港口碼頭前沿基床沖刷檢測方法分析與防護(hù)

史青法，李富會(huì)

（天津市陸海測繪有限公司，天津 300304）

引 言

港口的生產(chǎn)發(fā)展與泊位碼頭的建設(shè)密不可分。碼頭是港口供輪船或渡船停泊、乘客上下、貨物裝卸而修建的建筑物[1]。一些企業(yè)只為了追求效益而忽略了碼頭本身的安全性，不注重防護(hù)，最終釀成碼頭因年久失修而坍塌的安全事故。因此，水下建筑物的安全對(duì)港口企業(yè)的發(fā)展生產(chǎn)至關(guān)重要。

沖刷是水流對(duì)海底地形的一種侵蝕過程，泥沙隨著水流的移動(dòng)而移動(dòng)。沖刷的方式主要分為三類：自然演變沖刷、一般沖刷、局部沖刷[2]。碼頭前沿沖刷主要是由水流受阻而形成的水流漩渦劇烈淘涮碼頭根部泥沙，最終形成局部的沖刷坑。碼頭前沿強(qiáng)勁水流的形成主要有兩方面原因，一是自然的潮流形成；二是貨輪、拖輪離靠泊時(shí)大功率螺旋槳的攪動(dòng)而形成。為了防止碼頭結(jié)構(gòu)因沖刷而穩(wěn)定性受損、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，給港口安全生產(chǎn)帶來隱患，研究港口碼頭沖刷檢測具有重大意義。本文以唐山港京唐港區(qū)碼頭基床檢測工程為例，通過多年多波束檢測數(shù)據(jù)的積累說明碼頭基床檢測、防護(hù)的必要性和迫切性。

1 檢測方法分析

1.1 檢測方法

水工建筑物、構(gòu)筑物的檢測方法多種多樣，常用的主要有潛水員檢測法、ROV檢測法、水下激光掃描法和聲波檢測法等，其中聲波檢測法又包括單波束檢測、多波束檢測、側(cè)掃聲吶檢測等。下面就以上檢測方法的原理、優(yōu)劣性以及適用性進(jìn)行簡單分析探討。

1）潛水員檢測法，又稱人工檢測，需要潛水員攜帶潛水設(shè)備和水下定位信標(biāo)以及照明和攝像設(shè)備潛入待檢測區(qū)域，對(duì)檢測范圍內(nèi)的海底地貌情況、礙航物位置及大小、海底構(gòu)筑物或建筑物的異常區(qū)域等進(jìn)行定位描述和攝像取證，全過程以目測為主，檢測結(jié)果相對(duì)較為切實(shí)準(zhǔn)確。但該方法也存在一定的局限性，檢測效率不高，對(duì)檢測水質(zhì)、水深、海況要求較高，且每次潛水時(shí)間不能太久，且不能得出檢測點(diǎn)的絕對(duì)深度和準(zhǔn)確位置。

2）ROV檢測法，ROV又稱水下機(jī)器人，可搭載多種聲學(xué)檢測設(shè)備以及定位設(shè)備等，可以獲取水下地形地貌的情況、礙航物或可疑物的準(zhǔn)確位置、大小等信息，并完成各種水下施工作業(yè)任務(wù)。ROV檢測技術(shù)日趨成熟，對(duì)海況要求不算太高，局部作業(yè)效率高，可搭載多種作業(yè)設(shè)備。而它的局限性則是不能準(zhǔn)確獲取絕對(duì)深度，大面積作業(yè)效率低，對(duì)水的能見度要求較高。

3）水下激光掃描法，是利用水的后向散射光強(qiáng)相對(duì)中心軸迅速減小的原理從而獲取水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行水下成像，它可搭載在 ROV上，進(jìn)行水下航行掃描，目前該方法已經(jīng)被應(yīng)用于多種工程中，然而該方法對(duì)水質(zhì)要求較高，渾濁的水體激光傳播的距離會(huì)受到較大的影響，檢測效率較低，僅適合小范圍局部檢測。

