“广东省水文能力提升工程”整体立项实施,对现有的水文测站进行提档升级5。水文测站是水文监测工作的重要组成部分,监测内容涵盖了水位、流量6-7、雨量、水质、蒸发8、水生态、墒情9等多个要素,为水文管理提供了可靠的数据支持。监测要素所需的监测设备大多以自记台作为重要的搭载平台,因此,自记台的结构安全性、合理性和有效性至关重要,而相比大型水利工程,自记台因建设规模较小,往往容易被忽略。随着水文测站承载的功能不断扩展及监测要求的不断提高和监测技术的不断发展,新时期的水文站自记台建设应紧跟时代发展。本文对不同情况下的自记台设计方案进行探讨,为类似工程提供借鉴。2 工程概况广东水文能力提升工程共分三期完成,本项目为一期工程,主要完成3 9个国家重要水文站(水位站)的提档升级建设、2 6个大江大河及其主要支流水文站网建设、广州市和佛山市水文巡测基地能力提升建设、省级应急机动测验队能力建设以及水文业务应用和水资源监测能力建设(水文水资源监测中心实验室改造建设)。其中,国家重要水文站(水位站)包括6个流域级水文现代化示范站、1 1个地市级窗口站、2 2个国家重要基本水文(位)站。本项目主要土建内容为测站站房、自记台以及多种监测站的建设,其中新建、改建自记台共1 4座,站点分布见图1。因站点分布较广,情况差异较大,需进行“一站一策”重点设计。3 设计要点分析3.1 基本目标在水文监测中,水位是最基础且最重要的监测要素,通常需要监测高、中、低水位以及超标洪水。水位监测1 0-1 1方法的选取对监测结果的影响较大,其中采用在自记台测井中安装浮子式水位计进行27监测的方法可以获得更高的精度,结果行为可靠,因此本次新建、重建自记台均采用此方案。为了满足设备要求,我们在自记台上安装了水位计,并将进管道的高度设置在历史最低点水平之下0.5 1.0 m,测井口的高度则设置在历史最高点水平之上0.51.0 m,本次设计进水管高程统一定为历史最低水位以下0.5 m。作为水位计的重要依托平台,自记台需根据不同地形、地质等情况采用不同进水方式,以满足监测要求。各站点分布范围较广,地质条件有较大差异,因此需根据具体情况进行基础处理及相应的结构设计,确保自记台的安全。图1 一期水文测站新建、重建自记台位置示意3.2 现实需求本项目建设站点中包含流域示范站和河流重要控制站等国家重要水文站,这些水文测站除了满足基础的监测要求外,还需具备水文宣传教育、水文形象展示以及办公等功能,因此需根据实际需求进行相关设计,更好地为社会经济建设服务。4 布置方案测站自记台由多个部分组成,包括测井、观测房、沉砂池和引桥等。根据结构形式和在断面上的相对位置,自记台可以分成岛式、岸式和岛岸结合式3种。其中,岛岸结合式自记台同时具有岛式和岸式的优点,能够缩短进水管的长度,降低中低水冰凌、漂浮物和船舶等碰撞对测站造成的影响,适用范围较广。故本次设计采用钢筋混凝土结构岛岸结合式自记台,自记台的测井形式为直立型测井(见图2)。图2 岛岸结合式水位自记台(直立型测井)布置示意5 结构设计方案设计过程中,需对站址情况进行深入调查、勘测和分析,根据具体情况对各个结构进行个性化设计,包括观测房结构设计、测井井身支撑形式设计、进水方式设计和其他结构的设计1 2。5.1 观测房结构设计本阶段对自记台观测房进行典型设计,主要分为以下4种。典型设计一:石角(左)岸、高要站等流域示范站自记台建筑设计要求较高,需进行单体设计。石角(左)岸自记台观测房为双层结构,单层尺寸为1 0 m1 2 m,过道为1.8 m;高要站自记台观测房为双层结构,单层尺寸为7.7 m 7.7 m,过道为1.8 m。典型设计二:无特别要求的重建、新建自记台,观测房为单层结构,尺寸为4 m 4 m,无过道。典型设计三:有室外辅助测验功能需求的重建、新建自记台,需设置自记台四周过道,观测房为单层结构,尺寸为4 m 4 m,过道为1.8 m。典型设计四:有多种室内(如同时增加水质监测和缆道测量功能)、外辅助测验功能需求的重建、新建自记台,观测房为单层结构,尺寸为6 m 6 m,过道为1.8 m。5.2 测井井身支撑形式设计测井主要用于连接进水管和监测设备,达到监测目的。