促淤圈圍工程動態(tài)監(jiān)測與分析

奚立平

(安徽水利水電職業(yè)技術學院，安徽 合肥 231603)

1 工程概況

某促淤圈圍工程位于長江口淺灘，是《上海市灘涂資源開發(fā)利用與保護“十二五”規(guī)劃》中灘涂資源開發(fā)利用的重點地區(qū)。該工程的六期工程西面是三期工程側堤，南面是五期工程大道，需要新建約14.9km的北側圍堤，4個長度共約8.3km的分隔堤，由西向東將六期工程分隔成4個圍區(qū)，總面積3206.67hm2(見圖1)。

圖1 工程位置圖

工程地基基本上為松散的粉砂性土地基或軟弱黏性土地基，局部表層為近期淤積的淤泥與淤泥質黏性土，強度較低，抗沖刷能力弱。隨著圍堤及分隔堤的施工加載，地基土受荷后改變了應力狀態(tài)，使地基產生變形，圍堤及分隔堤伸入灘面，改變了水沙條件，引起水流沖於變化，影響圍堤及分隔堤的安全穩(wěn)定。因此，須在施工期間進行相應的動態(tài)監(jiān)測，及時掌握沿圍堤及分隔堤兩側灘面的沖於變化、龍口水文條件、圍堤和分隔堤的堤身沉降及位移等情況，以便采取合理的施工方法。

本次監(jiān)測主要涉及1#和2#圍區(qū)，根據(jù)設計要求及工程需要，主要監(jiān)測內容有:固定斷面的動態(tài)監(jiān)測;龍口水文的動態(tài)監(jiān)測;新建北側圍堤、分隔堤堤身沉降、位移的動態(tài)監(jiān)測等。

2 監(jiān)測方案

2.1 固定斷面的動態(tài)監(jiān)測

通過固定斷面的動態(tài)監(jiān)測確定灘面的沖淤變化，進而反映工程的安全程度。順堤每隔200.00m布置1個固定斷面，關鍵區(qū)域每隔50.00m布置1個固定斷面，龍口段斷面堤內外的監(jiān)測寬度各為150.00m，其余段堤內外的監(jiān)測寬度各為100.00m。監(jiān)測頻率:1～2次/月，監(jiān)測精度:水下0.10m，岸上0.01m。

水下地形測量是固定斷面動態(tài)監(jiān)測最重要的內容，主要通過GPS配合測深儀完成，其中水深使用GPS-RTK無驗潮法測量。

GPS定位采用WGS-84坐標系，而我國習慣采用西安80坐標系，計算水位時必須進行高程轉換，即確定2個坐標系基準面間的高程差 (高程異常ζ，m)，采用二次多項式曲面擬合，其模型見式 (1):

式中:ε為誤差，m;f(x，y)為ζ的趨勢值，m。

當有n個已知點時，式(1)可寫成矩陣形式，見式(2):

通過最小二乘法(最小化誤差平方和)求出系數(shù)ai，再由式(2)即可計算出高程異常值ζ［1］。

操作過程:①根據(jù)星歷預報及測量區(qū)域所處的經(jīng)緯度，選擇最佳作業(yè)時間;②根據(jù)設計任務書的監(jiān)測斷面要求和測區(qū)實際情況，設計合理的測量航線，加密關鍵區(qū)域的航線;③求取轉換參數(shù);④設置基站，引導測量船順監(jiān)測斷面線航行，采集數(shù)據(jù);⑤對原始數(shù)據(jù)進行滯后改正并編輯，采用RTK水位，計算水下地形的高程，采用Acad成圖軟件自動生成地形圖［2］。

2.2 龍口水文的動態(tài)監(jiān)測

龍口水文的動態(tài)監(jiān)測主要是監(jiān)測龍口的水流流速和流向，通過GPS-RTK配合ADCP，利用WinRiver軟件進行監(jiān)測。

操作過程:①ADCP的安裝與自檢。正確連接好電腦和各種設備的數(shù)據(jù)線，分配好各種儀器的端口。安裝ADCP時，要求3#波束對船頭方向;磁羅安裝要求遠離鐵器1.00m，磁羅經(jīng)指示箭頭指向船頭方向。運行BBTALK軟件進行ADCP自檢。②ADCP數(shù)據(jù)采集。運行WinRiver軟件， “文件”菜單中設置“采集模式”;“設置”菜單中選擇“通訊”選項，增加ADCP、GPS和磁羅經(jīng)等設備的端口;“采集”菜單中選擇“發(fā)射”、“記錄”選項，測量船定點或走航式監(jiān)測龍口流速和流向。全潮位則使用RTK在龍口定點監(jiān)測。③后期數(shù)據(jù)處理。利用專用軟件分析以上監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)，得出龍口位置的流量、流向、水深和龍口過水面積［3］。

