HYPACK TIN模型在港珠澳大橋島隧工程沖淤監測中的應用

張琦，潘滿

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510221）

HYPACK TIN模型在港珠澳大橋島隧工程沖淤監測中的應用

張琦，潘滿

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510221）

以港珠澳大橋島隧工程為例，基于多波束水深測量采集的數據，采用了HYPACK TIN模型繪制斷面比對圖、沖淤色塊圖，計算相應的沖淤量，從三個角度分析水下沖淤的變化規律，滿足了港珠澳大橋島隧工程的生產決策需要。

HYPACK TIN模型；沖淤監測；斷面圖；沖淤色塊圖

1 工程概況

港珠澳大橋島隧工程全長7 440.546 m，其中沉管隧道基槽長5 664 m，底寬41.95 m，底標高-16.3～-45.4 m，是目前綜合施工難度最大的深海沉管隧道工程[1]。

沉管隧道基槽地處珠江口的外伶仃洋，水文地質環境復雜，珠江每年從上游攜帶大量泥沙注入外伶仃洋，加上基槽開挖后深度較周邊自然水深形成較大的落差，這種”V”字形的深海基槽更加劇了泥沙在基槽內的淤積速度。為了保證沉管隧道基槽施工的工程質量，需要對槽底的沖淤以及邊坡的穩定性進行持續的多波束水深監測[2]，并對水深數據進行分析解讀，實時跟蹤沉管隧道基槽在施工過程中的變化。

2 HYPACK TIN模型在沖淤分析中原理及方法

HYPACK是水文測量軟件[3]，基于HYPACK TIN模型的沖淤分析主要包括斷面比對圖的繪制、沖淤工程量的計算以及沖淤色塊圖的繪制。

2.1 TIN模型的原理

數字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM）是用一組有序數值陣列形式表示地面高程的一種實體模型，而TIN（Triangulated Irregular Net work）模型是一種表示DEM的方法，根據區域內有限的離散點將區域剖分為相連的三角形網絡，區域中任意點落在三角形的頂點、邊上或三角形內，若點不在頂點上，該點的高程值可通過線性插值法獲得。

2.2 斷面比對圖的繪制

將多波束水深測量系統采集的水下地形高程點構成TIN模型，利用預先設置好的斷面文件，可以生成指定樁號的橫斷面線，斷面線任意點的高程信息均能通過TIN模型三角網內插計算得出，將不同時間點水深數據生成的斷面線疊加顯示，并加以相應的注釋，即可分析出某時段內海底的沖淤變化。

2.3 沖淤工程量的計算

通常沖淤工程量的計算思路是將2次水深測量數據相減的差值，再乘以相應的面積范圍，之后累加得到整塊區域的沖淤工程量。但在實際測量中，2次水深測量的數據通常不在同一個平面位置上，無法直接將水深值作差值處理，因而需要引入一個參考面（通常設置為設計斷面），將每次的測量數據與參考面作差值，計算出差值面積，根據平均斷面法計算整個區域的剩余工程量，再將2次的剩余工程量作差值，即可得到該區域在某計算時段內的沖淤工程量。也可以根據區域的面積，將沖淤工程量轉化為更為容易理解的平均沖淤厚度。

2.4 沖淤色塊圖的繪制

將2次水深測量數據作TIN模型并作差值處理，生成差值XYZ文件。將生成的差值XYZ數據生成TIN模型，將差值水深按不同的水深范圍進行顏色設置，輸入DXF格式包含等深線以及色塊分層的AUTOCAD圖形文件即可[4]。

3 HYPACK TIN模型在沖淤監測中的應用

港珠澳大橋島隧工程在E15管節安裝前，基槽邊坡上的回淤物發生滑塌，導致原E15管節安裝計劃推遲。根據E15沉管隧道基槽精挖成型后、基槽槽底碎石面鋪設后以及基槽邊坡滑塌后的測量數據，使用HYPACK TIN模型進行基槽沖淤模型分析。

1）斷面比對圖

繪制基槽精挖成型、碎石墊層鋪設、邊坡回淤物滑塌后的斷面比對圖，E15管節基槽K10+ 103斷面比對如圖1所示。

圖1 E15管節基槽K 10+103斷面比對圖Fig.1 Crosssection contrast draw ing at K10+103 trench of tunnel E15

2）沖淤量計算表

根據沖淤工程量計算方法，計算E15管節基槽精挖成型后與碎石墊層鋪設后的沖淤量如表1，計算碎石墊層鋪設后與邊坡滑塌后的沖淤量如表2。

3）沖淤色塊圖

繪制E15管節基槽精挖成型后與碎石墊層鋪設后的色塊圖如圖2，繪制碎石墊層鋪設后與邊坡滑塌后的色塊圖如圖3。

4）成果分析

結合圖1及圖2可以發現，從基槽精挖完成后到碎石層鋪設完成后，在基槽的北邊坡淤積了大量的泥沙，南邊坡也有少量的淤積，這與表1中的南北邊坡沖淤量計算結果相符。對于典型斷面K10+103，從表1可以看到，淤積主要發生在北邊坡坡比為1∶5及1∶2.5的區域，而南邊坡則有少量沖刷，這與圖1及圖2中的結果相符。

