港口碼頭水下地形及岸坡穩(wěn)定性觀測和分析①

汪鶴衛(wèi)

摘 要：為了解復(fù)雜河道的港口碼頭運(yùn)行變化情況，確保生產(chǎn)和防洪安全，以馬鞍山港口為觀測實例，敘述了在復(fù)雜河道港區(qū)的港口碼頭變形觀測、近岸水下地形和岸坡穩(wěn)定觀測方法，詳細(xì)地分析了碼頭穩(wěn)定性、附近水下地形和岸坡變化。在觀測和分析中，主要利用高精度全站儀、GPS配合測深儀進(jìn)行了觀測，對采集的數(shù)據(jù)采用了ARCGIS10.0軟件進(jìn)行了全面的對比分析，為碼頭的設(shè)計驗證、河道治理和岸坡養(yǎng)護(hù)提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對港口碼頭運(yùn)行管理具有較強(qiáng)參考應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：水下地形 沖淤分析 岸坡穩(wěn)定性 沖淤量

中圖分類號：U652 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0091-02

長江河道演變受水系來水來沙、彎道和汊道泥沙運(yùn)動、懸移質(zhì)和推移質(zhì)運(yùn)動等條件影響，會發(fā)生沖淤變化。為正確了解和研究長江中下游河道治理，特別是重點港口區(qū)域的整治和防護(hù)，應(yīng)加強(qiáng)沖淤觀測和分析。該文利用先進(jìn)的測量儀器和ARCGIS軟件，系統(tǒng)觀測和分析了長江下游馬鞍山河段馬鞍山港區(qū)的變化情況。

1 觀測和分析目的

馬鞍山港口位于馬鞍山河段，該河段洲灘較多、河道復(fù)雜，河床發(fā)育于第四紀(jì)沉積物上，為典型的河漫灘二元結(jié)構(gòu)，表層5～10m是透水性差的淤泥質(zhì)粘性土或亞粘土，其下30～50m為細(xì)沙層。右岸工程地質(zhì)條件人頭磯碼頭附近最差，在水流沖刷作用下極不穩(wěn)定。在河流歷史演變過程中，這一帶處于江心洲尾與小黃洲頭之間過渡段的上下移動區(qū)，沖淤頻繁，抗沖力最弱，50、60、70年代的幾次大崩岸都發(fā)生在這一地區(qū)。

通過對2007年測次和2012年測次馬鞍山河段沖淤圖對比分析，可以看出：中心港區(qū)附近出現(xiàn)了淤積，人頭磯附近出現(xiàn)沖刷，如圖1所示。為了加強(qiáng)河道治理和港區(qū)運(yùn)行管理，及時掌握碼頭工程區(qū)域水下地形、岸坡和碼頭變化情況，確保碼頭和港口運(yùn)行安全，該院連續(xù)3年對港區(qū)進(jìn)行觀測和分析，并編制了分析報告。

2 觀測內(nèi)容、方法和過程

2.1 觀測內(nèi)容

（1）碼頭變形觀測：對固定高樁式碼頭進(jìn)行水平位移和垂直位移觀測。每個固定碼頭布置4個水平位移觀測點，8個垂直位移觀測點，水平、垂直位移變形觀測等級為三級。觀測點的布置圖以人頭磯碼頭為例，如圖2所示。

（2）水下地形測量：垂直水流方向自防洪墻開始向長江測至碼頭外沿以外250米，測圖比例為1：1000。

（3）固定斷面測量：碼頭前沿每隔100米施測一條固定斷面，測寬同水下地形，變化大的關(guān)鍵區(qū)域要加測斷面，測圖比例為1：200。

2.2 觀測方法和過程

主要包括對固定高樁式碼頭進(jìn)行水平和垂直位移觀測，港區(qū)水下地形和固定斷面測量，斷面和地形沖淤情況分析。觀測的頻率為每年一次，因汛前和汛后河床沖淤變化大，觀測時間統(tǒng)一選擇在每年汛后11月，各測次觀測時水位相差也不要超過1米。

