航道疏浚中的浮泥現(xiàn)象對水深測量的影響分析

李道民，于海波

（中交水利水電建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315200）

水深測量通常貫穿航道疏浚項(xiàng)目始終，在疏浚底質(zhì)為淤泥的情況下，常出現(xiàn)不同厚度的浮泥。疏浚測量中因浮泥問題常常不能為疏浚船提供可靠的數(shù)據(jù)保障，并導(dǎo)致疏浚船不能依據(jù)具有時效性的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行施工，對疏浚效率與成本產(chǎn)生較大影響。本文就浙江省某航道疏浚測量中遇到的類似問題進(jìn)行闡述，采用不同的測量技術(shù)和不同測量設(shè)備，對施工中的航道進(jìn)行測量，探討因浮泥問題影響航道的測量的解決辦法。

1 航道疏浚測量的浮泥問題

浙江省某航道疏浚測量是在已有航道基礎(chǔ)上進(jìn)行疏浚，疏浚長度1km，寬度450m，本次疏浚過程測量采用多波束掃海測量，多波束儀器為NORBIT iWBMS，該儀器量程范圍為0.2m-275m，工作頻率 200KHz-400KHz。于X 月14 日進(jìn)行首次水深測量，X 月19 日進(jìn)行第二次疏浚測量。X 月23 日進(jìn)行第三次疏浚測量，在第三次疏浚測量中發(fā)現(xiàn)水深較X 月19 日第二次測量水深淺1.5m 左右，三次測量過程中，疏浚船始終正常疏浚，理論上X月23 日第三次水深應(yīng)較X 月19 日第二次測量水深較深，本次水深較第二次淺1.5m。

在排除了測量儀器操作、水位等可能錯誤后，推測可能為施工水域內(nèi)存在浮泥層。為排除測量設(shè)備原因，于X 月25 日采用Sonic2024 多波束對該施工水域進(jìn)行第四次掃測，掃測結(jié)果顯示X 月25 日采用Sonic2024 多波束掃測水深與X 月19 日采用NORBIT 多波束掃測水深一致，但在時隔6 天過程中，疏浚船一直保持施工狀態(tài)，理論上X 月25 日采用Sonic2024 多波束掃測水深應(yīng)比采用NORBIT 多波束掃測水深較深，本次水深掃測數(shù)據(jù)與X 月19 日第二次測量掃測數(shù)據(jù)一致，亦可說明該施工水域確有浮泥現(xiàn)象。本例中采集該疏浚測量區(qū)域內(nèi)三個點(diǎn)位作為比對數(shù)據(jù)，A 點(diǎn)坐標(biāo)為X ****1787.3772，Y ****662.2000；B 點(diǎn)坐標(biāo)為X ****1796.2672，Y ****657.8800；C 點(diǎn)坐標(biāo)為X****1801.6572，Y ****662.7900，統(tǒng)計該三個點(diǎn)位上述四次多波束掃測水深數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 四次多波束掃測數(shù)據(jù)水深對比

通過本案例可知在航道疏浚測量中后期，對于疏浚底質(zhì)為淤泥情況下，疏浚后期常出現(xiàn)不同厚度的浮泥，浮泥厚度約1～1.5m，由此導(dǎo)致了水深測量不能為疏浚作業(yè)提供時效性強(qiáng)且準(zhǔn)確度高的數(shù)據(jù)，如何采集到浮泥層下方真實(shí)泥面數(shù)據(jù)成為關(guān)鍵問題。

2 浮泥層產(chǎn)生的原因分析

由數(shù)據(jù)分析可知自X 月23 日疏浚航道內(nèi)存在浮泥層影響，推測浮泥厚度在1.5m 左右，雖與X月25 日Sonic2024 多波束掃測時間相隔48h，但因施工區(qū)疏浚船在此期間未停止作業(yè)，X 月25 日Sonic2024 多波束掃測航道內(nèi)依然有至少1m 的浮泥。推測浮泥存在主要因?yàn)槭┕^(qū)范圍較小且在航槽內(nèi)，長時間有耙吸式挖泥船進(jìn)行施工，耙吸船施工過程中，上層密度小的淤泥在耙刀的擾動下隨漲潮潮流進(jìn)入漕內(nèi)，長時間的耙吸式挖泥施工作業(yè)提供了豐富的細(xì)顆粒泥沙來源；類似水漕疏浚區(qū)限制了細(xì)顆粒泥沙向海外擴(kuò)散，不間斷的疏浚工程和大型船舶航行阻止泥沙沉降。

3 浮泥層測量解決方法

浮泥層因包含豐富的細(xì)顆粒泥沙，本次測量采用的兩種型號多波束工作頻率最低為200kHz，因其頻率相對較高，聲波的穿透能力弱，不足以穿透浮泥層探測到海底面。雙頻測深儀同時具有低頻波段與高頻波段，低頻波段最小可<10kHz，足可穿透浮泥。本案例采用ODOM ECHOTRAC MKIII 提供雙頻功能，高頻波段100～1000kHz 可調(diào)節(jié)，低頻波段3.5～50kHz 可調(diào)節(jié)，MKIII 可以一個高頻和一個低頻同時工作，也可以同時以兩個高頻或兩個低頻工作。測量過程中采用雙頻測深儀低頻和高頻同時作業(yè)，低頻頻率為33kHz，高頻頻率為200kHz。雙頻測深儀與多波束同船測量，部分測量結(jié)果對比見表2。本案例中X 月26 日MKIII 高頻測量數(shù)據(jù)與同船同時測量的多波束數(shù)據(jù)一致，相比X 月23 日和X 月25 日測量數(shù)據(jù)較深，但與X 月19 日測量數(shù)據(jù)一致。自X 月25 日測量結(jié)束起疏浚船停止作業(yè)，即測量前12h 內(nèi)測區(qū)無耙吸船耙刀擾動，測區(qū)內(nèi)浮泥靜置。

