自平衡浮动式水文监测装置的制作方法

本发明属于水利工程领域，尤其涉及一种水文监测设施。

背景技术：

水文监测是通过监测水位、降雨量、蒸发量、水温、流量、含沙量、水质等项目，掌握该流域的水文信息和探索其变化规律，收集长期的水文资料。它为防汛抗旱、水资源综合开发利用、水环境保护、城市安全供水等提供科学依据，是水利工程和其他工程建设的前期开发和后期管理站点。

水文测监测亭是江河、湖泊、海洋和水库等水域主要的水文设施，用于测量水域的水位水质，在防汛工作以及抗旱工作中，水文监测亭发挥了巨大的作用。例如，仅上海市境内现有水文固定站点100余处，地表水监测点300余处，防汛水情遥测站点100余处。由此可见，全国水文监测亭将数以万计，遍布江河湖泊、海洋。

水文监测亭所提供的基本信息是实现水资源优化配置合理利用、防洪科学调度、水环境治理保护及从事众多水事活动所需情况信息的核心内容,其重要的技术支撑作用无可替代。为适应我国经济社会发展和防灾减灾的需要，水文监测亭履行的职能越来越多，从水文观测到环境监测、预报和灾害应急，在防灾减灾、水域管理、环境保护和服务地方经济社会发展中，正发挥着越来越重要的作用。

现有的水文监测亭是下部漏空，如同吊脚楼，最低水位处设一露台，以便人员操作；为了防汛安全需要，楼面在最高水文以上0.5m至1.0m，有楼梯至下部最低水位露台；楼梯及下部露台长期浸泡在变动的水中，水垢侵蚀，有的甚至长满青苔，阴暗潮湿，工作人员上下极为不便，因此有小事故常常发生，给水文测量、水质监测工作和人员安全造成很大的影响同样，陆上连接水文监测亭的高架通道，悬空高度大，当遇有大风、大浪时，上面行走也不安全。

其次，现状的水文监测亭上的水位测井，其井底部要低于实时水位0.5m,因考虑到最低水位，通常只能按最低水位设置，因此，既影响水文观测精度，更影响水质监测效果。因为监测水深不可能变，导致监测数据不准确。

现有的水文监测亭施工复杂，施工时需要设置临时施工围堰，以保证水文监测亭下部框架的梁柱、楼梯和露台等结构能正常施工。

综上，现状的水文监测亭存在以下几方面问题，一是施工不便，往往需要设置监测站的水域条件都不好，有的甚至无法施工；二是现状的水文监测亭工作环境不理想，存在安全隐患；三是监测水深固定不变，不能随水位变化，影响监测数据的准确性；四是承担的任务单一，投资较大；五是不能随水位变动实时进行水位观测，多数不包括水质监测，该设施材料和施工费用大，且景观效果差，已难以满足工程使用要求，窘显技术落后。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种自平衡浮动式水文监测装置，将水位观测和水质监测集于一体，合二为一；该设施本身可自平衡、随水位升降；以此建立起动态的、全过程的监测预警预报体系，实现安全监测、保证监测质量。

本发明的技术方案为：一种自平衡浮动式水文监测装置，包括浮箱、设备专用房、升降式交通桥、锚链、锚定和平衡支撑；设备专用房设置在浮箱上；升降式交通桥包括桥面板位于桥面板一端的铰接支座和位于桥面板另一端的滚动支座；升降式交通桥通过铰接支座与岸边铰接，铰接支座设置于岸边最高水位以上；升降式交通桥通过滚动支座与浮箱的顶面滚动连接；滚动范围位于设备专用房前且靠近岸边侧；锚定沉于水底，浮箱通过锚链与锚定连接；平衡支撑的弧形杆的一端与浮箱的顶外侧壁固接，另一端与浮体固接；平衡支撑均匀且对称布置于浮箱的四边；浮箱的外壁上外挂设置若干测井管。

