（水利工程专业论文）水文缆道设计方法研究.pdf

河海大学工程硕士学位论文 摘要 水文缆道是一种由岸上进行操纵控制，进行江河流量、泥沙等测验工 作的水文测验专用设备。与其他传统水文测验设施相比，定位精度较高， 高洪水测验人员无需下水，因此具有极大的安全性，为机电一体化和计算 机控制提供了可能，使流量、泥沙测验向自记化、自动化和无人值守化前 进有了可能，具有明显的社会和经济效益。同时，我国水文缆道的设计方 法、理论存在着设计不标准、理论不清晰、概念不明确的弊端。这些现象 使我国水文缆道的设计经验大于科学、感性重于理性，成为缆道定型设计、 定型生产、向更进一步现代化迈进的瓶颈。 本文主要从总结近5 0 年我国水文缆道建设的经验入手，以综合水文缆 道的索路布设型式为伊始，重点解决的问题有： i 归纳国内现有水文缆道的索路布设型式，给出各自的在生产实践中的 适用条件和优缺点； 2 对承载索、牵引索、单层拉线支柱( 架) 、绞车、支柱的基础和锚碇等 水文缆道的主体部分提出其设计原则、荷载组成、受力计算和设计方 法： 3 对有副索拉偏的缆道探讨其副索位置的合理性和拉偏条件下的铅鱼重 量选择。 关键词：水文、缆道、荷载、索路、支柱、锚碇、拉偏 a b s t r a c t h y d r o l o g yc a b l e w a y i sas p e c i f i cs u r v e yi n s t r u m e n t ，w h i c hi sc o n t r o l l e do n t h eb a n k ，s u r v e y i n gt h er u n o f fo ft h ew a t e ra n ds a n d c o m p a r i n gw i t ho t h e r t r a d i t i o n a lh y d r o l o g ys u r v e yi n s t r u m e n t ，i th a st h ec h a r a c t e r so fh i g ho r i e n t a t i o n p r e c i s i o n ，a n dm o r n i t o r i n gw i t h o u tp e o p l ed u r i n g f l o o dp e r i o d s oi ti sr a t h e r s a f ei n s t r u m e n t ，a n dm a k e si tp o s s i b l et o a u t o m a t i cs u r v e y i n gt h er u n o f fo f w a t e ra n ds a n d ，a n da l s oh a sh i g hs o c i a la n de c o n o m i c b e n e f i tc h a r a c t e r w h i l e ， t h ed e s i g nm e t h o d sa n dt h e o r i e so ft h eh y d r o l o g yc a b l e w a ya r en o ts t a n d a r l i z e a n dc l e a r f y , m o s t l yd e p e n do nt h ew o r k i n ge x p e r i e n c ew h i l en o ts c i e n t i f i ct h e o r y , w h i c hm a k e si tab a r i e ro f d e s i g n a n d p r o d u c t i o n o ft h ec a l b l e w a y t h i s p a p e rm a i n l ys u m m a r i z et h e t r a d i t i o n c a l e x p e r i e n c e o fh y d r o l o g y c a b l e w a yo f c h i n ai nt h er e c e n t5 0y e a r s ，d i s c u s s i n gt h ec o l l o c a t i o nm o d e l so f t h ec a b l e w a y r o a d ，m a i n l ys o l v e t h ef o l l o w i n g p r o b l e m s ： 1 s u m m a r i z i n g t h ee x i s t i n gc o l l o c a t i o nm o d e l so f h y d r o l o g yc a b l e w a yr o a d ， a n dt h ea p p l i c a t i o nc o n d i t i o n s ，s t r o n g p o i n t sa n ds h o r t c o m i n go f e a c hm o d e l i np r a c t i c e ； 