HYPACK TIN模型在港珠澳大橋島隧工程沖淤監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

張琦，潘滿

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510221）

HYPACK TIN模型在港珠澳大橋島隧工程沖淤監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

張琦，潘滿

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510221）

以港珠澳大橋島隧工程為例，基于多波束水深測(cè)量采集的數(shù)據(jù)，采用了HYPACK TIN模型繪制斷面比對(duì)圖、沖淤色塊圖，計(jì)算相應(yīng)的沖淤量，從三個(gè)角度分析水下沖淤的變化規(guī)律，滿足了港珠澳大橋島隧工程的生產(chǎn)決策需要。

HYPACK TIN模型；沖淤監(jiān)測(cè)；斷面圖；沖淤色塊圖

1 工程概況

港珠澳大橋島隧工程全長7 440.546 m，其中沉管隧道基槽長5 664 m，底寬41.95 m，底標(biāo)高-16.3～-45.4 m，是目前綜合施工難度最大的深海沉管隧道工程[1]。

沉管隧道基槽地處珠江口的外伶仃洋，水文地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，珠江每年從上游攜帶大量泥沙注入外伶仃洋，加上基槽開挖后深度較周邊自然水深形成較大的落差，這種”V”字形的深海基槽更加劇了泥沙在基槽內(nèi)的淤積速度。為了保證沉管隧道基槽施工的工程質(zhì)量，需要對(duì)槽底的沖淤以及邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行持續(xù)的多波束水深監(jiān)測(cè)[2]，并對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解讀，實(shí)時(shí)跟蹤沉管隧道基槽在施工過程中的變化。

2 HYPACK TIN模型在沖淤分析中原理及方法

HYPACK是水文測(cè)量軟件[3]，基于HYPACK TIN模型的沖淤分析主要包括斷面比對(duì)圖的繪制、沖淤工程量的計(jì)算以及沖淤色塊圖的繪制。

2.1 TIN模型的原理

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡(jiǎn)稱DEM）是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體模型，而TIN（Triangulated Irregular Net work）模型是一種表示DEM的方法，根據(jù)區(qū)域內(nèi)有限的離散點(diǎn)將區(qū)域剖分為相連的三角形網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域中任意點(diǎn)落在三角形的頂點(diǎn)、邊上或三角形內(nèi)，若點(diǎn)不在頂點(diǎn)上，該點(diǎn)的高程值可通過線性插值法獲得。

2.2 斷面比對(duì)圖的繪制

將多波束水深測(cè)量系統(tǒng)采集的水下地形高程點(diǎn)構(gòu)成TIN模型，利用預(yù)先設(shè)置好的斷面文件，可以生成指定樁號(hào)的橫斷面線，斷面線任意點(diǎn)的高程信息均能通過TIN模型三角網(wǎng)內(nèi)插計(jì)算得出，將不同時(shí)間點(diǎn)水深數(shù)據(jù)生成的斷面線疊加顯示，并加以相應(yīng)的注釋，即可分析出某時(shí)段內(nèi)海底的沖淤變化。

2.3 沖淤工程量的計(jì)算

通常沖淤工程量的計(jì)算思路是將2次水深測(cè)量數(shù)據(jù)相減的差值，再乘以相應(yīng)的面積范圍，之后累加得到整塊區(qū)域的沖淤工程量。但在實(shí)際測(cè)量中，2次水深測(cè)量的數(shù)據(jù)通常不在同一個(gè)平面位置上，無法直接將水深值作差值處理，因而需要引入一個(gè)參考面（通常設(shè)置為設(shè)計(jì)斷面），將每次的測(cè)量數(shù)據(jù)與參考面作差值，計(jì)算出差值面積，根據(jù)平均斷面法計(jì)算整個(gè)區(qū)域的剩余工程量，再將2次的剩余工程量作差值，即可得到該區(qū)域在某計(jì)算時(shí)段內(nèi)的沖淤工程量。也可以根據(jù)區(qū)域的面積，將沖淤工程量轉(zhuǎn)化為更為容易理解的平均沖淤厚度。

