水文设施设备设计方法.docx
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水文设施设备设计方法
附件二：
水文设施设备设计方法
1 设计原则、依据及标准
1.1 设计原则
（1）“统一规划设计”原则。
（2）“统筹兼顾、避免重复建设”原则。
（3）“实用、可靠、标准、先进、开放”原则。
实用：
设施建设及设备配置应适合测站的自然地理条件和气象
水文特性，满足水文站、水位站、巡测基地工作的实际需求；
可靠：
设备运行稳定可靠、保证能在恶劣的环境条件下，可靠
收集水情信息；
标准：
设施布设、设备选型均应满足防洪、测洪标准，符合国
家和行业的标准规范；
先进：
在经济合理的前提下，尽量选用先进的技术和设备；
开放：
为今后的功能扩展留有空间。
1.2 设计依据
（1）《宣恩勘测基地和来凤水文站站队结合建设项目可行性研
究报告（审定稿）》
（2）水利部办公厅水文[1998]68 号《关于实行水文站队结合、
开展巡测的通知》；
（3）《水位观测标准》
（4）《河流流量测验规范》
（5）《河流悬移质泥沙测验规范》
（6）《水文基础设施建设及技术装备标准》
（7）《降水量观测规范》
（8）《水文缆道测验规范》
（9）《水文自动测报系统技术规范》
（10）《水文巡测规范》
1.3 设计标准
根据《水文基础设施建设及技术装备标准》，结合各流域内水文
站网和巡测基地的具体情况，确定水文设施建设标准。
根据各类测
验项目的典型设计模式，结合各站现有的测验项目和设施设备状况，
提出测验设施改造的技术方案设计、测验技术手段的选用以及基本
仪器设备的选型要求。
防洪标准
（1）能抵御和施测 50 年一遇的洪水。
（2）来凤站：
455.36m
（3）岸上观测设施应高出实测最高洪水水位 1.0m 以上。
测洪标准
（1）水位观测设施
水位观测设施应能测记实测最高洪水位以上 1.0m。
水位自记设
施应能测记到实测最高洪水位。
（2）流量测验设施
能较准确地施测 50 年一遇的洪水；当出现超建国以来最大洪水
或防洪标准水位的洪水时，应有应急措施，确保施测到完整的洪水
流量过程。
2 水文基础设施设计
2.1测验河段基础设施设计
（1） 断面桩
断面桩应在两岸分别设立，一般河流的高水断面桩应设立在历
年最高洪水位以上 0.5～1.0m 处；漫滩较远的河流可设在洪水边界
以外；有堤防的河流可设在堤防背河侧的场面上。
埋石采用砼预制，
1
上刻断面桩号、警示语言（或单位名称），头部正面中心上有编号及
断面方向指示箭头。
每个水尺断面（基本水尺、测流断面水尺、比
降水尺）、测流断面和浮标断面，应设置 2～4 个断面桩。
（2）断面标
在测流断面和浮标断面除设置断面桩外还应设置断面标，一般
情况下每断面设置 3～4 个断面标，但断面较窄或受地形限制时，可
在断面的一岸设断面标，另一岸只设断面桩。
水位变化幅度大的测
站，同一断面也可根据需要分别按高、中、低不同水位级设置断面
标。
（3）基线桩
用于交会法施测起点距的基线标。
测流断面消化幅度大的测站，
同一测流断面也可按高、中、低不同水位级设置基线标。
（4）水准点
水准点分基本和校核两种。
基本水准点是永久性高程控制点，应设在测站附近历年最高洪
水位以上（或堤背处）不易损坏的地方，每站设置 1～3 个。
基本水
准点之间的间距在 200～500m。
要求牢固耐久，便于引测，妥善养
护，长期稳定；有条件时最好设成暗标，底层最小入土埋深宜为
1.2～1.5m。
如只设一个基本水准点，则应有必要的参证点；若测站
附近有国家水准点或工程单位设立的水准点，也可不另设参证点。
基本水准点可设在基岩或稳定的永久性建筑物上，也可设在土中。