2 p r o p o s i n gt h ed e s i g np r i n c i p l e ，l o a dc o n s t i t u ea n dc a l c u l a t i o na n dd e s i g n m e t h o d so ft h em a i n l yp a r to ft h eh y d r o l o g yc a b l e w a y , s u c ha sb e a r i n g c a b l e ，t r a c t i o nc a b l e ，m o n o l a y e rp u l ls t r i n g ，w i n c hb a s ea n d a n c h o e 3 f o rt h e c a b l e w a y w i t ha s s i s t l e a n i n gc a b l e ，d i s c u s s t h er e a s o n a b l e p o s i t i o n o f t h e a s s i s t l e a n i n gc a b l e ，a n dw e i g h t o ft h ea n c h o ru n d e rt h e l e a n i n g c o n d i t i o n k e yw o r d s ：h y d r o l o g y ，c a b l e w a y ，s u r v e d ，l o a d ，c a b l er o a d ，s u p p o r t a n c h o r l e a n i n g 塑查盔兰三壁堡主兰生堡塞 第一章绪论 1 1 水文缆道的发展历程 水文缆道是一种由承载索( 主索) 、牵引索( 循回索) 、支柱( 架) 、 拉线、地锚、转( 导) 向滑轮、运载行车、悬昂铅鱼( 仪器) 、驱动绞车、 信号仪表装置、防雷设施、操作室( 机房) 等系统组成的，并由岸上操纵 控制，能通过铅鱼( 悬杆) 将流速仪( 泥沙采样器) 送至天然( 人工) 河 道过水截面中任意点，进行测点流速( 泥沙含量) 测量，从而进行江河流 量、泥沙等测验工作的水文测验专用设备。 水文缆道与测船、吊船过河索、缆车、测桥等流量、沙量测验过河设 施相比：流速仪等一次仪表进退和升降受绞车控制，定位精度较高，可以 充分满足水文测验规范的要求；高洪水测验人员无需下水，因此具有 极大的安全性，这在我国为数众多的暴涨暴落山溪性、高流速河流中具有 不可替代的作用；可以由1 个人完全实测单次流量，达到精简人员，提高 效率的目的，因而更加适应精兵高效的水文发展目标；因为缆道工作是受 绞车控制，为机电一体化和计算机控制提供了可能，使流量、泥沙测验向 自记化、自动化和无人值守化前进有了可能。 正因为缆道具有如此的优点，因此自从19 5 4 年浙江新昌县水文站建 成第一座手摇缆道和19 5 6 年嘉陵江北碚水文站建成第一座电动水文缆道 后，这种水文测验设备在我国发展很快。到7 0 年代末，在全国小于4 o o m 跨度河宽的水文站中约有7 q 架设了水文缆道，成功地解决了缆道测流室内 安全操作问题；8 0 年代，组织了全国缆道普查，对缆道绞车组织了评审， 进行了定型设计，83 年在南京组织了高流速、高含沙条件下的测速、测深、 塑塑盔兰兰堡堡主堂垡笙茎 测沙技术攻关，使水文缆道成为我国中小河流的主要测流设施，实践证明 水文缆道的投产大大提高了工作效率，减轻了测站劳动强度，保证了人身 安全，提高了测洪能力，具有明显的社会和经济效益；进入9 0 年代，已有 1 8 0 0 多座水文缆道运行使用，缆道技术在原有基础上仍有发展，但发展规 模及涉及面都局限在局部范围，大部分缆道技术和设备都是8 0 年代水平， 陈旧老化，带病带险运行，极易造成安全事故。9 8 洪水以来全国迎来了水 利建设的大好机遇，水文作为重要的防汛抗早部门也相应的加大了对基础 测验设施的建设和改造，一大批建于7 0 一80 年代的缆道需要改建或重建， 新增水文站网也需架设新的水文缆道，因此水文缆道这一先进的水文测验 设施迎来了新一轮的建设高潮。 1 2 水文缆道的国内外研究现状 水文缆道是水文测站主要的技术设备，并且在我国应用范围很广，但 其所建设的场地一般是交通条件比较闭塞，大型施工机具一般无法施工， 其工作条件由于洪水中水流、漂浮物、冰排等的撞击而十分复杂，所以其 设计的优劣关乎到工程造价是否合理、工程运转是否正常、工程维护是否 简单易行、工程质量是否能够经得起设计洪水的考验，同时缆道的设计要 适应水文测站专业技术人员少、日常维修养护工作困难的实际情况，尽量 做到结构简单、操纵灵活、施工方便、安全可靠、有较大承受超设计荷载 的能力。水文缆道的设计建设必须依据测站的实际条件，做到准确可靠、 经济合理、方便适用。所谓准确就是要求测验成果( 包括测速、测深和取 沙) 质量较好，强度较高，设备牢固，工作可靠，特别是要能在高洪水条 件下正常工作。所谓经济合理就是要求造价低，经常性运转和维修费用省， 塑童查兰三堡堕主兰垡堡苎 设计要有科学依据，安全系数选用合理，用材适当，缆道的布设和结构型 式科学合理。