港口航道疏浚中浮泥層厚度測量分析

周成海、羅凱

（江西省路港工程有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

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。隨著時間的推移，浮泥層厚度會不斷增大，對航道正常運行造成不利影響。

國內(nèi)最早采用雙頻測深儀展開浮泥層位及厚度測定，該儀器同時發(fā)射組合式的高低頻脈沖信號，借助信號在浮泥層表、底層反射的時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定，重復測量精度較高，還能有效規(guī)避聲波凹面反射效應的出現(xiàn)；20kHz～50kHz 的低頻頻率信號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，使雙頻測深儀測得的層位界面并不確定，無法展開相鄰反射界面密度值的定性說明；低頻信號所對應的底質(zhì)反射界面會隨航道底部地質(zhì)條件、聲波傳播介質(zhì)等的變化而變化，浮泥層測量精度較難保證，故現(xiàn)場測試結果并不理想。

基于此，本文對SDE-28 型全數(shù)字測深儀在港航疏浚工程中浮泥層厚度測量中的應用展開分析，通過其施測結果與常規(guī)測深技術的比較，驗證本文所采用施測方案的合理性和適用性。

1 工程概況

某港口航道全長為3.81km，河床底設計標高為-0.50m。河道于2014 年采用非斷流常規(guī)挖泥機清淤疏浚后，至2020 年底，河道污染底泥淤積厚度已經(jīng)達到0.61cm。為保持航道安全穩(wěn)定運行，決定對其中長1000m、寬450m 的河段展開疏浚。疏浚前通過常規(guī)測量儀器配合測深桿共展開3 次測量，第3 次疏浚測量的水深較第2 次淺1.5m。測量期間疏浚船始終正常疏浚，故第3 次測深應比第2 次測深大，也就是說常規(guī)測量儀器測深結果并不可靠。在排除儀器故障、水位變化等可能原因后推測，除測量技術落后外，疏浚區(qū)施工水域可能存在浮泥層，導致水深測量值無法為航道疏浚作業(yè)提供準確可靠依據(jù)。為此，必須展開疏浚區(qū)施工水域浮泥層厚度的準確量測。

2 港口航道疏浚中浮泥層厚度測量方案設計

2.1 浮泥層厚度測量方案

由于該港口航道所在河段污染底泥清除擬采用泥水現(xiàn)場分離工藝，浮泥層對工程量影響較大，如果采用常規(guī)測量儀器配合測深桿或塔尺展開河道測量，則較難準確測出絮凝體浮泥層厚度[1]。為此，決定采用GPS 網(wǎng)絡RTK 技術展開平面定位，通過SDE-28 型雙頻數(shù)字化測深儀和塔尺測量水深，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RTK技術

該技術集計算機網(wǎng)絡管理技術、通信技術、GPS 定位技術于一體，又稱為多基準站技術，較好彌補了常規(guī)RTK 技術的不足，增強了RTK 的作用，也使初始化時間大幅度縮短，點位精度及測量結果的可靠性提升。

該港口航道工程浮泥層厚度測量時擬采用的VRS 系統(tǒng)，具備數(shù)據(jù)實時下載和處理功能，數(shù)據(jù)發(fā)布和系統(tǒng)運行均具備較高的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)經(jīng)工程所在省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站檢驗后得出，系統(tǒng)動態(tài)高程內(nèi)、外符合精度分別在±30mm 及±40mm；動態(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量要求。

2.1.2 數(shù)字化測深技術

該航道疏浚工程采用SDE-28 型全數(shù)字測深儀，微機操作系統(tǒng)與工控電腦平臺相結合，儀器內(nèi)部集成水深測量、測深控制、軟件圖形導航等軟件[2]，能對航道底部水深數(shù)據(jù)及水底曲線進行實時記錄和回放；同時可與GPS 接收機對接，將定位數(shù)據(jù)和水深測量結果有機融合。儀器分辨率達到0.01mm，測深范圍在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。該型號測深儀全自動操作、測值精度高，各項性能均符合《水利水電工程施工測量規(guī)范》（SL 52—2015）。SDE-28 型全數(shù)字測深儀技術參數(shù)見表1。

