周成海、羅凱
(江西省路港工程有限公司,江西南昌 330000)
港口航道水體中懸浮的泥沙即為懸沙,單位水體內(nèi)所含泥沙及有機(jī)生物碎屑等固體物質(zhì)總量就是含沙量,含沙量在一定密度以內(nèi)的底質(zhì)層位稱為浮泥層,其粒徑極小,顆粒極輕,極易受到擾動(dòng)。隨著時(shí)間的推移,浮泥層厚度會(huì)不斷增大,對(duì)航道正常運(yùn)行造成不利影響。
國(guó)內(nèi)最早采用雙頻測(cè)深儀展開浮泥層位及厚度測(cè)定,該儀器同時(shí)發(fā)射組合式的高低頻脈沖信號(hào),借助信號(hào)在浮泥層表、底層反射的時(shí)間差確定浮泥層厚度。通過200kHz 的高頻頻率展開航道底部表層浮泥厚度測(cè)定,重復(fù)測(cè)量精度較高,還能有效規(guī)避聲波凹面反射效應(yīng)的出現(xiàn);20kHz~50kHz 的低頻頻率信號(hào)理論上具備較好的低密度浮泥層穿透能力。然而,由于底層懸沙的多變性,使雙頻測(cè)深儀測(cè)得的層位界面并不確定,無(wú)法展開相鄰反射界面密度值的定性說明;低頻信號(hào)所對(duì)應(yīng)的底質(zhì)反射界面會(huì)隨航道底部地質(zhì)條件、聲波傳播介質(zhì)等的變化而變化,浮泥層測(cè)量精度較難保證,故現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果并不理想。
基于此,本文對(duì)SDE-28 型全數(shù)字測(cè)深儀在港航疏浚工程中浮泥層厚度測(cè)量中的應(yīng)用展開分析,通過其施測(cè)結(jié)果與常規(guī)測(cè)深技術(shù)的比較,驗(yàn)證本文所采用施測(cè)方案的合理性和適用性。
某港口航道全長(zhǎng)為3.81km,河床底設(shè)計(jì)標(biāo)高為-0.50m。河道于2014 年采用非斷流常規(guī)挖泥機(jī)清淤疏浚后,至2020 年底,河道污染底泥淤積厚度已經(jīng)達(dá)到0.61cm。為保持航道安全穩(wěn)定運(yùn)行,決定對(duì)其中長(zhǎng)1000m、寬450m 的河段展開疏浚。疏浚前通過常規(guī)測(cè)量?jī)x器配合測(cè)深桿共展開3 次測(cè)量,第3 次疏浚測(cè)量的水深較第2 次淺1.5m。測(cè)量期間疏浚船始終正常疏浚,故第3 次測(cè)深應(yīng)比第2 次測(cè)深大,也就是說常規(guī)測(cè)量?jī)x器測(cè)深結(jié)果并不可靠。在排除儀器故障、水位變化等可能原因后推測(cè),除測(cè)量技術(shù)落后外,疏浚區(qū)施工水域可能存在浮泥層,導(dǎo)致水深測(cè)量值無(wú)法為航道疏浚作業(yè)提供準(zhǔn)確可靠依據(jù)。為此,必須展開疏浚區(qū)施工水域浮泥層厚度的準(zhǔn)確量測(cè)。
由于該港口航道所在河段污染底泥清除擬采用泥水現(xiàn)場(chǎng)分離工藝,浮泥層對(duì)工程量影響較大,如果采用常規(guī)測(cè)量?jī)x器配合測(cè)深桿或塔尺展開河道測(cè)量,則較難準(zhǔn)確測(cè)出絮凝體浮泥層厚度[1]。為此,決定采用GPS 網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)展開平面定位,通過SDE-28 型雙頻數(shù)字化測(cè)深儀和塔尺測(cè)量水深,經(jīng)過后期數(shù)據(jù)處理分析后,確定河底高程及浮泥層厚度。
2.1.1 GPS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)
該技術(shù)集計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)、通信技術(shù)、GPS 定位技術(shù)于一體,又稱為多基準(zhǔn)站技術(shù),較好彌補(bǔ)了常規(guī)RTK 技術(shù)的不足,增強(qiáng)了RTK 的作用,也使初始化時(shí)間大幅度縮短,點(diǎn)位精度及測(cè)量結(jié)果的可靠性提升。
