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(yùn)業(yè)的發(fā)展，航道開挖和疏浚工程越來越多，疏浚工程量的計(jì)算也越來越復(fù)雜，工程量計(jì)算方法突飛猛進(jìn)，從原始費(fèi)時(shí)費(fèi)力的的人工計(jì)算到現(xiàn)在計(jì)算機(jī)快速準(zhǔn)確計(jì)算。我們常用的航道疏浚工程量計(jì)算方法有：斷面法，網(wǎng)格法和高級航道算法，這幾種方法各有各的優(yōu)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(jì)算的常用方法，總結(jié)分析了各種方法的優(yōu)劣性。

關(guān)鍵詞：工程量計(jì)算；斷面法；網(wǎng)格法；高級航道算法（面域法）

1 工程實(shí)踐

以廣東臺山電廠煤碼頭航道的維護(hù)工程為例，本工程地處臺山市銅鼓灣海區(qū)，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(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)面，下同）維護(hù)，邊坡1：7、設(shè)計(jì)超深0.2m、超寬3m、航道底寬155m。

為了方便統(tǒng)計(jì)計(jì)算，現(xiàn)取該工程其中某一公里段進(jìn)行分析討論。

1.1 斷面法

斷面法是采用分段計(jì)算土方量，挖槽的起點(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)、終點(diǎn)和不同類別的土質(zhì)的平面分界處均要布設(shè)計(jì)算斷面，計(jì)算相鄰兩斷面面積平均后乘以斷面間距離，即為該段計(jì)算挖槽土方量。斷面法是我們工程應(yīng)用得比較多的方法，其方法是先設(shè)計(jì)好該航道的斷面文件，利用Hypack軟件計(jì)算工程量。航道設(shè)計(jì)一般為梯形，中間所圍區(qū)域即為設(shè)計(jì)工程量，兩邊所圍區(qū)域即為超寬工程量，最底區(qū)域即為超深工程量。本次實(shí)驗(yàn)采用不同間距水深數(shù)據(jù)算量（只統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)工程量），結(jié)果如下表：

1.2 網(wǎng)格法

采用方格網(wǎng)來計(jì)算土方量實(shí)際是根據(jù)實(shí)地測定的水深點(diǎn)坐標(biāo)（X，Y，Z），通過生成方格網(wǎng)來計(jì)算每一個(gè)方格內(nèi)的填挖方量，最后累計(jì)得到指定范圍內(nèi)填方和挖方的土方量，并繪出填挖方分界線。系統(tǒng)首先將方格的四個(gè)角上的高程相加（如果角上沒有高程點(diǎn)，通過周圍高程點(diǎn)內(nèi)插得出其高程），取平均值與設(shè)計(jì)高程相減。然后通過指定的方格邊長得到每個(gè)方格的面積，再用長方體的體積計(jì)算公式得到填挖方量。用方格網(wǎng)法算土方量，設(shè)計(jì)面可以是平面，也可以是斜面，還可以是三角網(wǎng)，工程實(shí)際應(yīng)用中一般采用南方CASS軟件計(jì)算工程量，采用網(wǎng)格法計(jì)算工程量同樣以不同大小格網(wǎng)水深數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)情況如下：

1.3 高級航道算法（面域法）

面域法實(shí)際和網(wǎng)格法類似，只是計(jì)算方式不一樣，原理是設(shè)計(jì)好計(jì)算區(qū)域內(nèi)的模型，將需要計(jì)算方量的區(qū)域分為若干小的區(qū)域，每一塊區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)好底部高程，然后導(dǎo)入入水深數(shù)據(jù)，生成三角網(wǎng)，然后計(jì)算每個(gè)三棱柱的體積，最后統(tǒng)計(jì)出工程量。例如所取航道段，可分三個(gè)區(qū)域算量（區(qū)域1和3為邊坡區(qū)域，區(qū)域2為航道區(qū)域）。然后利用Hypack軟件算出該區(qū)域的工程量如下表：

2 各類方法的分析和優(yōu)劣性

理論上以上各種算法分析可以知道，水深數(shù)據(jù)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(zhǔn)確。在航道疏浚施工中，利用斷面法可以有效的計(jì)算出每個(gè)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(gè)大區(qū)域工程量，如果要根據(jù)工程量比較精確的安排船舶施工段的話，缺少必要的數(shù)據(jù)支持，當(dāng)然面域法也可以分成比較小的區(qū)域段，但是計(jì)算起來費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此在工程上利用的比較少。

實(shí)際應(yīng)用中從精度上分析，斷面法和面域法都是水深數(shù)據(jù)生成三角網(wǎng)后，計(jì)算的工程量，這兩種算法都是利用原始資料作為網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)，不改變原始數(shù)據(jù)和精度，能夠很好地適應(yīng)復(fù)雜、不規(guī)則地形，因而將水下地形表現(xiàn)得淋漓盡致。因此利用三角網(wǎng)算出的土方量時(shí)就大大提高了計(jì)算的精度。而網(wǎng)格法利用格網(wǎng)中水深數(shù)據(jù)取平均值，這種方法不能充分體現(xiàn)每個(gè)水深點(diǎn)特征，點(diǎn)坐標(biāo)（X，Y，Z）即Z值覆蓋的面積大小沒有考慮到計(jì)算中去，只按個(gè)數(shù)平均計(jì)算每個(gè)正方形格網(wǎng)的平均高程，這種先天不足的計(jì)算方式只能概略計(jì)算，精度不是很高，尤其是復(fù)雜地形，特別是邊坡區(qū)域。理論上正方形格網(wǎng)越小，精度越高，但是水深點(diǎn)分布密度不足，正方形再小，計(jì)算結(jié)果也是無意義的。

雖說網(wǎng)格法計(jì)算精度不高，但其計(jì)算過程簡單，計(jì)算結(jié)果直觀，在一定施工中有其優(yōu)勢，比如在港池施工時(shí)，一般采用抓斗船施工，這時(shí)用面域和網(wǎng)格法來計(jì)算區(qū)域工程量又有優(yōu)勢，因?yàn)楦鄢匾话愣际遣灰?guī)則的多變形，用斷面法算量模板設(shè)計(jì)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(jié)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(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)：

在水下地形比較平坦和起伏不大的地區(qū)，可以采用網(wǎng)格法計(jì)算，這種方法計(jì)算快，數(shù)據(jù)量小，比用三角網(wǎng)算法更省時(shí)間和數(shù)據(jù)存儲空間。

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

在地形起伏較大，地形比較復(fù)雜而且精度要求較高的地區(qū)，比較實(shí)用面域法來計(jì)算工程量。

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