張曉杰，趙曉紅，曹勝敏

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222；2.寶雞市勘察測(cè)繪院，陜西 寶雞 721000）

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碼頭水平位移監(jiān)測(cè)的方法及其精度分析與探討

張曉杰1，趙曉紅2，曹勝敏1

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222；2.寶雞市勘察測(cè)繪院，陜西 寶雞 721000）

摘要：隨著港口碼頭貨物吞吐量逐年增長(zhǎng)，靠泊船舶的噸位增加，越來(lái)越多的碼頭需要浚深改造，為保證碼頭改造和使用期間的安全，需要對(duì)碼頭進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。本文針對(duì)某一碼頭監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的實(shí)例，分析了支導(dǎo)線法應(yīng)用于水平位移監(jiān)測(cè)的方法和施測(cè)流程，并進(jìn)行了精度分析和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，表明支導(dǎo)線法完全可以滿(mǎn)足碼頭水平位移監(jiān)測(cè)的要求，對(duì)于類(lèi)似項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)，確保碼頭結(jié)構(gòu)安全有重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：水平位移監(jiān)測(cè)；支導(dǎo)線；精度

引 言

隨著水運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，碼頭的裝卸噸位每年大約以20 %左右的速度遞增，由于靠泊船舶噸位增加，越來(lái)越多的碼頭需要浚深改造，為保證碼頭改造和使用期間安全，必須對(duì)碼頭進(jìn)行沉降和位移監(jiān)測(cè)。碼頭沉降觀測(cè)方法較為簡(jiǎn)單，一般采用常規(guī)的二等水準(zhǔn)測(cè)量即可滿(mǎn)足要求，而碼頭水平位移觀測(cè)的方法有很多，如視準(zhǔn)線法、支距法、GPS測(cè)量法、前方交會(huì)法、極坐標(biāo)法以及小角法等[1]，這些方法有各自的優(yōu)點(diǎn)，在碼頭水平位移監(jiān)測(cè)時(shí)，由于受到通視條件、碼頭作業(yè)震動(dòng)、潮汐力、船舶系纜力等因素影響，應(yīng)針對(duì)具體項(xiàng)目的特點(diǎn)，采用滿(mǎn)足本項(xiàng)目要求的監(jiān)測(cè)方法。本文針對(duì)某一碼頭監(jiān)測(cè)項(xiàng)目實(shí)例，在傳統(tǒng)的極坐標(biāo)法的基礎(chǔ)上，采用支導(dǎo)線法觀測(cè)碼頭的水平位移，由于測(cè)站數(shù)的增加，無(wú)疑會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的精度造成影響，為此進(jìn)行了精度分析和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明支導(dǎo)線法觀測(cè)完全可以滿(mǎn)足本項(xiàng)目碼頭水平位移監(jiān)測(cè)的要求。

1 碼頭概況

某港區(qū)礦石碼頭為重力式方塊碼頭，其中一個(gè)全長(zhǎng)238.67 m的泊位需進(jìn)行技術(shù)改造，此泊位碼頭后方堆場(chǎng)需打設(shè)7 800多根旋噴樁，前沿港池需浚深約2 m。碼頭前沿浚深施工過(guò)程中需要進(jìn)行爆破炸礁，其對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較大；后方堆場(chǎng)進(jìn)行旋噴樁施工，受樁機(jī)及場(chǎng)地堆料影響，場(chǎng)地通視條件受到較大影響，采用傳統(tǒng)的極坐標(biāo)法、前方交會(huì)法以及支距法均不能施測(cè)，需要根據(jù)本項(xiàng)目的特點(diǎn)采取新方法進(jìn)行觀測(cè)。

2 碼頭監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)方案

2.1 基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)

考慮到監(jiān)測(cè)區(qū)域通視條件不好，在監(jiān)測(cè)區(qū)域后方埋設(shè)了多個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)，這樣可以保證在某一條視線受阻的情況下，其他視線仍然可以觀測(cè)。同時(shí)由于水平位移監(jiān)測(cè)的精度要求較高，基準(zhǔn)網(wǎng)布置為邊角全測(cè)的三角形網(wǎng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置及基準(zhǔn)網(wǎng)布置如圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置及基準(zhǔn)網(wǎng)布置

