网站首页  词典首页

请输入您要查询的论文：

　

标题 水文缆道创新设计及应用
范文 俞锡根 胡琳 张正康 车新垒



摘要：水文缆道是我国测流的基础设施，自1954年6月在浙江省建成我国第一座人工操作的水文缆道后，浙江省的水文缆道测流技术不断进步并发展。随着水文科学技术的发展，城市化进程的加速，传统水文缆道技术逐渐显示出其弊端。浙江省创新设计了自重式水文缆道，解决了一系列技术及社会问题，在浙江省内的41个水文站推广应用，取得了显著的经济和社会效益，具有广泛的应用推广前景。
关键词：水文缆道；测流；自重式；效益
中图分类号：P343.1 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2014）06-0070-04
水文缆道在我国已有近60年历史，是水文测站进行测流、取沙的一项重要技术装备，它有着操作安全、准确可靠、经济合理、方便实用的优点，在全国水文部门得到了广泛的应用[1]。1954年6月，浙江省新昌水文站建成了我国第一座人工操作的水文缆道，开启了水文缆道在中国应用的先河。随着科技的进步和发展，水文缆道从最原始的人工操作发展到普通电动，甚至全自动，测流效率也随之提高。但人们过于关注测流技术的更新，忽视了时代发展下土地的宝贵性及工作的便利性所能带来的巨大经济及社会效益，仅将先进的计算机电子技术加以应用已不能满足日益发展的社会及人文需求。本文提出的自重式水文缆道设计，不仅从技术上满足对测流效率的要求，更可解决一系列社会难题，具有显著的经济和社会效益。
1 创新设计
1.1 传统缆道
水文缆道是每个城市主干河流必备的水文测验的专业设备，其作用是将测量仪器送入河水中指定位置进行水文测验，一般需要将河道断面分为若干段测点，并分测这若干测点位置的水文数据取平均值，因此对铅鱼入水深度，河道断面等参数要求较高[2]。最原始的水文缆道是悬索与循回索共用一根钢绳，循回索靠铅鱼的重力和人为控制的绞车来平衡；其缺点是铅鱼受循回索张力的钳制，达不到预期沉水位置，测量误差大。
针对上述不足，水文缆道又进行了改善：从最初的单循回缆道改为双循回缆道，悬索与循回索分离，使铅鱼少受循回索张力的钳制。但也存在以下弊端。
（1）两侧支柱承受正压力的支架作用。传统水文缆道支柱一般采用等径电杆加保护拉索或铁塔支柱，该支柱只承受压力，而不承受拉力，而且往往需要配套拉线。拉线与支柱的夹角必须大于45度才能保证稳定性，相应地增大了支柱占地面积，而河边地基在当今房价高涨的今天是非常昂贵的。
（2）机动性较差，操作不便。双循回缆道需要人工分开控制，随意性较大，要将铅鱼送入指定等分等深水中位置，控制铅鱼水平运动和竖向运动比较麻烦，存在人为误差。
（3）主要工作部件集中在行车部位，增大了悬索所承受的重力，从而不能保证悬索拉直在一条直线上，产生较大误差。
1.2 自重式水文缆道设计
1.2.1 设计原理
浙江省创新设计的自重式水文缆道通过力矩平衡原理，采用支柱和基座整体混凝土浇筑，使得缆道支柱和基座承受主索拉力。有了基座的支撑，支柱所能承受力大大增加，几乎不需要拉线，故主索延伸部分与支柱夹角可以相应缩小，最小可以为0°，即与支柱平行，这样大大减小了占地面积。
1.2.2 设计难点
自重式水文缆道设计计算是水文站建设的第一步骤，需分别计算出水文缆道长度、拉力、高度等技术指标；同时，必须考虑各部件的安全系数与建设成本之间的协调。水文缆道计算公式复杂，参数众多，手工计算极为困难。在实际工作中，用开发编制的自重式水文缆道专用计算软件对各参数进行优选，从而挑选出最佳方案进行水文站的设计建设。
自重式水文缆道采用双循回缆道，将悬索与循回索分离，旨在提供一种主索和起重索关联性强、操作简单方便、测试精度又高的缆道结构。
1.2.3 设计特征
（1）自重式水文缆道将支柱和基座统一用混凝土浇筑，安全可靠性高，不需要维修保养；并因为基座的重力支撑，使主索延伸部分与支柱夹角大大缩小，拉线占用面积从而得以缩小。
（2）主索延伸部分与基座上的地锚相固接，一方面便于拉紧主索；另一方面因为支柱较高，可有效地接地避雷。
