水文缆道设计过程及要点

水文缆道设计过程及要点李维华;吉辛望;郑玉峰【摘要】以桃林口站水文缆道设计过程为例,本着经济合理、方便适用的原则，对开口式单跨水文缆道的承载索、牵引索、支架、地锚的设计过程进行分项解析介绍，包括设计公式选用、数据计算、各种参数的确定,并给出一般水文缆道的设计要点.【期刊名称】《水利信息化》【年(卷)，期】2011(000)001【总页数】5页(P44-47,64)【关键词】水文缆道;设计;荷载;安全系数【作者】李维华;吉辛望;郑玉峰【作者单位】河北省唐秦水文水资源勘测局，河北唐山063000;海河水利委员会引滦工程管理局，河北迁西064309;河北省唐秦水文水资源勘测局，河北唐山063000【正文语种】中文【中图分类】P3350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500m。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10000m3/s，最高洪水位80.00m（黄海基面），最大流速5.00m/s，承载索跨度512m。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：fv为加载垂度；L为缆道设计跨度。取下界值即缆道在整个运行过程中，最低点应不低于缆道支架顶点12.8m。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5.00,10.00m/s;AA,AB为阻水、挡风面积，实际面积分别为0.05,14.34m2，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；pA,pB为水和空气的密度，分别取102.000,0.125kg/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=1207(N)。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必F,故以Fs代替「，并称Fs为加载拉力；pi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弓I索的重量组成，计算中取实际重量700kg。按式⑷~(5),采用迭代法求得pi=2.834(kg/m),Fs=140323(N)。承载索型号确定取pi=2.855kg/m，计算值为2.834kg/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28mm,GB371-64(钢丝6x7)、公称抗拉强度160kg/mm2的钢丝绳作为承载索。此类钢丝绳的破断拉力Fj=454538N，安全系数k=3.2,符合Fj>kFs的要求。空索垂度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：3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10min平均最大风速，取10.0m/s；30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3=2.1(N/m)。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42.7m;Lb为右边跨长度29.0m；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)。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必F0s,故以F0s代替F0，并称F0s为空索拉力；f0为空索垂度。按式(12)，求得空索垂度；0=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(80.00m)、设计行车架及铅鱼高度(2.00m)、设计安全超高(2.60m)及实测支架基础地面高程(左岸80.50m,右岸82.80m)。按式(13)~(14),分别求得支架顶点高程为97.40m，支架左岸高度为16.70m,右岸高度为14.50m。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锚体尺寸设板锚3向尺寸分别为ia,ib,hd,入地角为禺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；Y为土的容重，取1700kg/m3；p为土壤与混凝土间的摩擦系数，取0.45邙为承载索连接地锚入地角，为偏安全计，取B=30o；pi为土壤计算抗剪角；i为锚栓尺寸。取锚体长ia=2.0m,埋土层厚度di=1.0m。按上式，分别求得锚体埋深d2=2.8m，锚体厚db=0.65m，锚体高hd=1.8m。锚杆直径锚杆直径计算公式［2］:式中：d为锚杆直径；［。］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45.0mm的2#圆钢伽10mm防腐层)作为承载索的锚杆。锚栓尺寸锚栓尺寸(见图1,长度为I,宽度为b1)的设计应同时符合3项要求［2］。应符合混凝土抗压的要求：应符合混凝土抗剪的要求：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，(I’为锚栓距锚体前方的距离，取45.0cm)；k1为混凝土承压安全系数，取3.0;［。压］为混凝土轴心抗压设计强度，取1030x104N/m2;［。剪］为混凝土抗剪设计强度，取127x104N/m2(约为抗拉强度的2倍)；［。弯］为锚栓抗弯设计强度，取16671x104N/m2。取锚栓宽b1=5.3cm，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<i<108(cm)。最终确定采用截面为120mmx53mmx5.5mm,长80cm的槽钢作为承载索锚碇的锚栓。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=10.0cm，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①12mm圆钢，其总截面面积为10.18cm2>9.90cm2，表明该配置满足安全性要求。纵向钢筋截面面积：0.10%iadd=11.00(cm2)，则纵向钢筋配置选用10根饥2mm圆钢，其总截面面积为11.31cm2>11.00cm2，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；pi为每钢丝绳重量，采用直径4.8mm的钢丝绳，pi=0.8N/m;L同承载索跨度(512m);fx为牵引索空索装配垂度，同承载索垂度(12.8m)。按式(25)，求得Fax=2046(N)o根据拉力Fax值，确定铅鱼设计重量为200kg,13.4（m）,此垂度接近承载索垂度。故选用直径为4.8mm,GB355-64（钢丝6x19）的钢丝绳作牵弓I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—般缆道设计要点1）当缆道跨度大于300m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300m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200m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200m跨度的缆道，应选取6x7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200m的小跨度缆道，也可将6x19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2.0~2.5m。4结语本文采用设计实例的方法，主要