港口航道疏浚中浮泥层厚度测量分析

周成海、罗凯

（江西省路港工程有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

港口航道水体中悬浮的泥沙即为悬沙，单位水体内所含泥沙及有机生物碎屑等固体物质总量就是含沙量，含沙量在一定密度以内的底质层位称为浮泥层，其粒径极小，颗粒极轻，极易受到扰动。随着时间的推移，浮泥层厚度会不断增大，对航道正常运行造成不利影响。

国内最早采用双频测深仪展开浮泥层位及厚度测定，该仪器同时发射组合式的高低频脉冲信号，借助信号在浮泥层表、底层反射的时间差确定浮泥层厚度。通过200kHz 的高频频率展开航道底部表层浮泥厚度测定，重复测量精度较高，还能有效规避声波凹面反射效应的出现；20kHz～50kHz 的低频频率信号理论上具备较好的低密度浮泥层穿透能力。然而，由于底层悬沙的多变性，使双频测深仪测得的层位界面并不确定，无法展开相邻反射界面密度值的定性说明；低频信号所对应的底质反射界面会随航道底部地质条件、声波传播介质等的变化而变化，浮泥层测量精度较难保证，故现场测试结果并不理想。

基于此，本文对SDE-28 型全数字测深仪在港航疏浚工程中浮泥层厚度测量中的应用展开分析，通过其施测结果与常规测深技术的比较，验证本文所采用施测方案的合理性和适用性。

1 工程概况

某港口航道全长为3.81km，河床底设计标高为-0.50m。河道于2014 年采用非断流常规挖泥机清淤疏浚后，至2020 年底，河道污染底泥淤积厚度已经达到0.61cm。为保持航道安全稳定运行，决定对其中长1000m、宽450m 的河段展开疏浚。疏浚前通过常规测量仪器配合测深杆共展开3 次测量，第3 次疏浚测量的水深较第2 次浅1.5m。测量期间疏浚船始终正常疏浚，故第3 次测深应比第2 次测深大，也就是说常规测量仪器测深结果并不可靠。在排除仪器故障、水位变化等可能原因后推测，除测量技术落后外，疏浚区施工水域可能存在浮泥层，导致水深测量值无法为航道疏浚作业提供准确可靠依据。为此，必须展开疏浚区施工水域浮泥层厚度的准确量测。

2 港口航道疏浚中浮泥层厚度测量方案设计

2.1 浮泥层厚度测量方案

由于该港口航道所在河段污染底泥清除拟采用泥水现场分离工艺，浮泥层对工程量影响较大，如果采用常规测量仪器配合测深杆或塔尺展开河道测量，则较难准确测出絮凝体浮泥层厚度[1]。为此，决定采用GPS 网络RTK 技术展开平面定位，通过SDE-28 型双频数字化测深仪和塔尺测量水深，经过后期数据处理分析后，确定河底高程及浮泥层厚度。

2.1.1 GPS网络RTK技术

该技术集计算机网络管理技术、通信技术、GPS 定位技术于一体，又称为多基准站技术，较好弥补了常规RTK 技术的不足，增强了RTK 的作用，也使初始化时间大幅度缩短，点位精度及测量结果的可靠性提升。

该港口航道工程浮泥层厚度测量时拟采用的VRS 系统，具备数据实时下载和处理功能，数据发布和系统运行均具备较高的稳定性。该系统经工程所在省测绘产品质量监督检验站检验后得出，系统动态高程内、外符合精度分别在±30mm 及±40mm；动态平面内、外符合误差分别在±13mm 及±30mm，精度满足此次航道疏浚中浮泥层厚度测量要求。

2.1.2 数字化测深技术

该航道疏浚工程采用SDE-28 型全数字测深仪，微机操作系统与工控电脑平台相结合，仪器内部集成水深测量、测深控制、软件图形导航等软件[2]，能对航道底部水深数据及水底曲线进行实时记录和回放；同时可与GPS 接收机对接，将定位数据和水深测量结果有机融合。仪器分辨率达到0.01mm，测深范围在0.3～2000m 之间，高频声波频率为200kHz，低频声波频率可选择20kHz、24kHz、33kHz 等档次。该型号测深仪全自动操作、测值精度高，各项性能均符合《水利水电工程施工测量规范》（SL 52—2015）。SDE-28 型全数字测深仪技术参数见表1。

