受限空间水下疏浚与抛泥评估方法
阅读说明：本技术 受限空间水下疏浚与抛泥评估方法 (Confined space underwater dredging and mud throwing evaluation method ) 是由 刘卫 邹丰 冯先导 刘聪聪 王一军 朱映滔 鄂国兴 王鑫 林红星 陈子君 刘春彦 于 2021-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种受限空间水下疏浚与抛泥评估方法,包括1)疏浚评估,1.1)采集水下数据；1.2)划分开挖断面,拟定初始水位线；1.3)快速计算水下疏浚量；1.4)评估确定超挖或欠挖区域范围及超挖或欠挖工程量。2)抛泥评估,2.1)收集现场工程区域水文、波浪、泥沙和地形数据；2.2)构建二维潮流泥沙数学模型；2.3)模拟分析不同施工时间段、不同抛泥点工况下抛泥回淤的深度与范围；2.4)评估确定最优抛泥点位置。本发明的受限空间水下疏浚快速评估方法能快速计算各断面疏浚量,降低了施工成本,提高了疏浚效率。本发明的抛泥评估方法既确保了受限空间疏浚的施工质量,解决了因抛泥回淤对工程区域造成不利影响的问题。(The invention discloses a method for evaluating underwater dredging and mud throwing of a limited space, which comprises the following steps of 1) dredging evaluation, 1.1) collecting underwater data; 1.2) dividing an excavation section, and drawing up an initial water level line; 1.3) rapidly calculating the underwater dredging amount; 1.4) evaluating and determining the over-digging or under-digging area range and the over-digging or under-digging engineering quantity. 2) Mud throwing evaluation, 2.1) collecting hydrological, wave, sediment and topographic data of the field engineering area; 2.2) constructing a two-dimensional tidal current sediment mathematical model; 2.3) simulating and analyzing the depth and range of mud throwing and back-silting in different construction time periods and under different mud throwing point working conditions; 2.4) evaluating and determining the optimal mud throwing point position. The method for rapidly evaluating the underwater dredging in the limited space can rapidly calculate the dredging amount of each section, reduce the construction cost and improve the dredging efficiency. The mud throwing evaluation method not only ensures the construction quality of the limited space dredging, but also solves the problem of adverse influence on the engineering area caused by mud throwing and back-silting.)
技术领域
本发明涉及一种水下疏浚与抛泥工程，特别涉及一种在港口码头或航道顶部有建筑结构遮蔽的水下疏浚与抛泥施工前的评估方法，属于水下疏浚施工技术领域。
背景技术
水下疏浚工程采用绞吸泵或空气吸泥机挖掘水下淤泥并进行输移处理，主要应用于开挖港池或进港航道，吹填造陆以兴建码头、港区和临港工业区。近年来，随着我国水运工程基础建设不断扩展，在水文、地质条件复杂，作业空间受限的水域进行水下疏浚施工已逐渐成为行业面临的难题。
在水中有桩基，顶部有高桩码头平台梁板或其他建筑结构遮挡的水下疏浚作业过程中，由于施工作业空间受限，水下疏浚开挖状态难以评估，导致水下超挖或欠挖时有发生。现有的疏浚评估方法大都依据完整的地形高程点计算开挖方量，数据预处理较繁冗且不易直接指导现场施工。同时，水下疏浚开挖后抛泥位置通常依据经验和施工便利选取，若选取不当，受潮流及疏浚土层特性影响，易造成抛泥回淤现象。
发明内容
本发明目的是提供一种受限空间水下疏浚与抛泥评估方法，解决受限区域内挖泥状况不易评估导致水下疏浚施工难以达到设计要求，以及解决因抛泥回淤对工程区域造成不利影响的问题。
本发明通过以下技术方案予以实现。
一种受限空间水下疏浚与抛泥评估方法，包括以下步骤：
1)疏浚评估
1.1)采集水下数据；在水面上无遮挡的开阔区域使用测深仪，在水中有桩基，顶部有高桩码头平台或其他建筑结构遮挡的封闭区域使用测绳，分别采集水下设计高程数据、开挖前后地形高程点数据，以及工程受限空间基本规模尺寸水下数据；