（1）碼頭變形觀測：水平位移監(jiān)測點采用極坐標(biāo)法測量。極坐標(biāo)法測量采用Leica TS30型全站儀進(jìn)行，在安裝有強(qiáng)制對中器的工作基點架設(shè)儀器，在安裝有強(qiáng)制對中器的后視方向點架設(shè)固定覘牌。沉降觀測采用Dini-03型數(shù)字水準(zhǔn)儀配合條形水準(zhǔn)尺，按后-前-前-后觀測方法進(jìn)行觀測。

（2）水下地形測量，根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求和測區(qū)實際情況，設(shè)計合理的測量航線，關(guān)鍵的區(qū)域還要加密航線，每測次對比的航線要一致。GPS無線電信號采用CORS信號，在使用前求取校正參數(shù)，并在每天正式測量前和結(jié)束后均進(jìn)行參數(shù)檢校。

（3）固定斷面測量：斷面方向大致垂直于主流方向，測量方法和地形測量相同，斷面間距和測點間距嚴(yán)格按照規(guī)范執(zhí)行。進(jìn)行斷面套繪，套繪斷面分別采用了該院2012年11月、2013年11月施測的斷面資料。

3 觀測數(shù)據(jù)分析

馬鞍山港區(qū)長度約3千米，每個區(qū)域變化不盡相同，為了準(zhǔn)確分析碼頭前沿和附近的變化情況，港區(qū)共分成了5塊區(qū)域。沖淤分析時先進(jìn)行整體分析，每塊分析從總分析圖提取，保證該區(qū)域在色帶和等值線的一致性。由于篇幅關(guān)系，5塊區(qū)域不可能一一描述，先僅以變化較大、較為典型的人頭磯碼頭為例。

3.1 水平位移及垂直位移觀測情況

監(jiān)測中平面基準(zhǔn)采用1954年北京坐標(biāo)系1.5度分帶，高程基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)。從安全及減小碼頭作業(yè)對觀測影響考慮，平面位移點布設(shè)在碼頭內(nèi)側(cè)。水平基準(zhǔn)點按D級GPS點精度接測，高程基準(zhǔn)點按國家二等水準(zhǔn)觀測方法接測，基準(zhǔn)點3～5年復(fù)測一次。通過2013年11月監(jiān)測成果和2014年11月監(jiān)測結(jié)果比較，監(jiān)測點未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。

3.2 水下地形分析

水下地形分析采用了馬鞍山港區(qū)最近三年11月份測量數(shù)據(jù)，利用ArcGis10.0軟件進(jìn)行了分析。

（1）數(shù)據(jù)提?。捍蜷_CAD軟件，調(diào)入準(zhǔn)備好用于比較的CAD地形圖，繪制分析范圍線，剔除圖中不合理和無關(guān)的數(shù)據(jù)，分別輸出高程點、等高線和范圍線。

（2）數(shù)據(jù)建庫：打開ARCMAP軟件，新建一個項目，在項目文件中新建地理數(shù)據(jù)庫，設(shè)置好單位、比例尺和坐標(biāo)系。把CAD圖層中高程點、等高線和范圍線分別轉(zhuǎn)換成GIS中點、線、面shapefile圖層。

（3）TIN模型生成和編輯：TIN模型的生成主要使用3DAnalyst擴(kuò)展模塊。單擊ArcToolbox窗口，展開“3DAnalyst工具”，展開“TIN管理”工具，雙擊“創(chuàng)建TIN”，創(chuàng)建TIN，如圖3所示。在對話框中輸入TIN的名稱、坐標(biāo)系，要素類中輸入點、線、面數(shù)據(jù)， height_field域中點、線選擇“Elevation”，范圍線選擇“None”。TIN模型生成后，可直接添加、移除或修改TIN結(jié)點、隔斷線或面，改動時表面可實時反饋，使生成的TIN更加合理。