沿碼頭方向共布設(shè)了14個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)C1~C14，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)埋強(qiáng)制對(duì)中鋼板，其基本上在一條直線上，點(diǎn)間距離大致相等，約為20 m。在變形區(qū)域以外的碼頭后方選擇A、B、E、F作為監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)采用有強(qiáng)制對(duì)中裝置的觀測(cè)墩，EF方向大致平行于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的連線方向，E、F兩點(diǎn)至碼頭的距離約56 m。選擇水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)C5、C12作為工作基點(diǎn)，與基準(zhǔn)點(diǎn)一起構(gòu)成了基準(zhǔn)網(wǎng)。在監(jiān)測(cè)區(qū)域建立測(cè)區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)系，以基準(zhǔn)點(diǎn)E為坐標(biāo)原點(diǎn)，EF連線為x軸，指向F，過(guò)E點(diǎn)垂直于x軸方向?yàn)閥軸，指向碼頭前沿。

基準(zhǔn)網(wǎng)的圖形結(jié)構(gòu)為常見(jiàn)的三角網(wǎng)型，圖形結(jié)構(gòu)強(qiáng)，檢核條件多，基準(zhǔn)網(wǎng)采用邊角全測(cè)的方法進(jìn)行高精度的角度和距離測(cè)量，最后采用清華三維平差軟件進(jìn)行嚴(yán)密平差，得到基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)的精準(zhǔn)坐標(biāo)。

2.2 水平位移監(jiān)測(cè)實(shí)施

由于工作基點(diǎn)C5、C12并非固定不動(dòng)，每次均需在基準(zhǔn)網(wǎng)中對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)以求得其坐標(biāo)。具體觀測(cè)方法是：首先在一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)架設(shè)儀器，后視鄰近的可通視的基準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)量工作基點(diǎn)C5或C12的坐標(biāo)，然后在工作基點(diǎn)上架設(shè)儀器，測(cè)量求得其兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，其中工作基點(diǎn)C5觀測(cè)C1~C4，C6~C8；工作基點(diǎn)C12觀測(cè)C9~C11，C13~C14；測(cè)量采用高精度的角度和距離測(cè)量，每個(gè)角測(cè)量6個(gè)測(cè)回，距離觀測(cè)3個(gè)測(cè)回（在儀器中輸入測(cè)量時(shí)的氣溫和氣壓值，并進(jìn)行加常數(shù)和乘常數(shù)改正），通過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)的傳遞，依次得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。周期性地對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，即可測(cè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)變化值，也即水平位移值。

3 精度探討

3.1 基準(zhǔn)網(wǎng)控制精度分析

基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)為邊角全測(cè)的三角網(wǎng)，采用Leica高精度精密全站儀TCA2003進(jìn)行觀測(cè)，標(biāo)稱(chēng)測(cè)距精度為±(1 mm+1 ppm D)，標(biāo)稱(chēng)測(cè)角精度為0.5″。角度測(cè)量采用全圓觀測(cè)法，每個(gè)角測(cè)量6個(gè)測(cè)回，測(cè)角精度可達(dá)0.35″?；鶞?zhǔn)網(wǎng)經(jīng)嚴(yán)密平差后，得到各基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)的精度評(píng)定，其中最弱點(diǎn)A的沿y方向的最大點(diǎn)位中誤差為0.6 mm。

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)精度分析

由于碼頭位移觀測(cè)主要關(guān)心垂直于碼頭前沿的位移，即橫向坐標(biāo)y，由于實(shí)際測(cè)量過(guò)程中只設(shè)了兩次測(cè)站，所以支導(dǎo)線端點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算公式為：

為了導(dǎo)出支導(dǎo)線端點(diǎn)沿y方向（橫向）的誤差公式，需要建立終點(diǎn)坐標(biāo)與直接觀測(cè)值β和D的微分關(guān)系式。為此，微分上式得：