所谓方便适用要求操作简便、维修容易，测验仪表观读方便。 根据这些缆道设计的基本原则，几十年来广大水文工程技术人员做了大量 试验研究工作，在缆道绞车、操作台、流速信号、缆道测沙等方面取得了 许多成果。1 9 8 4 年，水利电力部颁布了水文缆道测验规范，使水文缆道 技术有了统一的技术规定，促进了水文缆道技术的发展。80 年代以来随着 我国科学技术的进步，特别是计算机技术在水文行业的普及和应用，水文 缆道技术又有了新的提高。江西、湖北、吉林、四川、长委等水文单位结 合实际需要，不断研究水文缆道技术，研制了适用小河巡测的活动缆道设 备；计数器有了很大改进；应用计算机进行水文缆道控制、信号检测及数 据处理；山东水文局研制了无线信号；南京自动化所研制开发了变频调速 程控绞车，使缆道自动化测流成为现实。 国外水文缆道数量不多，主要发达国家美国常用高空手摇缆车，德国 有少数带牵引索的缆道用作测流、取沙。发达国家的缆道设备比较少，不是 驻站的主要设备，多用于巡测流量，因此数量、功能、设计理论均不如我 国。 1 3 问题的提出 我国水文缆道设备的布设型式、索路系统、支柱( 架) 、基础及锚碇 等设施的设计一般是由各省水文部门经长期实践摸索、总结出来的。由于 水文系统内多数为水文水资源专业技术人员，分散于各地，所以各自的设 计方法、理论多出自本省、本地区的地理、江河、水文特性和设计习惯， 缺乏系统的理论分析与研究。在缆道索路布设型式、支架高度、索路拉力 塑查查堂三堡堡主堂堡堡苎 计算、单层拉线支柱( 架) 设计、基础锚碇的设计方面存在着设计不标准、 理论不清晰、概念不明确的弊端。这些现象使我国水文缆道的设计经验多 于科学、感性重于理性，设计理论的模糊成为缆道定型设计、定型生产、 向更进一步现代化迈进的瓶颈。尤其是现在，大批投产于70 年代中后期、 8 0 年代的水文缆道面临着改建或重建，有效的总结出一整套有关水文缆道 基础设施的设计原则、设计理论、计算方法，用以使今后缆道设计能够标 准化、科学化、规范化显得至关重要。 1 4 本文所要解决的主要问题 本文主要从总结近50 年我国水文缆道建设的经验入手，以综合水文 缆道的索路布设型式为伊始，重点解决的问题有： 1 、归纳国内现有水文缆道的索路布设型式，给出各自的在生产实践 中的适用条件和优缺点； 2 、对承载索、牵引索、单层拉线支柱( 架) 、绞车、支柱的基础和锚 碇等水文缆道的主体部分提出其设计原则、荷载组成、受力计算和设计方 法： 3 、对有副索拉偏的缆道探讨其副索位置的合理性和拉偏条件下的铅 鱼重量选择。 塑塑盔堂三堡堡主堂堡堡塞 第二章缆道布设型式与演变 缆道的布设型式，关系到缆道能否准确可靠、经济合理、方便适用。 缆道的型式多种多样，各个水文测站的自然环境不同，应用的缆道型式也 不会完全一样，只要本着因地制宜的原则，根据本站的地形、水位变幅、 流速大小以及动力来源等方面去选型，就能取得预期的效果。 2 1缆道型式的类别、名称 缆道型式以横过河槽的跨度分可分为单跨和多跨两大类型；以操纵 方式分，可分为普通的和自动化两种类型；按驱动情况可分成手摇缆道和 机( 电) 动缆道；按悬吊部件特征，可分成悬索缆道和悬杆缆道。 测站水深变幅小者，宜采用悬杆缆道；测站水深变幅大者，宜采用悬 索缆道；洪枯水深变化悬殊的地方，则应二者结合。悬索缆道上也可使用 悬杆施测。 水文缆道的型式和名称，以牵引索是否在行车上形成封口来区分。封 闭者称“闭i z 式”，非封闭者称“开口式”。为了省力和节约牵引钢绳，可 采用闭口式游轮缆道和开口式游轮缆道。闭口式游轮跟随行车运动，开口 式游轮只在支柱( 架) 附近运动；两种游轮缆道均可用“平衡锤”以求省 力，也可结合本站水深对仪器( 铅鱼) 升降速度的需要，在绞车之外采取 “滑轮组”来达到省力和减速的目的。 单跨缆道，按闭口或开口的游轮缆道型式布设均可；多跨缆道，则以 采用开口游轮的布设型式为宜。由于闭口游轮缆道的运用要受客观条件限 制，广泛使用的是开口游轮加平衡锤的布设型式。 2 2 操作室位置和牵引索走线方式 ! 里童盔堂兰矍婴主堂堕笙兰 缆道操作室( 机房) 的位置，应建在视界比较开阔，便于监视河中漂 浮物来路和行车运动的地方。 牵引索( 循回、起重) 从支柱( 架) 到操作室( 机房) 这一段距离内 的走线方式，计有： ( i ) 从支柱( 架) 顶部转向，直接斜穿引进室内上绞车； ( 2 ) 从支柱( 架) 顶部转向，至支柱( 架) 脚部再转向，由地面特 设暗沟引进室内上绞车； ( 3 ) 从支柱( 架) 顶部转向至腰间再转向，水平地引入室内上绞车； ( 4 ) 从支柱( 架) 顶部转向至操作室( 机房) 屋顶再转向，垂直地 引进室内上绞车。 上述四种走线方式中，第( 1 ) 种最为简便，除绞车机座需有一定的 抗拔能力外，加强相应一方( 支柱、架) 的拉线地锚即可。第( 2 ) 种也较 好，它有利于水文缆道的防雷。第( 3 ) 、( 4 ) 两种适用于操作室( 机房) 设在主跨下、绞车安装在楼上的测站，对于检修行车比较方便，但建筑标 准要求较高。走线方式要从经济、安全、适用等方面作金面考虑，参照采 用。 2 3 独轮缆道 在早期，各式水文缆道都需用双轮绞车驱动，即一个轮子循回、一个 轮子起重，两个轮子之间设置离合器，否则需安两只动力机分别启动绞车 进行循回和起重。 