復(fù)雜工況下流場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的系統(tǒng)研究及應(yīng)用

程志磊，周良玉，盛祿達(dá)

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

長(zhǎng)江口區(qū)域水道眾多，航道資源豐富。長(zhǎng)江口航道主要包括“一主兩輔一支”航道和其他航道?！耙恢鲀奢o一支”航道即主航道（“一主”）、南槽航道、北港航道（“兩輔”）和北支航道（“一支”），是長(zhǎng)江口航道體系的主體。

長(zhǎng)江南槽航道，為中小型船舶及淺吃水大型船舶進(jìn)江出海咽喉要道，平均每日流量達(dá)1 000余艘次，對(duì)上海乃至長(zhǎng)江流域的地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要，然而，受航道水深限制，部分船舶必須候潮才能通行，且航道內(nèi)特別是九段沙警戒區(qū)附近水域存在流動(dòng)性淺點(diǎn)，船舶擱淺險(xiǎn)情時(shí)有發(fā)生。隨著長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的蓬勃發(fā)展和對(duì)外貿(mào)易日益增長(zhǎng)，在目前北槽深水航道幾近飽和的情況下，開展南槽航道治理，改善南槽通航條件，勢(shì)在必行。

長(zhǎng)江口南槽航道治理一期工程位于長(zhǎng)江口南槽航道上段，上游順接長(zhǎng)江口深水航道分流魚嘴南線堤，堤身沿江亞南沙南緣向下。本整治建筑物工程主要建設(shè)內(nèi)容包括：沿江亞南沙南緣向下游建設(shè)1 條護(hù)灘堤，以及護(hù)底、堤身范圍的燈樁基礎(chǔ)（不含燈樁），總長(zhǎng)約16 km。工程地理位置見圖1。

工程主要分為3 種結(jié)構(gòu)，半圓形混合堤、拋石斜坡堤和袋裝砂斜坡堤。工程實(shí)施后滿足5 000噸級(jí)船舶滿載乘潮雙向通航，兼顧1 萬～2 萬噸級(jí)船舶減載乘潮通航和大型空載船舶下行乘潮通航。

圖1 工程地理位置示意圖Fig.1 Geographic location of the project

本工程潛堤采用軟體排護(hù)底，堤身為拋石斜坡堤、半圓體混合堤及袋裝砂芯堤結(jié)構(gòu)。本公司承建部分主要是拋石斜坡堤和半圓體混合堤結(jié)構(gòu)，其中軟體排鋪設(shè)約90 萬m2，拋石約46 萬m3，半圓體安裝722 個(gè)。堤身典型斷面見圖2。

圖2 半圓體混合堤典型斷面Fig.2 Typical section of semi-circular composite dike

工程堤身范圍內(nèi)最深處泥面標(biāo)高-11.6 m，余排范圍內(nèi)最深處泥面標(biāo)高-11.3 m。工程區(qū)潮流運(yùn)動(dòng)主要受東海前進(jìn)潮波控制，是中等強(qiáng)度潮汐河口，以落潮流為優(yōu)勢(shì)，口外為正規(guī)半日潮，口內(nèi)為非正規(guī)半日淺海潮，1 個(gè)太陰日內(nèi)兩漲兩落，平均潮周期為12 h 25 min，潮汐日不等現(xiàn)象明顯，平均潮差2.73 m，最大潮差4.6 m?？菁咀畲罅魉贋?.14 m/s，洪季測(cè)點(diǎn)最大流速為2.36 m/s，流速大，平潮時(shí)間約1 h。

鑒于工程區(qū)域內(nèi)水流流速大，漲落潮間平潮時(shí)間短，潛堤沿九段沙濕地修建護(hù)灘堤，泥面存在沖刷竄溝，水流紊亂，工程實(shí)施過程中軟體排鋪設(shè)、半圓體安裝、基床拋石等主要分項(xiàng)受水流影響極大，本研究適用于復(fù)雜工況下航道工程施工的流場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取、處理技術(shù)，具有緊迫性和必要性[1-5]。

