3.3　渡河设施

水文测验中绝大部分测站是依据流速面积法进行断面流量观测的,因此必须有相应的渡河设施确保垂线流速测量和大断面施测,有的测站还依赖渡河设施施放测流浮标。除了流量测验,测沙取样等也离不开渡河设施。

3.3.1　渡河设施的分类和配置

根据渡河设施的工作情态和主要运行空间,按其空间位置可划分为4类:水上设施、架空设施、岸上设施和涉水设施。水上设施是指各种水文测船;架空设施指各种测验缆道、仪器行走索道、测桥等;岸上设施主要是悬臂、测车、基线标志等;涉水设施指用于小河流枯季测流的一些简单涉水设备。

从保证水文测验连续的要求出发,渡河设施设备应能保证多个观测的施测需要,如流量观测、泥沙取样、水文测量、水质取样等,同时还要能满足不同水位级如洪水期和枯水季节的施测要求。很多测站,往往需要配置多种渡河设施以满足洪水、平水、枯水等各种情况和主槽、浅滩条件下测流、测沙等的需要。

不同测站流量、泥沙的测验方法,因测站流速、水面宽、水深、含沙量等特性的不同而不同,渡河设施设备的选择与配置与测站流量、泥沙测验手段和方法密切相关。因此,需要根据测站特性、任务需求、测洪标准等的要求,综合选择测验方法,并相应建设(或配置)与测验方法匹配的一种或几种渡河设施。测站渡河设施可参考下列原则配置。

(1)重要的大河控制站。根据测站特性、观测环境条件选择缆道(铅鱼缆道、缆车缆道)、测桥(借用桥梁)、机动船、吊船等一种或多种施测方法,建立相应的渡河设施。当一套渡河设施不能满足高、中、低水位级的统一使用时,可分水位级建设渡河设施。也可以除了建立流速仪测流断面的渡河设备以外,另建投放测流浮标的渡河设施和其他应急测验的渡河设施。只采用一种流量测验方法的测站可以建设备用设施。

(2)一般的大河控制站。和重要控制站类似,只是可以选择不建或缓建其他应急测验的渡河设施,不建备用设施。

(3)区域代表站。在一般情况下,选择一种施测方法作为常用测验方法,建立相应的渡河设施,可以另建投放测流浮标的渡河设施。

(4)小河站。一般确定一种测验方法,建立相应的渡河设施。采用桥测的话,可以建立专用测桥或借用桥梁使用测车。河宽不大的可在岸边建造固定吊车。

3.3.2　水文缆道

水文缆道是用来把测验仪器设备送到断面上任一指定起点距和垂线测点位置,以进行测验作业而架设的可水平和铅直方向移动的水文测验跨河索道系统。按照水文缆道悬吊、悬挂或牵引的测验平台其载体类型的不同,分为悬索缆道(也称铅鱼缆道)、悬杆缆道、吊船缆道、吊箱缆道、浮标缆道等基本类型。按照跨数的多少可分为单跨缆道和多跨缆道;按照驱动方式可分为手动缆道、机动缆道;按是否针对克服悬索或悬杆偏角设置拉偏副索分为拉偏缆道和不拉偏缆道。

我国在水文缆道的实际应用中,以悬索缆道最为普遍。随着人力操作作业方式的逐步淘汰和电气自动化技术的普遍应用,现在已经较少建造吊厢缆道,电动缆道现在被测站普遍应用。

对于电动缆道,按缆道行车的水平运行、铅鱼的升降运行和流速测记处理的自动化程度,分为手动、半自动、全自动3类。手动控制缆道,每一项运行操作均由人工操作控制其启动与停止。半自动控制缆道,有机电控制、安全限位等功能,行车的水平运行与铅鱼的升降运行控制,可采用电子设备处理测速信号,由人工启动各项运行操作,能自动响应和停止。全自动控制缆道,由人工启动或计算机自动启动,全断面、全过程自动完成流量施测和缆道设备回位,能一次自行得到测验成果。