基于上述技术特征：浮箱为周边密封的空心体，空心体内设置若干道加筋板，加筋板上设门洞相互连通；浮箱的顶部设置进入浮箱内的进人孔。

基于上述技术特征：静水位时，浮箱的顶面高出静水位200mm。

基于上述技术特征：测井管的管底入水长度为0.5m至1.0m。

基于上述技术特征：滚动支座为设置在桥面板的端部底面的万向滚轮，万向滚轮搁置于浮箱的顶面上。

基于上述技术特征：两个定位桩分别设置在岸边，一根水平轴两端设置套环，套环套接固定在定位桩上；升降式交通桥的一端设置水平轴环，与水平轴套接形成铰接支座。

基于上述技术特征：浮箱的顶面上设置露台，露台布置在设备专用房的侧边。

基于上述技术特征：静水位时，浮体底面比静水位高20mm。

本发明的有益效果为：

(1)浮箱稳定性可自动控制。

本发明新技术的浮箱四周均匀布置平衡支撑，在外围形成一周。能抵抗任何方向的风荷载、波浪冲击，能化解浮箱顶面上任何位置的不均匀的竖向荷载，以免浮箱产生倾斜，影响人员操作。

本发明通过平衡支撑设置，转换为水上克服摇摆，采用水面上的平衡支撑，且平衡力大小可以计算，方向可自控。

本发明技术的应用，减小了浮箱的摇摆，增大了稳定性。其一，保证了浮箱的使用效果，能保证技术数据的准确性；其二，方便人员在上面安装、维修等作业；技术人员上去操作，或进行数据采集等，最大限度的保证了工作人员的安全。

(2)节省成本、低碳环保。

浮箱、设备专用房、升降式交通桥、锚定、锚链和平衡支撑，都是简单的构件，只需要现场安装，无需现场施工，低碳环保，有利于节省投资。

(3)平衡支撑结构简单，无复杂零件的加工，使用方便，制造成本低廉。

该发明装置结构简单，思路独特，解决水上设施摇摆效果显具。采用平衡支撑，具有四两拨千斤的效果，无需人工控制，无需任何动力，自动调整、自动平衡。

(4)构件可以实现标准化。

浮箱、设备专用房、平衡支撑等构件都可以标准化生产，可以通用；可以预先工厂生产，有利于保证产品质量；施工安装方便，维修方便，节约成本。

附图说明

图1为本发明的自平衡浮动式水文监测装置平面图。

图2为本发明的浮箱平剖面图。

图3为本发明的自平衡浮动式水文监测装置侧向立面图。

图4为本发明在风浪作用下荷载示意图。

图5为本发明中升降式交通桥的铰接支座示意图。

图中标号示意为：浮箱1、设备专用房2、升降式交通桥3、锚链4、锚定5、平衡支撑6、钩环7、露台8、进人孔9、加筋板10、门洞11、弧形杆12、浮体13、风浪的水平荷载14、浮箱及设备专用房承受的风荷载15、万向滚轮16、岸边线17、水域18、岸边19、测井管20、定位桩21、浮力22、水平轴23、套环24、水平轴环25。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1和图3所示:一种自平衡浮动式水文监测装置包括浮箱1、设备专用房2、升降式交通桥3、锚链4、锚定5和平衡支撑6；内部配有监测设备的设备专用房2设置在浮箱1上；升降式交通桥3包括桥面板、位于桥面板一端的铰接支座和位于桥面板另一端的滚动支座；升降式交通桥3通过铰接支座与岸边19连接，铰接支座设置于岸边最高水位以上；升降式交通桥3通过滚动支座与浮箱1的顶面滚动连接，滚动支座可自由在顶面的滚动范围内前后、左右滚动；滚动范围位于设备专用房2前且靠近岸边侧；锚定5沉于水底，浮箱1通过锚链4与锚定5连接，可随水位升降或漂移；平衡支撑6的弧形杆12的一端与浮箱1的顶外侧壁固接，另一端与浮体13固接；平衡支撑6均匀且对称布置于浮箱1的四边；浮箱1的外壁上外挂设置若干测井管20。

上述技术方案中，各构件的详细阐述为：

(1)浮箱

浮箱1为一个周边密封的空心体，一般可由钢材制作；浮箱1为监测设备、人员操作、抵抗风浪等提供浮力。可在浮箱1两端底面设置两个钩环7，通过两个锚链4锚定固定于水底以限制其浮动范围；锚定5沉于水底，锚链4连接锚定5和浮箱1底的钩环7，如此，浮箱1能随水位升降或漂移；锚链4的长度应满足最高水位能拉曳浮箱1，从而保证浮箱1随水位升降。因此可方便地在不同的水位时，在浮箱1上面的设备专用房2内完成测量、取样等工作。图1和图3中所示的钩环数量和位置仅为一种示意，可根据工程实际情况确定钩环数量及布置方式。

