簡析各類航道疏浚工程量算法

曹忠良

摘 要：近年來，隨著海運業的發展，航道開挖和疏浚工程越來越多，疏浚工程量的計算也越來越復雜，工程量計算方法突飛猛進，從原始費時費力的的人工計算到現在計算機快速準確計算。我們常用的航道疏浚工程量計算方法有：斷面法，網格法和高級航道算法，這幾種方法各有各的優勢，文章以廣東臺山航道疏浚工程為例，介紹了航道疏浚工程工程量計算的常用方法，總結分析了各種方法的優劣性。

關鍵詞：工程量計算；斷面法；網格法；高級航道算法（面域法）

1 工程實踐

以廣東臺山電廠煤碼頭航道的維護工程為例，本工程地處臺山市銅鼓灣海區，面臨南海。施工范圍為煤碼頭航道K0+000-K11+100段。航道按水深-13.2米（當地理論深度基準面，下同）維護，邊坡1：7、設計超深0.2m、超寬3m、航道底寬155m。

為了方便統計計算，現取該工程其中某一公里段進行分析討論。

1.1 斷面法

斷面法是采用分段計算土方量，挖槽的起點、轉折點、終點和不同類別的土質的平面分界處均要布設計算斷面，計算相鄰兩斷面面積平均后乘以斷面間距離，即為該段計算挖槽土方量。斷面法是我們工程應用得比較多的方法，其方法是先設計好該航道的斷面文件，利用Hypack軟件計算工程量。航道設計一般為梯形，中間所圍區域即為設計工程量，兩邊所圍區域即為超寬工程量，最底區域即為超深工程量。本次實驗采用不同間距水深數據算量（只統計設計工程量），結果如下表：

1.2 網格法

采用方格網來計算土方量實際是根據實地測定的水深點坐標（X，Y，Z），通過生成方格網來計算每一個方格內的填挖方量，最后累計得到指定范圍內填方和挖方的土方量，并繪出填挖方分界線。系統首先將方格的四個角上的高程相加（如果角上沒有高程點，通過周圍高程點內插得出其高程），取平均值與設計高程相減。然后通過指定的方格邊長得到每個方格的面積，再用長方體的體積計算公式得到填挖方量。用方格網法算土方量，設計面可以是平面，也可以是斜面，還可以是三角網，工程實際應用中一般采用南方CASS軟件計算工程量，采用網格法計算工程量同樣以不同大小格網水深數據，統計情況如下：

1.3 高級航道算法（面域法）

面域法實際和網格法類似，只是計算方式不一樣，原理是設計好計算區域內的模型，將需要計算方量的區域分為若干小的區域，每一塊區域內設計好底部高程，然后導入入水深數據，生成三角網，然后計算每個三棱柱的體積，最后統計出工程量。例如所取航道段，可分三個區域算量（區域1和3為邊坡區域，區域2為航道區域）。然后利用Hypack軟件算出該區域的工程量如下表：

2 各類方法的分析和優劣性

理論上以上各種算法分析可以知道，水深數據越密，間距越小所建模型越能模擬原始水下地形，所得工程量越準確。在航道疏浚施工中，利用斷面法可以有效的計算出每個間隔斷面間的工程量，方便了施工船舶的安排，而面域法所算出的方量是一個大區域工程量，如果要根據工程量比較精確的安排船舶施工段的話，缺少必要的數據支持，當然面域法也可以分成比較小的區域段，但是計算起來費時費力，因此在工程上利用的比較少。

實際應用中從精度上分析，斷面法和面域法都是水深數據生成三角網后，計算的工程量，這兩種算法都是利用原始資料作為網格結點，不改變原始數據和精度，能夠很好地適應復雜、不規則地形，因而將水下地形表現得淋漓盡致。因此利用三角網算出的土方量時就大大提高了計算的精度。而網格法利用格網中水深數據取平均值，這種方法不能充分體現每個水深點特征，點坐標（X，Y，Z）即Z值覆蓋的面積大小沒有考慮到計算中去，只按個數平均計算每個正方形格網的平均高程，這種先天不足的計算方式只能概略計算，精度不是很高，尤其是復雜地形，特別是邊坡區域。理論上正方形格網越小，精度越高，但是水深點分布密度不足，正方形再小，計算結果也是無意義的。

雖說網格法計算精度不高，但其計算過程簡單，計算結果直觀，在一定施工中有其優勢，比如在港池施工時，一般采用抓斗船施工，這時用面域和網格法來計算區域工程量又有優勢，因為港池一般都是不規則的多變形，用斷面法算量模板設計比較麻煩，而且算出的工程量不利于安排抓斗船分塊施工。

3 結束語

通過以上幾種航道疏浚工程量算法的分析比較，可以發現以下幾點：

在水下地形比較平坦和起伏不大的地區，可以采用網格法計算，這種方法計算快，數據量小，比用三角網算法更省時間和數據存儲空間。

在航道這種規則的地形比較適合利用斷面法來計算工程量，其計算結果明了，便于耙吸船的施工。

在地形起伏較大，地形比較復雜而且精度要求較高的地區，比較實用面域法來計算工程量。

總之在航道疏浚工程量的計算時，精度最主要取決與水深圖測繪的精度，水深點的分布密度和點位的合理性。然后考慮航道的設計和水下地形特征、精度要求和施工安全來選擇方法計算。