2.4 沖淤色塊圖的繪制

將2次水深測(cè)量數(shù)據(jù)作TIN模型并作差值處理，生成差值XYZ文件。將生成的差值XYZ數(shù)據(jù)生成TIN模型，將差值水深按不同的水深范圍進(jìn)行顏色設(shè)置，輸入DXF格式包含等深線以及色塊分層的AUTOCAD圖形文件即可[4]。

3 HYPACK TIN模型在沖淤監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

港珠澳大橋島隧工程在E15管節(jié)安裝前，基槽邊坡上的回淤物發(fā)生滑塌，導(dǎo)致原E15管節(jié)安裝計(jì)劃推遲。根據(jù)E15沉管隧道基槽精挖成型后、基槽槽底碎石面鋪設(shè)后以及基槽邊坡滑塌后的測(cè)量數(shù)據(jù)，使用HYPACK TIN模型進(jìn)行基槽沖淤模型分析。

1）斷面比對(duì)圖

繪制基槽精挖成型、碎石墊層鋪設(shè)、邊坡回淤物滑塌后的斷面比對(duì)圖，E15管節(jié)基槽K10+ 103斷面比對(duì)如圖1所示。

圖1 E15管節(jié)基槽K 10+103斷面比對(duì)圖Fig.1 Crosssection contrast draw ing at K10+103 trench of tunnel E15

2）沖淤量計(jì)算表

根據(jù)沖淤工程量計(jì)算方法，計(jì)算E15管節(jié)基槽精挖成型后與碎石墊層鋪設(shè)后的沖淤量如表1，計(jì)算碎石墊層鋪設(shè)后與邊坡滑塌后的沖淤量如表2。

3）沖淤色塊圖

繪制E15管節(jié)基槽精挖成型后與碎石墊層鋪設(shè)后的色塊圖如圖2，繪制碎石墊層鋪設(shè)后與邊坡滑塌后的色塊圖如圖3。

4）成果分析

結(jié)合圖1及圖2可以發(fā)現(xiàn)，從基槽精挖完成后到碎石層鋪設(shè)完成后，在基槽的北邊坡淤積了大量的泥沙，南邊坡也有少量的淤積，這與表1中的南北邊坡沖淤量計(jì)算結(jié)果相符。對(duì)于典型斷面K10+103，從表1可以看到，淤積主要發(fā)生在北邊坡坡比為1∶5及1∶2.5的區(qū)域，而南邊坡則有少量沖刷，這與圖1及圖2中的結(jié)果相符。

表1 E15管節(jié)基槽精挖成型后與碎石墊層鋪設(shè)后沖淤量計(jì)算表Tab le1 Volume calculation ofscouringand siltation at the trench of tunnel E15 between d redging com pletion afterwards and gravel layer lying afterw ards m3

表2 E15管節(jié)碎石墊層鋪設(shè)后與邊坡滑塌后沖淤量計(jì)算表Table 2 Volum e calculation of scouring and siltation at the trench of tunnel E15 between gravel layer lying afterwardsand slope collapseafterwards m3

圖2 E15管節(jié)基槽精挖成型后與碎石墊層鋪設(shè)后沖淤色塊圖Fig.2 Colored scouring and siltationmap at the trench of tunnel E15 between d redging completion afterwardsand gravel layer lying afterwards

圖3 E15管節(jié)碎石墊層鋪設(shè)后與邊坡滑塌后沖淤色塊圖Fig.3 Colored scouring and siltationmap at the trench of tunnel E15 between gravel layer lying afterwards and slope collapseafterwards

結(jié)合圖1及圖3可以發(fā)現(xiàn)，從碎石層鋪設(shè)完成后到邊坡滑塌后，基槽南北邊坡有前期淤積的泥沙部分滑入基槽底部，從而形成槽底的驟淤以及南北邊坡沖刷的現(xiàn)象，主要滑塌部位集中在北邊坡西部60 m坡比為1∶2.5及1∶5區(qū)域，這與表2中的沖淤變化量符合。另外從表2可以看出，整個(gè)E15管節(jié)基槽底部的回淤量為7 692 m3，南北邊坡沖刷量約為5 982 m3，考慮到測(cè)量的精度以及期間發(fā)生的自然回淤量，回淤量和沖刷量基本達(dá)到了平衡，可以判定本次基槽底部的驟淤主要是由兩側(cè)邊坡滑塌引起的，同時(shí)也驗(yàn)證了圖1及圖3的正確性。

