简析各类航道疏浚工程量算法

曹忠良

摘 要：近年来，随着海运业的发展，航道开挖和疏浚工程越来越多，疏浚工程量的计算也越来越复杂，工程量计算方法突飞猛进，从原始费时费力的的人工计算到现在计算机快速准确计算。我们常用的航道疏浚工程量计算方法有：断面法，网格法和高级航道算法，这几种方法各有各的优势，文章以广东台山航道疏浚工程为例，介绍了航道疏浚工程工程量计算的常用方法，总结分析了各种方法的优劣性。

关键词：工程量计算；断面法；网格法；高级航道算法（面域法）

1 工程实践

以广东台山电厂煤码头航道的维护工程为例，本工程地处台山市铜鼓湾海区，面临南海。施工范围为煤码头航道K0+000-K11+100段。航道按水深-13.2米（当地理论深度基准面，下同）维护，边坡1：7、设计超深0.2m、超宽3m、航道底宽155m。

为了方便统计计算，现取该工程其中某一公里段进行分析讨论。

1.1 断面法

断面法是采用分段计算土方量，挖槽的起点、转折点、终点和不同类别的土质的平面分界处均要布设计算断面，计算相邻两断面面积平均后乘以断面间距离，即为该段计算挖槽土方量。断面法是我们工程应用得比较多的方法，其方法是先设计好该航道的断面文件，利用Hypack软件计算工程量。航道设计一般为梯形，中间所围区域即为设计工程量，两边所围区域即为超宽工程量，最底区域即为超深工程量。本次实验采用不同间距水深数据算量（只统计设计工程量），结果如下表：

1.2 网格法

采用方格网来计算土方量实际是根据实地测定的水深点坐标（X，Y，Z），通过生成方格网来计算每一个方格内的填挖方量，最后累计得到指定范围内填方和挖方的土方量，并绘出填挖方分界线。系统首先将方格的四个角上的高程相加（如果角上没有高程点，通过周围高程点内插得出其高程），取平均值与设计高程相减。然后通过指定的方格边长得到每个方格的面积，再用长方体的体积计算公式得到填挖方量。用方格网法算土方量，设计面可以是平面，也可以是斜面，还可以是三角网，工程实际应用中一般采用南方CASS软件计算工程量，采用网格法计算工程量同样以不同大小格网水深数据，统计情况如下：

1.3 高级航道算法（面域法）

面域法实际和网格法类似，只是计算方式不一样，原理是设计好计算区域内的模型，将需要计算方量的区域分为若干小的区域，每一块区域内设计好底部高程，然后导入入水深数据，生成三角网，然后计算每个三棱柱的体积，最后统计出工程量。例如所取航道段，可分三个区域算量（区域1和3为边坡区域，区域2为航道区域）。然后利用Hypack软件算出该区域的工程量如下表：

2 各类方法的分析和优劣性

理论上以上各种算法分析可以知道，水深数据越密，间距越小所建模型越能模拟原始水下地形，所得工程量越准确。在航道疏浚施工中，利用断面法可以有效的计算出每个间隔断面间的工程量，方便了施工船舶的安排，而面域法所算出的方量是一个大区域工程量，如果要根据工程量比较精确的安排船舶施工段的话，缺少必要的数据支持，当然面域法也可以分成比较小的区域段，但是计算起来费时费力，因此在工程上利用的比较少。

实际应用中从精度上分析，断面法和面域法都是水深数据生成三角网后，计算的工程量，这两种算法都是利用原始资料作为网格结点，不改变原始数据和精度，能够很好地适应复杂、不规则地形，因而将水下地形表现得淋漓尽致。因此利用三角网算出的土方量时就大大提高了計算的精度。而网格法利用格网中水深数据取平均值，这种方法不能充分体现每个水深点特征，点坐标（X，Y，Z）即Z值覆盖的面积大小没有考虑到计算中去，只按个数平均计算每个正方形格网的平均高程，这种先天不足的计算方式只能概略计算，精度不是很高，尤其是复杂地形，特别是边坡区域。理论上正方形格网越小，精度越高，但是水深点分布密度不足，正方形再小，计算结果也是无意义的。

虽说网格法计算精度不高，但其计算过程简单，计算结果直观，在一定施工中有其优势，比如在港池施工时，一般采用抓斗船施工，这时用面域和网格法来计算区域工程量又有优势，因为港池一般都是不规则的多变形，用断面法算量模板设计比较麻烦，而且算出的工程量不利于安排抓斗船分块施工。

3 结束语

通过以上几种航道疏浚工程量算法的分析比较，可以发现以下几点：

在水下地形比较平坦和起伏不大的地区，可以采用网格法计算，这种方法计算快，数据量小，比用三角网算法更省时间和数据存储空间。

在航道这种规则的地形比较适合利用断面法来计算工程量，其计算结果明了，便于耙吸船的施工。

在地形起伏较大，地形比较复杂而且精度要求较高的地区，比较实用面域法来计算工程量。

总之在航道疏浚工程量的计算时，精度最主要取决与水深图测绘的精度，水深点的分布密度和点位的合理性。然后考虑航道的设计和水下地形特征、精度要求和施工安全来选择方法计算。