无论是在基岩、永久性建筑物或土中设立，均应按相关规范的要求
进行。
校核水准点是用来引测断面、水尺和其他设备高程的，可根据
需要在便于引测的地点设置，一般宜设成明标。
校核水准点可用长
柱形石料、混凝土桩或钢筋混凝土桩制成，上端凿成或浇筑成半圆
2
形的标志，下端浇筑混凝土底座。
埋设的最小入土深度可按基本水
准点的规定执行。
（5）断面设施保护标志
在每个断面起点终点可各埋设一处断面保护与警示性标志，标
志中宜包括断面名称、设置日期、设施状况及重要性，以及破坏测
量标志的后果等内容。
在水文测验河段应设立保护标志牌。
在测验河段每个断面可设
置 1～2 个保护标志牌。
缆道、水位自记平台、钢塔（架）等设施每
处设 1～2 个保护标志牌。
保护标志牌分两种结构钢架结构和砖石结
构。
可根据测验河段地域选择设置。
（6）断面界桩
在每个断面起点终点可各埋设一处断面保护与警示性标志，标
志中宜包括断面名称、设置日期、设施状况及重要性，以及破坏测
量标志的后果等内容。
断面界桩采用刻字石碑型式，
（7）观测道路
观测道路是水位观测的工作通道，依据测站所处的地形、环境
特点建设。
路面宽 1.2m，建筑材料为石质或 C10 混凝土，水尺断面
处的观测道路采用阶梯形踏步
（8）测验设施保护护坡护岸
在水文测验设施布设位置需要保护，修建护坡护岸，根据具体
情况选择混凝土、块石护坡或挡土墙护岸。
2.2 水位观测设施设计
（1）基本要求
按《水位观测标准》相应条款设计，应符合防洪、测洪的建设
标准。
水位观测设施应能观测水位变幅的全过程，水位变幅大的可
分级建设，确保测记中、高洪水位。
根据测站已有的水文设施条件、
3
河道特性、地质条件以及水情特性选择相适用的水位观测设施、水
位计、近距离传输设备、监控及数据采集终端以及避雷措施；选用
的水位计、监控及数据采集终端和有线/无线近距离传输等设备应性
能稳定、先进可靠。
（2）水位观测水尺设计
根据观测断面的地形条件选用直立式水尺、倾斜式水尺和矮桩
式水尺。
一般情况下优选直立式水尺，当直立式水尺设置或观读有
困难而断面附近有固定的岸坡或水工建筑物的护坡时，可选用倾斜
式水尺。
有通航、流速大等不利设置直立式水尺时，且冲淤变化不
大的可设立矮桩式水尺。
直立式水尺：
水尺固定在垂直的靠桩上，靠桩可用型钢、铁管
或钢筋混凝土、木桩等材料制作。
用木质靠桩时，表面应作防腐处
理。
水尺靠桩入土深度宜为 1.0～1.5m。
可用混凝土浇筑在稳固的岩
石或水泥护坡上，或直接将靠桩打入、或埋设至河底。
水尺应与水
面垂直，安装时应吊垂线校正。
相邻两水尺之间要有 10～20cm 的
重合。
倾斜式水尺：
应将金属板固紧在岩石岸坡上，按斜线与垂线长
度的换算，在金属板上刻划尺度，刻度面的坡度应均匀，刻度面应
光滑。
矮桩式水尺：
参考断面桩的方法，
（3）水位自记平台
水位观测能实现自动采集、固态存贮和随机或定时报送；同时
采用其它记录方式，以确保数据的准确性和可靠性。
水位观测数据必须传输至测站站房，仪器房与站房距离小于
200m，采用有线近距离传输方式，大于 200m 则采用无线近距离传
输方式。
4
● 水位自记平台设计
根据各流域河道特性，选择合适水位测井。
① 测井建设应符合防洪、测洪的建设标准，应尽可能记录到水
位全变幅，井底应低于设计最低水位 0.5～1m，井口应高于设计最
高水位 0.5～1m，测井内径应大于 0.8～1.0m。
②进水管入水口应高于河底 0.1～0.3m，测井入水口应高于测
井底部 0.3～0.5m。
③ 沉沙池要设计良好，以避免泥沙在测井内大量淤积。
冲淤变
化和含沙量相对较大的测站应建两级或多级沉沙池。
④ 进水管入口选址要慎重，设计应考虑观测断面的淤积情况，