4 結(jié)語

通過HYPACK TIN模型在港珠澳大橋島隧工程沖淤監(jiān)測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該模型分析效率高，結(jié)果準(zhǔn)確，能很好反映海底沖淤的變化規(guī)律。由TIN模型衍生的三種分析方法不僅相互補(bǔ)充印證，而且各有側(cè)重。

1）斷面比對(duì)圖能直觀反映指定斷面多個(gè)時(shí)間段內(nèi)的水深變化情況，同時(shí)能反映某個(gè)斷面與設(shè)計(jì)斷面之間的差值；如需分析某個(gè)區(qū)域，需要以一定的間距生成一系列斷面。由于斷面比對(duì)圖只能反映某個(gè)樁號(hào)斷面的變化，不能反映相鄰兩個(gè)斷面之間的情況，可能會(huì)遺漏一些重要信息。

2）沖淤工程量的計(jì)算從量值上直觀地反映了某區(qū)域沖淤變化情況。由于工程量的計(jì)算不能將計(jì)算區(qū)域無限細(xì)化，一些水深變化劇烈的區(qū)域會(huì)被周圍區(qū)域平均而變得平緩，從而可能會(huì)遺漏一些重要信息或者影響計(jì)算的正確性。

3）沖淤色塊圖以彩色圖形的方式直觀顯示了某區(qū)域內(nèi)的沖淤變化情況，清晰明了。但沖淤色塊圖只能顯示2次測(cè)量數(shù)據(jù)之間的變化情況，對(duì)于多次數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析，還需要參考斷面比對(duì)圖。

綜上所述，TIN模型衍生的三種沖淤分析方法各有特點(diǎn)，在工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的方法，并使用另一種方法進(jìn)行驗(yàn)證，為生產(chǎn)決策提供正確的參考。

[1] 馮偉，戴書學(xué)，李凱凱.工廠法預(yù)制沉管鋼筋籠變形控制[J].中國港灣建設(shè)，2015，35（7）：14-17. FENG Wei,DAI Shu-xue,LI Kai-kai.Deformation control for steel cageofprefabricated factory immersed tube[J].ChinaHarbour Engineering,2015,35(7):14-17.

[2]鄭偉，李煒.GPS-RTK三維水下地形測(cè)量的應(yīng)用與誤差分析[J].中國港灣建設(shè)，2015，35（7）：42-45. ZHENGWei，LIWei.Application and error analysisof GPS-RTK three-dimensionalunderwater topographic survey[J].China HarbourEngineering,2015,35(7):42-45.

[3]上海航道局.HYPACK MAX測(cè)量和疏浚軟件的應(yīng)用手冊(cè)[K]. 2003. CCCC Shanghai Dredging Co.,Ltd.App lication manual of measurementand dredgingsoftwareHYAPCKMAX[K].2003.

[4]喬紅杰，張靜怡，劉軍濤.Hypack Max軟件在河道沖淤分析中的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2010（1）：89-92. QIAO Hong-jie,ZHANG Jing-yi,LIU Jun-tao.App lication of Hypack Max software to analysis of channel scouring and siltation [J].Water Resourcesand Power,2010(1):89-92.

App lication of HYPACK TIN m odel for scouring and siltation monitoring hydrographic survey in Hongkong-Zhuhai-M acao Bridge island&tunnel project

ZHANGQi,PANMan
（CCCCGuangzhou Dredging Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510221,China）

Taking the example of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island&tunnel project,basing on the survey data collected bymulti-beam echo-sounder,we drew the cross section comparativemap and colored scouring and siltation map by HYPACK TIN model,calculated the relevant scouring and silting capacity volume,and analyzed the variation of underwater scouringand siltation from threeaspects,in order to fulfill the demand and requirementof the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island&tunnel project.

HYPACK TIN model;scouring and siltation monitoring hydrographic survey;cross section diagram;colored scouring and siltationmap

U452.11

A

2095-7874（2015）11-0042-04

10.7640/zggw js201511012

2015-10-19

張琦（1986— ），男，江蘇南通人，助理工程師，從事水深測(cè)量，測(cè)繪工程專業(yè)。E-mail：304391162@qq.com