1 流速測(cè)量方式及設(shè)備的選擇

目前常用的流速測(cè)量方式有定點(diǎn)測(cè)流和走航式測(cè)流，走航式測(cè)流可快速獲取某個(gè)時(shí)間該施工區(qū)域內(nèi)全斷面流場(chǎng)數(shù)據(jù)，但是無法分析出一段時(shí)間內(nèi)施工工點(diǎn)的連續(xù)的流場(chǎng)變化規(guī)律，定點(diǎn)測(cè)流方式是將測(cè)流設(shè)備安裝在施工工點(diǎn)，連續(xù)觀測(cè)，可分析施工區(qū)域流場(chǎng)變化規(guī)律，結(jié)合施工工藝進(jìn)而分析分項(xiàng)施工的作業(yè)窗口。本工程施工測(cè)流方式選擇定點(diǎn)測(cè)流[6]。

工程施工過程中常用的定點(diǎn)測(cè)流方法有直讀式海流計(jì)測(cè)流和ADCP 流速剖面儀測(cè)流。利用ADCP 測(cè)流是 20 世紀(jì) 80 年代發(fā)展起來的最有效的海流觀測(cè)方法之一，已廣泛應(yīng)用于海洋調(diào)查中[7]。ADCP 向水體發(fā)射固定頻率的聲波，然后接收水體中泥沙顆粒等散射體的后散射信號(hào)，通過分析回波信號(hào)的多普勒頻移，計(jì)算水體的流速。與傳統(tǒng)流速儀不同，ADCP 基于聲納和雷達(dá)的基本原理及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，一次可測(cè)量剖面多層水流速度的三維分量和方向，能夠?qū)Ａ鬟M(jìn)行實(shí)時(shí)三維精細(xì)測(cè)量，具有對(duì)流層無破壞作用、測(cè)驗(yàn)時(shí)間短、分辨率高等特點(diǎn)，特別適于流速較小，存在復(fù)雜流況的海域[8]。直讀式海流計(jì)測(cè)流是將海流計(jì)放置需要測(cè)量的水層進(jìn)行流速和流向測(cè)量，效率慢，需要測(cè)量人員全程操作，且在水深較深、水流紊亂區(qū)域難以操作。

在長(zhǎng)江口南槽航道治理一期工程施工中，采用Aquadopp Profiler（闊龍）流速流向儀，其利用聲學(xué)多普勒技術(shù)測(cè)量流速剖面，使用3 個(gè)夾角為25°的聲學(xué)波束來準(zhǔn)確計(jì)算相關(guān)水層的剖面流速，固定安裝時(shí)，內(nèi)置羅盤、傾斜儀和指示流向。操作過程簡(jiǎn)單，可同時(shí)得到不同水深處流速和流向數(shù)據(jù)，并采用自容式設(shè)計(jì)，無需專人值守。本工程選擇ADCP 定點(diǎn)測(cè)流。

Aquadopp Profiler（闊龍）流速流向儀主要指標(biāo)如下：

型號(hào)：闊龍600 kHz；

聲學(xué)頻率：0.6 MHz；

最大剖面范圍：30～40 m；

層厚：1～4 m；

最小盲區(qū)：0.5 m；

流速范圍：±10 m/s；

精度：測(cè)量值的1%或者±0.5 cm/s；

最高采樣頻率：1 Hz。

2 ADCP 定點(diǎn)測(cè)流主要流程

定點(diǎn)測(cè)流前，應(yīng)根據(jù)施工需要確定測(cè)流位置。Nortek 闊龍流速儀具有在線測(cè)量和自容式測(cè)量?jī)煞N模式，施工中需要及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)流速時(shí)可采用在線式測(cè)量模式，需要進(jìn)行施工水域流程分析時(shí)可進(jìn)行自容式測(cè)流模式。主要操作流程見圖3。

圖3 定點(diǎn)流速測(cè)量主要流程Fig.3 Main flow chart of fixed point velocity measurement

3 海量流速數(shù)據(jù)提取及處理技術(shù)開發(fā)

3.1 開發(fā)數(shù)據(jù)處理工具的必要性及作用

采用Nortek 闊龍流速流向測(cè)流設(shè)備，每10 min 記錄1 次剖面流速數(shù)據(jù)，每次定點(diǎn)觀測(cè)至少30 h，數(shù)據(jù)量大，并用TXT 文本格式進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，不便于分析統(tǒng)計(jì)。需要將文本格式存儲(chǔ)的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行提取到Excel 中進(jìn)行進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析，開發(fā)一種適用于施工技術(shù)人員使用的簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理工具是推廣應(yīng)用ADCP 測(cè)流的前提。