以免管口淤死造成测井失效。
⑤ 测井设计要进行基础承载能力、抗倾覆、危险截面、进水管
内径等计算。
确保高洪期测井不被洪水冲毁并保持正常收集水位资
料。
⑥ 水位观测仪器房与水位测井一体化建设，用于存储水位计、
数据存储器和近距离传输设备。
一般仪器房建于水位测井上部；面
积约 4m2。
仪器房建设应考虑通风防潮，应配有照明供电设施。
仪
器房建设风格和装修标准应符合当地的人文景观和水文特性。
⑦ 测井内应有便于维修、清淤、安装的装置；测井底部应埋设
避雷设施。
● 压力式（气泡式）水位计基础设计
压力传感器安装在岸上的仪器房内，水下需敷设感压气管。
水
位计所配的感压管为 φ10mm 的塑料管，为避免感压管受损伤，采
用 1.5″镀锌管或 φ22mmPVC 管材作为保护套管，感压气管敷设在
加盖护沟内或埋设于地下 0.5m。
加盖护沟的剖面面积约 15×20cm2，
建设于观测道路旁，以利气管、传输电缆的敷设和保护。
5
● 超声波水位计塔（台）设计
超声波非接触式水位计塔（台）由钢管支架、桩基础两部分组
成。
钢管支架为直径 219mm、壁厚 8mm 的无缝钢管，高度 6m，水
位计探头悬臂长 8－12m，采用不锈钢复合材料。
桩基础设计资料主要包括：
最大流速；最大含沙量；冲刷深度；
桩基础设计：
根据建设地点地质资料及设施冲刷情况，基础采
用灌注桩基础或者其它基础。
灌注桩深度、出河床高度、桩径、混
凝土标号、钢筋笼主筋、环筋、加强筋根据各站具体情况依据设计
确定。
桩基础水平及竖向承载力要经过验算。
● 水位观测仪器房：
水位观测仪器房用于存储水位计、数据存储器和近距离传输设
备。
一般将水位观测仪器房建于水位测井上部；使用气泡压力式水
位计的测站，在水位观测断面处建设仪器房。
2.3 流量泥沙测验设施设计
2.3.1 水文缆道
按《水文缆道规范》的相应条款对水文缆道进行更新或新建；
新建的水文缆道设施应符合防洪、测洪的建设标准。
水文缆道形式
主要分为四类：
流速仪缆道、吊船缆道、吊箱缆道、浮标投掷缆道；
具体到单站要根据各流域测站具体参数、测验河段实际情况来综合
设计。
2.3.1.1 总体布设
（1）流速仪缆道主要由两岸支架、主索、循环索、副索以及操
作控制系统，微机测流系统等相应部分组成。
采用流速仪缆道测验
6
基本设计参数
常用符号
设计水位；（实测最高洪水位，相应流量）
设计流速 Vs；
设计含沙量 Cs；
设计水深 hs；
基本风压 ω0；
地质条件：
卵石、角砾石；
缆道主跨 L；
缆道左、右边跨 a、b；
1. 流速仪缆道：
f0：
空索垂度（m）；
fv：
加载垂度（m）；
H0：
空索拉力（N）；
H：
加载拉力（N）；
Pv：
垂直集中荷载（N）；
Pz：
水平集中荷载（N）；
q：
承载索单位长度自重（N/m）；
ω：
承载索单位长度风荷载（N/m）；
2
Fk：
承载索钢丝横截面积（cm ）
的测站，根据测站水文特性和测验任务选用悬索缆道。
缆道基础设
施应根据地形条件建设主索塔架、地锚、主索、副索、缆道房、塔
架和地锚保护设施、防雷避雷设施。
设计典型图见下图。
流速仪主索缆道布设图
（2）浮标投掷缆道根据当地地形地貌，主要由两岸支架、主索、
循环索、浮标投放器、避雷设备以及其他缆道配套设施。
2.3.1.2 基本设计参数与常用符号
7
基本设计参数
常用符号
行车架、铅鱼等计算荷载 Pv；
2. 吊船缆道：
吊船规格、排水量、吃水深、水流冲力；
3. 吊箱缆道：
运用水位；
吊箱缆道最大工作流速；
最大含沙量；
最大水深；
设计风力；
校核风力；
最高气温；
最低气温；
吊箱尺寸，总重；
主索跨度；
主（副）索入地角；
左岸：
β 主左 β 副左