（3）自重式水文缆道结构将测流铅鱼通过主循回索与行车相配合，主循回索的一端固定在行车上，另一端先顺序通过左支柱上的左传动轮、右支柱上的右传动轮和右支柱上的由绞车驱动的主动轮后，再与行车下方的导轮相滑配，最后与铅鱼相固连；主循回索上设有负重，负重通过起重索与绞车的次动轮相配合。由于主循回索与起重索之间因负重而存在连带关系，而且均由同一绞车控制，所以每次铅鱼水平运动和竖向运动存在规律，使得每次沉水深落位精确。
（4）钢筋混凝土牢固安全可靠性高，并且占地面积相对较小，摆脱了过去水文缆道粗大笨的设计理念，在土地价格昂贵的今天更加凸显其经济效益。此外支柱可以建设为不同造型，和城市建设相融合，体现人水和谐。
（5）自重式水文缆道的设计使得水文站的缆道房、支柱、值班管理房三处能整体建设，一体化设计不仅安全美观，降低造价，更给水文站的职工带来工作和生活的便利。
1.2.4 自重式水文缆道设计计算
（1）自重式水文缆道计算。
首先需计算出水文缆道的长度、拉力、高度等技术指标，并进行整体布局，然后进行房屋建筑的设计建设和设备采购、加工、安装等。以青田鹤城水文站为例，自重式水文缆道布设示意见图1；水文站建设方案见图2。
据此，自重式水文缆道计算[3]如下。
式中：Φ为主索钢绳直径；Φ′为牵引索直径；G为行车重量；P为铅鱼重量；Va为设计流速； Vb为设计风速；f0为设计空载垂度；Ek为主索弹性模量；Fk为主索载面面积；qx为牵引索单重；w为承载索单位风力；Pv为垂直荷载；Pz为水平荷载。
3）支柱地锚计算公式。
式中：ε为钢绳的刚性系数；D为滑轮直径；dz为滑轮轮轴直径；dk为牵引索直径；α为滑轮包角，取120°；Tx为设计牵引拉力。
8）起重索拉力（考虑漂浮物冲击力为500 kg，悬索偏角为15°）。
根据上述公式并查阅五金手册，通过开发计算软件，计算确定自重式水文缆道的各种参数指标、钢绳拉力强度和安全系数等。
根据水文缆道设计要求，主索的安全出现危险时，仍要保证支柱（架）、锚碇等岸上的部件安全。因此对计算出的加载拉力乘3倍即为水文缆道支柱的拉力（缆道房、办公用房和支柱一体化建造时拉力安全系数取4倍）。
（2）设计计算实例。
以青田鹤城水文站为例（图1、图2），说明水文缆道的实际设计计算过程。
1）概况。鹤城水文站为瓯江流域的控制站，属国家重要水文站，控制流域面积约13 400 km2，按50年一遇的测洪能力，100年一遇防洪标准建设。根据大断面地形测绘资料，50年一遇的测洪标准的洪水位为19 m，河宽约300 m。
2）缆道设计的原则。牵引索因超载断掉时，主索和其它部件应保持安全；主索的安全成问题时，支柱（架）、锚碇等岸上的部件仍保安全。安全系数K的取值为：牵引索K>2.0，主索K>2.5，支柱K>2.5，锚碇K>3.0。
该测流缆道设计书仅对主要项目进行分析计算，具体施工图要根据当地实际情况由建筑设计人员按该测流缆道设计书技术要求实施。
3）主索拉力计算。设计的主要数据：主索直径Φ=18.5 mm；主索单重q=1.218 kg/m；牵引索直径Φ′=4.0 mm；牵引索单重qx=0.081 2 kg/m；主索跨度L=300 m；主索载面面积Fk=1.289 cm2；铅鱼重量P=250 kg；行车重量G=30 kg；设计流速Va=5.0 m/s；设计风速Vb=30 m/s；设计空载垂度f0=L/100。
①根据式（1）计算得主索空载拉力H0=4 568 kg。
②加载拉力计算
将1）步骤计算出的H0带入式（2），化简后得H3-4 205H2-6.360 75×1010=0
解三次方程得加载拉力为：H=5 982 kg
③牵引索拉力计算
根据式（9），计算牵引索拉力Tmax首先计算Tp，根据式（6）计算得行车爬坡阻力Tp=13.5 kg
④起重索拉力计算
考虑漂浮物冲击力为500 kg，水平荷载Pz=167.9 kg
根据式（10）计算得起重索拉力Ty为485 kg
安全系数：K=1 620/485=3.34 符合要求。
4）牵引索及起重索布线。采用开口式缆道布线，铅鱼升降变幅为30+4.0-6=28.0 m，平衡锤的变幅为30-19=11 m，平衡锤升降1 m时铅鱼升降2 m，实际变幅为22 m小于28.0 m，还须从一楼挖下3.5 m，参见图3。