70 年代，四川省石柱水文站、宁夏固原水文站先后建成“电动独轮缆 道”，用一台“独轮绞车”一只动力机驱动，配合一个电磁制动器对卜2 个 塑墨盔堂王堡堡主堂垡丝壅 特定的转向滑轮一刹、一放，即能完成- 9 双轮绞车相同的任务。 独轮缆道与双轮绞车驱动比较，具有机构简化、建设投资节省、加工 维修简易等优点。已建成的独轮缆道，其基本情况可参阅表2 - 1 。 表2 - 1独轮缆道情况调查表 投产时间架设跨 运载铅鱼 地区站名 刹轮动力操作情况( 摘要) ( 年月)度l ( 1 1 1 )重p ( k g ) 石柱 操作室和机房分开，电控 四川1 9 73 5 2 2 02 0 0 堕 电动 操纵，机器旁无须用人。 水文站 手动费力。使用效果较好。 大赉 操纵室和机房在一起，电 吉林 19 9 9 1 05 2 52 50 双电动 控操纵，机器旁无须用人。 水文站 手动轻便使用效果良好。 固原 操作室和机房可分开，电 宁夏 19 7 5 5l3 5 载人吊箱双电动 控操纵，机器旁无须用人。 水文站 手动轻便。使用效果良好。 操作室和机房可分开，电 四川i 鸣玉 1 9 7 5 913 51 0 0堕 电动控操纵，机器旁无须用人。 水文站 i可以手动。使用效果良好。 独轮缆道离不开平衡锤，控制循回、起重作用的“刹轮”则是关键。 一控双刹的型式最好。 2 4 多跨缆道 水文缆道，通常是在单一河槽的测站中使用，在多槽分流的平原河道 上也可以建立和运用。我国第一座横跨几道河槽，采用岸上电力牵引、室 内操纵的长距多跨水文缆道，于1 9 7 2 年在江苏省徐州地区的邳县运河水文 站创建成功。 运河站的多跨缆道，总跨度为1 2 2 5 m ，中间为连续四跨。它突破常规， 采用新的结构型式，建成使用效果良好。运河站的实践丰富了缆道建设的 技术经验，对平原河流下游河道“分岔、多槽”的测站实现测流、取沙缆 道化，有重要的现实意义。 2 5 副索拉偏 塑塑奎堂王堡塑主堂垡笙苎 缆道的悬索( 悬杆) 下水施测时，由于流速的作用要产生偏角，偏角 大了就会降低所测成果的质量。为了控制洪汛时期的偏角，有些中小河流 的测站采取了副索拉偏的辅助性设施。副索拉偏的装置简单，不仅可以减 小偏角，还可新开一条讯号线路。测洪偏角大的测站，如有条件都可采用 副索拉偏的方法。 2 6 闭口式游轮缆道 2 6 1 基本型式及其适用性 闭口式游轮缆道的基本型式，如图2 - 1 所示。它的优点是起重力可节 省一半；缺点是：为了避免游轮和双索入水增大偏角，游轮和铅鱼之间的 悬索( 悬杆) 长度，要根据测洪最大水深加以固定，因此主索支点要相应 提高。地势平坦的测站采用这种缆道，支柱( 架) 较高造价增大。地势较 高的测站采用这种缆道，可能不需建设高支柱( 架) ，但如水深较大时，悬 吊长度大了操作使用上是不方便的，因此，闭口式游轮缆道，只适用于洪 枯水深变幅较小、两岸地势较高的测站。这种型式的缆道，如条件适合， 游轮和铅鱼之间用悬杆，配合副索拉偏，效果较好。 2 6 2 用滑轮组减速和省力的布设型式 缆道测流为了定点和放准相对水深，对铅鱼( 仪器) 的升降速度要有 一定的要求。在测站水深较小，升降速度要求较小与绞车转速较大不相适 应的情况下，可用滑轮组在绞车之外减速，同时使起重省力，如图2 - 2 所 示。滑轮组走线数视具体需要而定。从闭口式游轮缆道的特性看，对铅鱼 升降减速是很必要的。 如无变速的需要，用平衡锤省力要简便得多。个别测站受空间狭小限 ! 里查盔兰三堡堡主堂笪笙苎。； 制，无法安装较大的平衡锤，则可采用“平衡锤加滑轮组”的综合装置。 2 6 3 用平衡锤省力的几种布设型式 图2 - 3 、2 - 4 、2 - 5 是闭口式游轮缆道为使起重省力而采用平衡锤的代 表性布设型式。省力的目的除了降低平时动力消耗之外，还为了在特殊洪 水或机、电故障等特殊情况下便于“手动”操作。水文站的站址一般较偏 起 ( 铅鱼 图2 - 1闭口式游轮缆道基本型式示意图 起重卷筒 图2 - 2闭口式缆道滑轮组减速、省力布设示意图 塑塑盔兰王堡堡主堂焦笙苎 僻，缆道建设上应有机动( 电动) 和手动操作两种打算，以便不丢失宝贵 的洪水资料和延误防汛时机。 图2 3 的型式适用于支柱( 架) 较高的测站，图2 - 4 适用于支柱( 架) 较矮的测站。所谓较高、较矮是针对铅鱼( 仪器) 升降变幅而言，前者平 衡锤上下所需的高度应等于或大于铅鱼升降变幅的两倍，后者平衡锤的架 设高度与铅鱼升降幅度相同，也可以略大一些。 图2 5 型式，有两个方案：起重转轮是“循回式槽轮”时( 简称绳槽 轮) ，起重牵引索应按图上虚线所示布设成一闭合圈；起重转轮是“卷筒” 者，只按实线布设牵引索。两相比较，后者当铅鱼接触河底时，平衡锤自 动停止升降，有助于掌握和鉴别铅鱼测深。前者则把卷筒作为绳槽轮可以 简化结构。不论采取哪种布设方案，它们的平衡锤架设高度是一样的；平 衡锤和铅鱼的升降变幅关系都是2 ：1 。 用绳槽轮代替卷筒，缩小了缆道绞车的体积和重量。上面介绍的三种 用平衡锤省力的缆道布设型式，都适于使用绳槽轮式的绞车。 采用何种布设型式为好，应根据测站的具体条件，按因地制宣的原则 确定。 