促淤圈围工程动态监测与分析

奚立平

(安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥 231603)

1 工程概况

某促淤圈围工程位于长江口浅滩，是《上海市滩涂资源开发利用与保护“十二五”规划》中滩涂资源开发利用的重点地区。该工程的六期工程西面是三期工程侧堤，南面是五期工程大道，需要新建约14.9km的北侧围堤，4个长度共约8.3km的分隔堤，由西向东将六期工程分隔成4个围区，总面积3206.67hm2(见图1)。

图1 工程位置图

工程地基基本上为松散的粉砂性土地基或软弱黏性土地基，局部表层为近期淤积的淤泥与淤泥质黏性土，强度较低，抗冲刷能力弱。随着围堤及分隔堤的施工加载，地基土受荷后改变了应力状态，使地基产生变形，围堤及分隔堤伸入滩面，改变了水沙条件，引起水流冲於变化，影响围堤及分隔堤的安全稳定。因此，须在施工期间进行相应的动态监测，及时掌握沿围堤及分隔堤两侧滩面的冲於变化、龙口水文条件、围堤和分隔堤的堤身沉降及位移等情况，以便采取合理的施工方法。

本次监测主要涉及1#和2#围区，根据设计要求及工程需要，主要监测内容有:固定断面的动态监测;龙口水文的动态监测;新建北侧围堤、分隔堤堤身沉降、位移的动态监测等。

2 监测方案

2.1 固定断面的动态监测

通过固定断面的动态监测确定滩面的冲淤变化，进而反映工程的安全程度。顺堤每隔200.00m布置1个固定断面，关键区域每隔50.00m布置1个固定断面，龙口段断面堤内外的监测宽度各为150.00m，其余段堤内外的监测宽度各为100.00m。监测频率:1～2次/月，监测精度:水下0.10m，岸上0.01m。

水下地形测量是固定断面动态监测最重要的内容，主要通过GPS配合测深仪完成，其中水深使用GPS-RTK无验潮法测量。

GPS定位采用WGS-84坐标系，而我国习惯采用西安80坐标系，计算水位时必须进行高程转换，即确定2个坐标系基准面间的高程差 (高程异常ζ，m)，采用二次多项式曲面拟合，其模型见式 (1):

式中:ε为误差，m;f(x，y)为ζ的趋势值，m。

当有n个已知点时，式(1)可写成矩阵形式，见式(2):

通过最小二乘法(最小化误差平方和)求出系数ai，再由式(2)即可计算出高程异常值ζ［1］。

操作过程:①根据星历预报及测量区域所处的经纬度，选择最佳作业时间;②根据设计任务书的监测断面要求和测区实际情况，设计合理的测量航线，加密关键区域的航线;③求取转换参数;④设置基站，引导测量船顺监测断面线航行，采集数据;⑤对原始数据进行滞后改正并编辑，采用RTK水位，计算水下地形的高程，采用Acad成图软件自动生成地形图［2］。

2.2 龙口水文的动态监测

龙口水文的动态监测主要是监测龙口的水流流速和流向，通过GPS-RTK配合ADCP，利用WinRiver软件进行监测。

操作过程:①ADCP的安装与自检。正确连接好电脑和各种设备的数据线，分配好各种仪器的端口。安装ADCP时，要求3#波束对船头方向;磁罗安装要求远离铁器1.00m，磁罗经指示箭头指向船头方向。运行BBTALK软件进行ADCP自检。②ADCP数据采集。运行WinRiver软件， “文件”菜单中设置“采集模式”;“设置”菜单中选择“通讯”选项，增加ADCP、GPS和磁罗经等设备的端口;“采集”菜单中选择“发射”、“记录”选项，测量船定点或走航式监测龙口流速和流向。全潮位则使用RTK在龙口定点监测。③后期数据处理。利用专用软件分析以上监测获得的数据，得出龙口位置的流量、流向、水深和龙口过水面积［3］。

2.3 围堤堤身沉降、位移的动态监测

对新建北侧围堤、分隔堤的堤身沉降和位移进行定期监测。每1.0km左右设置1个监测断面，布设1组监测标点，在该监测断面的内外侧堤脚、堤顶各设置1个监测标点，即每组监测标点共计3个监测标点。沉降、位移点共布设20组，其中1#分隔堤4组、2#分隔堤5组、1#北侧围堤5组、2#北侧围堤6组。

沉降监测采用水准仪，以四等几何水准测量精度进行监测。在现有围堤上保留动态监测水准基点，水准基点高程检测1次/0.5a。

位移监测采用全站仪或RTK，以五等Ⅰ级导线精度接测。

每次监测结束，及时计算沉降总量、沉降速率、位移量等［4］。

3 监测数据分析

3.1 固定断面监测分析

共监测64个固定断面，均绘制成横断面图，每张横断面图中原始滩面、当前滩面和前次滩面3个时段的横断面和地形套绘在一起，分析围区滩面的冲淤变化，尤其是龙口附近区域以及围堤、分隔堤沿线区域两侧滩面的冲淤变化，以便采取相应的施工措施，确保工程安全［5］。

通过比较分析可知:

(1)1#龙口未见异常变化，北2+950～北3+150m沿堤有小坑槽。1#围区 (北0+000～北3+600m)沿线滩面表现为微冲状态，冲刷深度0.10～0.30m，冲刷强度堤外大于堤内，原深槽段 (北2+750～北3+450m)冲刷深度最大，一般0.40m左右，但总体变化强度较弱。

