基于北斗系统的长江口半圆体挡沙堤再加高结构设计及高程控制

石 进，李晓舟，黄东海

(1.交通运输部长江口航道管理局，上海 200003；2.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120)

引言

北斗系统具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能，目前已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、应急搜救等领域。北斗系统具备动态分米级、静态厘米级的导航定位服务能力[1]。

在水运工程方面，长江干线北斗卫星地基增强系统于2019 年全面完成；交通运输部在2020年为长江河道所有集中停靠点的采砂、运砂船提供免费北斗，建立采运砂船联合监管信息平台，积极辅助执法；毫米级的超高精度北斗定位技术已可应用于边坡护岸的状态监测[2]，辅助管理快速决策。为进一步发挥长江口深水航道南侧的南坝田挡沙堤挡沙减淤功能，经国家有关部门批复对其进行进一步加高。基于成熟的北斗技术体系，南坝田挡沙堤加高完善工程采用了北斗系统进行结构测量及堤顶高程控制，取得了较好的效果。

1 工程概况

长江口南坝田挡沙堤加高完善工程（平面布置见图1）的主要建设内容：根据挡沙堤现状分别采用削角王字块、模袋混凝土、B 型帽盖、C 型实心块体等构件加高挡沙堤S3.5～S8b 区段，加高后堤顶高程达到+4.5 m（高程基面：上海城建吴淞基面，下同）。

图1 工程总平面布置图

其中S4a～S8 区段现状为削顶半圆体结构（图2），S8～S8b 区段为削顶半圆体沉箱结构（图3），工程设计时经比选在这两个区段分别采用B型帽盖、C 型实心块体构件进行加高，加高后堤顶高程不小于+4.5 m。

图2 削顶半圆体加高断面图

图3 削顶半圆体沉箱加高断面图

原堤身结构的削顶半圆体及半圆体沉箱已经安装了近5 年，各区段沉降及平面姿态不尽相同[4]，采用统一尺寸的预制构件进行加高，成堤高程会高低起伏，观感质量较差，难以达到现行质量检验标准要求。

为确保加高后堤顶高程满足设计要求，且堤顶平顺美观，确定加高结构控制方法为：1）采用似大地水准面精化后的北斗系统对现状堤顶高程进行工前测量；2）根据工前测量数据分析，确定不同区段的加高块体型式；3）局部设计过渡型块体，进一步减少加高结构之间的上下错台。

2 长江口北斗差分系统改造

2.1 长江口差分控制网改造

以往我国测量和导航产业长期依赖美国的GPS 技术，对国家安全产生了较大的威胁，也阻碍了我国工程技术的进一步发展。改造前长江口GPS 基准站采用的设备为泰雷兹PorFlex500 型GPS，一则没有北斗，二则数据质量（信噪比等指标）明显下降，对定位精度的存在致命的缺陷。

为此，工程建设者们对GPS 基准站硬件设备设施进行升级改造，对似大地水准面进行了精化，基准站网由原来的北京-1954 平面坐标系转换为CGCS2000 国家坐标系，改造后的GNSS 基准站均开通北斗3 功能；发射电台按照无线电管理部门要求更换为符合相关规定的230 MHz 电台发送载波相位差分。

2.2 北斗RTK 测量原理与精度验证

RTK 载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标[3]。

长江口差分控制网升级改造完成后需要对北斗RTK 稳定性和精度进行验证。首先对基准站GNSS 设备进行相关配置，设置基准站站点的应用模式为BDS。测量用GNSS 移动站也采用具备北斗3 功能的北斗接收机，在RTK 模式为“固定解”状态下，在同一点上连续采集7 个小时，经验证平面位置变化较小，高程方面固定模式采集的数据基本稳定，局部有3～4 cm 的跳动。在RTK 在固定解模式下，每次测量前在控制点上进行比对，比对结果均显示：平面定位的误差可以控制在2 cm 以内，高程误差控制在3 cm 以内，满足工程精度要求。

3 基于北斗系统的工前测量

为了掌握现有块体的实际高程及形态，为加高构件的外形设计及稳定性计算提供依据，在施工前采用北斗系统对每个块体的顶面高程及沿宽度方向的倾斜度进行测量。测量时在每个构件的中部设置一个测量断面，削顶半圆体构件由于中间有凸隼，每个测量断面布置6 个测点；削顶半圆体沉箱顶部有凹槽，则沿槽口布置4 个测点，具体布置及测值计算方法见图4。