绞车起重轮 图2 3 闭口式缆道平衡锤省力布设型式 百恼 n u 嚣一 河海大学工程硕士学位论文 绞车起重轮 图2 4闭口式缆道平衡锤省力布设型式( 二) 图2 - 5闭口式缆道平衡锤省力布设型式( 三) 轮 河海大学工程硕士学位论文 2 7 开口式游轮缆道 2 7 1基本型式及其适用性 开口式游轮缆道的基本型式，如图2 - 6 所示。它的特点是：牵引索兼 有“循回、起重、悬索”三种作用；铅鱼( 仪器) 的升降，通过岸上支柱 ( 架) 附近的游轮进退来操纵。和闭口式游轮比较，单纯的起重索取消了， 可以节省牵引钢绳的长度。 循 图2 - 6 开口式游轮缆道基本型式示意图( 一) 开口式游轮缆道是目前测站广泛采用的一种型式。这种布设的基本型 同洱大学工程硕士学位论文 式如图2 7 所示。因其未设省力装置，铅鱼的重量完全靠绞车负担( 跨度 较大，铅鱼较重时，考虑省力是很必要的) 。 2 7 2 用滑轮组减速和省力的布设型式 在绞车转速较快，不适应定点施测的要求时，开口式游轮缆道也可在 绞车之外，用滑轮组使铅鱼( 仪器) 升降减速，同时达到省力的作用，具 体布置如图2 8 所示。滑轮组走线次数，由实际需要决定。如无变速的要 求，则可采取平衡锤省力；也可采用滑轮组加平衡锤的布设型式。 图2 7 开口式游轮缆道基本型式示意图( 二) 河海大学工程硕士学位论文 图2 - 8开口式缆道滑轮组减速、省力布设型式 2 7 3 用平衡锤省力的几种布设型式 图2 - 9 、2 - 1 0 、2 - i i 是开口式游轮缆道采用平衡锤，使起重省力的代 表性布设型式。图2 - 9 和图2 - i0 的布设型式，都适用于起重轮是“绳槽轮” 的绞车。二者的差别在于平衡锤的架设高度不同。平衡锤和铅鱼( 仪器) 的相对升降比例，图2 - 9 的型式是l ：2 ，图2 10 的型式是1 ：4 。其所需的 平衡重量，注于图中。绞车的起重轮是“卷筒”时，开口式游轮缆道按图 2 - 1 1 所示的型式布设。这种型式，铅鱼一接触河底，平衡锤就立即停止升 降，可以避免绞车制动差前错后对铅鱼测深造成的人为误差。它的平衡锤 和铅鱼的相对升降比为1 ：2 。 选择何种平衡锤布设型式，要由测站的水深大小、支柱( 架) 高度、绞 车的构造等条件综合分析决定。 河海大学工程硕士学位论文 图2 - 9开口式缆道平衡锤省力布设型式( 一) 图2 10 开口式缆道平衡锤省力布设型式( 二) 河海丈学工程硕士学位论文 图2 - 1 1 开口式缆道平衡锤省力布设型式( 三) 2 8 开口式游轮缆道的改进 目前，开口式游轮缆道的布设型式，随着绞车的改进，向牵引索与转向 滑轮结合演变和发展。 2 8 1 双动式缆道 图2 1 2 是吉林省农安水文站的入力缆道的布设型式，因循回轮驱动时， 它的a 、b 二轮( 绞车) 双双齐动，故名双动式缆道。a 、b 二轮在绞车上同 轴、同规格，把a 轮与b 轮离开刹住，转动b 轮即可牵引平衡锤和铅鱼( 仪 器) 相对升降作垂直运动。因b 轮固定于轴，故只需半边离合器；当a 、b 分离时，a 轮一边须用一个简易的制动器。 河海大学工程硕士学位论文 铅鱼p 图2 - 1 2 双动式缆道布设型式示意图 双动式缆道的特点是： ( 1 ) 不用单纯的循回轮和起重轮，绞车的结构简单； ( 2 ) 平衡锤上的导轮兼作游轮； ( 3 ) 各种作用不同的牵引索完全合为一体。 这种缆道的传动、制动结构简易，所用牵引钢绳最省，绞车启动力小， 便于人力操纵，如配以调速设备，也可用于机( 电) 动。 2 8 2 单刹型独轮缆道 把图2 1 2 所示双动式绞车的a 、1 3 二轮撤开，将a 做成一个可刹、可 松的特定转向滑轮，将b 做成单轮鼓式的( 独轮) 绞车。则刹住a ，驱动b ， 即可操纵平衡锤和铅鱼相对的垂直升降；松开a ，a b 同时转动，如能保持 “平衡锤不动”、即可驱使行车水平运动。图2 13 ，就是应用上述原理建成 的四川省石柱水文站的电动独轮缆道布设型式。 河海大学- l = 程硕士学位论文 独 图2 - 1 3 单刹型独轮缆道示意图( 一) 图2 - 13 中，刹轮k 由一电磁抱刹控制。开动绞车松开k 轮即可驱动 行车；绞车不停刹住k 轮则可牵引平衡锤和铅鱼一上一下地升降。为了便 于观察和保护，刹轮k 可按在机房内。平衡锤的导轮e ( 兼游轮) ，需用“双 槽滑轮”才能保持循回时铅鱼对平衡锤的相对稳定，因此e 轮可用两只同 一规格的单滑轮铆成。平衡锤的重量需四倍于铅鱼的重量，但其支架不高。 这种独轮缆道，机件简单，造价低，建设快，但牵引力的传导较为复 杂。缺点表现为：一是k 轮制动在操纵起重时绞车上的负荷较大，手动困 难；二是铅鱼升降速度太快( 比驱动行车的速度大一倍) ；三是停车时绞车 有回车现象不便用跳动式的机械记数器。 塑生盔堂三堡巫主堂垡堡塞 图2 14 是是四川省呜玉水文站的电动独轮缆道的布设型式，与石柱 站那种缆道同一类型，都是“单刹型独轮缆道”。鸣玉站将“双槽轮”改成 三槽轮”，并把它安置在支柱( 架) 上( 如图2 1 4 所示，e 轮的位置和石 柱式上下相反) 。由于改进了绞车的出线方式，石柱站型式上存在的几项缺 点都得到了解决和改善。