(2)2#龙口受工程施工影响明显，冲刷剧烈，11月13日监测发现龙口内侧有1条平行堤轴线，距轴线100.00m，为长约300.00m，宽约30.00m，底部高程为-1.50m的沟槽。12月05日，该沟槽面积扩大，底部高程降低至-4.0m，另外，在北5+500～北5+600m又发现1条垂直坝线，为宽约60.00m，长约220.00m，沟底高程-3.50～-5.00m的冲沟，该冲沟贯穿坝体，与内侧的沟槽间只用宽约20.00m的连锁排阻隔而没连通。随后，加密该区域的监测测次，又进行了10多次监测，对各次监测结果进行比较，得出:初期内侧沟槽和冲沟由快速发展转向基本稳定状态，随着龙口的填堵加载，流速、流向和水位差发生急剧变化，内侧沟槽和冲沟随之发生急剧变化，沟槽最深点达到-14.60m，北5+600～北5+700m外侧的连锁排也被完全冲走，使内侧沟槽和冲沟完全贯通，该段堤身非常危险。2#围区其它地段两侧滩面为微冲状态，冲刷深度在0.30m左右，堤脚两侧未见明显的冲刷沟。北4+300～北5+100m段外侧的两个施工取沙坑已贯通，但距堤轴线较远，约150.00m左右。

(3)分隔堤两侧滩面变化强度弱，为微冲状态，冲刷深度一般0.20m左右。少数地段受局部龙口影响，堤脚两侧局部可见冲刷沟，但冲刷变化较弱。

3.2 龙口水文监测分析

龙口是新建北侧围堤合龙前集中进、退潮水的口门，是保护北侧围堤顺利施工的临时工程，如龙口达不到过水要求，极有可能被冲毁，影响北侧围堤施工及龙口本身的合龙，当北侧围堤施工至一定高程以上，可防御一般高潮位并能安全渡汛时，龙口应及时封堵。根据海洋气象部门提供的潮汐表，考虑天气的因素，先后对各龙口进行水文监测，监测最高、最低潮位以及从最低潮到最高潮的流速、流向、流量变化等 (见图2)。随着排头的推进，围区逐渐形成，对不同潮位、不同地段、不同堤顶高程阶段的各围区内外水位差进行监测，了解各围区水位差的演变过程(见图3)。给施工单位提供龙口水文监测资料，便于其分析龙口的过水能力及安全性、选择龙口合龙日期及合适的口门尺度、控制进度及合龙施工顺序等。

图2 水位、流速和流向图

图3 2#围区内外水位差图

3.3 围堤堤身沉降、位移监测分析

新建北侧围堤为4级堤防、分隔堤为5级堤防。北侧围堤堤身采用充砂管袋内外棱体斜坡式结构，内外棱体之间吹填粉砂土筑堤芯;分隔堤堤身全断面均采用充泥管袋结构。位移主要考虑垂直堤轴线方向的分量dx，内偏为正，外偏为负，设计允许位移率为5mm/d;沉降主要考虑沉降速率而非累积沉降量，设计允许沉降率为10mm/d。

沉降、位移情况的监测分析如下:

(1)1#北侧围堤0+000～1+500m段3组标点沉降较均匀，累积沉降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(特别是北3+050m)两侧100.00m区间的2组标点沉降量大而且不均匀，沉降累积值最大615mm，沉降量最大65mm/d，最小6mm/d，位移分量dx最大值为23mm/d，最小值为6mm/d，沉降量和位移值均超过了设计允许值，其原因主要是深槽处深度较深，筑堤填土高度大。另外，该处表层是较厚的淤泥，因此施工加荷过程中的沉降、位移较大。

(2)2#北侧围堤的沉降较均匀，6组标点累积沉降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#分隔堤的沉降较均匀，4组标点累积沉降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#分隔堤的沉降较均匀，5组标点累积沉降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 结论与建议

(1)固定断面监测显示，除2#龙口受工程施工影响明显，冲刷剧烈外，其余部分为微冲状态，且变化强度较弱。对2#龙口冲刷严重的情况，监测方及时与施工单位进行沟通，建议深槽段进行抛石加固，在龙口外侧抛石形成封闭的围堰，围堰高程在2.50m左右，使龙口区域在一般潮位时形成平潮区，并加紧龙口封堵进度，尽快合龙断流。施工方采纳了监测方的建议，2#龙口顺利合龙。

(2)提供龙口水文监测资料给施工单位，分析龙口的过水能力及安全性，评估流速、最大水位差是否超过设计极限，选择小潮汛期合龙，控制龙口升高速度，使其超过涨潮速度，合理安排施工顺序，为龙口的顺利合龙提供支撑资料。

(3)围堤堤身沉降、位移监测显示，除北3+050m两侧100.00m区间的2组监测标点外，其余监测标点的沉降、位移监测数据都分别小于10，5mm/d的设计允许值。对于北3+050m两侧100.00m区间的沉降和位移大于设计允许值的情况，监测方及时通知施工单位，采取调整加载速率和堤身棱体加固措施，防止堤身失稳坍塌。

(4)通过对该促淤圈围工程的动态监测与分析，将其成果应用于工程建设，为工程施工的动态管理提供依据，有效降低返工率，对提高工程质量、保证进度、降低成本意义重大。

［1］汤道运，刘胜华.GPS RTK无验潮法在水下地形测量中的应用［J］.数字技术与应用，2011(8):48-49.

［2］赵胜凯.声学多普勒流速剖面仪的基本原理及应用［J］.南水北调与水利科技，2013(1):29-31.

［3］栗志刚，孙仁权.RTK GPS在无验潮水深测量中的应用［J］.海洋测绘，2005(5):46-48.

［4］刘普海.水利水电工程测量 ［M］.北京:中国水利水电出版社，2005.

［5］程华明，吕善功.武汉市龙王庙险段水下地形监测及分析［J］.城市道桥与防洪，2007(3):56-47.