根據(jù)方位角推算式：

代入式（1）有：

將上式寫(xiě)成方差形式，可得支導(dǎo)線端點(diǎn)沿y軸方向的誤差—橫向誤差mu：

上式即為支導(dǎo)線端點(diǎn)橫向誤估算式，其中my1和mT0分別為支導(dǎo)線起始點(diǎn)位橫向誤差和起始方向方位角誤差。

按照上式，分別代入儀器的標(biāo)稱(chēng)精度，基準(zhǔn)網(wǎng)精度評(píng)定值及實(shí)測(cè)計(jì)算值，估算監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同路線下的最大橫向誤差，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同支導(dǎo)線路線下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大橫向誤差

依據(jù)《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》(JTJ 203-2012)，碼頭屬于對(duì)變形比較敏感的水工建筑物，監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移應(yīng)滿(mǎn)足二等精度要求，即平面點(diǎn)位誤差不大于±3 mm。從表1結(jié)果來(lái)看，支導(dǎo)線法水平位移監(jiān)測(cè)精度完全可以滿(mǎn)足水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范的要求。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

該碼頭的監(jiān)測(cè)工作從2008年10月25日開(kāi)始，于2009年4月15日結(jié)束監(jiān)測(cè)共觀測(cè)了172天，在此期間采集了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，我們選取了典型的4個(gè)點(diǎn)為例進(jìn)行變形分析，圖2給出了碼頭上這4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直于碼頭前沿方向的水平位移變化，表2為4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大位移量和累計(jì)位移量。

圖2 水平位移-時(shí)間變化曲線

表2 變形觀測(cè)點(diǎn)位移量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從圖2和表2可以看出，在施工期間，尤其是在碼頭前沿炸礁期間，在爆破區(qū)域內(nèi)部分位移點(diǎn)位移量出現(xiàn)急劇變化情況，現(xiàn)場(chǎng)人員及時(shí)通知了相關(guān)部門(mén)，并做好施工調(diào)整工作，指導(dǎo)并保證了施工的順利進(jìn)行。從近半年監(jiān)測(cè)的最終累計(jì)位移量來(lái)看，監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移在可控制范圍內(nèi)，累計(jì)最大水平位移量未超過(guò)1 cm。

5 結(jié) 論

傳統(tǒng)的碼頭水平位移觀測(cè)方法很多，各有適用條件，支導(dǎo)線法應(yīng)用于碼頭水平位移監(jiān)測(cè)有很多優(yōu)勢(shì)，布設(shè)靈活，施測(cè)方便，適應(yīng)場(chǎng)地條件較強(qiáng)。通過(guò)對(duì)本監(jiān)測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)點(diǎn)的精度分析和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，采用支導(dǎo)線法完全可以滿(mǎn)足碼頭水平位移監(jiān)測(cè)的要求，對(duì)類(lèi)似的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有良好的借鑒意義。但采用此方法其觀測(cè)精度受到支導(dǎo)線長(zhǎng)度和測(cè)站數(shù)的限制，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中要先做好精度估算。

參考文獻(xiàn)：

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Horizontal Displacement Monitoring Method and Its Precision of a Wharf

Zhang Xiaojie1, Zhao Xiaohong2, Cao Shengmin1
(1.CCCC First Harbor Consultants Co., Ltd., Tianjin 300222, China; 2.Baoji Survey and Mapping Institute, Baoji Shanxi 721000, China)

Abstract:With the port cargo throughput increased year by year, berthing ship's tonnage increases, more and more ports need to be deepened reform, in order to ensure the safety of wharf during the transformation, it is necessary to monitor terminal deformation. Aiming at a wharf monitoring project as an example, introduce the branch line method and its process, and the accuracy analysis and monitoring data analysis show that the branch line method can completely meet the requirements of horizontal displacement monitoring, for similar monitoring project have a important reference, to ensure the wharf structure safety.

Key words:horizontal displacement monitoring; branch line; precision

作者簡(jiǎn)介：張曉杰（1983-），男，工程師，主要從事地基基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)與檢測(cè)工作。

收稿日期：2015-03-04

DOI:10.16403/j.cnki.ggjs20160123

中圖分類(lèi)號(hào)：U656.107

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-9592（2016）01-0098-03