表1 E15管節基槽精挖成型后與碎石墊層鋪設后沖淤量計算表Tab le1 Volume calculation ofscouringand siltation at the trench of tunnel E15 between d redging com pletion afterwards and gravel layer lying afterw ards m3

表2 E15管節碎石墊層鋪設后與邊坡滑塌后沖淤量計算表Table 2 Volum e calculation of scouring and siltation at the trench of tunnel E15 between gravel layer lying afterwardsand slope collapseafterwards m3

圖2 E15管節基槽精挖成型后與碎石墊層鋪設后沖淤色塊圖Fig.2 Colored scouring and siltationmap at the trench of tunnel E15 between d redging completion afterwardsand gravel layer lying afterwards

圖3 E15管節碎石墊層鋪設后與邊坡滑塌后沖淤色塊圖Fig.3 Colored scouring and siltationmap at the trench of tunnel E15 between gravel layer lying afterwards and slope collapseafterwards

結合圖1及圖3可以發現，從碎石層鋪設完成后到邊坡滑塌后，基槽南北邊坡有前期淤積的泥沙部分滑入基槽底部，從而形成槽底的驟淤以及南北邊坡沖刷的現象，主要滑塌部位集中在北邊坡西部60 m坡比為1∶2.5及1∶5區域，這與表2中的沖淤變化量符合。另外從表2可以看出，整個E15管節基槽底部的回淤量為7 692 m3，南北邊坡沖刷量約為5 982 m3，考慮到測量的精度以及期間發生的自然回淤量，回淤量和沖刷量基本達到了平衡，可以判定本次基槽底部的驟淤主要是由兩側邊坡滑塌引起的，同時也驗證了圖1及圖3的正確性。

4 結語

通過HYPACK TIN模型在港珠澳大橋島隧工程沖淤監測中的實際應用結果表明，該模型分析效率高，結果準確，能很好反映海底沖淤的變化規律。由TIN模型衍生的三種分析方法不僅相互補充印證，而且各有側重。

1）斷面比對圖能直觀反映指定斷面多個時間段內的水深變化情況，同時能反映某個斷面與設計斷面之間的差值；如需分析某個區域，需要以一定的間距生成一系列斷面。由于斷面比對圖只能反映某個樁號斷面的變化，不能反映相鄰兩個斷面之間的情況，可能會遺漏一些重要信息。

2）沖淤工程量的計算從量值上直觀地反映了某區域沖淤變化情況。由于工程量的計算不能將計算區域無限細化，一些水深變化劇烈的區域會被周圍區域平均而變得平緩，從而可能會遺漏一些重要信息或者影響計算的正確性。

3）沖淤色塊圖以彩色圖形的方式直觀顯示了某區域內的沖淤變化情況，清晰明了。但沖淤色塊圖只能顯示2次測量數據之間的變化情況，對于多次數據的聯合分析，還需要參考斷面比對圖。

綜上所述，TIN模型衍生的三種沖淤分析方法各有特點，在工程應用中應根據實際情況選擇合適的方法，并使用另一種方法進行驗證，為生產決策提供正確的參考。

[1] 馮偉，戴書學，李凱凱.工廠法預制沉管鋼筋籠變形控制[J].中國港灣建設，2015，35（7）：14-17. FENG Wei,DAI Shu-xue,LI Kai-kai.Deformation control for steel cageofprefabricated factory immersed tube[J].ChinaHarbour Engineering,2015,35(7):14-17.

[2]鄭偉，李煒.GPS-RTK三維水下地形測量的應用與誤差分析[J].中國港灣建設，2015，35（7）：42-45. ZHENGWei，LIWei.Application and error analysisof GPS-RTK three-dimensionalunderwater topographic survey[J].China HarbourEngineering,2015,35(7):42-45.

[3]上海航道局.HYPACK MAX測量和疏浚軟件的應用手冊[K]. 2003. CCCC Shanghai Dredging Co.,Ltd.App lication manual of measurementand dredgingsoftwareHYAPCKMAX[K].2003.

[4]喬紅杰，張靜怡，劉軍濤.Hypack Max軟件在河道沖淤分析中的應用[J].水電能源科學，2010（1）：89-92. QIAO Hong-jie,ZHANG Jing-yi,LIU Jun-tao.App lication of Hypack Max software to analysis of channel scouring and siltation [J].Water Resourcesand Power,2010(1):89-92.

App lication of HYPACK TIN m odel for scouring and siltation monitoring hydrographic survey in Hongkong-Zhuhai-M acao Bridge island&tunnel project

ZHANGQi,PANMan
（CCCCGuangzhou Dredging Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510221,China）

Taking the example of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island&tunnel project,basing on the survey data collected bymulti-beam echo-sounder,we drew the cross section comparativemap and colored scouring and siltation map by HYPACK TIN model,calculated the relevant scouring and silting capacity volume,and analyzed the variation of underwater scouringand siltation from threeaspects,in order to fulfill the demand and requirementof the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island&tunnel project.

HYPACK TIN model;scouring and siltation monitoring hydrographic survey;cross section diagram;colored scouring and siltationmap

U452.11

A

2095-7874（2015）11-0042-04

10.7640/zggw js201511012

2015-10-19

張琦（1986— ），男，江蘇南通人，助理工程師，從事水深測量，測繪工程專業。E-mail：304391162@qq.com