4）聲波檢測法是利用聲波在體水中的傳播對(duì)待檢測物體進(jìn)行檢測一種方法，該方法受水體環(huán)境影響較小，作業(yè)效率和檢測精度較高。單波束和多波束檢測均可以獲取絕對(duì)深度和準(zhǔn)確的位置。側(cè)掃聲納系統(tǒng)適合大面積的掃測，它的掃測精度相對(duì)較低，不適合用于碼頭測量檢測。

針對(duì)不同的檢測對(duì)象可選擇不同的檢測方法，采用先進(jìn)的、科學(xué)的檢測手段能夠及時(shí)有效的掌握水下結(jié)構(gòu)物的病害，從而提高檢測效率和質(zhì)量，確保構(gòu)筑物的安全。對(duì)于港口碼頭前沿基床的檢測，采用潛水員、ROV攝像檢測法和水下激光檢測法很顯然效率和絕對(duì)精度都無法得到有效的保障，但對(duì)于聲波檢測法無疑是高效的，且檢測質(zhì)量也有足夠的保證。目前，業(yè)內(nèi)使用的聲波檢測設(shè)備主要包括多波束測量設(shè)備和三維掃描聲吶設(shè)備等。在京唐港區(qū)碼頭前沿基床檢測中使用多波束測量設(shè)備對(duì)其進(jìn)行檢測，其他方法不再贅述。

1.2 多波束檢測誤差來源

多波束測深系統(tǒng)主要包括測深換能器、GNSS定位儀、姿態(tài)傳感器、聲速儀、潮汐測量設(shè)備和其他設(shè)備[3]。由此可見，多波束測深系統(tǒng)是由多種傳感器集成的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，每一個(gè)設(shè)備對(duì)檢測精度都承擔(dān)著非常重要的作用，所以檢測數(shù)據(jù)誤差來源具有多源性的特點(diǎn)。

1）噪音的影響誤差

任何機(jī)械設(shè)備只要開機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)都會(huì)存在一定的噪音，只是控制在一定范圍內(nèi)而不影響結(jié)果，超出控制范圍的噪音會(huì)直接干擾數(shù)據(jù)結(jié)果，多波束測深設(shè)備自身噪音（電子噪音、機(jī)械噪音、流噪音）、海洋環(huán)境噪音（潮汐、水流、海浪、其他船只、海洋生物）以及測量船船舶噪音（船舶發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳）均會(huì)對(duì)檢測結(jié)果造成一定的粗差，亦可稱之為假信號(hào)，如圖4。此外，這些假信號(hào)中也包含了由于軟件參數(shù)設(shè)置不合適而引起的異常數(shù)據(jù)，這些假信號(hào)將會(huì)在后期經(jīng)過人工干預(yù)或軟件自動(dòng)計(jì)算進(jìn)行剔除。減小噪音的最實(shí)用方法就是選擇遠(yuǎn)離船舶發(fā)動(dòng)機(jī)并避開船底流氣泡的位置安裝換能器，系統(tǒng)自身噪音一般無法避免。

圖1 噪音對(duì)測深信號(hào)的影響示例

2）設(shè)備安裝校正誤差

多波束測深系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝時(shí)有著嚴(yán)格的要求。多波束的安裝方式可分為船舷安裝、船底安裝和豎井安裝。無論是哪種安裝方式各傳感器安裝時(shí)都無法達(dá)到理論設(shè)計(jì)的要求，均會(huì)存在一定的安裝偏差，如圖2所示。而這些偏差直接影響著測量結(jié)果的精度，因此需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正以消除或減小這些偏差，主要包括 GPS 時(shí)延（Latency）、橫搖（Roll）、縱搖（Pitch）和艏向（Yaw）的誤差校正。

圖2 換能器安裝誤差示意

誤差校正方法：

①時(shí)延（Latency）校正，選取一海底特征物或特征地形布設(shè)一條測線，以正常測量速度往返通過特征物O，通過兩次測得的特征物位置A和A′以及船速v進(jìn)行時(shí)延誤差t的測定，計(jì)算公式為t=L/2v。如圖 3所示。