右岸：
β 主右 β 副右
2
Rcp：
混凝土抗剪切强度极限 （N/cm ）；
b1：
灌注桩计算宽度 （m）；
h1：
灌注桩计算入土深度 （m）；
m：
地基土的比例系数；
α2：
桩柱在土中的变形系数；
2
E：
桩柱混凝土弹性模量（N/cm ）；
4
I：
桩柱截面惯性矩（cm ）；
3
C0：
桩基土的地基系数（KN/m ）
1
20
② 超载系数：
1.1～1.2。
③ 主要构件安全系数：
工作索（循环索、起重索）：
不小于 2.5
主索、地锚：
不小于 2.5～3.0
塔架：
钢筋混凝土结构按构件破坏时的应力状态计算，不小于
2.5～3.0，钢结构等按材料允许应力计算。
拉线：
不小于 3.0
④ 缆道驱动系统：
电机驱动
⑤ 缆道操作控制系统：
变频调速微机控制
⑥ 避雷接地系统：
采用均衡电位地网，接地电阻小于 10Ω。
⑦缆道房：
建在最高洪水 1m 以上，砖混结构、建筑面积为
20～30m2。
2.3.1.4 基础设计
缆索支架基础
（1）基础型式及尺寸
主索支柱采用钢支架浅基采用整体式方块基础。
混凝土支架。
8
（2）倾覆稳定计算
安全系数 K = MU / M Q >3（安全系数）
MU:
基础力矩（基础重力，与土摩擦力等）
MQ：
缆索力矩
2.3.1.5 支架设计
（3）、缆索支架
● 高度计算
架顶高程=设计水位（m）+安全超高（m）+铅鱼至行车架间工
作距离（m）+最大加载垂度（m）
支架高=架顶高程（m）－地面高程（m）－架头高（m）
● 结构设计
钢支架一般采用单斜 K 型结构，主材坡度按等坡设计，坡度α 。
钢支架采用自立式角钢螺栓支架（热镀锌处理），确定主材、斜材、
次材、架顶横材、架顶斜材型号。
砼支架一般采用 C30 混凝土现浇，钢筋布设根据倾覆稳定计算
的数据计算钢筋用量。
（4）、架头设计
确定主索架头支撑轮材料，支承轮
直径 D，轮轴直径 d。
确定支承架材料，底板厚，立板厚，
加强板厚（如图）。
副索架头结构形式同主索。
（5）、架脚设计
架脚结构采用四边支撑，地脚锚式，
主副塔采用相同的架脚形式。
确定底板的平面尺寸，底板厚度，主索架头示意图
9
是否满足要求。
选用肋板材料，厚度δ ；选用节板材料，厚度δ 。
确定地脚螺栓型号，锚栓埋深，平垫圈，配备螺母型号。
2.3.1.6 缆索安装设计
✧ 主索
（1）荷载计算
①集中荷载
垂直集中荷载包括行车、铅鱼等计算荷载：
Pv
作用在单位面积上的风载荷 ωk=ßzμsμzω0
式中：
ßz——高度 z 处的风振系数
ω0——基本风压
μs——风荷载体型系数
μz——风压高度变化系数
浑水密度 ρ A＝（102 +
cs
1.58g
） ⨯10
水平集中荷载包括作用在循环索上的风荷载、起重索水面以上
风荷载、水面以下动水压力，计算 Pz
②均布荷载
主索均布荷载为单位风荷载，ω=ωk·d·1
（2）主索拉力与垂度计算
空索拉力与垂度：
根据主索跨度确定 f0 则 H0=
加载拉力与垂度：
①常温时
10
qL2
8 f0
H 3 （H 0 -
EK ⋅ FK ⋅ q 2 ⋅ L3
2
）H 2 =
EK ⋅ F（B + C）
24 A
求得主索拉力 H
加载垂度 f=
v
（qL2 + 2P L） / 8
H
②最高气温时
校核公式 Hb3－（H0+C4EkFk－A2B4EkFk/H02）Hb2－A2B4EkFk
求得 Hb
将 Hb 代替 H0，代入①中公式
求得当气温达到最高时主索拉力 H
其最大垂度 f=
v
（qL2 + 2P L） / 8
H
③最低气温时
校核公式 Hb3－（H0+C4EkFk－A2B4EkFk/H02）Hb2－A2B4EkFk
求 Hb
将 Hb 代替 H0，代入①中公式