3.3.2.1　铅鱼缆道

铅鱼缆道由支承系统、驱动系统、信号系统组成,具体包括承载索(主索、副索)、工作索(循环索、起重索、拉偏索)、塔架(柱)、拉线、锚碇、滑轮、行车、测验平台、缆道绞车、测控装置(运行控制设备、信号传输系统)、缆道房和防雷系统等,如图3.9所示。

铅鱼缆道按照工作索在行车上是否闭合分为开口式缆道(图3.10)和闭口式缆道(图3.11)。开口式缆道的特点是牵引索兼有“循回、起重、悬索”3种作用。闭口式缆道的特点是循回索与起重索是相互独立的,互不影响,使缆道的使用、维护与维修更为方便和安全。通常,断面水深变幅较大的测站宜采用开口式缆道,断面水深变幅较小且两岸地势较高的测站宜采用闭口式缆道。

在较大的水流冲力作用下,当搭载仪器的铅鱼和入水悬索偏离测验断面,产生较大垂线偏角时,对测验资料精度会有一定的影响,需要设立副索进行拉偏。对于流速较大、铅鱼重量较小、断面前后河床变化大的测站,常年水深不大于10m的,可采用拉偏式缆道。拉偏缆道主索和副索的间距为测流断面最大水深的2～3倍。当拉偏缆道悬索偏角不超过5°且通过比测分析证明观测精度符合要求时,可以不对偏角作湿绳改正。

3.3.2.2　吊船缆道

吊船缆道是供测船系泊、横向移动的渡河设施。它以测船为测验平台,在测流断面上游设置缆道,通过柔性悬索牵引测船,调节牵引索长短控制测船落在断面上,通过船舵迎合水流或动力驱动调节测船横向运动落到目标起点距位置上。测验人员在测船上操作测量仪器进行测量作业。吊船缆道主要适用于测站水面较宽、流速较大、测验任务均较重,仅采用铅鱼缆道难以完成测验任务的测站。

吊船缆道设施设备较铅鱼缆道简单,主要由主索、吊船索、测船、支架、锚碇、行车架及测船定位设施等组成,如图3.12所示。要求主索高于最高洪水位以上一定高度。吊船缆道的优点是测验平台工作空间大,能同时进行测速、测深、测沙、水质取样等多种项目的测验,操作方便可靠,无需很大的动力设备。其缺点是测验人员仍然需要水上作业,当遇到流速大、波浪高、漂浮物多或强风暴天气时,测船操纵和定位稳定困难,安全性降低。吊船缆道所在河段要便于船舶航行与停靠,流速不宜超过5.0m/s,测船体形不宜太大,最好有自航能力。

3.3.2.3　吊箱缆道

吊箱缆道主要适用于中小河流,跨度一般小于300m。有些河流,洪水期流速大、漂浮物多、泥沙测验任务重,但枯水期水深很浅,使用铅鱼缆道测验有一定困难,设置吊箱缆道比较合适。吊箱缆道分为升降式和水平式两种型式,直接在缆道主索上悬挂移动吊箱或用行车悬索悬吊吊箱,测验人员以吊箱为测验平台,控制其运行、在吊箱中进行测量作业。悬吊仪器的悬杆或绞车装于缆车上,可以升降,既能测流,又能测沙采样。

对于水位变幅较大的山溪性河流,采用升降式吊箱缆道,吊箱水平运行过程中,可根据水位涨落及承载索垂度变化而随时升降,如图3.13所示。流速大于3m/s的,还要设置拉偏缆道。主缆道包括主索、工作索、塔架(柱)、基础、锚碇、运载行车、测验平台、缆道房及驱动控制系统、防雷系统等。拉偏缆道宜包括承载索(副索)、塔架(柱)、滑轮、锚碇、拉偏行车、拉偏索等。拉偏缆道与主缆道断面应平行布设,垂度一致,如图3.14所示。

在更窄小河流,适宜使用水平式缆车。在两岸固定两根平行而且绷紧的缆索,载人车厢在这两根轨道上水平横跨断面,缆车不能升降,采用悬杆操作居多,一般适用于跨度200m以内、水深不超过5.0m、流速低于4.0m/s且漂浮物较少的测站。