表1 SDE-28 型全數(shù)字測深儀技術參數(shù)

2.2 浮泥層厚度測量

常規(guī)測定方法下主要展開取樣分析，也就是在測量現(xiàn)場應用采水器采集水樣，應用光電測沙法或烘干稱重法進行水體內(nèi)含沙量測定。

該項目主要采用SDE-28 型全數(shù)字測深儀測量浮泥層厚度，通過高低頻的設置，分別測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果的準確性，分別在該航道上游、中游和下游等河段展開測量。測量過程展開后發(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)字測深儀自動生成的低頻波形圖較為模糊，特別是上游測段，低頻波形圖無法清晰反映浮泥層實際厚度。

2.3 方案優(yōu)化

為保證測量效果，項目部決定仍通過SDE-28 型全數(shù)字測深儀高頻信號測量浮泥層上界面，但浮泥層下界面改由塔尺測量，通過數(shù)據(jù)套合確定浮泥層厚度。為確保優(yōu)化后測量方案的可操作性及測量精度，技術人員自制出一套浮泥層厚度比測試驗工具，上端為1 根測深桿，下端為固定裝置，同時安裝帶兩排透水圓孔且尺寸為60cm×20cm×0.5cm（長×寬×厚）的膠漆板。該裝置具備一定自重，能較好解決河水對材質(zhì)的阻力問題，還能充分考慮到河底坡度的影響，比測驗證效果良好。

比測期間共采集80 組測深數(shù)據(jù)，采集點分別位于航道上游、中游和下游。通過對測深數(shù)據(jù)的分析看出，對于相同施測部位，SDE-28 型全數(shù)字測深儀高頻信號所測水深值較小，塔尺測量水深值較大，自制比測試驗裝置所測水深值居中，符合要求。測深結果還表明，SDE-28 型全數(shù)字測深儀高頻信號測值與塔尺測值之間相差0～30cm；浮泥層厚度和河道水深呈反向變動趨勢。根據(jù)以上分析看出，應用SDE-28 型全數(shù)字測深儀高頻信號測量浮泥層上界面，同時使用塔尺測量浮泥層下界面，再展開數(shù)據(jù)套合計算后確定浮泥層厚度的優(yōu)化方案切實可行，結果可靠。

3 港口航道疏浚中浮泥層厚度施測控制要點

3.1 浮泥層界面測定及數(shù)據(jù)套合計算

上界面測量前通過1 根2.0m 長的固定桿將SDE-28型全數(shù)字測深儀換能器和GPS 接收天線連接，并使兩者位于同一垂線；換能器安裝在測船中部。安裝好后在SDE-28 型全數(shù)字測深儀和內(nèi)部集成軟件的配合下施測，系統(tǒng)自動采集、記錄并保存坐標及水深數(shù)據(jù)。

下界面測量采用VRS 技術與測繩相結合的方式，以確保浮泥層上下界面施測位置一致。測量期間，使用Trimble R8 型GPS，測繩則選用長度50m 的專用繩具；寬面鋁合金材質(zhì)的雙面塔尺長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而影響測量效果。

通過SDE-28 型全數(shù)字測深儀內(nèi)置測量軟件處理后得到航道底部浮泥層上界面三維坐標；通過GPS 或測繩定位后得出浮泥層下界面平面坐標；相應測點水位值與SDE-28 型全數(shù)字測深儀所測水深值之差即為水底高程。將浮泥層上、下界面三維坐標疊加，兩者對應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，若采用塔尺測深，浮泥層和淤泥層受擾動后水體會變渾濁，影響測深儀測量效果。為此，應先通過SDE-28 型全數(shù)字測深儀測量橫斷面水深，再通過塔尺測量同一斷面水深，以縮短相鄰測次間時間間隔，最大程度地降低潮漲潮落對斷面沖刷及淤積的影響，確保測量斷面的一致性及測量結果精度。

