基于北斗系統(tǒng)的長江口半圓體擋沙堤再加高結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計研究院有限公司，上海 200120)

引言

北斗系統(tǒng)具有實時導(dǎo)航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務(wù)五大功能，目前已廣泛應(yīng)用于交通運輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象預(yù)報、測繪地理信息、應(yīng)急搜救等領(lǐng)域。北斗系統(tǒng)具備動態(tài)分米級、靜態(tài)厘米級的導(dǎo)航定位服務(wù)能力[1]。

在水運工程方面，長江干線北斗衛(wèi)星地基增強系統(tǒng)于2019 年全面完成；交通運輸部在2020年為長江河道所有集中?？奎c的采砂、運砂船提供免費北斗，建立采運砂船聯(lián)合監(jiān)管信息平臺，積極輔助執(zhí)法；毫米級的超高精度北斗定位技術(shù)已可應(yīng)用于邊坡護岸的狀態(tài)監(jiān)測[2]，輔助管理快速決策。為進一步發(fā)揮長江口深水航道南側(cè)的南壩田擋沙堤擋沙減淤功能，經(jīng)國家有關(guān)部門批復(fù)對其進行進一步加高。基于成熟的北斗技術(shù)體系，南壩田擋沙堤加高完善工程采用了北斗系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)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(shè)內(nèi)容：根據(jù)擋沙堤現(xiàn)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(gòu)件加高擋沙堤S3.5～S8b 區(qū)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(qū)段現(xiàn)狀為削頂半圓體結(jié)構(gòu)（圖2），S8～S8b 區(qū)段為削頂半圓體沉箱結(jié)構(gòu)（圖3），工程設(shè)計時經(jīng)比選在這兩個區(qū)段分別采用B型帽蓋、C 型實心塊體構(gòu)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(jié)構(gòu)的削頂半圓體及半圓體沉箱已經(jīng)安裝了近5 年，各區(qū)段沉降及平面姿態(tài)不盡相同[4]，采用統(tǒng)一尺寸的預(yù)制構(gòu)件進行加高，成堤高程會高低起伏，觀感質(zhì)量較差，難以達到現(xiàn)行質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)要求。

為確保加高后堤頂高程滿足設(shè)計要求，且堤頂平順美觀，確定加高結(jié)構(gòu)控制方法為：1）采用似大地水準(zhǔn)面精化后的北斗系統(tǒng)對現(xiàn)狀堤頂高程進行工前測量；2）根據(jù)工前測量數(shù)據(jù)分析，確定不同區(qū)段的加高塊體型式；3）局部設(shè)計過渡型塊體，進一步減少加高結(jié)構(gòu)之間的上下錯臺。

2 長江口北斗差分系統(tǒng)改造

2.1 長江口差分控制網(wǎng)改造

以往我國測量和導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)長期依賴美國的GPS 技術(shù)，對國家安全產(chǎn)生了較大的威脅，也阻礙了我國工程技術(shù)的進一步發(fā)展。改造前長江口GPS 基準(zhǔn)站采用的設(shè)備為泰雷茲PorFlex500 型GPS，一則沒有北斗，二則數(shù)據(jù)質(zhì)量（信噪比等指標(biāo)）明顯下降，對定位精度的存在致命的缺陷。

為此，工程建設(shè)者們對GPS 基準(zhǔn)站硬件設(shè)備設(shè)施進行升級改造，對似大地水準(zhǔn)面進行了精化，基準(zhǔn)站網(wǎng)由原來的北京-1954 平面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為CGCS2000 國家坐標(biāo)系，改造后的GNSS 基準(zhǔn)站均開通北斗3 功能；發(fā)射電臺按照無線電管理部門要求更換為符合相關(guān)規(guī)定的230 MHz 電臺發(fā)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(shù)，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(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機，進行求差解算坐標(biāo)[3]。