表2 四次多波束掃測數(shù)據(jù)水深對比

自X 月19 日到X 月25 日168h 內(nèi)疏浚船未停止過作業(yè)，理論上X 月26 日測量水深相比X 月19日水深應(yīng)較深，但X 月26 日MKIII 高頻測量數(shù)據(jù)與同船同時測量的多波束數(shù)據(jù)成果與X 月19 日水深數(shù)據(jù)成果一致，可說明浮泥層現(xiàn)象依然明顯。X月26 日MKIII 高頻測量數(shù)據(jù)與同船同時測量的多波束數(shù)據(jù)相比X 月23 日和X 月25 日測量數(shù)據(jù)較深可說明測區(qū)內(nèi)浮泥層靜置后效果明顯恢復(fù)到X 月19 日前水深狀態(tài)，由此可知靜置浮泥對施工中疏浚水深真實(shí)數(shù)據(jù)采集是有效的。

本案例中X 月26 日MKIII 低頻測量成果較高頻成果水深約深1.5m，說明低頻聲波穿過了浮泥層，具體是否穿透浮泥層到疏浚航道底面，單通過雙頻測深儀高低頻數(shù)據(jù)對比無法得知。通過疏浚施工區(qū)內(nèi)疏浚船繼續(xù)停止作業(yè)靜置測區(qū)浮泥，并于72h 后的X 月29 日，通過多波束掃海方式測量施工航道內(nèi)水深，測量結(jié)果顯示，X 月29 日多波束測量水深成果與X 月26 日MKIII 低頻測量水深成果一致，由此表明X 月29 日疏浚區(qū)內(nèi)浮泥層已沉淀至X 月26 日MKIII 低頻測量水深狀態(tài)。為驗(yàn)證X 月26 日MKIII 低頻測量與X 月29 日多波束測量均穿透浮泥層，采用測深水砣對X 月26 日MKIII 低頻測量成果和X 月29 日多波束測量成果進(jìn)行對比，在X月29 日多波束測量期間，利用水砣對6 個點(diǎn)位進(jìn)行實(shí)際測深比較，對比成果如表3 所示。

表3 三種測量數(shù)據(jù)水深對比

對比數(shù)據(jù)表明X 月26 日MKIII 低頻測量成果和X 月29 日多波束測量成果與X 月29 日現(xiàn)場水砣實(shí)際點(diǎn)位水深數(shù)據(jù)基本吻合，由此可知，X 月26 日MKIII 低頻測量和X 月29 日多波束測量均已穿透浮泥層探測至實(shí)際海底面。

4 浮泥層測量方法分析

高濃度懸砂海水經(jīng)相關(guān)文獻(xiàn)資料表明，此類水體密度介于1.02～1.26g/cm3，天津新港和連云港都采用容重來定義浮泥的界限，下限為1.03～1.05g/cm3，上限為1.25～1.30g/cm3，本次案例測量過程中對浮泥進(jìn)行取樣，水樣化驗(yàn)結(jié)果顯示水體密度與相關(guān)文獻(xiàn)的浮泥定義數(shù)據(jù)吻合，符合浮泥特性[2]。

在適航深度等相關(guān)文獻(xiàn)中表明，雙頻測深儀低頻上界面所對應(yīng)的浮泥水體密度介于1.255g/cm3左右，所測深度超過1.255g/cm3的浮泥層面值厚度都<20cm，低頻回波界面與淤泥重度之間沒有絕對關(guān)系，且浮泥重度呈垂線變化，所以低頻聲波可否穿透浮泥到達(dá)海底淤泥上表面，與低頻頻率無絕對關(guān)系，具體案例中需采用測深水砣對測區(qū)全局進(jìn)行驗(yàn)證[3]。

5 結(jié)論

本文通過具體航道疏浚案例中出現(xiàn)的水深異?，F(xiàn)象的研究，采用不同類型頻率聲波在不同時間進(jìn)行測量互檢，發(fā)現(xiàn)疏浚過程中水深變淺系航道不間斷疏浚引起的浮泥影響。利用低頻測深儀穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，可穿過浮泥層，通過水砣測深數(shù)據(jù)與雙頻測深儀的低頻數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可知，雙頻測深儀的低頻聲波在該航道泥沙濃度范圍內(nèi)已穿透浮泥層探測到海底面?？梢圆捎镁哂械皖l聲波的雙頻測深儀進(jìn)行航道疏浚工程的過程測量，同時通過雙頻測深儀的高頻數(shù)據(jù)與低頻數(shù)據(jù)進(jìn)而可得出浮泥層厚度。當(dāng)浮泥濃度與案例差別較大且實(shí)際測量過程中低頻聲波測量數(shù)據(jù)與測深水砣數(shù)據(jù)成果有差異時，可通過停止作業(yè)靜置浮泥，待浮泥層沉淀一定程度后再以水砣驗(yàn)證輔助低頻聲波測量的方法進(jìn)行施測。航道疏浚的驗(yàn)收測量對水深測量的數(shù)據(jù)精度要求較高，建議采用靜置浮泥至少24 h，在采用多波束測量水深的同時采用雙頻測深儀測量浮泥厚度。