表1 SDE-28 型全数字测深仪技术参数

2.2 浮泥层厚度测量

常规测定方法下主要展开取样分析，也就是在测量现场应用采水器采集水样，应用光电测沙法或烘干称重法进行水体内含沙量测定。

该项目主要采用SDE-28 型全数字测深仪测量浮泥层厚度，通过高低频的设置，分别测定浮泥层厚度上界面，并穿透浮泥层厚度下界面。为确保抽样的表征性和结果的准确性，分别在该航道上游、中游和下游等河段展开测量。测量过程展开后发现，航道底部浮泥层厚度不一，但因水深较浅，SDE-28 型全数字测深仪自动生成的低频波形图较为模糊，特别是上游测段，低频波形图无法清晰反映浮泥层实际厚度。

2.3 方案优化

为保证测量效果，项目部决定仍通过SDE-28 型全数字测深仪高频信号测量浮泥层上界面，但浮泥层下界面改由塔尺测量，通过数据套合确定浮泥层厚度。为确保优化后测量方案的可操作性及测量精度，技术人员自制出一套浮泥层厚度比测试验工具，上端为1 根测深杆，下端为固定装置，同时安装带两排透水圆孔且尺寸为60cm×20cm×0.5cm（长×宽×厚）的胶漆板。该装置具备一定自重，能较好解决河水对材质的阻力问题，还能充分考虑到河底坡度的影响，比测验证效果良好。

比测期间共采集80 组测深数据，采集点分别位于航道上游、中游和下游。通过对测深数据的分析看出，对于相同施测部位，SDE-28 型全数字测深仪高频信号所测水深值较小，塔尺测量水深值较大，自制比测试验装置所测水深值居中，符合要求。测深结果还表明，SDE-28 型全数字测深仪高频信号测值与塔尺测值之间相差0～30cm；浮泥层厚度和河道水深呈反向变动趋势。根据以上分析看出，应用SDE-28 型全数字测深仪高频信号测量浮泥层上界面，同时使用塔尺测量浮泥层下界面，再展开数据套合计算后确定浮泥层厚度的优化方案切实可行，结果可靠。

3 港口航道疏浚中浮泥层厚度施测控制要点

3.1 浮泥层界面测定及数据套合计算

上界面测量前通过1 根2.0m 长的固定杆将SDE-28型全数字测深仪换能器和GPS 接收天线连接，并使两者位于同一垂线；换能器安装在测船中部。安装好后在SDE-28 型全数字测深仪和内部集成软件的配合下施测，系统自动采集、记录并保存坐标及水深数据。

下界面测量采用VRS 技术与测绳相结合的方式，以确保浮泥层上下界面施测位置一致。测量期间，使用Trimble R8 型GPS，测绳则选用长度50m 的专用绳具；宽面铝合金材质的双面塔尺长5.0m 且可伸缩，带毫米刻度，因材质轻、自重小，能避免塔尺接触浮泥层下界面后插入浮泥层进而影响测量效果。

通过SDE-28 型全数字测深仪内置测量软件处理后得到航道底部浮泥层上界面三维坐标；通过GPS 或测绳定位后得出浮泥层下界面平面坐标；相应测点水位值与SDE-28 型全数字测深仪所测水深值之差即为水底高程。将浮泥层上、下界面三维坐标叠加，两者对应的水底高程差即为浮泥层厚度[3]。

该待疏浚航道水深浅，最浅处淤泥外露，若采用塔尺测深，浮泥层和淤泥层受扰动后水体会变浑浊，影响测深仪测量效果。为此，应先通过SDE-28 型全数字测深仪测量横断面水深，再通过塔尺测量同一断面水深，以缩短相邻测次间时间间隔，最大程度地降低潮涨潮落对断面冲刷及淤积的影响，确保测量断面的一致性及测量结果精度。

