通州灣港區(qū)二港池匡圍一期工程施工期動態(tài)監(jiān)測

胡小雷，方華山，馮建軍，王長永

（中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200120）

通州灣港區(qū)二港池匡圍一期工程施工期動態(tài)監(jiān)測

胡小雷，方華山，馮建軍，王長永

（中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200120）

為保障通州灣二港池匡圍一期工程順利實施，在匡圍工程分期分段及后期合龍等施工階段采用RTK三維水深測量、ADCP高精度模式測流等手段對工程區(qū)域地形和流場進(jìn)行定期監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明：受匡圍工程影響，工程水域流場變化較大，龍口附近水域存在繞堤流、沿堤流等流態(tài)，呈漲潮流大于落潮流等特征，龍口區(qū)域水下地形沖刷較大。動態(tài)監(jiān)測結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范精度要求，可為數(shù)模、施工方案的制定提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

通州灣港區(qū)；匡圍工程；動態(tài)監(jiān)測；地形監(jiān)測

1 工程概況

通州灣二港池匡圍工程位于江蘇省南通市通州區(qū)沿海岸線，腰沙圍墾一期通道東南側(cè)、二期通道南側(cè)，小廟洪水道尾段北側(cè)腰沙之上。利用腰沙圍墾一期通道及二期通道、匡圍一期工程新建圍堤作為陸域邊界，通過吹填造地形成約11.3 km2的建設(shè)用地，新建圍堤約10 km，吹填隔堤約5.9 km，吹填港池及航道疏浚土約6 431萬m3。

工程區(qū)域的表層沉積物以粉細(xì)沙為主，抗沖性差，而工程水域?qū)俣喙沙绷鹘粎R區(qū)域，工程的實施勢必會引起水、沙運(yùn)動和沖淤趨勢的變化[1-2]。此外，本工程圍區(qū)面積大，龍口保護(hù)和合龍問題較為突出[3]。為此，亟須采取施工期的流場分布和水下地形進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測、動態(tài)研究及動態(tài)管理措施，及時掌握流場及地形變化情況，調(diào)整施工順序、采取設(shè)計施工措施，從而保障工程的順利實施。

2 動態(tài)監(jiān)測內(nèi)容及方案

2.1 動態(tài)監(jiān)測內(nèi)容

本次監(jiān)測內(nèi)容主要包括：常規(guī)定點(diǎn)同步水文測驗；龍口流速測驗；水下地形變化監(jiān)測等，具體要求分述如下：

1）定點(diǎn)水文測驗

定點(diǎn)水文測驗包括6個固定垂線的流速觀測和1個潮位站觀測。根據(jù)施工方案，擬分為3個階段進(jìn)行測量，分別為：淤護(hù)底完成前（2015年4月）；于AB段封堵前（2015年6月）；盂BC段推進(jìn)50%前（2015年8月），具體結(jié)合施工安排及進(jìn)展確定。測驗內(nèi)容包括潮位、流速流向。各測線位置見圖1。

圖1 動態(tài)監(jiān)測布置示意圖Fig.1 Layout of the dynamic monitoring

2）龍口流速測驗

龍口流速測驗與定點(diǎn)水文測驗不同步，測驗時間根據(jù)施工進(jìn)度安排，當(dāng)龍口合龍至約300 m時，進(jìn)行龍口水文測驗，各測線位置見圖1。

3）水下地形變化監(jiān)測

采用水下地形和固定斷面測量法相結(jié)合的方式，測量范圍及測圖比例見表1和圖1。根據(jù)施工計劃制定測量時間及頻率，每月1次。

表1 地形監(jiān)測統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of geography monitoring

2.2 動態(tài)監(jiān)測方案

2.2.1 控制測量

平面控制采用1954年北京坐標(biāo)系，克拉索夫斯基橢球，高斯-克呂格正形投影，中央子午線121毅30憶00義。每次測量前在高級控制點(diǎn)上比對以檢驗GPS定位精度，監(jiān)測期間定期復(fù)核控制網(wǎng)以防點(diǎn)位變動。

2.2.2 水深測量

水深測量利用GPS-RTK無驗潮模式進(jìn)行三維水深測量。其基本原理是利用RTK測得的GPS天線精確的三維坐標(biāo)（X，Y，H），其中X、Y確定定位點(diǎn)的平面位置，RTK高程（H）結(jié)合由測深儀同步測得的水深換算出同一平面位置上的水下泥面的高程或水深值，從而獲得水下地形數(shù)據(jù)[4]。