圖3 時(shí)延測定示意

②橫搖（Roll）誤差的校正，選取約20 m的平坦海底布設(shè)一條測線，測量船按照相同速度在測線上往返行駛，測量海底面的夾角θ等于2倍的換能器橫向安裝偏差，根據(jù)測線同一橫斷面上相同位置的水深差值進(jìn)行比較，計(jì)算出橫搖安裝偏差，計(jì)算公式為θ= arctan(△h/l)。如圖4所示。

圖4 橫搖誤差測定示意

③縱搖（Pitch）誤差校正，選取一斜坡或特征物垂直等深線布設(shè)一條測線，正常測量速度往返行駛（1和2方向）獲取測量數(shù)據(jù)，H表示深度，O點(diǎn)位斜坡的真實(shí)位置，P和P′為兩次測量獲取的斜坡位置，△S為 P至 P′之間的距離，縱搖偏差α的計(jì)算公式為α= arctan(△S/2H)。如圖5所示。

圖5 縱搖偏差測定示意

④艏搖（Yaw）誤差校正，選擇一處海底特征物為中心在兩側(cè)各布設(shè)一條測線，同速同向（反向）進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，A、C位置均為測量獲取的特征物位移位置，B點(diǎn)為特征物真實(shí)的位置。l為兩位移位置之間測距離，d為測線寬度，艏搖偏差的計(jì)算公式為β=arctan(l/d)。

圖6 艏搖誤差測定示意

經(jīng)過以上方法對(duì)換能器安裝偏差校正完成后，部分?jǐn)?shù)據(jù)由于受到外因的影響而不能很好的擬合在一起，由于系統(tǒng)校正引起的條帶拼接誤差，將直接影響檢測精度，如圖7所示。

圖7 校準(zhǔn)不完善引起的條帶拼接誤差

3）GNSS定位誤差

GNSS定位誤差主要來自三個(gè)方面：①衛(wèi)星部分誤差；②傳播途徑誤差；③信號(hào)接收機(jī)誤差。衛(wèi)星部分誤差主要包含星歷誤差、鐘誤差、相位不確定誤差等；傳播途徑誤差包括電離層、對(duì)流層的干擾誤差和多路徑誤差，如：在散貨碼頭上均有成排的塔吊機(jī)車，在其下方測量時(shí)GNSS信號(hào)部分將被遮擋，理解為環(huán)境導(dǎo)致的定位誤差（無塔吊機(jī)車的除外）；信號(hào)接收機(jī)方面的誤差包含接收機(jī)噪音誤差以及其他誤差，如：定位天線的豎向投影并不在船體坐標(biāo)系O點(diǎn)位置，需要對(duì)GNSS的安裝位置進(jìn)行歸算至O點(diǎn)位置，在歸算過程量取偏差值時(shí)存在量取誤差。

4）姿態(tài)改正誤差

姿態(tài)改正誤差主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：①由于姿態(tài)本身安裝不牢固，導(dǎo)致和測量平臺(tái)的姿態(tài)變化不同步，從而測量平臺(tái)得不到有效的補(bǔ)償。②由于換能器的安裝不牢固，或由風(fēng)浪、海流的沖擊影響，導(dǎo)致與測量平臺(tái)之間產(chǎn)生顫動(dòng)，換能器同樣得不到有效的姿態(tài)補(bǔ)償，且數(shù)據(jù)呈“抖動(dòng)”現(xiàn)象。③由于1PPS的原因，導(dǎo)致?lián)Q能器數(shù)據(jù)與姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸存在不規(guī)律的時(shí)延，從而無法使測量數(shù)據(jù)得到有效的姿態(tài)補(bǔ)償，造成“蝴蝶”效應(yīng)[3]。