3.2 盲區(qū)浮泥層數(shù)據(jù)處理

該港口航道淤積嚴重，特別是上游及航道兩側水深較淺的區(qū)域，淤泥已經(jīng)裸露出水面；再加上部分河段水草較多，對SDE-28 型全數(shù)字測深儀施測影響較大。為此，對于以上區(qū)域應采用類比推算，進行上游及航道兩側等淺水區(qū)浮泥層上界面高程的推求。具體而言，以各斷面臨岸側最后2 個可測厚度值均值為起算值，加上待推求位置塔尺測深高程后，即可得到相應位置浮泥層上界面高程。

3.3 施測參數(shù)確定

3.3.1 吃水深度。SDE-28 型全數(shù)字測深儀換能器放入水中的深度即為吃水深度，該型號測深儀換能器吃水深度應控制在0.5m，避免探頭運動于水中后引發(fā)氣泡，造成假水深數(shù)據(jù)。當測船運行速度較快時，還應相應增大吃水。該港口航道水深淺，故選擇船長3.0m、掛機馬力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。按照進度安排，該航道疏浚工程施工時間為3 月底4 月初，航道水溫較低，結合參考數(shù)據(jù)將測深儀聲速值擬定為1450m/s，同時配置附帶毫米刻度的寬鋁合金塔尺展開比測。測值精度位于±2cm 之間，符合要求。

3.3.3 測量周期。將測深儀在單位時間內(nèi)的測量次數(shù)稱為測量周期，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)字測深儀最大測量周期可達20 次/s，并能隨量程擋位而同步調(diào)整，以滿足相應測次水深測量要求。為提升測值精度，此次施測采用等距離采樣，按照0.5m/s確定距離設定值和測船施測速度值[4]。

4 應用效果分析

通過設置檢查線的方式展開該港口航道浮泥層測量精度檢查。具體而言，與航道橫斷面垂直布置兩條檢查線，經(jīng)過對交叉點處測深儀數(shù)據(jù)的比較，驗證測量結果精度。在該航道試驗河段布置38 個橫斷面，航道寬度均值為20m，按照1.0m 間隔設置斷面點，共計725 個點次，對其中75 個點展開檢測，抽檢比遠大于10%。精度檢測結果較差絕對值見表2（僅列示部分斷面）。

表2 部分斷面浮泥層測量精度統(tǒng)計

根據(jù)表2 對斷面浮泥層測量結果較差絕對值的統(tǒng)計與分析看出，兩條檢查線和河道斷面線交叉點處較差的絕對值位于20cm 以下，精度符合《水利水電工程施工測量規(guī)范》（SL 52—2015）。

在泥沙輸移作用下，該航道SDE-28 型全數(shù)字測深儀所測深度界面以下浮泥層位的疏浚無異于在“稀泥場”內(nèi)打撈，清淤疏浚效果一般，還會使疏浚成本顯著增大。在挖泥土方量計算時，其深度界面應根據(jù)含沙量密度確定，并定位在一定密度含沙量層位上，對于低于該層位的土方量則不予計算。經(jīng)過對該港口航道測量結果的分析表明，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，疏浚單價按10 元/m3確定，則可節(jié)約的疏浚費用為10 元/m3×50×104m2×0.86m=430×104元。可見，展開港航工程浮泥層測量，在采用切實可靠的測量技術后，將大大節(jié)省港區(qū)航道維護費用；疏浚后復測的過程中，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)濟效益和社會效益。

5 結語

綜上所述，應用GPS 網(wǎng)絡RTK 技術與SDE-28 型全數(shù)字測深儀、塔尺展開航道底部浮泥層測量，施測過程切實可行，結果準確可靠，實現(xiàn)了RTK 定位數(shù)據(jù)與全數(shù)字測深數(shù)據(jù)的同步采集、自動記錄、批量處理，作業(yè)效率和結果精度均有保證。浮泥層厚度的準確測量也為港口航道清淤疏浚提供了可靠依據(jù)，對于類似港航工程適航水深的精準量測具有參考價值。值得注意的是，該港航工程浮泥層厚度施測期間，SDE-28 型全數(shù)字測深儀與塔尺測量過程并不同步，存在套合誤差；浮泥層厚度測量時段主要位于航道低水位，但航道水位存在漲落，也就是說測量結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)浮泥層推算過程簡單粗放，測值的準確性有待驗證。