港口碼頭水下地形及岸坡穩定性觀測和分析①

汪鶴衛

摘 要：為了解復雜河道的港口碼頭運行變化情況，確保生產和防洪安全，以馬鞍山港口為觀測實例，敘述了在復雜河道港區的港口碼頭變形觀測、近岸水下地形和岸坡穩定觀測方法，詳細地分析了碼頭穩定性、附近水下地形和岸坡變化。在觀測和分析中，主要利用高精度全站儀、GPS配合測深儀進行了觀測，對采集的數據采用了ARCGIS10.0軟件進行了全面的對比分析，為碼頭的設計驗證、河道治理和岸坡養護提供了可靠的基礎數據，對港口碼頭運行管理具有較強參考應用價值。

關鍵詞：水下地形 沖淤分析 岸坡穩定性 沖淤量

中圖分類號：U652 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0091-02

長江河道演變受水系來水來沙、彎道和汊道泥沙運動、懸移質和推移質運動等條件影響，會發生沖淤變化。為正確了解和研究長江中下游河道治理，特別是重點港口區域的整治和防護，應加強沖淤觀測和分析。該文利用先進的測量儀器和ARCGIS軟件，系統觀測和分析了長江下游馬鞍山河段馬鞍山港區的變化情況。

1 觀測和分析目的

馬鞍山港口位于馬鞍山河段，該河段洲灘較多、河道復雜，河床發育于第四紀沉積物上，為典型的河漫灘二元結構，表層5～10m是透水性差的淤泥質粘性土或亞粘土，其下30～50m為細沙層。右岸工程地質條件人頭磯碼頭附近最差，在水流沖刷作用下極不穩定。在河流歷史演變過程中，這一帶處于江心洲尾與小黃洲頭之間過渡段的上下移動區，沖淤頻繁，抗沖力最弱，50、60、70年代的幾次大崩岸都發生在這一地區。

通過對2007年測次和2012年測次馬鞍山河段沖淤圖對比分析，可以看出：中心港區附近出現了淤積，人頭磯附近出現沖刷，如圖1所示。為了加強河道治理和港區運行管理，及時掌握碼頭工程區域水下地形、岸坡和碼頭變化情況，確保碼頭和港口運行安全，該院連續3年對港區進行觀測和分析，并編制了分析報告。

2 觀測內容、方法和過程

2.1 觀測內容

（1）碼頭變形觀測：對固定高樁式碼頭進行水平位移和垂直位移觀測。每個固定碼頭布置4個水平位移觀測點，8個垂直位移觀測點，水平、垂直位移變形觀測等級為三級。觀測點的布置圖以人頭磯碼頭為例，如圖2所示。

（2）水下地形測量：垂直水流方向自防洪墻開始向長江測至碼頭外沿以外250米，測圖比例為1：1000。

（3）固定斷面測量：碼頭前沿每隔100米施測一條固定斷面，測寬同水下地形，變化大的關鍵區域要加測斷面，測圖比例為1：200。

2.2 觀測方法和過程

主要包括對固定高樁式碼頭進行水平和垂直位移觀測，港區水下地形和固定斷面測量，斷面和地形沖淤情況分析。觀測的頻率為每年一次，因汛前和汛后河床沖淤變化大，觀測時間統一選擇在每年汛后11月，各測次觀測時水位相差也不要超過1米。

（1）碼頭變形觀測：水平位移監測點采用極坐標法測量。極坐標法測量采用Leica TS30型全站儀進行，在安裝有強制對中器的工作基點架設儀器，在安裝有強制對中器的后視方向點架設固定覘牌。沉降觀測采用Dini-03型數字水準儀配合條形水準尺，按后-前-前-后觀測方法進行觀測。

（2）水下地形測量，根據設計任務書的要求和測區實際情況，設計合理的測量航線，關鍵的區域還要加密航線，每測次對比的航線要一致。GPS無線電信號采用CORS信號，在使用前求取校正參數，并在每天正式測量前和結束后均進行參數檢校。

（3）固定斷面測量：斷面方向大致垂直于主流方向，測量方法和地形測量相同，斷面間距和測點間距嚴格按照規范執行。進行斷面套繪，套繪斷面分別采用了該院2012年11月、2013年11月施測的斷面資料。

3 觀測數據分析

馬鞍山港區長度約3千米，每個區域變化不盡相同，為了準確分析碼頭前沿和附近的變化情況，港區共分成了5塊區域。沖淤分析時先進行整體分析，每塊分析從總分析圖提取，保證該區域在色帶和等值線的一致性。由于篇幅關系，5塊區域不可能一一描述，先僅以變化較大、較為典型的人頭磯碼頭為例。

3.1 水平位移及垂直位移觀測情況

監測中平面基準采用1954年北京坐標系1.5度分帶，高程基準采用1985國家高程基準。從安全及減小碼頭作業對觀測影響考慮，平面位移點布設在碼頭內側。水平基準點按D級GPS點精度接測，高程基準點按國家二等水準觀測方法接測，基準點3～5年復測一次。通過2013年11月監測成果和2014年11月監測結果比較，監測點未發現異常現象。