按照相关规范的要求,测井井身的支撑形式可选择基础式、框架式和悬吊式。其中基础式测井井身的支撑结构为测井本身,通常此类井身筒壁较厚,直接竖直连接于河床基础上;框架式测井的井身连接于由四根或六根桩支撑的框架上,底部悬空,适用于泥沙较多的河流和地基承载力不高的测站;悬吊式测井372 0 2 3年8月 第8期郭 廷:水文测站自记台结构设计方案探讨N o.8 A u g.2 0 2 3的井身宜支撑在陡岩、桥墩或其他建筑物上,底部悬空。本次设计根据各个新建自记台的实际情况和现实需求,分别采用纯井筒基础式、框架式、井筒和框架结合基础式支撑的形式。5.2.1 纯井筒基础式以新家埔水文站自记台为例。1)地质测绘及钻孔结果显示,地层为人工填土(Q s),第四系冲积层(Q a l)粘性土、砂砾、砂卵砾石,上第三系中新统(N 1)紫红色砂岩、泥质粉砂岩,应采用桩基础,引桥及自记台以层作为桩基持力层。2)本站自记台对观测房无特别要求,采用典型性设计二方案,结构形式为单层无过道(4 m 4 m)。因测井上部结构面积较小,测井井身可直接作为支撑结构,无需增加框架柱结构(具体布置见图3)。图3 新家埔水位站自记台结构示意5.2.2 框架式以龙华(增江)水文站自记台为例。1)地质测绘及钻孔结果显示,地层为人工填土(Q s),第四系冲积层(Q a l)粘性土、砂砾,上古生界泥盆系上统帽子峰组(D 3 m)青灰色、灰白色石英砂岩、粉砂岩及泥质页岩。应采用桩基础1 3,自记台以层作为桩基持力层。2)本站自记台对观测房无特别要求,采用典型性设计二方案,结构形式为单层无过道(4 m 4 m)。虽测井上部结构(观测房)面积较小,但因采用悬挂式测井进行取水(详见5.3节进水方式设计),测井无法作为支撑结构,因此采用框架柱结构(具体布置见图4)。图4 龙华(增江)水位站自记台结构示意5.2.3 井筒和框架结合基础式以麒麟咀(二)水文站自记台为例。1)地质测绘及钻孔结果显示,场区地层为填土(Q s)、冲积层(Q 4 a l)粉质粘土、淤泥、中细砂、砂卵砾石层及全燕山四期细粒黑云母花岗岩(4 y)。建议自记台以-4层砂卵砾石或层作为桩基持力层。2)本站自记台有多种室内(如同时增加水质监测和缆道测量功能)、外辅助测验功能需求,观测房设计为单层结构,尺寸为6 m 6 m,过道为1.8 m。因测井上部结构(观测房)面积较大,仅由中空测井无法作为支撑结构,需在测井基础上增设框架柱结构,确保自记台稳定安全(具体布置见图5)。图5 麒麟咀(二)水文站自记台结构示意472 0 2 3年8月 第8期广东水利水电N o.8 A u g.2 0 2 35.3 进水方式设计本次设计根据具体情况对自记台进水方式进行了分类设计,分别为水平式进水管、虹吸式进水管和悬挂测井3种。1)水平式进水管在河岸或库岸稳定、坡度较缓、进水管路较短且易于开挖的地区,建造自记台时应选用水平式进水管道,并在管头处设沉砂池,以确保进水管不被泥沙堵塞。水平式进水管的截面可选择圆状或者方形,材料可选择型钢、混凝土管、塑料管等。当所需进水管较长时,可以根据需要分段安装沉砂池来降低堵塞概率。为防止沉砂池被洪水冲毁,沉砂池不宜单独布置,应与底板结构相连(见图3)。2)虹吸进水管虹吸进水管是利用压强差的原理,通过装满水的密封管将来水端的水引到出水口1 4。在水位变差较小、所需进水管较长且不易开挖铺设进水管的地方建平台,宜选择虹吸式进水管,进水管应采用成型管材,管材、管头连接密封性能要好(具体布置见图6)。图6 高要水文站自记台结构示意3)悬挂测井当水位自记台处于水库深水区,采用围堰围护施工难度大、成本高,需将灌注柱浇筑出水面后形成框架结构,框架以上高程结构再采用现浇方式。因此测井需采用预制悬挂井结构,底部直接取水(见图4)。5.4 水位自记台测井设计其他要求1)为避免影响水流流态,测井形状应采用环状或椭圆形的形式测井。2)测井应尽量记录全水位变幅,条件不具备时,可只建中高水位测井;井壁必须垂直,测井底应低于设计最低水位0.5 m,测井口应高于设计最高水位0.5 m以上。3)测井截面大小:现浇混凝土测井内径宜设在0.8 1.2 m之间,根据结构要求可以适当加大;框架式和悬吊式测井的内径不小于0.6 m。