該港口航道工程浮泥層厚度測(cè)量時(shí)擬采用的VRS 系統(tǒng),具備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下載和處理功能,數(shù)據(jù)發(fā)布和系統(tǒng)運(yùn)行均具備較高的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)經(jīng)工程所在省測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站檢驗(yàn)后得出,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)高程內(nèi)、外符合精度分別在±30mm 及±40mm;動(dòng)態(tài)平面內(nèi)、外符合誤差分別在±13mm 及±30mm,精度滿足此次航道疏浚中浮泥層厚度測(cè)量要求。
2.1.2 數(shù)字化測(cè)深技術(shù)
該航道疏浚工程采用SDE-28 型全數(shù)字測(cè)深儀,微機(jī)操作系統(tǒng)與工控電腦平臺(tái)相結(jié)合,儀器內(nèi)部集成水深測(cè)量、測(cè)深控制、軟件圖形導(dǎo)航等軟件[2],能對(duì)航道底部水深數(shù)據(jù)及水底曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和回放;同時(shí)可與GPS 接收機(jī)對(duì)接,將定位數(shù)據(jù)和水深測(cè)量結(jié)果有機(jī)融合。儀器分辨率達(dá)到0.01mm,測(cè)深范圍在0.3~2000m 之間,高頻聲波頻率為200kHz,低頻聲波頻率可選擇20kHz、24kHz、33kHz 等檔次。該型號(hào)測(cè)深儀全自動(dòng)操作、測(cè)值精度高,各項(xiàng)性能均符合《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》(SL 52—2015)。SDE-28 型全數(shù)字測(cè)深儀技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 SDE-28 型全數(shù)字測(cè)深儀技術(shù)參數(shù)
常規(guī)測(cè)定方法下主要展開取樣分析,也就是在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用采水器采集水樣,應(yīng)用光電測(cè)沙法或烘干稱重法進(jìn)行水體內(nèi)含沙量測(cè)定。
該項(xiàng)目主要采用SDE-28 型全數(shù)字測(cè)深儀測(cè)量浮泥層厚度,通過高低頻的設(shè)置,分別測(cè)定浮泥層厚度上界面,并穿透浮泥層厚度下界面。為確保抽樣的表征性和結(jié)果的準(zhǔn)確性,分別在該航道上游、中游和下游等河段展開測(cè)量。測(cè)量過程展開后發(fā)現(xiàn),航道底部浮泥層厚度不一,但因水深較淺,SDE-28 型全數(shù)字測(cè)深儀自動(dòng)生成的低頻波形圖較為模糊,特別是上游測(cè)段,低頻波形圖無(wú)法清晰反映浮泥層實(shí)際厚度。
為保證測(cè)量效果,項(xiàng)目部決定仍通過SDE-28 型全數(shù)字測(cè)深儀高頻信號(hào)測(cè)量浮泥層上界面,但浮泥層下界面改由塔尺測(cè)量,通過數(shù)據(jù)套合確定浮泥層厚度。為確保優(yōu)化后測(cè)量方案的可操作性及測(cè)量精度,技術(shù)人員自制出一套浮泥層厚度比測(cè)試驗(yàn)工具,上端為1 根測(cè)深桿,下端為固定裝置,同時(shí)安裝帶兩排透水圓孔且尺寸為60cm×20cm×0.5cm(長(zhǎng)×寬×厚)的膠漆板。該裝置具備一定自重,能較好解決河水對(duì)材質(zhì)的阻力問題,還能充分考慮到河底坡度的影響,比測(cè)驗(yàn)證效果良好。