（4）沖淤量計算：所有的TIN生成后，利用“TIN轉(zhuǎn)柵格”工具，把生成TIN轉(zhuǎn)換成Raster數(shù)據(jù)，TIN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)后，便可進(jìn)行土方?jīng)_淤計算和柵格計算。沖淤計算使用“柵格表面→填挖方”工具，等數(shù)據(jù)計算完畢，便生成一個CutFill_tin文件，柵格中紅色區(qū)域為淤積區(qū)，藍(lán)色區(qū)域為沖刷區(qū)，灰色區(qū)域地形沒變化，效果圖如上圖1所示。打開CutFill_tin文件數(shù)據(jù)屬性表，導(dǎo)出報表，計算出沖淤量、沖淤面積和沖淤高度等內(nèi)容，結(jié)果如表1所示。

（5）沖淤圖繪制和合成：先用本期的柵格數(shù)據(jù)減去上期的柵格數(shù)據(jù)得到?jīng)_淤變化的柵格數(shù)據(jù)。然后用“柵格表面→等值線”工具對變化柵格數(shù)據(jù)繪制等值線，并進(jìn)行擬合、等值線的標(biāo)注和掩膜。柵格計算數(shù)據(jù)一般是用灰度表示的，為了直觀顯示，必須進(jìn)行分色表示，定義大小為“1”米的間隔，選擇一條由紅黃綠蘭組成的色帶，并進(jìn)行符號標(biāo)注。為加強(qiáng)圖的易讀性，導(dǎo)入岸上帶固定碼頭的地物和文字。打印圖紙時要進(jìn)行合理布局，添加圖例、比例尺、指北針和標(biāo)題。

（6）沖淤分析結(jié)果：通過以上資料可以看出：人頭磯固定碼頭前沿變化不大，總體以沖刷為主，變化在1米左右。碼頭后側(cè)以淤積為主，一般淤積在1米左右，岸坡變化不大。碼頭前沿120米處水下變化比較復(fù)雜，上游側(cè)出現(xiàn)淤積，淤積量最大達(dá)7米（固定斷面CS1處），中游側(cè)出現(xiàn)沖刷，下游側(cè)出現(xiàn)淤積。固定斷面CS1、CS2和CS3近岸水下出現(xiàn)沖刷，斷面中部區(qū)域出現(xiàn)淤積。

3.3 近岸岸坡比斷面分析

人頭磯港區(qū)近岸岸坡比（自岸坎至近岸岸坡腳）在1：3.33～1：5.47之間，坡度均緩于1：3，目前岸坡較為穩(wěn)定。其中浮碼頭處為自然坡，坡度較陡，在1：3.4左右。固定碼頭下段坡度較緩，在1：5.3左右，這主要是碼頭建設(shè)施工開挖形成的，且碼頭后側(cè)已經(jīng)開始明顯淤積。

2014年11月與2013年11月兩次測圖相比，岸坡較為平順，變化不大，兩次測圖近岸岸坡基本重合，碼頭前沿以輕微沖刷為主，岸坡基本沒有變化，岸坡較為穩(wěn)定。

上述總體分析表明：馬鞍山港口人頭磯碼頭近岸岸坡變化不大，近岸岸坡穩(wěn)定；碼頭前沿總體呈略沖狀態(tài)，主河床區(qū)域以淤積為主；碼頭近岸下游側(cè)沖刷可能與近岸回流有關(guān)，應(yīng)加強(qiáng)觀測，避免發(fā)生崩岸，保證碼頭安全運(yùn)行和防洪安全。

4 結(jié)語

通過變形觀測對碼頭重點監(jiān)測點進(jìn)行了位移觀測，利用固定斷面對關(guān)鍵岸坡和水下地形進(jìn)行精細(xì)觀測，采用GIS軟件對水下地形進(jìn)行了整體沖淤分析，做到了點、線、面的結(jié)合，比較系統(tǒng)和科學(xué)地對馬鞍山港區(qū)進(jìn)行了觀測和分析，較好的反映港區(qū)的碼頭、河道和岸坡的變化情況。觀測數(shù)據(jù)建立了GIS數(shù)據(jù)庫，使用方便，具有較強(qiáng)的管理價值和參考應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃聲享，尹暉.變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2003.

[2] 湯國安，楊昕.地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[3] 張成才，秦昆，盧艷，等.GIS空間分析理論與方法[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2004.