3.3.2.4　浮标缆道

浮标缆道以跨河循环索为载体,通过投放设备将浮标运送到浮标上断面内任一指定起点距位置,释放浮标使其自由降落至水面。浮标缆道相对铅鱼缆道更加简单,一般只用于中小河流。浮标缆道布置在浮标上断面上游且与之平行,如图3.15所示。

浮标缆道由浮标投放绞车、绞车机座、主索、循环索、塔架(柱)、基础、导向滑轮、控制箱及缆道房组成,如图3.16所示。

浮标缆道进行浮标投放无非两个操作:一是达到目标位置,通常都是靠缆道计数器确定达到位置;二是释放浮标,人工释放就是通过拍打缆索抖落钩挂在缆索上的浮标,器械释放则是通过控制信号开启释放器锁具让浮标脱离。

3.3.2.5　缆道设计标准

缆道的防洪标准和测洪标准,其保障自身运行、满足测验需要、发挥功能等的要求,层次关系上与我们对水位观测平台的考虑是一样的。

1.防洪标准

缆道的防洪标准,大河重要控制站为100年一遇,或不低于近50年以来发生的最大洪水;大河一般控制站为50年一遇至100年一遇,或不低于近30年以来发生的最大洪水;区域代表站或小河站为30年一遇至50年一遇。缆道房地面高程要高于堤顶或防洪标准以上1.0m。

2.测洪标准

缆道测洪标准根据水文测站的重要性确定。大河重要控制站的铅鱼或吊船缆道,应按实测50年一遇至100年一遇洪水为标准;大河一般控制站的铅鱼、吊箱或吊船缆道,按实测高于30年一遇洪水为标准,或不低于当地和下游保护区防洪标准;区域代表站或小河站的铅鱼、吊箱或吊船缆道,以实测20年一遇至30年一遇洪水为标准。浮标缆道测洪标准要高于铅鱼缆道或实测超标洪水。

3.3.3　水文测船

配备水文测验设备,用来进行水文测验作业的专用船,称为水文测船。水文测船除了安装专门的测验、测量设备的综合测船外,还包括用于浅滩、岸边、急流等特殊环境水文测验作业的辅助船艇。

1.测船分类

水文测船按有无动力分类,可分为机动船和非机动船两类;按船体建造材料,可分为钢质船、木船、铝合金船、玻璃钢船和橡皮船等;按测船渡河和测量时的定位方式,可分为抛锚机动测船、缆索吊船和机吊两用船;按测船的长度可分为大型测船、中型测船、小型测船和轻便小型测船;按布置特征将船艇动力设备分为落舱机和舷外机;按测船的功能可分为水文测验专用船、水下地形测量专用船、水环境监测专用船、综合测船、辅助测船等。

水文测验专用船主要在固定及巡测水文断面从事水文测验,船上装有专用的水文测验设备;水下地形测量专用船配备有专用的地形测量设备,主要用于水道地形、水下地形测量,也称为水道测量船或河道测量船;水环境监测专用船配有专用水环境监测等设备,主要用于水环境监测水样采集与分析,是一种水上水环境监测移动实验室;综合测船配有相应的专用测验(量)仪器和设备,集合了水文测验、水下地形测量、水环境监测等功能;辅助测船主要用于浅滩、岸边配合测船进行水文测验、水道地形测量、水环境监测,或作为交通用船。

2.设备配置安装

考虑到水文仪器装备新技术应用,水文测船建议优先选用玻璃钢船体和铝合金船体,以避免对仪器造成磁干扰。对于航道条件较差礁石较多的水域,宜使用钢质船体。对于熟悉水域或风浪较大的水域,宜使用橡皮船。沿海地区应当使用干舷较高的船型,航运水域使用的测船应当符合当地船检要求,繁忙航道上的测船需要配置导航雷达、海事通信设备、定位设备、船舶信息识别设备。某些测船采用被动定位的,还需要在岸上设施断面标杆、辐射标杆、基线标杆等。

