珠海市橫琴新區(qū)環(huán)島西堤工程水下浮泥測(cè)量探討

◎ 宋高偉 廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院

1.前言

珠海市橫琴新區(qū)環(huán)島西堤海堤位于珠海市橫琴島西南側(cè)，屬于磨刀門堤防工程。通過(guò)環(huán)島西堤堤岸和環(huán)島西路水閘的建設(shè)，結(jié)合磨刀門其余堤防段、十字門堤防、濱海東路水閘等防洪工程措施，形成封閉的防洪潮系統(tǒng)，保護(hù)橫琴新區(qū)約21.02km2的面積。本工程設(shè)計(jì)防潮標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，海堤工程級(jí)別為1級(jí)。堤圍防護(hù)對(duì)象為珠海市橫琴國(guó)家級(jí)新區(qū)。此次建設(shè)環(huán)島西堤大部分屬于新建海堤，堤圍主體經(jīng)過(guò)大面積沼澤地及淺海海域，水下浮泥層存在較大不確定性，因此水下地形測(cè)量特別是浮泥層的測(cè)量對(duì)工程設(shè)計(jì)及施工尤為重要。

2.水下地形及浮泥層測(cè)量方法

水下地形測(cè)量中，浮泥層的測(cè)量有物理測(cè)量法和采樣測(cè)量法兩種。因采樣測(cè)量法價(jià)格高昂，操作過(guò)程繁瑣，實(shí)施工期長(zhǎng)，采樣測(cè)量法漸漸不再被使用，漸漸由物理測(cè)量法即采用雙頻測(cè)探儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量成為主流。

水下地形測(cè)量主要包括定位和測(cè)深兩大部分，在工程測(cè)量中，通常采用“GNSS-RTK+多普勒雙頻測(cè)深儀”模式進(jìn)行。采用GNSS-RTK技術(shù)定位，獲取水下地形點(diǎn)平面坐標(biāo)和水面高程H1，采用數(shù)字測(cè)深儀獲取水的深度值H2，水下地形點(diǎn)高程H由水面高程H1減去水的深度值H2獲得。雙頻測(cè)深儀通過(guò)發(fā)射高低頻組合脈沖信號(hào)，利用聲波信號(hào)在水下反射時(shí)間差來(lái)測(cè)定水的深度值，水的深度為時(shí)間差乘與聲波在水中的傳播速度。在我院長(zhǎng)期的實(shí)踐過(guò)程中，通常只采用雙頻測(cè)深儀的高頻測(cè)量數(shù)據(jù)，而低頻數(shù)據(jù)僅作為參考對(duì)比使用。雖然理論上低頻信號(hào)在較低密度的泥層中有較好的穿透能力，也正因?yàn)榈皖l的穿透能力，使得在實(shí)際操作工程中，無(wú)法確定反射波是從地層的哪個(gè)界面返回，從而無(wú)法確認(rèn)低頻測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確性。因此，我們可以通過(guò)測(cè)量中適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，利用低頻信號(hào)的穿透能力所獲得的較深的水的深度值與高頻信號(hào)獲得水的深度值進(jìn)行同位對(duì)比來(lái)計(jì)算水下浮泥層概略厚度，從而為設(shè)計(jì)提供參考。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表

高頻頻率通常選擇200kHz左右，可測(cè)出水底地層表層高程；低頻頻率通常選擇20～50kHz之間，可以測(cè)出水底地層浮泥層以下地層高程，通過(guò)高低頻測(cè)量高程結(jié)果可計(jì)算水底地層表層浮泥層厚度，作為堤防工程設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

3.工程實(shí)踐

在珠海市橫琴新區(qū)綜合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目環(huán)島西堤堤岸及景觀工程中，我們首次通過(guò)實(shí)踐，采用多普勒雙頻測(cè)深儀通過(guò)高低頻測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)獲取水下浮泥層厚度，并采用刻度工具對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算。在本項(xiàng)目中，水域測(cè)量主要集中在三部分：環(huán)島西堤起點(diǎn)（中海油油庫(kù)碼頭）、終點(diǎn)（深井山頭段）及西堤水閘進(jìn)出口部分。在施測(cè)時(shí)，我們將低頻頻率設(shè)置為20kHz，以獲取最大穿透能力。在對(duì)這三部分進(jìn)行施測(cè)過(guò)程中，當(dāng)測(cè)量船行至適當(dāng)位置時(shí)，通過(guò)GNSSRTK+多普勒雙頻測(cè)深儀取得多組數(shù)據(jù)，見(jiàn) “測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表”。同時(shí)使用測(cè)深校準(zhǔn)板或棱鏡桿等有刻度的工具，對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查校驗(yàn)，見(jiàn)“水下測(cè)量水深數(shù)據(jù)檢查記錄表”。通過(guò)檢查記錄表可以看到，多普勒測(cè)深儀測(cè)量水深數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，可供使用。

通過(guò)在這三部分的高低頻測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，起點(diǎn)與終點(diǎn)段，高低頻數(shù)據(jù)接近一致，說(shuō)明海底未見(jiàn)明顯浮泥層，該結(jié)果也與測(cè)桿實(shí)地探測(cè)結(jié)果相符。在這兩段測(cè)量過(guò)程中，多次人工測(cè)量深度數(shù)據(jù)與多普勒雙頻測(cè)深儀高頻水深數(shù)據(jù)一致，說(shuō)明測(cè)深儀高頻水深數(shù)據(jù)所測(cè)水深即為水面至水底泥層表面的深度，環(huán)島西堤起點(diǎn)油庫(kù)碼頭段與終點(diǎn)深井山頭段均為砂石水底；在西堤水閘進(jìn)口段，通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，低頻水深數(shù)據(jù)比高頻水深數(shù)據(jù)略高，懷疑水底有浮泥層。后經(jīng)多次探測(cè)發(fā)現(xiàn)，該片水域底部有一層淤積水草層，非明顯浮泥層。通過(guò)本次實(shí)踐測(cè)量也佐證了多普勒雙頻測(cè)深儀低頻脈沖并不能很好的體現(xiàn)水底實(shí)際浮泥層厚度，容易受水底其它物體的影響，從而影響測(cè)量結(jié)果。

4.結(jié)論及建議

通過(guò)在環(huán)島西堤工程中的實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)，利用多普勒雙頻測(cè)深儀高低頻信號(hào)的不同特征，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水底浮泥層或其他低密度淤積層的概略探測(cè)。

但由于浮泥層或者其他淤積層密度分布通常無(wú)規(guī)律，具有多樣性多變性的特征，且低頻聲波信號(hào)對(duì)浮泥層或者其他淤積層穿透能力的不確定性，容易出現(xiàn)誤探，所探測(cè)浮泥層或淤積層厚度絕對(duì)精度并不高，建議只能作為輔助數(shù)據(jù)供設(shè)計(jì)參考。

總結(jié)發(fā)現(xiàn)，在測(cè)量過(guò)程中，盡量將低頻頻率設(shè)置較低數(shù)值（建議20kHz），保持測(cè)量船低速勻速運(yùn)行，可以獲得更為準(zhǔn)確的對(duì)比數(shù)據(jù)。