3.2 海量流速數(shù)據(jù)處理工具的思路及實(shí)施

采用Excel VBA 編輯代碼進(jìn)行海量TXT 格式流場(chǎng)數(shù)據(jù)的提取、轉(zhuǎn)換，形成以時(shí)間排序的流速流向表格，根據(jù)剖面流速流向數(shù)據(jù)計(jì)算公式，在Excel 表格中編輯公式，計(jì)算得到剖面流速流向數(shù)據(jù)結(jié)果，然后在Excel 中進(jìn)行成圖分析，確定鋪排、拋石及半圓體安裝作業(yè)窗口。

4 流場(chǎng)獲取技術(shù)主要操作要點(diǎn)

4.1 流速剖面儀安裝

Nortek 闊龍流速剖面儀的安裝可采取座底式安裝和船舷安裝方式，根據(jù)長(zhǎng)江口南槽航道治理一期工程特點(diǎn)，采用船舷安裝進(jìn)行定點(diǎn)流速流向測(cè)量。儀器安裝采用固定支架，伸出船舷3 m，換能器入水深度0.5 m。

4.2 外業(yè)測(cè)量參數(shù)設(shè)定

采用Aquapro 軟件進(jìn)行流速測(cè)量前參數(shù)設(shè)置，主要包括聲速、分層厚度、分層數(shù)量、測(cè)量時(shí)間間隔等。聲速采用聲速儀在測(cè)流位置進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量位置水深設(shè)置分層數(shù)量，分層厚度一般設(shè)為1 m。

4.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及分析

ADCP 定點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)提取、表層及底層數(shù)據(jù)計(jì)算、垂線平均流速計(jì)算、成圖分析等。

1）流速數(shù)據(jù)提取

流速測(cè)量軟件可直接生成文本格式或CSV 格式的流速剖面數(shù)據(jù)，剖面數(shù)據(jù)文件按照儀器自身格式排列，不利于直接計(jì)算或使用，在長(zhǎng)江口南槽航道治理一期工程測(cè)流過程中，根據(jù)導(dǎo)出數(shù)據(jù)的格式，利用Excel VBA 進(jìn)行簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)分離，得到便于分析的數(shù)據(jù)格式。

2）表層及底層數(shù)據(jù)計(jì)算

ADCP 流速剖面儀在測(cè)量過程中需要伸入水中，在水層表面存在一個(gè)盲區(qū)，同時(shí)，由于受到旁瓣信號(hào)的影響，在河底有一個(gè)盲區(qū)，即存在表層和底層兩個(gè)儀器盲區(qū)，表層盲區(qū)為儀器入水深度、儀器自身盲區(qū)及分層厚度之和，底層盲區(qū)可根據(jù)回波強(qiáng)度判斷。底層和表層盲區(qū)流速數(shù)據(jù)可根據(jù)需要決定是否進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算。

底層有效數(shù)據(jù)通過回波強(qiáng)度變化曲線進(jìn)行判斷，聲波在水中傳播，遇到水底后回波最強(qiáng)，基于這一特點(diǎn)，可利用流速剖面后處理Storm 軟件進(jìn)行回波強(qiáng)度回放，選取突變點(diǎn)位置為水底，因水底層數(shù)據(jù)已受到干擾，選取上一層位置數(shù)據(jù)作為最后有效層數(shù)據(jù)。

表層、底層流速數(shù)據(jù)插補(bǔ)可采用冪函數(shù)進(jìn)行，公式為[6]：

式中：VxT、VxB分別為表層和底層流速x 方向分量；Dc為分層厚度；H 為水深；b 為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取1/6；Z1為河床至最后有效單位深度；Z2為河床至表層第1 個(gè)有效單元的高度；uxj為各實(shí)測(cè)層x 方向流速分量。y 方向流速分量與x 方向計(jì)算相同。