求得最大加载拉力 H
其垂度 f=
v
（qL2 + 2P L） / 8
H
（3）主索安全系数
K=
T j
H max
（安全比较）
✧ 循环索
（1）行车阻力计算
行车在主索上移动时，遇到三项阻力：
爬坡阻力、滚动摩擦阻
11
力和轮轴承摩擦阻力，后两项可以忽略不计。
设爬坡阻力为 TP，当
行车接近钢支架时，行车阻力最大。
设 a， TP =
PV
2HL
（qL + PV ）（L - 2a）
首先计算主索加载拉力 H
H 3 （H 0 -
2
）H 2 -
A 24
⋅ （B + C）= 0
代入已知数据得：
H、 TP
（2）循环索装配拉力
T0X=
qx ⨯ L2
8 f 0
（3）滑轮阻力计算
F= （ξ + 2μ
d z
D
⋅ sin
α
2
）T0 X
式中：
dz 为滑轮轴直径， dk 为钢丝绳直径；α 为滑轮上钢丝绳
的包角，取π ；D 为滑轮直径， μ 。
1 +
ξ = 0.1⨯
120
T0x
D - 10
⋅ dk
2
则计算 F 、 ∑ F
（4）循环索最大拉力及最小拉力
Tmax=T0x+Tp+0.5× ∑ F
Tmin=T0x－0.5×（Tp＋ ∑ F ）
（5）循环索安全校核
K=Tj/Tmax>3（安全系数）
12
（6）绞车驱动力计算
循环 ∆ Tp=Tp+ ∑ F
（7）驱动轮附着力验算
T 紧=T0x+0.5× ∆ Tp
T 松=T0x－0.5× ∆ Tp
K f
'
⋅ ∆T = T松
解得α = xπ ，绳绕轮超过半周，增设分线轮可满足循环索在驱
动轮上不打滑的要求。
（8）运行速度计算
水平运行的绞车卷筒直径 D，转速 n，传动比 i。
垂直运行的绞车卷筒直径 D，转速 n，传动比 i。
水平速度V =
πDn
60000i
，起重速度V =
πDn
60000i
。
（9）电动机功率选择
水平电动机功率 N =
起重电动机功率 N =
2 ⋅ ∆T ⋅V
102 ⨯10 ⨯η
P ⋅V
102 ⨯10 ⨯η
（η 为功率因子）
从实用和安全角度考虑，水平运行电机额定功率选 X KW；起
重电机额定功率选用 Y KW。
（10）循回驱动轮扭矩
水平 M = 1.3 ⨯ ∆T ⨯
D
2
起重 M = 1.3 ⨯
P
2
⨯
D
2
选用摆线针轮减速器型号，确定最大输出扭矩。
13
✧ 副索
（1）荷载计算
①集中荷载
竖向集中荷载 Pv
水平集中荷载 Pz
②均布荷载 ωk
均布荷载为单位风荷载，ω=ωk·d·1
（2）拉力计算
①空索垂度与拉力
f0 根据副索跨度选取，H0=
②加载拉力
qL2
8 f0
24 AH 0
H3－（H0－
EK FK q 2 ⨯ L3
2
） ⨯ H2=
EK FK （B + C）
24 A
求：
H
（3）安全系数
K =>3（安全系数）
H
✧ 拉偏索
拉偏索选用；
水平方向受力 Pz
拉偏索绳安全系数 K 一般较大，可满足要求。
✧ 索具选择
根据主索、循环索、副索、拉偏索的直径和荷载，分别选择索
14
具。
（1）螺旋扣
主索缆道由于受荷载或温度变化的影响而伸长（或缩短），使垂
度发生变化，为能随时调整主索垂度，在右岸锚杆端安装螺旋扣，
使其达到设计要求。
根据主索最大加载拉力 H，并考虑安全系数，
选用螺旋扣类型或型号。
根据副索加载拉力 H，考虑安全系数，选择螺旋扣型号。
（2）钢丝绳夹子
采用骑马式钢丝绳夹（GB/T5976-1986），具体型号及单侧配置
数量根据各站结果确定。
✧ 防振设计
根据缆道跨度、钢丝绳直径及防振锤规范规定，每侧安装防振
锤。
①防振锤重量计算
经验公式：
W=0.4d－2.2
式中：
W——防振锤总重量，kg；
d——钢丝绳直径
选用防振锤型号，重量。
②安装距离计算