2.3 圍堤堤身沉降、位移的動態(tài)監(jiān)測

對新建北側圍堤、分隔堤的堤身沉降和位移進行定期監(jiān)測。每1.0km左右設置1個監(jiān)測斷面，布設1組監(jiān)測標點，在該監(jiān)測斷面的內外側堤腳、堤頂各設置1個監(jiān)測標點，即每組監(jiān)測標點共計3個監(jiān)測標點。沉降、位移點共布設20組，其中1#分隔堤4組、2#分隔堤5組、1#北側圍堤5組、2#北側圍堤6組。

沉降監(jiān)測采用水準儀，以四等幾何水準測量精度進行監(jiān)測。在現(xiàn)有圍堤上保留動態(tài)監(jiān)測水準基點，水準基點高程檢測1次/0.5a。

位移監(jiān)測采用全站儀或RTK，以五等Ⅰ級導線精度接測。

每次監(jiān)測結束，及時計算沉降總量、沉降速率、位移量等［4］。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 固定斷面監(jiān)測分析

共監(jiān)測64個固定斷面，均繪制成橫斷面圖，每張橫斷面圖中原始灘面、當前灘面和前次灘面3個時段的橫斷面和地形套繪在一起，分析圍區(qū)灘面的沖淤變化，尤其是龍口附近區(qū)域以及圍堤、分隔堤沿線區(qū)域兩側灘面的沖淤變化，以便采取相應的施工措施，確保工程安全［5］。

通過比較分析可知:

(1)1#龍口未見異常變化，北2+950～北3+150m沿堤有小坑槽。1#圍區(qū) (北0+000～北3+600m)沿線灘面表現(xiàn)為微沖狀態(tài)，沖刷深度0.10～0.30m，沖刷強度堤外大于堤內，原深槽段 (北2+750～北3+450m)沖刷深度最大，一般0.40m左右，但總體變化強度較弱。

(2)2#龍口受工程施工影響明顯，沖刷劇烈，11月13日監(jiān)測發(fā)現(xiàn)龍口內側有1條平行堤軸線，距軸線100.00m，為長約300.00m，寬約30.00m，底部高程為-1.50m的溝槽。12月05日，該溝槽面積擴大，底部高程降低至-4.0m，另外，在北5+500～北5+600m又發(fā)現(xiàn)1條垂直壩線，為寬約60.00m，長約220.00m，溝底高程-3.50～-5.00m的沖溝，該沖溝貫穿壩體，與內側的溝槽間只用寬約20.00m的連鎖排阻隔而沒連通。隨后，加密該區(qū)域的監(jiān)測測次，又進行了10多次監(jiān)測，對各次監(jiān)測結果進行比較，得出:初期內側溝槽和沖溝由快速發(fā)展轉向基本穩(wěn)定狀態(tài)，隨著龍口的填堵加載，流速、流向和水位差發(fā)生急劇變化，內側溝槽和沖溝隨之發(fā)生急劇變化，溝槽最深點達到-14.60m，北5+600～北5+700m外側的連鎖排也被完全沖走，使內側溝槽和沖溝完全貫通，該段堤身非常危險。2#圍區(qū)其它地段兩側灘面為微沖狀態(tài)，沖刷深度在0.30m左右，堤腳兩側未見明顯的沖刷溝。北4+300～北5+100m段外側的兩個施工取沙坑已貫通，但距堤軸線較遠，約150.00m左右。