測量定位采用美國Trimble SPS 855 GPS接收機(jī)，其實時動態(tài)定位精度水平達(dá)8 mm+10-6D，垂直達(dá) 15 mm+10-6D。測深儀采用無錫海鷹的HY1600型淺水測深儀，測深精度依0.1%D依0.01 m，D為所測深度。

2.2.3 潮位測量

潮位觀測采用現(xiàn)場拋設(shè)自記式驗潮儀，潮位觀測間隔為5 min。在觀測前后和觀測期間對自記潮位按規(guī)定進(jìn)行校核。資料成果統(tǒng)計高低潮潮位值和發(fā)生的時刻。采用YDJ-1水文數(shù)據(jù)遙測儀，水位誤差在依2 cm之間，測量范圍介于0耀20 m。

2.2.4 流速測量

水文測驗采用聲學(xué)多普勒流速剖面儀（簡稱ADCP）施測，對于水深淺、流速大的龍口水域采用1 200 kHz聲學(xué)多普勒流速剖面儀高精度模式進(jìn)行流速測量。導(dǎo)航定位采用AshtechBR2G/DGPS-1信標(biāo)差分，ADCP數(shù)據(jù)采集軟件用WinRiver 1.06版本。

本次測驗SW3~SW8點(diǎn)水深較淺，測船無法到達(dá)，需設(shè)計專門的測驗載體。根據(jù)以往類似項目經(jīng)驗，可采用不銹鋼支架內(nèi)填泡沫浮體，用抱箍、螺絲固定，ADCP安裝在泡沫浮體的中部，儀器的入水深度為0.5 m左右。安裝換能器保證垂直，安裝完畢后進(jìn)行試驗，使得縱搖、橫搖值接近0；儀器的電纜線必須注意保護(hù)，避免過度受外力造成破壞。采用DGPS系統(tǒng)定位，人工用長桿和繩索牽引就位。

測驗前，各ADCP垂線進(jìn)行試測驗，檢測底跟蹤情況，并進(jìn)行羅經(jīng)校正和檢測。通過對垂線基本情況的了解，科學(xué)、合理地設(shè)定ADCP參數(shù)，參數(shù)設(shè)置如下：ADCP測深單元深度：WS50/WS10；脈沖間隔：TP000000；每組信號脈沖數(shù)：WP4；底部跟蹤信號數(shù)：BP4。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 潮位成果分析

工程水域主要受東海前進(jìn)波控制，外海潮波進(jìn)入淺水區(qū)后，在近岸地形影響下形成駐波。從實測潮位過程線來看[5]，匡圍水域的潮汐類型屬正規(guī)半日潮型，測驗期間的最高潮位為5.17 m，最低潮位為0.73 m，潮差達(dá)4.44 m。該區(qū)域的平均漲潮歷時5 h 38 min，平均落潮歷時達(dá)6 h 40 min，表明匡圍水域的落潮動力強(qiáng)于漲潮動力，測驗期間潮位過程線如圖2所示。

圖2 測驗期間潮位過程線圖Fig.2 Tidal process lines during the monitoring

3.2 流速結(jié)果分析

匡圍工程施工期間，淺灘水域的流場受淺灘地形引起的回流效應(yīng)影響，呈旋轉(zhuǎn)流特征，流向隨時間逆時針緩慢旋轉(zhuǎn)。龍口區(qū)域水流流態(tài)紊亂，存在繞堤流、沿堤流等現(xiàn)象，且流速變化均較大，對工程的施工在技術(shù)、安全等方面帶來相當(dāng)大的困難。

從實測資料來看，工程水域主要呈漲潮動力弱于落潮動力的特征，如SW1垂線實測最大漲潮流速1.45 m/s，實測落潮最大流速1.50 m/s；然而，靠近匡圍隔堤的淺灘水域和龍口水域卻呈漲潮動力強(qiáng)于落潮動力的特征，如SW6垂線實測最大漲潮流速3.18 m/s，實測落潮最大流速1.62 m/s，最大漲潮流速是落潮流速的2倍。見圖3。究其原因，1）受隔堤的圍阻影響，漲潮時隔堤外側(cè)水位遠(yuǎn)高于隔堤內(nèi)的水位，而落潮時隔堤內(nèi)的水位下降速度較慢；2）隔堤附近存在沿堤流，在漲潮時對漲潮流有助推作用，落潮時又起頂推作用[6]。從各垂線的垂向分布來看，實測最大流速極值多出現(xiàn)在垂線的上層。