5）支柱（架）设计。柱顶体轴向压力为
Y=V+Hsinβ=1/2（q1+pv）+Hsin64°=0.5（1.218×300+292.2）+5982×0.90=5 712.6（kg）
柱顶体轴向压力的安全系数取2.5，则柱顶体轴向压力为14 282 kg。
2 自重式水文缆道应用效益与前景
自重式水文缆道自1998年发明以来已在浙江省41个水文站加以应用，一体化设计不仅节约了大量土地，更为水文工作者提供了便利的工作环境，测流效率得以提高，对水文基础数据的累积及统计工作带来很大方便。同时，自重式水文缆道不再需要拉线，避开了原铁路、公路、城市建设面临的安全问题，消除了相关的社会公共安全隐患。另外，一般江河湖库都与自然风景区融为一体，自重式水文缆道使水文站建设对场地要求不再苛刻，将水文站置于风景区，充分体现了人水和谐[4]。
经计算，浙江省41个水文站应用自重式水文缆道后共节约的土地亩数及其直接经济效益见表1。
而从间接经济效益来看，自重式水文缆道的创新设计使得水文站建设在选址方面不再受地形的诸多限制。在河两岸最窄断面亦可直立建造水文缆道，大大缩短了缆道长度，缩小了测流铅鱼的运行距离，节省了造价、测流时间和人力资源。并且缆道设备整体建造在房间内，运行保养方便，降低了运行维护费，设备使用期限增加。
从社会效益来看，过去水文缆道因其支柱拉线跨度大，安全隐患也大，所产生的安全事故在历史上也有记载。自重式水文缆道的创新设计规避了该问题，很好地解决了社会公共安全问题；其次，自重式水文缆道的设计使水文站在选址方面不受城市规划的影响，很好地保证了水文资料的延续性，对水文基础数据的保存起了重大的作用。
3 结语
自重式水文缆道的设计是水文缆道设计的一大变革，不仅解决了在设计过程中碰到的技术难题，更解决了一系列社会难题，对社会公共安全、土地节约、人员配置、水文数据积累等诸多方面有着突出贡献，值得在全国的水文缆道建设上进一步推广应用。
参考文献（References）：
[1] 水文缆道测验规范[S].SD 121-84.（Hydrological Cableway specification[S].SD 121-84.（in Chinese））
[2] 张正康.自重式水文缆道[P].中国专利：ZL200920313432.2.2010-07-28.（Zhang Zheng-kang.Self-weight hydrological cableway[P].Chinese Patent：ZL200920313432.2.2010-07-28.（in Chinese））
[3] 长江流域规划办公室水文处.水文缆道[M].北京：水利水电出版社，1978.（Planning office at the Yangtze River hydrological.hydrological cableway[M].Beijing：Water Power Press，1978.（in Chinese））
[4] 张正康，俞锡根.浙江水文测验技术的发展与述评[A].中国水文科技新发展-2012中国水文学术讨论会论文集[C].南京：河海大学出版社，2012：355-358.（ZHANG Zheng-kang，YU Xi-gen.Zhejiang hydrologic test technology development and commentary[A].New Development of China Hydrology Science and Technology- China Hydrology Symposium Proceedings2012[C].Nanjing：Hohai University Press，2012：355-358.（in Chinese））
随便看

　

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。

　

Copyright © 2004-2023 puapp.net All Rights Reserved
更新时间：2025/2/5 16:56:12