4)引桥结构设计:引桥应由桥墩、桥面梁、桥面板、防护栏杆4部分组成,本次设计引桥均为钢筋混凝土结构,桥墩水下截面应采用圆形或腰子形,以减小水流阻力,保护结构安全。5)基础设计:平台基础应根据地形、地质条件和测井结构等差异进行综合考虑选取。坐落在岩基上的采用井筒式嵌岩基础;在较密实砂土地或砂质黏土的地基上采用灌注桩基础;设置围堰、取土困难的,采用沉井基础等形式1 5-1 6。6)通航河流应在测井四周设立防撞墩、浮标等标志。在满足上述要求的同时,各新(重)建水位自记台的具体情况因水位变幅、结构形式、基础形式、交通形式、进水管形式等略有差别。根据水文观测需要,本次新(重)建的水位自记台基础式测井内径取1.2 m或1.5 m,悬挂式测井内径取0.9 6 m;井口均高于设计最高水位0.5 m以上,兼顾引桥与堤岸连接情况,可适当抬高井口高程;测井底低于设计最低水位0.5 m以上,为兼顾基础埋深以满足河床冲刷的要求,可适当降低井底高程。6 结论本文根据测站水位、地形、地质条件和现实需求等方面的差异性,对各新建、重建自记台进行全面分析,设计了4种典型观测房;采用纯井筒基础式、框架式、井筒和框架结合基础式3种自记台测井井深支撑形式;设计了水平式进水管、虹吸管和悬挂测井3种进水方式;以井筒式嵌岩基础、灌注桩基础及沉井基础等作为自记台基础平台,对自记台的测井、沉砂池和引桥等其他结构的设计进行了充分考虑,提出了设计要求。7 建议根据本项目的设计方案,对类似的工程提出如下572 0 2 3年8月 第8期郭 廷:水文测站自记台结构设计方案探讨N o.8 A u g.2 0 2 3建议和意见:1)在满足基本监测要求的同时,观测房需根据现实需求对其面积和结构进行优化设计,满足现代化水文站的建设要求。2)自记台测井井身支撑方式需结合施工条件,根据观测房尺寸、站址地质条件以及水位情况选择正确的支撑形式。3)进水方式根据水下地形、水位情况进行设计,满足仪器监测要求。4)自记台基础根据地形地质条件、测井结构等采用不同的基础形式。5)自记台的测井、沉砂池和引桥等其他结构的设计应在满足相关规范要求的基础上,充分考虑实际需求,保证自记台安全有效地运行。参考文献:1 陈雷.“十四五”规划下广东“智慧水利”建设的现实境遇及发展建议J.广东水利水电,2 0 2 3(1):1 0 6-1 1 0.2 杨嘉俊,任伏虎,司艳红.北斗网格码在广东智慧水利建设中的应用J.广东水利水电,2 0 2 1(1 1):3 0-3 6.3 刘倩.水文现代化建设若干问题及对策探析J.水利规划与设计,2 0 1 6(1 1):3 1-3 3.4 苏铁,杨国伟.关于推进黄河水文现代化的思考与探索J.中国水利,2 0 2 3(2):1 5-1 7,4 2.5 范玲,盛茂刚,刘淑贤.智慧水文站建设的应用与研究J.治淮,2 0 2 2(6):4 0-4 2.6 朱颖洁,甘春远.双探头H-A D C P在线流量监测系统在西江黄金水道流量监测的应用初探 以梧州水文站为例J.广东水利水电,2 0 2 3(3):4 5-5 2.7 李三平,方益铭,陈婉莹,等.H-A D C P系统在回水顶托场合的应用 以兰溪水文站流量测验为例J.浙江水利科技,2 0 2 1(3):8 3-8 6.8 麦梓泳.全自动水面蒸发监测系统在官良水文站的应用分析J.广东水利水电,2 0 2 2(1):3 5-3 9.9 李艳.基于T V D I的河南省遥感土壤墒情反演研究J.河南科技,2 0 2 3,4 2(6):9 9-1 0 4.1 0 党康铌,李济民.水位监测及报警系统设计与实现J.现代电子技术,2 0 2 3,4 6(8):3 8-4 2.1 1 李结华,王超,杨勇.南京主要控制站防汛特征水位核定研究J.水利规划与设计,2 0 2 1(1):2 7-3 0,3 5.1 2 王冰,司文青,赫超然.白沙水文站现代化建设方案J.河南水利与南水北调,2 0 2 2,5 1(5):8 8-8 9.1 3 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