3）垂線平均流速流向計(jì)算

長(zhǎng)江口南槽航道治理一期工程施工中，用于軟體排鋪設(shè)、基床拋石等各工序計(jì)算基本采用垂線平均流速和流向，因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)分層流速計(jì)算垂線平均流速和流向。垂線平均流速計(jì)算采用矢量合成法，根據(jù)各單元實(shí)測(cè)東西方向與南北方向流速分量的算術(shù)平均值計(jì)算垂線平均流速和流向，具體如下：

將測(cè)點(diǎn)各分層流速分解為東西方向的VE及南北方向的VN，并計(jì)算算術(shù)平均值VEm和VNm。其中：VE=Vsin α，VN=Vcos α。

矢量法計(jì)算垂線的平均流速及流向，即：

流向αm根據(jù)具體的象限確定是否加180°，并根據(jù)施工需要進(jìn)行磁方位角修正。大量數(shù)據(jù)的計(jì)算采用在Excel 表格單元格中編輯計(jì)算公式，直接生成。

4）數(shù)據(jù)成圖分析

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算的垂線平均流速數(shù)據(jù)，利用Excel 進(jìn)行成圖可明顯看出流速和流向變化規(guī)律，并用于施工過程中，垂線平均流速與水位關(guān)系圖見圖4。

圖4 垂線平均流速與水位關(guān)系圖Fig.4 The relation of vertical average velocity and water level

5 工程中具體應(yīng)用情況及效果

5.1 測(cè)流位置分布及主要流場(chǎng)規(guī)律

長(zhǎng)江口南槽航道治理一期工程本公司施工區(qū)段里程為0+000—4+100，自2019 年1 月開始至今，沿潛堤每月組織定點(diǎn)測(cè)流，分析流速變化規(guī)律，共監(jiān)測(cè)13 次，每次監(jiān)測(cè)完成后采用流場(chǎng)獲取技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，測(cè)流位置統(tǒng)計(jì)見表1。

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，工程施工區(qū)域內(nèi)實(shí)測(cè)流速最大2.36 m/s，高平潮流速最小，低平潮流速最大，大潮汛期間流速大，小潮汛流速小，施工范圍平潮時(shí)間約1 h。漲潮流向沿灘地潮西北方向，角度為300°，落潮流向100°，流向變化迅速。

表1 測(cè)流位置分布及監(jiān)測(cè)時(shí)間Table 1 Location distribution and monitoring time of current measurement

5.2 在分項(xiàng)工程施工中的應(yīng)用及實(shí)施效果

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本工程流速在高水位時(shí)最小，每張排選擇在高水位時(shí)下放排頭，確保排頭沉排位置準(zhǔn)確，同時(shí)，由于漲落流流向基本順原河灘，而軟體排鋪設(shè)垂直河灘，鋪排過程中，水流對(duì)排邊影響作用明顯，易出現(xiàn)排邊卷排現(xiàn)象導(dǎo)致搭接不夠，因此，本工程鋪排避開大潮汛期間農(nóng)歷15日、16 日、17 日。

同時(shí)，拋石施工根據(jù)流速計(jì)算漂移距離，提前布置船位，基床拋石、整平施工嚴(yán)格按照平潮時(shí)段進(jìn)行，工程施工經(jīng)監(jiān)理及第三方檢測(cè)單位檢測(cè)，效果良好。

6 效益評(píng)估

通過復(fù)雜工況下流場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的系統(tǒng)研究及數(shù)據(jù)提取工具的開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)施工區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)快速提取分析，采用Excel VBA 進(jìn)行數(shù)據(jù)提取、分析，操作簡(jiǎn)單，適用于航道整治施工技術(shù)人員應(yīng)用。通過在長(zhǎng)江口南槽航道治理一期工程中的應(yīng)用，為本工程鋪排提供排體下放時(shí)間和避流措施的依據(jù)，提供了基床拋石及整平作業(yè)時(shí)間窗口，確保了工程鋪排施工的順利實(shí)施，也保證了基床拋石整平施工質(zhì)量。

7 結(jié)語

通過在長(zhǎng)江口南槽航道治理一期工程中對(duì)復(fù)雜工況下流場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的研究與應(yīng)用，快速獲取測(cè)流點(diǎn)整個(gè)水層的流速流向分布規(guī)律，在施工方案的確定、施工過程的控制中均發(fā)揮了重要作用，且該方法操作簡(jiǎn)單，具有較好的推廣價(jià)值。