公式：
λ / 2 =
d
400v
⋅
H
q
式中：
v——常见风速
H——空索拉力
15
q——主索垂直均布荷载
求：
λ/2
防震锤安装距离 b，即防振锤安装在距架头轮支点 bm 处。
2.3.1.7 锚碇
主索左右岸、副索左、右岸均为砼重力锚，尺寸及埋深根据各
站具体情况确定。
锚杆选用圆钢，锚栓选用工字钢。
计算结果和安全系数比较，看是否满足要求，如不能满足，则
重新选用，再计算，直到满足要求。
支架自锚式在支架计算中应加此部分计算。
2.3.1.8 缆道机房
新建缆道机房：
分机房和操作房
浮标房：
尽量考虑将浮标投放，浮标观测设于一处。
2.3.1.9 驱动控制系统
✧ 流速仪缆道驱动控制系统设计
（1）功能设计
①具有控制铅鱼水平运行及控制铅鱼垂直升降功能。
②具备控制和显示功能。
③能设置各种测量参数、显示铅鱼相对运行位置及各种测量成
果功能。
④具有对流量信息（水面、河底、流速、水深、起点距）的接
收、处理、计算及存储功能，至少保存一次完整的流量信息资料，
并具备与计算机实时通讯功能。
⑤当发生异常时具备应急控制功能。
（2）控制台外形要操作方便，适用美观。
（3）电路设计
16
根据水文缆道控制系统功能要求。
其控制程序是：
控制台上电
后，交流电压表（V）显示来电电压。
按电源按钮后，控制系统进入
工作运行状态，可根据需要自由选择自动（半自动）或人工测验方
式。
控制台与计算机通过 RS-232C 相连，可直接在计算机上操作控
制吊箱或铅鱼实施测验。
当控制器或变频器发生异常时，可启动应
急控制部分，确保铅鱼的正常运行。
（4）控制软件
控制软件采用汇编语言编写，软件应具有以下测验控制方式。
①自动测量方式：
当用铅鱼测验时，能按事先设置的测量程序
自动运行，自动实现垂线、测点布设，水深、流速测量等。
②人工方式：
测验过程中的垂线、测点布设，水深、流速测量
均在人工操作下完成。
③自检方式：
系统能自动测试各个部分工作是否正常，测验完
成后显示测验结果。
④抗干扰功能：
软件应具备防止外界干扰或某些操作上的失误
而造成程序不运行或死机等，在测验过程中如遇突发事件可随时中
断测量，并保存已测成果。
✧ 浮标测流缆道驱动控制装置设计
浮标投掷器的驱动装置可采用电动、手动两种方式。
电动装置
具备变频调速驱动控制、光电编码器测距，智能电子计数显示起点
距等功能。
配置控制设备箱，变频器对交流电机实现调速控制，按钮操作，
并具备变频、工频转换，保证浮标投放正常运转。
选用电动机额定功率、额定电压 380v、额定转速电机，运行速
度，
浮标控制台可变频调速，控制浮标缆道正反运行，配备起点距
17
计数器，控制浮标放间隔。
2.3.1.10 流量信息采集及处理
（1）铅鱼
铅鱼是实施流量信息自动采集的基本载体。
水深（水面、河底
信号）、流速等水文要素的信号
源均安装在铅鱼上，通过铅鱼的
水平和垂直移动，将信号源带到
指定的垂线（测点），实现水深、
流速等信息的自动采集。
根据各
站的水流特性，确定铅鱼重量，
铅鱼造形示意图
其铅鱼造形见图
在流量测验中，水深和起点距信息的自动采集主要依靠光电编
码器实现。
光电编码器是常用的位移、长度、深度等机械量的检测
器件,在位移、长度、深度测量中具有很强的抗干扰能力、良好的实
用性能和稳定可靠的输出脉冲信号性能，且该脉冲信号经计数后可
得到被测量的数字信号，目前被各行业广泛采用。
传感轮直径采用 φ150mm，编码器选用每转 400 个脉冲，则每
个电脉冲信号所代表钢丝绳绳长为：
150π÷400=1.178（mm）,满足水
深、起点距测量
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