浮箱1平面尺寸包括设备专用房的底面积及升降式交通桥3的滚动支座的滚动范围。浮箱1顶面安装设备专用房2、靠近岸边19一侧的浮箱1顶面作为升降式交通桥3的滚轮支座运行场地范围。作为优化，在浮箱1上，设备专用房2的侧边可留出露台8，供操作人员使用。

浮箱1顶面宜设置一个进人孔9；如图1所示，进人孔9设置在设备专用房2的角部，进人孔洞口处，于浮箱内设置钢爬梯至箱底；浮箱1平面尺寸可由设备专用房2、露台8及升降式交通桥3的滚轮支座的滚动范围确定，浮箱高度根据所需要的浮力计算确定，必须指出，平衡支撑6的浮力用于抵抗风浪或顶面不平衡荷载，因此，不应计入浮箱所需要的浮力中。浮箱1高度按承担荷载后箱顶高程的要求计算确定，浮箱1顶面一般宜高出静水位200mm。浮箱1尚应满足刚度和强度需要，当需要加强时，如图2所示，密封的空箱内可设置若干道加筋板10，墙板上设门洞11相互连通。如2中所示的纵横相交的加筋板10的布置仅为一种示意。

浮箱虽然有锚定锚链固定于水底，但在有风浪的场景下，或人员登台时，自然就会发生荷载不平衡，水位会上下剧烈波动，导致浮箱及设备专用房摇摆不定，导致浮箱难以发挥正常作用。因此，本发明浮箱四边采用平衡支撑6，以抵抗风浪或浮箱顶面荷载的不平衡，以实现随时随水位的自平衡，同时，也就保证了设备专用房的稳定。

当浮箱1安装设备专用房2和支撑升降式交通桥3时，整体需要大致平衡，此时，浮箱1内可以设置预制混凝土配重块，布置于浮箱内的底板上，每块需要有不少于三个连接点稳定连接于浮箱底板。

(2)设备专用房

设备专用房2是以浮箱1为承载体，其稳定由浮箱1提供，即浮箱1稳定才能保证设备专用房2的稳定。

设备专用房2可为单层建筑，与普通的轻质房屋类似，由墙板、屋面板和门窗拼装而成；墙板、屋面板可采用轻质板材制作，墙板安装于浮箱顶面，可采用u形槽先与浮箱顶面连接，槽底设置橡胶片防水，在u形槽内安装墙板，并做好墙板底端与u形槽的连接；门、窗和屋面等布置按照常规房屋建筑设计；建筑面积按需要确定，一般应水文观测设施布置要求，并预留水质自动监测仪器和辅助设施占用的面积，设备仪器之间要留有一定的间距，并满足工作人员观测、检修和通行之用。

设备专用房需满足水位、流量、水质和雨量监测等需要，其内一般布置数据采集仪、固态存储器等仪器设备。浮箱1的外壁上外挂设置若干测井管20。测井管20可以采用pvc管，如设备专用房的外墙与浮箱边齐平，则测井管20可安装至外墙的窗下墙上，或安装在露台处的浮箱外侧，以便于人工监测。管底入水长度为0.5m至1.0m。测井管20随浮箱上下移动，始终保持入水深度不变，为监测提供了保证。

设备专用房按监测内容设置监测设备。如水文监测有水位、降水、蒸发、波浪、风速、风向等6项；水质监测有水温、ph值、电导率、orp、浊度、溶解氧、叶绿素a、蓝绿藻、氨氮、高锰酸盐指数、总磷、总氮等12项；并可建有相应视频监控系统，可实时查看所监测水域的状况和装置的全部情况。对监测水域的水文、水质的各种指标，随水位升降，可进行连续、动态监测，为推进水域环境的综合整治和生态恢复、水资源的保护提供科学依据。

