基于北斗系統的長江口半圓體擋沙堤再加高結構設計及高程控制

石 進，李曉舟，黃東海

(1.交通運輸部長江口航道管理局，上海 200003；2.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120)

引言

北斗系統具有實時導航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務五大功能，目前已廣泛應用于交通運輸、海洋漁業、水文監測、氣象預報、測繪地理信息、應急搜救等領域。北斗系統具備動態分米級、靜態厘米級的導航定位服務能力[1]。

在水運工程方面，長江干線北斗衛星地基增強系統于2019 年全面完成；交通運輸部在2020年為長江河道所有集中停靠點的采砂、運砂船提供免費北斗，建立采運砂船聯合監管信息平臺，積極輔助執法；毫米級的超高精度北斗定位技術已可應用于邊坡護岸的狀態監測[2]，輔助管理快速決策。為進一步發揮長江口深水航道南側的南壩田擋沙堤擋沙減淤功能，經國家有關部門批復對其進行進一步加高。基于成熟的北斗技術體系，南壩田擋沙堤加高完善工程采用了北斗系統進行結構測量及堤頂高程控制，取得了較好的效果。

1 工程概況

長江口南壩田擋沙堤加高完善工程（平面布置見圖1）的主要建設內容：根據擋沙堤現狀分別采用削角王字塊、模袋混凝土、B 型帽蓋、C 型實心塊體等構件加高擋沙堤S3.5～S8b 區段，加高后堤頂高程達到+4.5 m（高程基面：上海城建吳淞基面，下同）。

圖1 工程總平面布置圖

其中S4a～S8 區段現狀為削頂半圓體結構（圖2），S8～S8b 區段為削頂半圓體沉箱結構（圖3），工程設計時經比選在這兩個區段分別采用B型帽蓋、C 型實心塊體構件進行加高，加高后堤頂高程不小于+4.5 m。

圖2 削頂半圓體加高斷面圖

圖3 削頂半圓體沉箱加高斷面圖

原堤身結構的削頂半圓體及半圓體沉箱已經安裝了近5 年，各區段沉降及平面姿態不盡相同[4]，采用統一尺寸的預制構件進行加高，成堤高程會高低起伏，觀感質量較差，難以達到現行質量檢驗標準要求。

為確保加高后堤頂高程滿足設計要求，且堤頂平順美觀，確定加高結構控制方法為：1）采用似大地水準面精化后的北斗系統對現狀堤頂高程進行工前測量；2）根據工前測量數據分析，確定不同區段的加高塊體型式；3）局部設計過渡型塊體，進一步減少加高結構之間的上下錯臺。

2 長江口北斗差分系統改造

2.1 長江口差分控制網改造

以往我國測量和導航產業長期依賴美國的GPS 技術，對國家安全產生了較大的威脅，也阻礙了我國工程技術的進一步發展。改造前長江口GPS 基準站采用的設備為泰雷茲PorFlex500 型GPS，一則沒有北斗，二則數據質量（信噪比等指標）明顯下降，對定位精度的存在致命的缺陷。

為此，工程建設者們對GPS 基準站硬件設備設施進行升級改造，對似大地水準面進行了精化，基準站網由原來的北京-1954 平面坐標系轉換為CGCS2000 國家坐標系，改造后的GNSS 基準站均開通北斗3 功能；發射電臺按照無線電管理部門要求更換為符合相關規定的230 MHz 電臺發送載波相位差分。

2.2 北斗RTK 測量原理與精度驗證

RTK 載波相位差分技術，是實時處理兩個測量站載波相位觀測量的差分方法，將基準站采集的載波相位發給用戶接收機，進行求差解算坐標[3]。

長江口差分控制網升級改造完成后需要對北斗RTK 穩定性和精度進行驗證。首先對基準站GNSS 設備進行相關配置，設置基準站站點的應用模式為BDS。測量用GNSS 移動站也采用具備北斗3 功能的北斗接收機，在RTK 模式為“固定解”狀態下，在同一點上連續采集7 個小時，經驗證平面位置變化較小，高程方面固定模式采集的數據基本穩定，局部有3～4 cm 的跳動。在RTK 在固定解模式下，每次測量前在控制點上進行比對，比對結果均顯示：平面定位的誤差可以控制在2 cm 以內，高程誤差控制在3 cm 以內，滿足工程精度要求。

3 基于北斗系統的工前測量

為了掌握現有塊體的實際高程及形態，為加高構件的外形設計及穩定性計算提供依據，在施工前采用北斗系統對每個塊體的頂面高程及沿寬度方向的傾斜度進行測量。測量時在每個構件的中部設置一個測量斷面，削頂半圓體構件由于中間有凸隼，每個測量斷面布置6 個測點；削頂半圓體沉箱頂部有凹槽，則沿槽口布置4 個測點，具體布置及測值計算方法見圖4。