例如：回车现象克服了，铅鱼升降速度降低了( 和 行车运动的速度相同) ，起重时绞车的负荷减小了( 比石柱式减小) 。 石柱站和鸣玉站在缆道布设上使用双槽轮和三槽轮，其目的是为了在 一介刹轮的条件下，使平衡锤对铅鱼在牵引行车运动时保持相对稳定。由 于这个关系，当k 轮刹住、操纵起重时，悬吊平衡锤的牵引索各段走线速 度不一，多槽轮e 上产生“轮对索的硬滑现象”，造成起重动力增大。鸣玉 型式是石柱型式的改进，但其起重所须的动力仍较一般用平衡锤的开口游 图2 - 1 4单刹型独轮缆道示意图( 二) 河海大学工程硕士学位论文 2 8 3 双刹型独轮缆道 单刹型独轮缆道存在的上述缺点，可以采用两个刹轮分别控制循回、起 重来解决。图2 - 15 是吉林省大赉水文站的电动独轮缆道的布设型式。该站 跨度5 2 5 m ，最大水深2 8 m ，铅鱼重量为2 50 k g ；用一台船测绞车的下滚筒作 驱动轮( 独轮绞车) ，以4 千瓦变频调速电动机传动，以另一台船测绞车上 下滚筒k 。、k ：分别担负控制循回、起重的刹轮。k ，、k 。由船测绞车上原有的 两个刹箍并联成的“一控双刹”装置，用手柄操纵；电机开动，刹住k ，放 开k z 即可牵引铅鱼升降，刹住k 。放开k ：即可驱动行车运动。由于多用了一 个刹轮，循回、起重时绞车所需用的动力均小，传动、制动都较简便；特 殊情况下，人力操纵也是比较轻便的。 电动独轮绞车 图2 - 1 5 双刹型独轮缆道布设示意图 塑塑查堂三堡堕主兰堡堡苎 2 8 4 考虑铅鱼升降减速的独轮缆道 在缆道使用上，对升降铅鱼、驱动行车速度的要求各不相同。在绞车没 有调速设备的情况下，一般缆道通常采用转轮直径不同的双轮绞车来适应； 独轮缆道的绞车是“独轮”，必须从其他途径寻求解决调速的办法。 从水文测验的要求来说，为了缩短测洪历时，驱动行车的速度要“快”； 为了放准测点的相对水深位置，升降铅鱼的速度要“慢”。上面介绍的几种 独轮缆道，除石柱站型式外，行车和铅鱼的运动速度相同，当缆道跨度较 大、水深较小时，不能完全适应测验的需要。缆道的跨度总是大于河道的 水深，因此，铅鱼升降的减速措施常有必要( 测线水平间距和测线水深接 近时，使用速比1 ：1 的独轮缆道，还是比较合适的) 。在没有调速装置的条 件下，为了使铅鱼升降减速，独轮缆道可以采取图2 - 16 的布设型式。 图2 - i 6 是吉林省蔡家沟站电动独轮缆道的布设型式，它使用了c 。和 c ：两个减速游轮和平衡锤，这样改变了起重对循回的速比。这里需要提出的， k ：在静止状态下是不需要刹制的；在k ：制动循回牵引状态下，k ：至游轮c ： 这一边绳索拉力受绞车牵引传动力的作用，正、反转驱动行车时牵引索a 边传给c - 的合成反力为2 ( p t ，) = 2 p 2 t ，( t p 为爬坡阻力，未计转向滑轮 阻力影响) 。k z 至平衡锤导轮这一边绳索拉力受配重制约保持为2 p 。所以不 计转向滑轮阻力影响的k ：制动时所需克服的拉力差为t 2 t ，。 蔡家沟站的布设型式，既有固原和大赉桥两站布设型式的优点，同时又 达到了铅鱼升降减速的目的。 河海大学工程硕士学位论文 图2 1 6 独轮缆道起重升降系统减速布设示意图 塑墨奎兰三堡堡主兰垡丝苎 第三章缆道的力学分析与典型设计 3 1索、柱、锚设计的一般要求 索、柱、锚是水文缆道的主体，它的设计必须因地制宜，通过实际调 查研究切实地做好。 3 1 1勘察工作 设计之前要深入测站进行勘察工作，收集第一性资料，作为决定缆道的 总体布置、结构配套的设计依据，其内容包括： 一、地形、地貌与地质资料“3 1 、地形图：可利用测站已有的地形图。如没有地形图或已有的不符 合要求，应进行地形测量，测量范围视需要确定。地形图上应绘有水文缆 道附近的树木、房屋、输电线路、高大建筑物及其高度、街道、公路、桥 梁等。标定支柱、锚碇、操做室的位置。 2 、设置水文缆道的过河线大断面图。要求测至最高洪水位以上一定 高度。 3 、两岸设置支柱、锚碇、导泄雷电流接地装置的土壤、地质情况， 有条件的尚应测定接地电阻值。 二、测站水文气象资料“3 1 、实测历年最高洪水位、最大( 点、垂线) 流速、最枯水位及枯水 期的最大垂线水深。调查历史最高洪水位。 2 、测站一般洪水历时、洪峰持续时间、最大涨落率、漂浮物情况和 冰凌情况。 3 、最大风速、最高最低气温、土壤最大冻土深度、雷电活动情况。 型堡奎兰堡堡主兰篁笙茎 4 、通航河流的停航水位、船桅高度、航道位置、河岸及河床分岔多 槽冲淤情况、上下游水工建筑物对测站的影响。 三、其他资料 有关当地电源、土地征用、交通运输等情况。 四、拟定缆道的布设方案 缆道的布设方案要与测站人员共同研究、仔细论证确定。 3 1 2 设计标准3 水文缆道是跨河测流、取沙的设备，它的设计既要考虑测洪能力，又 要考虑抗洪能力。一般情况它的架设高程应按历史( 包括调查资料) 最高 洪水位设计，各项构件强度按最大风力( 速) 和运用的最大水深、流速设 计。 3 1 2 1 设计洪水位 一般河流设计水位应用历史上( 包括调查资料) 的最高洪水位；有堤 防的河流应以堤顶高程为设计水位；受闸坝控制的河流，可用最大泄洪流 量相应的水位为设计水位。 