(3)升降式交通桥

升降式交通桥3为岸边19与水域18中浮箱的连接交通，由桥面板、铰接支座和滚动支座组成。图1中所示岸边19与水域18之间为岸边线17。

桥面板与普通人行桥类似，宽度根据需要确定，一般为1.0m至1.5m，桥顶面两侧设置栏杆；桥面板可由钢材、木材、塑料等材料制作。

如图3、5所示，铰接支座设置于岸边19最高水位以上，可由一根水平轴23和两个定位桩21组成，一根水平轴23两端设置套环24，套环24套接固定在定位桩23上；升降式交通桥3的一端设置水平轴环25，与水平轴23套接形成铰接支座。定位桩21打入地面以下不小于1.0m。所述水平轴环25、水平轴23、套环24、定位桩21，四者之间的直径应该协调一致。

滚动支座设置于升降式交通桥3另一端，于桥面板的底面设置两个万向滚轮16，该端的万向滚轮16搁置于浮箱顶面，可自由在滚动范围内，前后、左右滚动，滚动范围如图1中所示的斜向方格填充范围；实质上是浮箱在滚轮下移动，从而带动滚轮滚动。由此，升降式交通桥一端铰接，一端可自由滚动，随着水位升降或浮箱漂移时，始终保持着陆上与浮式水文监测装置的交通。此处的铰接支座和滚动支座的构成仅为一种举例，也可以采用现有技术中的其它成熟构造形成铰接支座和滚动支座。

(4)锚定及锚链

锚定及锚链为常规定位构件。浮箱与平行于岸边方向的底面两端，可各设置1个锚链4和锚定5于水底以限制浮箱飘浮的范围。锚定5为预制混凝土块，沉于水底，锚链4连接锚定5和浮箱底的钩环7，因此，浮箱1可随水位升降或漂移；锚链4的长度应满足最高水位能拉曳浮箱1。显而易见，浮箱随水位不同，其飘浮的范围也不同；例如，最低水位时，飘浮离岸的距离最大。因此，锚链4长度、升降式交通桥3长度和浮箱1顶面的滚动范围等要协调一致；一般宜先确定锚链长度和滚动范围，再据此计算升降式交通桥3的长度。

(5)平衡支撑

平衡支撑6由弧形杆12和浮体13组成，浮体13可为浮球或浮筒，其作用是抵抗风浪和浮箱顶面不均匀荷载的倾覆弯矩，以保证水文监监测装置不产生倾斜。平衡支撑6应均匀且对称布置于浮箱1四边，以实现任何方向的风浪或顶面不均匀荷载情况下，都有相应的平衡支撑。

弧形杆12可采用钢管制作，一端与浮箱1顶外侧壁固结，另一端与浮球或浮筒固结；浮球、浮筒为空心密封体，其直径由所需要的浮力确定。如采用浮球，平行于浮箱边，宜采用圆形空心杆件将各个浮球连接，以增加平衡支撑的整体性。

弧形杆12的悬挑长度与抵抗倾覆弯矩成正比，浮体13的浮力也与抵抗倾覆弯矩成正比，因此，应根据所在水域风浪大小，合适且经济的选择弧形杆的长度、浮体的大小。浮体与静水位的距离，与浮箱的允许倾斜度相关；对于承载单间设备专用房的浮箱，一般按非工作状态，即静水位时，浮体13底面比静水位高20mm即可。

一般弧形杆12宜为圆弧构件，由浮球或浮筒所产生的浮力，以轴向传递于圆弧杆，再以轴向传递于浮箱。弧形杆强度和刚度应满足结构需要，可采用合适的钢管制作。

本发明装置的亮点在于本自平衡浮动式水文监测装置可随水位升降，可自平衡；现场安装即可使用，无需现场施工，能适用于各种需要建设水文监测亭的水域。可随水位升降完全是利用水的浮力，浮箱底部设置锚定锚链。可自平衡则是根据浮力原理，再利用力的传递，以浮力抵抗倾覆力矩。构思巧妙，不是常规的采用硬性措施抵抗倾覆，而是独辟蹊径，采用浮体构件支撑，充分利用水的浮力，浮箱倾斜越大，则浮体产生的浮力越大，从而抵抗倾斜的力越大。平衡支撑可以起到增加浮力、调整平衡，减少浮箱的摇晃。