图4 削顶半圆体断面测点布置图

每个削顶半圆体构件测量A 点～F 点的高程HA～HF及其坐标值，顶面最低点或为A 点或为F点，将设计高程减去最低点高程即可得到块体的最小加高高度。断面横向距离L1～L5 可由各点的测量坐标计算得出，凸隼高度H1由B、C 或D、E点的高程差计算得到。构件倾斜度K 按式（1）计算：

同时按式（2）进行校核：

图5 削顶半圆体沉箱断面测点布置图

每个削顶半圆体沉箱构件测量A 点～D 点的高程HA～HD及其坐标值，顶面最低点或为B 点或为C 点，将设计高程减去最低点高程即可得到块体的最小加高高度。断面横向距离L1～L3 可由各点的测量坐标计算得出，凹槽高度H1由A、B 或C、D 点的高程差计算得到。构件倾斜度K 按式（3）计算：

同时按式（4）进行校核：

4 加高构件结构高程控制

4.1 高程控制思路

根据现状堤顶高程预留好沉降，保证加高构件高度H 仅需大于4.5 m-现状堤顶高程+工后沉降值即可保证加高后堤顶高程大于4.5 m。高程控制的主要难点在于保证堤顶平顺，由于先期工程块体安装、沉降差异，现状堤顶起伏较大，有些相邻块体之间也会产生较大的错台，如果采用统一型号的加高构件，加高后现有的起伏错台仍然照旧，达不到堤顶平顺的要求。

因此加高结构设计中构件高程控制的主要思路为：1）根据工前测量值细化构件型号，现状较低的堤段用较高的构件，反之用较低的构件；2）不同型号构件之间及下游过渡段设置变顶高程的过渡构件；3）安装前进一步复测现状堤顶标高，如有必要再进行局部调整。

4.2 S4a～S8 区段高程控制

S4a～S8 区段现状为削顶半圆体结构，工前测量数据统计如表1 所示。

表1 S4a～S8 区段工前测量高程统计表

根据工前测量值分析，该区段块体顶高程最小为3.624，最大为4.120，差值为0.496m。因此设计时考虑以0.1 m 为一档，设计5 种高度不同的B 型帽盖型加高构件，构件示意图如图6 所示。由于不同类型构件高差为0.1 m，考虑北斗测量误差约为3 cm，因此可将堤顶错台控制在0.13 m 以内（不计使用期的不均匀沉降影响），确保堤顶平顺。

图6 B 型帽盖加高构件示意图

4.3 S8～S8b 区高程控制

S8～S8b 区段现状为削顶半圆体沉箱结构，工前测量数据统计如表2 所示。

表2 S8～S8b 区段工前测量高程统计表

根据工前测量值分析，该区段块体顶高程最小为3.29，最大为4.19，差值为0.9 m。若以0.1 m 为一档，则需设计9 种不同高度的构件，施工太复杂。因此此区段以0.2 m 为一档，设计C1～C5 共5 种高度不同的C 型实心块体型加高构件，构件示意图如图7 所示。考虑北斗测量误差约为3 cm，相邻块体之间的最大错台为0.23 m，大于现行质量检验标准要求，也影响外观质量。分析发现现状高程差异较大的区段比较集中，即基本没有高程突变的情况，因此在型号改变处增设了顶部为斜面的过渡型块体，如图8 所示，进一步保证了堤顶的平顺。

图7 C 型实心块体加高构件示意图

图8 过渡型块体示意图（以C1 和C2 之间块体为例）

4.4 实施效果

南坝田挡沙堤加高完善工程2019 年12 月开工建设，于2020 年12 月底通过交工验收，并投入试运行。工程施工中采用北斗系统进行了结构测量，按照前文论述的方法进行堤顶高程控制，成堤后顶部上下错台合格率满足现行质量检验标准要求，堤顶外观平顺，基本达到了既定的设计目标。

图9 工程完工后实景图

5 结语

本文论述了长江口南坝田挡沙堤再加高结构中的相关设计及高程控制方法，结论如下：

1）在长江大型潮汐河口水域运用北斗系统进行堤身结构高程控制时可行的，测量精度满足结构设计和施工控制需要；

2）本文论述的加高结构控制方法是有效的，可推广应用到其他类似的二次加高工程中。