圖4 削頂半圓體斷面測點布置圖

每個削頂半圓體構件測量A 點～F 點的高程HA～HF及其坐標值，頂面最低點或為A 點或為F點，將設計高程減去最低點高程即可得到塊體的最小加高高度。斷面橫向距離L1～L5 可由各點的測量坐標計算得出，凸隼高度H1由B、C 或D、E點的高程差計算得到。構件傾斜度K 按式（1）計算：

同時按式（2）進行校核：

圖5 削頂半圓體沉箱斷面測點布置圖

每個削頂半圓體沉箱構件測量A 點～D 點的高程HA～HD及其坐標值，頂面最低點或為B 點或為C 點，將設計高程減去最低點高程即可得到塊體的最小加高高度。斷面橫向距離L1～L3 可由各點的測量坐標計算得出，凹槽高度H1由A、B 或C、D 點的高程差計算得到。構件傾斜度K 按式（3）計算：

同時按式（4）進行校核：

4 加高構件結構高程控制

4.1 高程控制思路

根據現狀堤頂高程預留好沉降，保證加高構件高度H 僅需大于4.5 m-現狀堤頂高程+工后沉降值即可保證加高后堤頂高程大于4.5 m。高程控制的主要難點在于保證堤頂平順，由于先期工程塊體安裝、沉降差異，現狀堤頂起伏較大，有些相鄰塊體之間也會產生較大的錯臺，如果采用統一型號的加高構件，加高后現有的起伏錯臺仍然照舊，達不到堤頂平順的要求。

因此加高結構設計中構件高程控制的主要思路為：1）根據工前測量值細化構件型號，現狀較低的堤段用較高的構件，反之用較低的構件；2）不同型號構件之間及下游過渡段設置變頂高程的過渡構件；3）安裝前進一步復測現狀堤頂標高，如有必要再進行局部調整。

4.2 S4a～S8 區段高程控制

S4a～S8 區段現狀為削頂半圓體結構，工前測量數據統計如表1 所示。

表1 S4a～S8 區段工前測量高程統計表

根據工前測量值分析，該區段塊體頂高程最小為3.624，最大為4.120，差值為0.496m。因此設計時考慮以0.1 m 為一檔，設計5 種高度不同的B 型帽蓋型加高構件，構件示意圖如圖6 所示。由于不同類型構件高差為0.1 m，考慮北斗測量誤差約為3 cm，因此可將堤頂錯臺控制在0.13 m 以內（不計使用期的不均勻沉降影響），確保堤頂平順。

圖6 B 型帽蓋加高構件示意圖

4.3 S8～S8b 區高程控制

S8～S8b 區段現狀為削頂半圓體沉箱結構，工前測量數據統計如表2 所示。

表2 S8～S8b 區段工前測量高程統計表

根據工前測量值分析，該區段塊體頂高程最小為3.29，最大為4.19，差值為0.9 m。若以0.1 m 為一檔，則需設計9 種不同高度的構件，施工太復雜。因此此區段以0.2 m 為一檔，設計C1～C5 共5 種高度不同的C 型實心塊體型加高構件，構件示意圖如圖7 所示。考慮北斗測量誤差約為3 cm，相鄰塊體之間的最大錯臺為0.23 m，大于現行質量檢驗標準要求，也影響外觀質量。分析發現現狀高程差異較大的區段比較集中，即基本沒有高程突變的情況，因此在型號改變處增設了頂部為斜面的過渡型塊體，如圖8 所示，進一步保證了堤頂的平順。

圖7 C 型實心塊體加高構件示意圖

圖8 過渡型塊體示意圖（以C1 和C2 之間塊體為例）

4.4 實施效果

南壩田擋沙堤加高完善工程2019 年12 月開工建設，于2020 年12 月底通過交工驗收，并投入試運行。工程施工中采用北斗系統進行了結構測量，按照前文論述的方法進行堤頂高程控制，成堤后頂部上下錯臺合格率滿足現行質量檢驗標準要求，堤頂外觀平順，基本達到了既定的設計目標。

圖9 工程完工后實景圖

5 結語

本文論述了長江口南壩田擋沙堤再加高結構中的相關設計及高程控制方法，結論如下：

1）在長江大型潮汐河口水域運用北斗系統進行堤身結構高程控制時可行的，測量精度滿足結構設計和施工控制需要；

2）本文論述的加高結構控制方法是有效的，可推廣應用到其他類似的二次加高工程中。