5）聲速改正誤差。

聲波是目前所知的最佳水下傳播形式，聲速測量的目的是為了對(duì)測深數(shù)據(jù)進(jìn)行聲速改正，確定聲波在水中的傳播方向和路徑。聲速誤差直接影響多波束的測深精度影和波束點(diǎn)的平面位置，尤其對(duì)多波束邊緣波束影響更為嚴(yán)重，經(jīng)常導(dǎo)致測深條帶兩邊向上彎曲或向下彎曲的現(xiàn)象。要減弱聲速改正誤差，就要了解測量區(qū)域的聲場變化規(guī)律，測量出適當(dāng)時(shí)刻、適當(dāng)密度、高精度的聲速剖面進(jìn)行聲速改正。

2 工程實(shí)例分析

2.1 測區(qū)概況

唐山港京唐港區(qū)是國家《水運(yùn)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》重要港口，集綠色港口、智慧港口、多式聯(lián)運(yùn)港口三個(gè)交通運(yùn)輸部示范工程于一身。規(guī)劃面積90 km2，其中陸域65 km2，海域25 km2。規(guī)劃建設(shè)六個(gè)港池、五大功能區(qū)（集裝箱作業(yè)區(qū)、液體散貨作業(yè)區(qū)、干散貨作業(yè)區(qū)、雜貨作業(yè)區(qū)、綜合物流區(qū)）；目前，京唐港區(qū)已建成第一、二港池全部和第三、四、五港池部分泊位[4]。本文重點(diǎn)從三港池的26#～27#泊位和工作船泊位進(jìn)行分析。港區(qū)局部如圖8。

圖8 京唐港局部港池

2.2 GNSS定位誤差解決方案

中國沿海 RBN-DGPS差分臺(tái)發(fā)出的定位信號(hào)在開闊水域進(jìn)行測繪工作的定位精度完全滿足規(guī)范要求。在碼頭基床檢測作業(yè)時(shí)，采用了RBN-DGPS差分定位技術(shù)，隨后發(fā)現(xiàn)在碼頭前沿測量時(shí)由于受到碼頭岸上集裝箱塔吊機(jī)車和散貨抓斗塔吊機(jī)車的遮擋影響，出現(xiàn)較大的定位偏差，這將對(duì)檢測精度造成很大的影響，直接違背了高精度檢測的初衷。為了減小因定位偏差引起的誤差，檢測作業(yè)時(shí)采用了高精度的GNSS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)定位偏差進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)償，有效的解決了由塔吊機(jī)車遮擋引起的定位偏差問題，提高了定位精度。圖9為檢測效果比較，圖9（a）采用普通的DGPS定位技術(shù)，受到GNSS信號(hào)遮擋后航跡跳變嚴(yán)重，定位偏差較大重復(fù)測量的碼頭壁時(shí)有交叉現(xiàn)象；圖9（b）采用GNSS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，定位信號(hào)得到有效的補(bǔ)償，重復(fù)檢測時(shí)碼頭壁疊加效果較好。

圖9 由塔吊機(jī)車遮擋引起的定位誤差比較

2.3 基床沖刷比較分析

本文檢測分析的沖刷碼頭均位于三港池內(nèi)，26#～27#泊位位于南岸，設(shè)計(jì)深度15.5 m，為集裝箱碼頭，供集裝箱船舶?？?；工作船泊位位于西岸，設(shè)計(jì)深度為13.0 m，主要供大功率引水拖輪?？?。該碼頭均為地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在粘性土、沙土等軟土層地下工程中應(yīng)用較多，且可承受很大的土壓力，很少發(fā)生坍塌事故，但也不是永固不朽。

三港池地處京唐港區(qū)內(nèi)部，受海底流影響較小，不容易形成碼頭基床深坑。根據(jù)多年檢測數(shù)據(jù)分析，碼頭前沿形成深坑的原因主要是由局部強(qiáng)勁水流沖刷而成，這種強(qiáng)勁水流主要來源于船舶?？炕螂x泊時(shí)側(cè)推螺旋槳?jiǎng)恿?，水流受阻后形成?cè)豎向或豎向回旋流，碼頭基床常年受該水流的沖刷而形成深坑，泥沙隨著水流上升并沉積于沖刷坑附近的海底面，隨著沖刷坑越深則碼頭的安全系數(shù)逐漸降低。