3.2 水下地形分析

水下地形分析采用了馬鞍山港區最近三年11月份測量數據，利用ArcGis10.0軟件進行了分析。

（1）數據提取：打開CAD軟件，調入準備好用于比較的CAD地形圖，繪制分析范圍線，剔除圖中不合理和無關的數據，分別輸出高程點、等高線和范圍線。

（2）數據建庫：打開ARCMAP軟件，新建一個項目，在項目文件中新建地理數據庫，設置好單位、比例尺和坐標系。把CAD圖層中高程點、等高線和范圍線分別轉換成GIS中點、線、面shapefile圖層。

（3）TIN模型生成和編輯：TIN模型的生成主要使用3DAnalyst擴展模塊。單擊ArcToolbox窗口，展開“3DAnalyst工具”，展開“TIN管理”工具，雙擊“創建TIN”，創建TIN，如圖3所示。在對話框中輸入TIN的名稱、坐標系，要素類中輸入點、線、面數據， height_field域中點、線選擇“Elevation”，范圍線選擇“None”。TIN模型生成后，可直接添加、移除或修改TIN結點、隔斷線或面，改動時表面可實時反饋，使生成的TIN更加合理。

（4）沖淤量計算：所有的TIN生成后，利用“TIN轉柵格”工具，把生成TIN轉換成Raster數據，TIN數據轉換成柵格數據后，便可進行土方沖淤計算和柵格計算。沖淤計算使用“柵格表面→填挖方”工具，等數據計算完畢，便生成一個CutFill_tin文件，柵格中紅色區域為淤積區，藍色區域為沖刷區，灰色區域地形沒變化，效果圖如上圖1所示。打開CutFill_tin文件數據屬性表，導出報表，計算出沖淤量、沖淤面積和沖淤高度等內容，結果如表1所示。

（5）沖淤圖繪制和合成：先用本期的柵格數據減去上期的柵格數據得到沖淤變化的柵格數據。然后用“柵格表面→等值線”工具對變化柵格數據繪制等值線，并進行擬合、等值線的標注和掩膜。柵格計算數據一般是用灰度表示的，為了直觀顯示，必須進行分色表示，定義大小為“1”米的間隔，選擇一條由紅黃綠蘭組成的色帶，并進行符號標注。為加強圖的易讀性，導入岸上帶固定碼頭的地物和文字。打印圖紙時要進行合理布局，添加圖例、比例尺、指北針和標題。

（6）沖淤分析結果：通過以上資料可以看出：人頭磯固定碼頭前沿變化不大，總體以沖刷為主，變化在1米左右。碼頭后側以淤積為主，一般淤積在1米左右，岸坡變化不大。碼頭前沿120米處水下變化比較復雜，上游側出現淤積，淤積量最大達7米（固定斷面CS1處），中游側出現沖刷，下游側出現淤積。固定斷面CS1、CS2和CS3近岸水下出現沖刷，斷面中部區域出現淤積。

3.3 近岸岸坡比斷面分析

人頭磯港區近岸岸坡比（自岸坎至近岸岸坡腳）在1：3.33～1：5.47之間，坡度均緩于1：3，目前岸坡較為穩定。其中浮碼頭處為自然坡，坡度較陡，在1：3.4左右。固定碼頭下段坡度較緩，在1：5.3左右，這主要是碼頭建設施工開挖形成的，且碼頭后側已經開始明顯淤積。

2014年11月與2013年11月兩次測圖相比，岸坡較為平順，變化不大，兩次測圖近岸岸坡基本重合，碼頭前沿以輕微沖刷為主，岸坡基本沒有變化，岸坡較為穩定。

上述總體分析表明：馬鞍山港口人頭磯碼頭近岸岸坡變化不大，近岸岸坡穩定；碼頭前沿總體呈略沖狀態，主河床區域以淤積為主；碼頭近岸下游側沖刷可能與近岸回流有關，應加強觀測，避免發生崩岸，保證碼頭安全運行和防洪安全。

4 結語

通過變形觀測對碼頭重點監測點進行了位移觀測，利用固定斷面對關鍵岸坡和水下地形進行精細觀測，采用GIS軟件對水下地形進行了整體沖淤分析，做到了點、線、面的結合，比較系統和科學地對馬鞍山港區進行了觀測和分析，較好的反映港區的碼頭、河道和岸坡的變化情況。觀測數據建立了GIS數據庫，使用方便，具有較強的管理價值和參考應用價值。

參考文獻

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[2] 湯國安，楊昕.地理信息系統空間分析實驗教程[M].北京：科學出版社，2006.

[3] 張成才，秦昆，盧艷，等.GIS空間分析理論與方法[M].武漢：武漢大學出版社，2004.