比測(cè)期間共采集80 組測(cè)深數(shù)據(jù),采集點(diǎn)分別位于航道上游、中游和下游。通過對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)的分析看出,對(duì)于相同施測(cè)部位,SDE-28 型全數(shù)字測(cè)深儀高頻信號(hào)所測(cè)水深值較小,塔尺測(cè)量水深值較大,自制比測(cè)試驗(yàn)裝置所測(cè)水深值居中,符合要求。測(cè)深結(jié)果還表明,SDE-28 型全數(shù)字測(cè)深儀高頻信號(hào)測(cè)值與塔尺測(cè)值之間相差0~30cm;浮泥層厚度和河道水深呈反向變動(dòng)趨勢(shì)。根據(jù)以上分析看出,應(yīng)用SDE-28 型全數(shù)字測(cè)深儀高頻信號(hào)測(cè)量浮泥層上界面,同時(shí)使用塔尺測(cè)量浮泥層下界面,再展開數(shù)據(jù)套合計(jì)算后確定浮泥層厚度的優(yōu)化方案切實(shí)可行,結(jié)果可靠。
上界面測(cè)量前通過1 根2.0m 長(zhǎng)的固定桿將SDE-28型全數(shù)字測(cè)深儀換能器和GPS 接收天線連接,并使兩者位于同一垂線;換能器安裝在測(cè)船中部。安裝好后在SDE-28 型全數(shù)字測(cè)深儀和內(nèi)部集成軟件的配合下施測(cè),系統(tǒng)自動(dòng)采集、記錄并保存坐標(biāo)及水深數(shù)據(jù)。
下界面測(cè)量采用VRS 技術(shù)與測(cè)繩相結(jié)合的方式,以確保浮泥層上下界面施測(cè)位置一致。測(cè)量期間,使用Trimble R8 型GPS,測(cè)繩則選用長(zhǎng)度50m 的專用繩具;寬面鋁合金材質(zhì)的雙面塔尺長(zhǎng)5.0m 且可伸縮,帶毫米刻度,因材質(zhì)輕、自重小,能避免塔尺接觸浮泥層下界面后插入浮泥層進(jìn)而影響測(cè)量效果。
通過SDE-28 型全數(shù)字測(cè)深儀內(nèi)置測(cè)量軟件處理后得到航道底部浮泥層上界面三維坐標(biāo);通過GPS 或測(cè)繩定位后得出浮泥層下界面平面坐標(biāo);相應(yīng)測(cè)點(diǎn)水位值與SDE-28 型全數(shù)字測(cè)深儀所測(cè)水深值之差即為水底高程。將浮泥層上、下界面三維坐標(biāo)疊加,兩者對(duì)應(yīng)的水底高程差即為浮泥層厚度[3]。
該待疏浚航道水深淺,最淺處淤泥外露,若采用塔尺測(cè)深,浮泥層和淤泥層受擾動(dòng)后水體會(huì)變渾濁,影響測(cè)深儀測(cè)量效果。為此,應(yīng)先通過SDE-28 型全數(shù)字測(cè)深儀測(cè)量橫斷面水深,再通過塔尺測(cè)量同一斷面水深,以縮短相鄰測(cè)次間時(shí)間間隔,最大程度地降低潮漲潮落對(duì)斷面沖刷及淤積的影響,確保測(cè)量斷面的一致性及測(cè)量結(jié)果精度。
該港口航道淤積嚴(yán)重,特別是上游及航道兩側(cè)水深較淺的區(qū)域,淤泥已經(jīng)裸露出水面;再加上部分河段水草較多,對(duì)SDE-28 型全數(shù)字測(cè)深儀施測(cè)影響較大。為此,對(duì)于以上區(qū)域應(yīng)采用類比推算,進(jìn)行上游及航道兩側(cè)等淺水區(qū)浮泥層上界面高程的推求。具體而言,以各斷面臨岸側(cè)最后2 個(gè)可測(cè)厚度值均值為起算值,加上待推求位置塔尺測(cè)深高程后,即可得到相應(yīng)位置浮泥層上界面高程。
3.3.1 吃水深度。SDE-28 型全數(shù)字測(cè)深儀換能器放入水中的深度即為吃水深度,該型號(hào)測(cè)深儀換能器吃水深度應(yīng)控制在0.5m,避免探頭運(yùn)動(dòng)于水中后引發(fā)氣泡,造成假水深數(shù)據(jù)。當(dāng)測(cè)船運(yùn)行速度較快時(shí),還應(yīng)相應(yīng)增大吃水。該港口航道水深淺,故選擇船長(zhǎng)3.0m、掛機(jī)馬力2.5HP 的小型平底橡皮艇,采用0.4m 吃水深度的探頭。
3.3.2 聲速修正。按照進(jìn)度安排,該航道疏浚工程施工時(shí)間為3 月底4 月初,航道水溫較低,結(jié)合參考數(shù)據(jù)將測(cè)深儀聲速值擬定為1450m/s,同時(shí)配置附帶毫米刻度的寬鋁合金塔尺展開比測(cè)。測(cè)值精度位于±2cm 之間,符合要求。