自2013年至2017年間對(duì)上述兩處碼頭前沿基床進(jìn)行逐年檢測，發(fā)現(xiàn)前沿基床已沖刷嚴(yán)重，且有逐年加深加寬的跡象。三港池工作船泊位自2013年建成至2015年期間沖刷最為嚴(yán)重，沖刷深度約達(dá)3.5 m，距碼頭壁10～40 m之間回淤最為嚴(yán)重，最大回淤高度約0.9 m，明顯已不滿足設(shè)計(jì)深度要求，2015年至2017年檢測發(fā)現(xiàn)沖刷基本趨于穩(wěn)定（見圖10），未見擴(kuò)大跡象。26#～27#泊位于2014年建成，2015年檢測發(fā)現(xiàn)碼頭前沿基床深度已達(dá)17.7 m，沖刷坑深約2 m，造成基床大面積回淤接近0.5 m，主要回淤在坑上邊緣約10 m之內(nèi)；2016年和2017年沖刷寬度有較大增加且有逐年增大趨勢，深度與2015年持平，前沿水深最前為15.2 m，也已不能滿足設(shè)計(jì)深度要求（見圖11）。

圖10 工作船碼頭基床局部沖刷斷面

圖11 26#～27#碼頭基床局部沖刷斷面

通過以上數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)基床沖刷后的深度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了泊位設(shè)計(jì)的0.5 m的超深深度。建議對(duì)這種存在沖刷現(xiàn)象的碼頭基床做必要的防護(hù)，防止情況嚴(yán)重惡化出現(xiàn)事故而影響港口建設(shè)和生產(chǎn)。

3 沖刷防護(hù)

沖刷防護(hù)一般分為主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)。主動(dòng)防護(hù)是由人為行為改變水流方向及其狀態(tài)，達(dá)到減弱水流沖刷的目的。被動(dòng)防護(hù)是在其沖刷區(qū)域布設(shè)碎石塊及混凝土連鎖排等提高基床的抗侵蝕能力。這種被動(dòng)防護(hù)法在很多的防護(hù)工程中已廣泛應(yīng)用，如海底管道防護(hù)、橋墩防護(hù)等。其特點(diǎn)是取材方便、成本低廉、工藝簡單、操作靈活[5]。

基于碼頭基床現(xiàn)狀提出以下兩點(diǎn)防護(hù)建議，建議一：在碼頭基床沖刷坑內(nèi)拋擲碎石，粗糙的石塊可以一定程度上減緩水流的流速，降低水流帶走泥沙的能力，可以有效的遏制水流對(duì)碼頭基床的沖刷。建議二：在碼頭基床沖刷坑內(nèi)拋下粗砂袋，然后在其表層布設(shè)水泥連鎖排，連鎖排也可以有效的減緩水流沖刷力，對(duì)易被沖刷的基床起到一定的保護(hù)作用。另，注意防護(hù)層的高度不可淺于泊位的設(shè)計(jì)深度值，以防發(fā)生船舶擱淺或觸底事故。

4 結(jié) 語

通過多年數(shù)據(jù)積累分析，證實(shí)了對(duì)碼頭前沿基床進(jìn)行年度沖刷檢測和防護(hù)的必要性，是對(duì)港口建設(shè)和安全生產(chǎn)的一種有力保障。建議對(duì)以上沖刷坑盡早進(jìn)行防護(hù)處理，基于碼頭現(xiàn)狀文章給出了防護(hù)建議，不滿足于設(shè)計(jì)深度的區(qū)域及時(shí)采取疏浚措施，保證碼頭生產(chǎn)安全和通航安全。文章討論的內(nèi)容以及檢測方法對(duì)港口碼頭建設(shè)以及港口安全生產(chǎn)具有重要意義。該檢測方法亦可用于海上風(fēng)電樁基、石油平臺(tái)樁基、跨海橋梁橋墩、水庫淤積檢測等水下檢測項(xiàng)目。