3.2 盲区浮泥层数据处理

该港口航道淤积严重，特别是上游及航道两侧水深较浅的区域，淤泥已经裸露出水面；再加上部分河段水草较多，对SDE-28 型全数字测深仪施测影响较大。为此，对于以上区域应采用类比推算，进行上游及航道两侧等浅水区浮泥层上界面高程的推求。具体而言，以各断面临岸侧最后2 个可测厚度值均值为起算值，加上待推求位置塔尺测深高程后，即可得到相应位置浮泥层上界面高程。

3.3 施测参数确定

3.3.1 吃水深度。SDE-28 型全数字测深仪换能器放入水中的深度即为吃水深度，该型号测深仪换能器吃水深度应控制在0.5m，避免探头运动于水中后引发气泡，造成假水深数据。当测船运行速度较快时，还应相应增大吃水。该港口航道水深浅，故选择船长3.0m、挂机马力2.5HP 的小型平底橡皮艇，采用0.4m 吃水深度的探头。

3.3.2 声速修正。按照进度安排，该航道疏浚工程施工时间为3 月底4 月初，航道水温较低，结合参考数据将测深仪声速值拟定为1450m/s，同时配置附带毫米刻度的宽铝合金塔尺展开比测。测值精度位于±2cm 之间，符合要求。

3.3.3 测量周期。将测深仪在单位时间内的测量次数称为测量周期，即水深数据的更新率，GPS 将其定位为1 次/s。该港航疏浚工程所用SDE-28 型全数字测深仪最大测量周期可达20 次/s，并能随量程挡位而同步调整，以满足相应测次水深测量要求。为提升测值精度，此次施测采用等距离采样，按照0.5m/s确定距离设定值和测船施测速度值[4]。

4 应用效果分析

通过设置检查线的方式展开该港口航道浮泥层测量精度检查。具体而言，与航道横断面垂直布置两条检查线，经过对交叉点处测深仪数据的比较，验证测量结果精度。在该航道试验河段布置38 个横断面，航道宽度均值为20m，按照1.0m 间隔设置断面点，共计725 个点次，对其中75 个点展开检测，抽检比远大于10%。精度检测结果较差绝对值见表2（仅列示部分断面）。

表2 部分断面浮泥层测量精度统计

根据表2 对断面浮泥层测量结果较差绝对值的统计与分析看出，两条检查线和河道断面线交叉点处较差的绝对值位于20cm 以下，精度符合《水利水电工程施工测量规范》（SL 52—2015）。

在泥沙输移作用下，该航道SDE-28 型全数字测深仪所测深度界面以下浮泥层位的疏浚无异于在“稀泥场”内打捞，清淤疏浚效果一般，还会使疏浚成本显著增大。在挖泥土方量计算时，其深度界面应根据含沙量密度确定，并定位在一定密度含沙量层位上，对于低于该层位的土方量则不予计算。经过对该港口航道测量结果的分析表明，密度在1.2g/cm3以下的浮泥层厚度均值为0.86m，港池浮泥覆盖面积按50×104m2确定，疏浚单价按10 元/m3确定，则可节约的疏浚费用为10 元/m3×50×104m2×0.86m=430×104元。可见，展开港航工程浮泥层测量，在采用切实可靠的测量技术后，将大大节省港区航道维护费用；疏浚后复测的过程中，可以利用浮泥层位，减少疏浚单位成本支出，取得较好的经济效益和社会效益。

5 结语

综上所述，应用GPS 网络RTK 技术与SDE-28 型全数字测深仪、塔尺展开航道底部浮泥层测量，施测过程切实可行，结果准确可靠，实现了RTK 定位数据与全数字测深数据的同步采集、自动记录、批量处理，作业效率和结果精度均有保证。浮泥层厚度的准确测量也为港口航道清淤疏浚提供了可靠依据，对于类似港航工程适航水深的精准量测具有参考价值。值得注意的是，该港航工程浮泥层厚度施测期间，SDE-28 型全数字测深仪与塔尺测量过程并不同步，存在套合误差；浮泥层厚度测量时段主要位于航道低水位，但航道水位存在涨落，也就是说测量结果中未包含水位涨落及水流冲刷的影响。此外，航道上游及两岸浅水区浮泥层推算过程简单粗放，测值的准确性有待验证。