出于扛摇摆影响或者降低摇摆影响的需要,需要人员出舱操作的设备、测量传感器通常设置在船艏向后1/2～3/4船长处。水面平稳条件好的,人员操作区域可以在前甲板。对于某些特殊测量装备(如多波束测量系统、侧扫声呐),需要定制测船或改装测船,某些测量系统的各种传感器(如多波束换能器、光纤罗经、姿态传感器)相对位置需要固定安装(不拆卸)。GNSS定位天线和水下声呐还需要安装在相同的平面位置上。常用的水文绞车,根据需要选择手摇、电动或液压绞车,采用甲板操作或舱内控制。

3.测船配电

对于直流和单相交流的双线绝缘、负极或一线接地、金属船体作回路单线系统,其配电形式比较简单,因长期使用而大家较为熟知。而三相交流电力系统的配电型式则比较复杂,在水文测船中应用经验相对较少。随着先进仪器设备的应用,测船配电问题比较突出,因船舶配电的不当而损坏设备的情况时有发生。在三相交流电力系统中,接地方式与配电型式密切有关,需要根据船舶配电型式的特点、船载水文装备的用电特点以及触电保护需要,设计水文测船的配电型式及其接地形式。装备精密测量设备的测船,需要正确选择测船配电方式,并注意停航靠泊接岸电时必须避免出现中性点重复接地的情况发生。

对于配置三相交流发电机的水文测船配电,不得使用既无中性点接地也无保护接地的三相四线绝缘配电型式;为了保障数据处理与精密仪器正常工作,推荐采用保护接零的三相五线配电系统(TN-S);对于连续不间断供电要求特别高的,触水操作设备较多的测船,宜采用三相三线绝缘系统(IT),设备则通过变压器获取单相交流电;对连续不间断供电有要求,有特殊设备宜相对独立保护,可采用保护接地的三相四线系统(TT),且保护接地装置的对地阻抗应足够小;需要互联的数据处理与精密仪器所在电路应使用同一相,且宜单独占用一相,如果因三相平衡需要有其他设备使用同一相的,为了避免谐波影响,应该选择电阻类设备。

3.3.4　水文测桥

水文测桥是指为水文测验建立的专用测桥和借用交通桥梁进行水文测验的测桥。随着水文巡测工作的开展,利用水文巡测车在桥上测流将成为一种重要的测验方式。当测验断面较窄时,可以建立专用的水文测桥,专用水文测桥大多用于渠道站。天然河流上的测站主要利用交通桥梁进行测验。在测桥上可以建立专用的测验设施或采用巡测车测验,也可利用桥梁投放浮标进行测验。采用桥梁测验机动灵活,需要建设的测验设施较少,且便于开展巡测,是今后水文测验发展的方向。

测桥可作为渡河设施,用于承载桥上测流设备进行测流,可以在测桥上投放浮标、测沙和采集水样。在测桥上可直接标记起点距便于测验时使用。

选作桥上测流的河段需要顺直、稳定,断面沿程变化均匀。顺直河段的长度大于洪水时主河槽宽的3倍,河段内无暗礁、深潭、跌水等阻碍正常水流的现象发生。选用桥测的河段要求水流较集中,无分流、岔流、回流、死水等现象发生。为了测验计算的方便,所选的桥梁轴线垂直方向与水流流向的夹角不超过10°,否则需要观测流向按桥梁断面将流速偏角进行改正。桥的墩体或端头为圆形,桥墩上游2～5m范围内水流较平稳,无急剧的涌浪、漩涡,弗劳德数最好小于1。桥梁过水断面与前后河道断面大小基本相当,没有明显的收缩。桥面不是很高,离河底最低点距离不超过20m。

桥上测流的主要设备有桥上测验专用绞车、手动(电动)绞车、桥测车等几种。其中,桥测车将电动或液压绞车安装汽车上,既能用于固定站点测验,也可在巡测中使用,是桥测的主要设备,通常又称为巡测车,如图3.17所示。