3.3.3 測(cè)量周期。將測(cè)深儀在單位時(shí)間內(nèi)的測(cè)量次數(shù)稱為測(cè)量周期,即水深數(shù)據(jù)的更新率,GPS 將其定位為1 次/s。該港航疏浚工程所用SDE-28 型全數(shù)字測(cè)深儀最大測(cè)量周期可達(dá)20 次/s,并能隨量程擋位而同步調(diào)整,以滿足相應(yīng)測(cè)次水深測(cè)量要求。為提升測(cè)值精度,此次施測(cè)采用等距離采樣,按照0.5m/s確定距離設(shè)定值和測(cè)船施測(cè)速度值[4]。
通過設(shè)置檢查線的方式展開該港口航道浮泥層測(cè)量精度檢查。具體而言,與航道橫斷面垂直布置兩條檢查線,經(jīng)過對(duì)交叉點(diǎn)處測(cè)深儀數(shù)據(jù)的比較,驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果精度。在該航道試驗(yàn)河段布置38 個(gè)橫斷面,航道寬度均值為20m,按照1.0m 間隔設(shè)置斷面點(diǎn),共計(jì)725 個(gè)點(diǎn)次,對(duì)其中75 個(gè)點(diǎn)展開檢測(cè),抽檢比遠(yuǎn)大于10%。精度檢測(cè)結(jié)果較差絕對(duì)值見表2(僅列示部分?jǐn)嗝妫?/p>
表2 部分?jǐn)嗝娓∧鄬訙y(cè)量精度統(tǒng)計(jì)
根據(jù)表2 對(duì)斷面浮泥層測(cè)量結(jié)果較差絕對(duì)值的統(tǒng)計(jì)與分析看出,兩條檢查線和河道斷面線交叉點(diǎn)處較差的絕對(duì)值位于20cm 以下,精度符合《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》(SL 52—2015)。
在泥沙輸移作用下,該航道SDE-28 型全數(shù)字測(cè)深儀所測(cè)深度界面以下浮泥層位的疏浚無(wú)異于在“稀泥場(chǎng)”內(nèi)打撈,清淤疏浚效果一般,還會(huì)使疏浚成本顯著增大。在挖泥土方量計(jì)算時(shí),其深度界面應(yīng)根據(jù)含沙量密度確定,并定位在一定密度含沙量層位上,對(duì)于低于該層位的土方量則不予計(jì)算。經(jīng)過對(duì)該港口航道測(cè)量結(jié)果的分析表明,密度在1.2g/cm3以下的浮泥層厚度均值為0.86m,港池浮泥覆蓋面積按50×104m2確定,疏浚單價(jià)按10 元/m3確定,則可節(jié)約的疏浚費(fèi)用為10 元/m3×50×104m2×0.86m=430×104元??梢姡归_港航工程浮泥層測(cè)量,在采用切實(shí)可靠的測(cè)量技術(shù)后,將大大節(jié)省港區(qū)航道維護(hù)費(fèi)用;疏浚后復(fù)測(cè)的過程中,可以利用浮泥層位,減少疏浚單位成本支出,取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
綜上所述,應(yīng)用GPS 網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)與SDE-28 型全數(shù)字測(cè)深儀、塔尺展開航道底部浮泥層測(cè)量,施測(cè)過程切實(shí)可行,結(jié)果準(zhǔn)確可靠,實(shí)現(xiàn)了RTK 定位數(shù)據(jù)與全數(shù)字測(cè)深數(shù)據(jù)的同步采集、自動(dòng)記錄、批量處理,作業(yè)效率和結(jié)果精度均有保證。浮泥層厚度的準(zhǔn)確測(cè)量也為港口航道清淤疏浚提供了可靠依據(jù),對(duì)于類似港航工程適航水深的精準(zhǔn)量測(cè)具有參考價(jià)值。值得注意的是,該港航工程浮泥層厚度施測(cè)期間,SDE-28 型全數(shù)字測(cè)深儀與塔尺測(cè)量過程并不同步,存在套合誤差;浮泥層厚度測(cè)量時(shí)段主要位于航道低水位,但航道水位存在漲落,也就是說測(cè)量結(jié)果中未包含水位漲落及水流沖刷的影響。此外,航道上游及兩岸淺水區(qū)浮泥層推算過程簡(jiǎn)單粗放,測(cè)值的準(zhǔn)確性有待驗(yàn)證。