圖3 測驗期間各垂線實測最大流速Fig.3 The measured maximum velocity of each point in the vertical direction during the monitoring

3.3 地形監(jiān)測成果分析

根據(jù)2016年8月和2016年4月工程區(qū)域的地形監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制工程區(qū)域地形沖淤圖，分析匡圍區(qū)域的沖淤變化，尤其是龍口附近區(qū)域、隔堤兩側(cè)灘面以及隔堤頭部等區(qū)域的沖淤變化，以便采取相應(yīng)的施工措施，確保工程安全。

從圖4來看，整體匡圍區(qū)及周邊500 m內(nèi)范圍的主要沖淤情況：東側(cè)隔堤龍口區(qū)域以沖刷為主，沖刷幅度達(dá)2耀3 m，南側(cè)隔堤龍口附近水域呈沖刷特征，沖刷幅度為3耀6 m；北側(cè)堤北側(cè)為沖；西側(cè)堤和東側(cè)堤堤頭附近水域主要呈淤積特征，淤積厚度在3耀6 m之間。東側(cè)堤外側(cè)水域沖刷劇烈，沖刷幅度最大可達(dá)6 m以上。

圖4 匡圍工程區(qū)域水下地形沖淤圖Fig.2 Erosion and deposition of underwater topography in the inning project region

4 結(jié)語

本工程區(qū)域地形和流場定期的監(jiān)測，采用了合適的監(jiān)測儀器，獲得了工程區(qū)域的潮位資料、流場分布情況、龍口區(qū)域潮流資料及水下地形資料，為數(shù)學(xué)模型驗證和工程施工提供了及時準(zhǔn)確的實測資料?？偨Y(jié)這次施工期動態(tài)監(jiān)測實踐可以得出以下基本結(jié)論：

1）匡圍工程對工程水域的流速分布影響較大，尤以龍口區(qū)域為最。工程合龍前，龍口附近水域呈漲潮流大于落潮流的特征，且存在繞堤流、沿堤流等紊亂流態(tài)，流速最大可達(dá)3.1 m/s。

2）匡圍工程施工期間，工程區(qū)域水下地形沖淤變化大。其中，大堤頭部區(qū)域淤積厚度可達(dá)3耀6m，龍口附近區(qū)域沖刷較大，沖刷厚度可達(dá)2耀3 m，絞吸船等工程船舶的取砂、吹砂施工對地形變化的影響也較明顯。

3）本次動態(tài)監(jiān)測的技術(shù)路線、關(guān)鍵技術(shù)的難點(diǎn)及應(yīng)對措施、技術(shù)創(chuàng)新的應(yīng)用及效果評價，滿足相關(guān)規(guī)范精度指標(biāo)的要求，能滿足施工順序選擇、施工組織設(shè)計優(yōu)化等方面的要求，對今后同類及類似的施工監(jiān)測研究項目具有借鑒意義。

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Dynamic monitoring during construction of the phase I inning project of Tongzhou Bay basin 2

HU Xiao-lei,FANG Hua-shan,FENG Jian-jun,WANG Chang-yong
（Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,Shanghai 200120,China）

To ensure the successful construction of the phase I inning project of Tongzhou Bay basin 2,during the constructing stage of the phase separation and the final closure of the inning project,we took regular monitoring of topography and flow field near the engineering region by RTK 3-D depth measurement and ADCP high precision measurement.The monitoring results show that,under the influence of the inning project,the flow distribution near the construction water area changes greatly,the water flows around or along the dam near the closure gap,and the flood current is stronger than the ebb current.Serious erosion occurs near the closure gap.The dynamic monitoring results can well satisfy the precision requirements of the relevant standards,and can provide accurate basic datum for the establishment of numerical simulation and construction scheme.

Tongzhou Bay Port;inning project;dynamic monitoring;geography monitoring

U612

A

2095-7874（2017）04-0035-04

10.7640/zggwjs201704009

2017-02-27

胡小雷（1990— ），男，江蘇人，碩士，工程師，港口、海岸及近海工程專業(yè)。E-mail：huxiaolei@shiw.com.cn