長江口差分控制網(wǎng)升級改造完成后需要對北斗RTK 穩(wěn)定性和精度進行驗證。首先對基準(zhǔn)站GNSS 設(shè)備進行相關(guān)配置，設(shè)置基準(zhǔn)站站點的應(yīng)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(tài)下，在同一點上連續(xù)采集7 個小時，經(jīng)驗證平面位置變化較小，高程方面固定模式采集的數(shù)據(jù)基本穩(wěn)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(jié)果均顯示：平面定位的誤差可以控制在2 cm 以內(nèi)，高程誤差控制在3 cm 以內(nèi)，滿足工程精度要求。

3 基于北斗系統(tǒng)的工前測量

為了掌握現(xiàn)有塊體的實際高程及形態(tài)，為加高構(gòu)件的外形設(shè)計及穩(wěn)定性計算提供依據(jù)，在施工前采用北斗系統(tǒng)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(gòu)件的中部設(shè)置一個測量斷面，削頂半圓體構(gòu)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(gòu)件測量A 點～F 點的高程HA～HF及其坐標(biāo)值，頂面最低點或為A 點或為F點，將設(shè)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(biāo)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(gòu)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(gòu)件測量A 點～D 點的高程HA～HD及其坐標(biāo)值，頂面最低點或為B 點或為C 點，將設(shè)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(biāo)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(gòu)件傾斜度K 按式（3）計算：

同時按式（4）進行校核：

4 加高構(gòu)件結(jié)構(gòu)高程控制

4.1 高程控制思路

根據(jù)現(xiàn)狀堤頂高程預(yù)留好沉降，保證加高構(gòu)件高度H 僅需大于4.5 m-現(xiàn)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(xiàn)狀堤頂起伏較大，有些相鄰塊體之間也會產(chǎn)生較大的錯臺，如果采用統(tǒng)一型號的加高構(gòu)件，加高后現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計中構(gòu)件高程控制的主要思路為：1）根據(jù)工前測量值細化構(gòu)件型號，現(xiàn)狀較低的堤段用較高的構(gòu)件，反之用較低的構(gòu)件；2）不同型號構(gòu)件之間及下游過渡段設(shè)置變頂高程的過渡構(gòu)件；3）安裝前進一步復(fù)測現(xiàn)狀堤頂標(biāo)高，如有必要再進行局部調(diào)整。

4.2 S4a～S8 區(qū)段高程控制

S4a～S8 區(qū)段現(xiàn)狀為削頂半圓體結(jié)構(gòu)，工前測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1 所示。

表1 S4a～S8 區(qū)段工前測量高程統(tǒng)計表

根據(jù)工前測量值分析，該區(qū)段塊體頂高程最小為3.624，最大為4.120，差值為0.496m。因此設(shè)計時考慮以0.1 m 為一檔，設(shè)計5 種高度不同的B 型帽蓋型加高構(gòu)件，構(gòu)件示意圖如圖6 所示。由于不同類型構(gòu)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(nèi)（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(gòu)件示意圖

4.3 S8～S8b 區(qū)高程控制

S8～S8b 區(qū)段現(xiàn)狀為削頂半圓體沉箱結(jié)構(gòu)，工前測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2 所示。

表2 S8～S8b 區(qū)段工前測量高程統(tǒng)計表

根據(jù)工前測量值分析，該區(qū)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(shè)計9 種不同高度的構(gòu)件，施工太復(fù)雜。因此此區(qū)段以0.2 m 為一檔，設(shè)計C1～C5 共5 種高度不同的C 型實心塊體型加高構(gòu)件，構(gòu)件示意圖如圖7 所示?？紤]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(xiàn)行質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)要求，也影響外觀質(zhì)量。分析發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀高程差異較大的區(qū)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(shè)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?shù)钠巾槨?/p>

圖7 C 型實心塊體加高構(gòu)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(shè)，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(tǒng)進行了結(jié)構(gòu)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(xiàn)行質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)要求，堤頂外觀平順，基本達到了既定的設(shè)計目標(biāo)。

圖9 工程完工后實景圖

5 結(jié)語

本文論述了長江口南壩田擋沙堤再加高結(jié)構(gòu)中的相關(guān)設(shè)計及高程控制方法，結(jié)論如下：

1）在長江大型潮汐河口水域運用北斗系統(tǒng)進行堤身結(jié)構(gòu)高程控制時可行的，測量精度滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工控制需要；

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