(3)分隔堤兩側灘面變化強度弱，為微沖狀態(tài)，沖刷深度一般0.20m左右。少數(shù)地段受局部龍口影響，堤腳兩側局部可見沖刷溝，但沖刷變化較弱。

3.2 龍口水文監(jiān)測分析

龍口是新建北側圍堤合龍前集中進、退潮水的口門，是保護北側圍堤順利施工的臨時工程，如龍口達不到過水要求，極有可能被沖毀，影響北側圍堤施工及龍口本身的合龍，當北側圍堤施工至一定高程以上，可防御一般高潮位并能安全渡汛時，龍口應及時封堵。根據(jù)海洋氣象部門提供的潮汐表，考慮天氣的因素，先后對各龍口進行水文監(jiān)測，監(jiān)測最高、最低潮位以及從最低潮到最高潮的流速、流向、流量變化等 (見圖2)。隨著排頭的推進，圍區(qū)逐漸形成，對不同潮位、不同地段、不同堤頂高程階段的各圍區(qū)內外水位差進行監(jiān)測，了解各圍區(qū)水位差的演變過程(見圖3)。給施工單位提供龍口水文監(jiān)測資料，便于其分析龍口的過水能力及安全性、選擇龍口合龍日期及合適的口門尺度、控制進度及合龍施工順序等。

圖2 水位、流速和流向圖

圖3 2#圍區(qū)內外水位差圖

3.3 圍堤堤身沉降、位移監(jiān)測分析

新建北側圍堤為4級堤防、分隔堤為5級堤防。北側圍堤堤身采用充砂管袋內外棱體斜坡式結構，內外棱體之間吹填粉砂土筑堤芯;分隔堤堤身全斷面均采用充泥管袋結構。位移主要考慮垂直堤軸線方向的分量dx，內偏為正，外偏為負，設計允許位移率為5mm/d;沉降主要考慮沉降速率而非累積沉降量，設計允許沉降率為10mm/d。

沉降、位移情況的監(jiān)測分析如下:

(1)1#北側圍堤0+000～1+500m段3組標點沉降較均勻，累積沉降60～80mm;沉降量最大9mm/d，最小2mm/d;位移分量dx最大-4mm/d，最小1mm/d。深槽段(特別是北3+050m)兩側100.00m區(qū)間的2組標點沉降量大而且不均勻，沉降累積值最大615mm，沉降量最大65mm/d，最小6mm/d，位移分量dx最大值為23mm/d，最小值為6mm/d，沉降量和位移值均超過了設計允許值，其原因主要是深槽處深度較深，筑堤填土高度大。另外，該處表層是較厚的淤泥，因此施工加荷過程中的沉降、位移較大。

(2)2#北側圍堤的沉降較均勻，6組標點累積沉降30～50mm，沉降量最大5mm/d，最小1mm/d;位移分量dx最大-2mm/d，最小-1mm/d。

(3)1#分隔堤的沉降較均勻，4組標點累積沉降50～70mm，沉降量最大8mm/d，最小1mm/d;位移分量dx最大-3mm/d，最小1mm/d。

(4)2#分隔堤的沉降較均勻，5組標點累積沉降30～50mm，沉降量最大5mm/d，最小1mm/d;位移分量dx最大2mm/d，最小-1mm/d。

4 結論與建議

(1)固定斷面監(jiān)測顯示，除2#龍口受工程施工影響明顯，沖刷劇烈外，其余部分為微沖狀態(tài)，且變化強度較弱。對2#龍口沖刷嚴重的情況，監(jiān)測方及時與施工單位進行溝通，建議深槽段進行拋石加固，在龍口外側拋石形成封閉的圍堰，圍堰高程在2.50m左右，使龍口區(qū)域在一般潮位時形成平潮區(qū)，并加緊龍口封堵進度，盡快合龍斷流。施工方采納了監(jiān)測方的建議，2#龍口順利合龍。

(2)提供龍口水文監(jiān)測資料給施工單位，分析龍口的過水能力及安全性，評估流速、最大水位差是否超過設計極限，選擇小潮汛期合龍，控制龍口升高速度，使其超過漲潮速度，合理安排施工順序，為龍口的順利合龍?zhí)峁┲钨Y料。

(3)圍堤堤身沉降、位移監(jiān)測顯示，除北3+050m兩側100.00m區(qū)間的2組監(jiān)測標點外，其余監(jiān)測標點的沉降、位移監(jiān)測數(shù)據(jù)都分別小于10，5mm/d的設計允許值。對于北3+050m兩側100.00m區(qū)間的沉降和位移大于設計允許值的情況，監(jiān)測方及時通知施工單位，采取調整加載速率和堤身棱體加固措施，防止堤身失穩(wěn)坍塌。

(4)通過對該促淤圈圍工程的動態(tài)監(jiān)測與分析，將其成果應用于工程建設，為工程施工的動態(tài)管理提供依據(jù)，有效降低返工率，對提高工程質量、保證進度、降低成本意義重大。

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