3 1 2 2 主索垂度 根据实际设计经验，主索的设计指标可分为三种情况： l 、跨度( l ) 在2 0 0 m 以下的中小河流，一般缆道的主索加载垂度可 采用f 。l 5 0 为宜。这样的垂度行车运行阻力较小，并且有利于加强主索刚 性，减少主索弹动对铅鱼测深的影响。 2 、在跨度( l ) 2 0 0 m 以上的较宽河流上建设大跨度缆道，因其空索拉 力较强，加载时主索拉力增加不多，而垂度变化较大( 如湖南衡阳站的缆 ! ! 塑盔堂士堡堡主堂堡堡壅 道：跨度l = 7 80 m ，铅鱼重量p = 7 0 0 k g ，主索加载拉力h = i 2 h 。，主索加载垂 度f 。1 7 f 。) 。全面考虑，加载垂度f 。= l ( 3 0 l 3 5 ) 较为适当。 3 、横跨几道河道的多跨水文缆道，加载后，主索的垂度变化大，拉 力变化小，为了控制加载垂度，其空索垂度f 。l 呻，7 0 为宜( l 。为多跨河 道中的主槽跨度) 。 3 1 2 3 架设高程 缆道支柱的顶高程确定应分两种情况： 1 、通航河流的支柱顶设计高程： 设计高程停航水位+ 船桅高度+ 安全超高+ 吊载仪器至行车间所需高 度+ 加载垂度。 2 、不通航河流的支柱顶设计高程： 设计高程设计水位+ 安全超高+ 仪器至行车间所需高度+ 加载垂度。 其中：停航水位和船桅高度可由河道或航运部门提供；安全超高根据 测站洪水中漂浮物、波浪情况，按实际需要定，一般为2 3 m ；吊载仪器至 行车间所需高度为流速仪、铅鱼等仪器距离行车的高度，一般为1 5 m 。 3 1 3 设计方法、安全系数、容许应力“3 工程结构、材料不同，设计的方法就有差异。根据国家现行的有关规 范，结合水文缆道的特点，钢筋混凝土构件采取“破损阶段”的设计方法， 钢结构采用“容许应力”的设计方法。 因冰冻期水文缆道停止工作，故冰雪和气温的影响可不考虑。 塑查盔兰三垄堡主堂丝笙茎 一 水文缆道是跨河测水，由于洪水中的意外超载，牵引索有可能断掉； 当发生罕见洪水，过河索主索也有可能被毁。因此，在安全系数的选择中， 应遵循的原则为3 ： 1 、牵引索因超载断掉时，主索和其他部件应保持安全； 2 、牵引索、主索的安全成问题时，支柱、锚碇等部件仍确保安全。 为此，各项安全系数的最低限值，建议按照表3 - 1 采用。钢结构的容 许应力按表3 2 采用。 表3 1 水文缆道构件安全系数k 值取用表 承载索( 主索、副索) 2 o 索 牵引索( 循环索、平衡索、拉偏索) 2 5 拉线 2 5 柱轴心受压、偏心受压构件、斜截面受剪、受扭、局部承压 2 ，o 钢筋混凝土结构 轴心受拉、偏心受拉、受弯构件 1 ，8 基础或地 上拔，平移、倾覆 2 5 按抗压强度计算的受压构件、局部承压 2 0 锚混凝土结构 按抗拉强度计算的受压、受弯构件 3 ，0 表3 - 2 钢材分组、容许应力表“1 钢材分组尺寸( m m )容许应力( k g c m 2 ) 贴脚焊缝 2 号钢或3 号钢“使用钢材一般构件粗制螺栓( t 4 2 x 型焊 条) 组别棒铜 型钢 端面 抗拉 承压 抗拉、抗压、 的直 或异钢板 钢 组别抗弯 抗剪( 磨抗拉抗剪 抗剪 径或 型钢的厚 号平顶 的厚度 厚度紧) 度 o f o 。以 口。】 t 。】【t “。 第1 组 钢第2 、3 组 14 0 08 502 l0 01 1o o 第2 组4 0 一l5 2 0 一 l0 02 04d 3 第t 纽 17 0 01 0 0 02 5 5 013 5 0l o o o1 2 0 0 号 钢 第2 ，3 组 l5 509 5023 0 013 50l0 0 0120 0 第3 组 20 注：本表数据抄自钢结构设计规范“r j l7 7 4 ”( 19 7 5 版) 河海大学工程硕士学位论文 3 2 承载索的设计 3 2 1设计原则和常用符号 水文缆道的承载索( 包括主索、副索) ，均须参照上述设计标准，结 合本站实际，确定其架设跨度、最大垂度、架设高程、计算拉力，并选定 钢绳规格。 承载索的设计拉力h ，应满足下式要求： k h t ；( 3 - 1 ) 式中k 一承载索安全系数，见表3 - i ； t ，一承载索( 钢绳) 破断拉力，根据钢绳规格查阅五金手册。 为了避免行车在靠近支柱的陡坡段( 死区) 内运行，如岸上地势条件 许可，架设跨度应适当放宽。 本章常用符号： l 一架设跨度( m ) 。连续分跨的多跨主索，按序号以l 、l ：、l 。l 。 分别表示中间各跨的跨度。主槽一跨用l 。代表。两岸锚结处有边跨者，不 论单跨或多跨，边跨的跨度均用l 。、l 。表示。 f 。一空索垂度( m ) ，为仅有自重作用时，承载索= l 处的垂度。多跨主 索，主槽一跨的空索垂度用fo 。，表示。 f ，一加载垂度( m ) ，为加载时各项荷载共同作用下承载索：l 处的垂度。 多跨主索、主槽一跨的加载垂度用f ，。表示。 h 。一空索拉力t 。的水平分量( k g ) ，因t 。h 。，故常以h 。代替t 。，并称 h 。为“空索拉力”。 塑查盔堂三堡堕主兰垡堡苎 h 一加载拉力t 的水平分量( k g ) ，因th ，故常以h 代替t ，并称h 为“加载拉力”。 