(1)静水状态

风平浪静或小风小浪时，浮箱比较平稳，平衡支撑处于非工作状态，即浮体悬挂在弧形杆端头，并处于平衡状态。静静地守候着，一旦有风浪使浮箱发生倾斜时，即可投入维稳工作。

(2)风浪或荷载不平衡状态

有风浪作用，或浮箱顶面有人员工作时，浮箱会向一侧倾斜；在倾斜达到限制值时，该倾斜侧的平衡支撑随即发挥支撑作用，弧形杆端的浮体浸入水中产生浮力，从而对浮箱提供支撑，倾斜越大，浮体沉入水中越大，产生的浮力也就越大，从而较容易地实现了浮力与风浪的即时平衡。

(3)平衡计算

平衡支撑结构简单，无复杂零件加工，使用方便，制造成本较低。以下以浮球为例，对平衡计算予以阐述。

在静水条件下，浮箱外围的平衡支撑悬挂于四周，处于平衡状态。在风浪的水平荷载作用下，或顶面人员活荷载的作用下，浮箱会产生偏心荷载作用，随之向一侧倾斜。当倾斜角(一般宜采用设备专用房的倾角)大于设计要求时，浮球即浸入水中而产生浮力，浮力通过弧形杆传递于浮箱，形成抵抗风浪产生的倾覆力矩，从而发挥平衡支撑作用，保持浮箱的稳定。向浮箱外伸出的平衡支撑减少了浮箱的倾覆，使浮箱能够平稳的浮在水面上工作。

具有平衡支撑的浮箱在外荷载的作用下，必须满足静力平衡条件：

式中：∑f——作用在浮箱上的竖向外荷载之和；

∑m——外荷载对浮箱任一点的力矩之和。

有了平衡支撑，浮箱的稳定(也就保证了设备专用房的稳定)计算需要计算风浪荷载或顶面人员荷载的作用下浮箱的稳定，该装置在风浪作用下，整体稳定计算简图如图4所示。

根据浮箱的特殊性，稳定计算可按下式计算

式中：∑mq—荷载对浮箱任一点的倾覆力矩之和(如风浪的水平荷载14、浮箱及设备专用房承受的风荷载15、浮箱顶面活载等)；

∑mk—荷载对浮箱任一点的抗倾覆力矩之和(如浮球或浮筒等产生的浮力22)。

倾覆力矩和抗倾覆力矩，按照图4计算即可，安全系数k应大于1.0。

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明的一种具体实施方法。

1)按照设计尺寸，在工厂完成制作浮箱、设备专用房、升降式交通桥、锚定、锚链和平衡支撑等构件；浮箱的顶面预留进人孔，按照设备专用房的平面，焊接好墙板固定槽；且所有铁件进行除锈、喷漆等防腐处理。

2)将锚定、锚链组装；弧形杆与浮体组装成平衡支撑；升降式交通桥的桥面板一端安装万向滚轮，另一端安装套环并套接与水平轴。

3)将浮箱、设备专用房用的墙板、屋面板和门窗等构件、锚定、锚链、平衡支撑等构件运至水域现场，随后在岸上按照以下4)至8)所述步骤，完成总体装置的组装。

4)将设备专用房用的墙板、屋面板和门窗等，按照建筑安装要求，在浮箱顶面组装为设备专用房。

5)将锚链一端与浮箱底的钩环连接，平衡支撑的弧形杆一端与浮箱固结。

6)将包括设备专用房、平衡支撑和锚定锚链的浮箱整体放置于需要监测的水域中。

7)在岸边上设计位置打入定位桩，水平轴两端设置套环，套环套接固定在定位桩上，以保证水平轴不会沿着定位桩上下移动；升降式交通桥的水平轴环套接水平轴。

8)将升降式交通桥的另一端的万向滚轮放置于浮箱顶面，随后进行水位观测、水质监测等设备的安装；其中包括浮箱外侧测井管安装，管底入水0.5m至1.0m。

9)整体安装完毕，浮箱如果受力严重不平衡，可以在浮箱内采用配重予以调整。至此，完成整个装置，即可投入运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

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