p ，一垂直集中荷载( k g ) ，由行车及其吊载的仪器( 铅鱼) 和部分牵 引索的重量组成。 p ；一水平集中荷载( k g ) ，由入水悬索、仪器产生的水流冲力组成。 q 一承载索单位长度自重( k g m ) 。 c i ) 一承载索单位长度风荷载( k g m ) 。 f 。一承载索( 钢丝) 截面面积( c l n 2 ) 。 e 。一承载索( 钢丝) 弹性模量( k g c m 2 ) 。计算加载拉力，确定安全 系数时，可取e 。= 1 3 10 6 ；计算加载垂度，考虑安全超高是， 可取e 。= 0 7 1 0 6 为宜。 3 2 2 荷载计算 承载索的荷载有两种，一种是均布荷载，如q 、c i ) ，另一种是集中荷 载如p 。、p ：。除q 由索本身钢绳规格确定外，、p ，、p ：均须专门计算。 3 2 2 1 主索的荷载计算 缆道施于主索上的荷载分为垂直和水平两种集中荷载。垂直集中荷载 包括行车重量、行车上附有的牵引索重量以及悬吊重量。水平集中荷载包 括行车的风阻力、行车上附有的牵引索风阻力、以及入水部分悬索、铅鱼、 仪器的水流冲力。集中荷载的计算公式如下： 垂直荷载：p ，= p + g + q( 3 - 2 ) 拉偏时： p ：2 只+ p 。 ( 3 - 3 ) 不拉偏时 p ：3 只+ p 。 ( 3 - 4 ) ，r ! ! 童奎堂三堡堡主堂垡笙苎 式中g 一运载行车重量( 包括牵引索重量，k g ) ； p 一悬吊重量( k g ) ，悬杆缆道为悬杆重量，悬索缆道为铅鱼重 量或测沙采样器( 包括接水装置) 的重量； q 一行车所附有的牵引索重量( k g ) 。闭口牵引qq l ，开l ：3 牵 引q0 5 q ；l ( q 。为牵引索单位长度的重量，l 为缆道的跨度， 多跨主索p 。的q0 5 q 。l 。；) ； 只一为入水悬索( 悬杆) 、仪器( 铅鱼或采样器) 等项的水 流冲力( k g ) ； 尸。一为水上悬索( 悬杆) 、行车上牵引索( 闭口牵引索按 l 长度计算、开口牵引索按0 5 l 长度计算) 、测沙盛样架、 行车本身等项的风阻力( k g ) 。 其中水流冲力p 、风阻力p 。按下列公式计算”3 ： p 尸了1 尼。p 。f 。矿j ( 3 - 5 ) p b = 了1 尼。p 。f 。矿： ( 3 - 6 ) 式中：v 。、v a 一分别为水的流速和风速( m 秒) ，按测站具体情况确定。 f 。、f a 一分别为阻水、挡风面积( m 2 ) ，按阻水、挡风物体在水流方 向及风向上的投影面积计算。 p 一、p s 一分别为水和空气的密度( k g 秒2 m 4 ) ，可取：p a = 1 0 2 ，p 。= 1 8 ； k 、k a 一分别为与物体体型有关的阻水、阻风体型系数，阻水物的体 型系数k ：悬索可取0 8 ，测沙采样器视其形状在0 8 1 0 之间采用，铅鱼( 流速仪) 阻水作用较小可以忽略不计。挡 河海大学工程硕士学位论文 风物件的体型系数，可参照水利电力部过河设备技术参考 资料，采取适当的数据。 3 2 2 2 副索的荷载计算 专门承担拉偏的副索，也是一项承载索。其p 。和p ：按下式计算： 瞎丢g 。+ 寻p p 。增口p f g + 。增口 p z = 1 z p 。 式中g 。一拉偏行车及其悬吊滑轮的重量( k g ) 。【一拉偏索的倾斜角( 仰角) ； 只一与公式( 3 - 3 ) 中相同。 副索的p 。、p ：，性质和主索一样，但具体数值和内容不同。 不论主索或副索，其单位长度上的风荷载【1 ) ，均按公式( 3 - 6 ) 计算。 计算时式中的f 。以钢绳直径的数值代替即可。 3 2 3 单跨承载索拉力、垂度的计算 水文缆道的主索和副索的两岸支点高程需要一致或接近，因此拉力计 算中，可不考虑倾斜影响，边跨索的自重和风力的微小影响也可略而不计。 3 2 3 1 空索拉力计算公式 单跨承载索，如图3 - 1 ，不分主索、副索，不论有无边跨，受自重作用 的空索，其拉力均可按公式( 3 - 8 ) 计算。 胪等 ( 3 _ 8 ) 3 2 3 2 加载拉力计算公式 i ， 河海大学工程硕士学位论文 单跨承载索，如图3 - 2 ，不分主索、副索，以有边跨为例，其加载拉力 均按公式( 3 - 9 ) 计算“3 。 图3 - 1单跨承载索 尔i ：芏 j i l 三三b 兰贰l ， 图3 - 2 有边跨的单跨承载索 h 3 - ( 卧a 等萨汀一爿簪m 啦。 ， 式中a 2 志；b 2 三3 ( g 2 + 2 ) 当集中荷载位于跨内任意位置时， c _ 1 2 圳笔堕w ，+ 吧) 当集中荷载位于跨中央，即口= 6 = 喜时 了j 塑塑查堂三堡堡主堂垡笙苎 c ：3 2 ( 毕+ g p ，+ 川 公式( 3 - 9 ) ，对没有边跨的情况也是适用的，只要把a 值中的l a 、l 。 当零处理即可。用试算法解( 3 - 9 ) 式比较方便。 3 2 3 3 加载垂度计算公式 加载拉力h 算出后，即可按下列关系对主索、副索的加载垂度f v 进行 计算”1 。如图3 - 2 ，当： a 詈时 厂，= 孚+ 等 a 。詈时 日厂，= 孚+ 竿 3 2 3 4 先定加载垂度的计算方法 实际工作中，承载索的架设跨度和支柱设计高程需