1.2)划分开挖断面，拟定初始水位线；将开挖区域码头按纵向间距A划分为S1～Sn多个断面，同时在顶部的码头前平台面层、码头后平台面层和预制横梁及现浇横梁位置做好标识，便于查找断面对应的区域；断面方向结合受限区域的桩基附近，拟定需要测量的高程点位置与数量，按横向间隔B确定测点，记录断面内每个测点的高程以及与桩基相对位置。以码头前沿线与断面交点为计算原点O，在每个断面内测点与原点的距离为起点距，结合对应的高程数据，绘制起点距与高程的断面图；
1.3)快速计算水下疏浚量；根据疏浚区域划分开挖断面及里程，设定初始水位线，根据各断面起点距、高程及初始水位线，依据公式(1)计算在初始水位下过水断面面积，依据公式(2)计算各断面间的蓄水体积，开挖前后蓄水体积之差则计算得出各断面疏浚量与总疏浚量：
A(i)＝DL(i，j)·{Z0-0.5[ZE(i，j+1)+ZE(i，j)]} (1)
其中，A(i)为断面i在初始水位下的面积，DL(i，j)为i断面内j和j+1两个高程点间距，ZE(i，j)为断面i高程点j的地形高程，W(i+1)为初始水位下断面i和i+1之间蓄水体积。DX(i+1)为断面i与断面i+1里程之差；
1.4)评估确定超挖或欠挖区域范围及超挖或欠挖工程量，指导现场精准疏浚；通过计算断面疏浚量以及绘制疏浚前后地形变化图，快速评估每个断面间及具体位置的疏浚状况；结合水下地形图及码头上部结构的断面标识，评估确定超挖或欠挖区域范围及超挖或欠挖工程量，指导码头面层底部水下桩间疏浚设备施工；依据断面查找受限空间附近标识物，指导现场精准疏浚；
2)抛泥评估
2.1)收集现场工程区域水文、波浪、泥沙和地形数据；结合实际施工水域情况，选取施工区域测量典型点，收集典型点的逐时潮位、波浪过程，以及含沙量变化过程；
2.2)基于二维水流泥沙运动方程，构建二维潮流泥沙数学模型；首先提取地形高程点，选取模型施工区域糙率、泥沙特性等相关参数，输入潮位、含沙量逐时变化过程作为边界条件，以此构建二维潮流泥沙数学模型，并结合现场受限空间疏浚试验段的实测淤积数据，率定与验证数学模型；
2.3)模拟分析不同潮位、不同抛泥点工况下抛泥回淤范围及厚度；采用数值模拟方法，根据受限空间疏浚施工时间段对应的潮位条件，模拟分析不同施工时间段、不同抛泥点工况下抛泥回淤的深度与范围；
2.4)评估确定最优抛泥点位置，避免抛泥回淤造成的不良影响；根据步骤2.3)模拟分析结果，确定合适的疏浚施工时间段及抛泥点位置，以此实现减小抛泥回淤影响的效果。
进一步的，所述步骤1.2)中，所述纵向间距A＝5～7m，所述横向间隔B＝1/2A。
进一步的。依据步骤1.2)中划分的开挖断面对数据进行预处理，提取各断面起点距、高程，以及断面里程间距，计算各断面疏浚量及总量。同时对工程开挖区域划分非结构化网格，网格尺寸根据高程点精度而定，将设计高程与开挖后高程之差导入网格后进行插值，形成水下地形图，形象直观展示每个位置点超挖或欠挖状况。
进一步的，在步骤2.3)中，采用现场潮流、泥沙等数据，基于二维水流运动方程、泥沙连续性方程和河床变形方程，设置初始条件、边界条件，采用有限体积数值求解，构建并验证二维潮流泥沙数学模型，模拟在不同水文条件下，不同抛泥点的泥沙运动特征，计算抛泥后一段时间内开挖区域受潮流影响回淤厚度及扩散范围。
本发明的受限空间水下疏浚快速评估方法参考现场实物划分断面，依据测点与障碍物的相对位置及水下高程，快速计算断面之间疏浚量，快速评估确定超挖或欠挖区域以及超挖或欠挖量，并按照现场实物查找超挖或欠挖区域进行施工。能够快速计算各断面疏浚量，与挖泥设计标高对比，并绘制水下地形图。可针对受限空间不易疏浚问题，形象直观地展示超挖或欠挖范围及其挖泥量，精准指导水下疏浚施工；同时减小因超挖或欠挖后进行填补或重挖而增加人员及施工机械等施工成本，提高了疏浚效率，解决了受限区域内挖泥状况不易评估导致水下疏浚施工难以达到设计要求问题。
本发明的受限空间的抛泥评估方法计算抛泥在潮流影响下对开挖区域回淤厚度及范围，确定最优抛泥点位置，既可避免抛泥与工程区域距离近，抛泥回淤增加，致使开挖工程量增加，也避免了输泥管道过长，泵送成本增加，以及可能与水域其他施工工序形成交叉作业局面，从而确保了受限空间疏浚的施工质量，解决了因抛泥回淤对工程区域造成不利影响的问题。
本发明的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例，是参照附图仅作为例子给出的。
附图说明
图1为受限空间水下疏浚与抛泥评估方法流程图；
图2为工程区域码头平面图；
图3为码头立面图；
图4为S1断面图；
图5为水下地形变化图；
图6为抛泥回淤示意图。
具体实施方式
下面结合附图和某大型水工项目高桩码头桩间土疏浚施工的实施例对本发明作进一步说明。
如图2和图3所示，高桩码头包括前平台100和后平台200，前平台预制面板101安装在预制横梁102上，后平台预制面板201安装在现浇横梁202上，钢管桩30和PHC桩40的桩间土施工区域顶部被覆盖，桩间土疏浚作业空间狭小，评估疏浚状况困难。同时，桩间土开挖后将泥水混合物输送至海侧，受该区域大潮差及土层泥沙特性影响，若抛泥点位置不当，则引起抛泥回淤至施工区域，降低了施工效率。
如图1所示，本实施例包括以下步骤：
1)疏浚评估
1.1)采集水下数据，在水面上无遮挡的开阔区域使用测深仪，在水中有桩基，顶部有高桩码头平台的封闭区域使用测绳，分别采集水下设计高程数据、开挖前后地形高程点数据，以及工程受限空间基本规模的水下数据。
1.2)划分开挖断面，拟定初始水位线，快速计算水下疏浚量；将开挖区域码头按纵向间距A划分为S1～Sn多个断面，同时在顶部的码头前平台面层、码头后平台面层和预制横梁102及现浇横梁202位置做好标识，便于查找断面对应的区域；断面方向结合受限区域的桩基附近，拟定需要测量的高程点位置与数量，按横向间隔B确定测点，记录断面内每个测点的高程以及与桩基相对位置。以码头前沿线与断面交点为计算原点O，在每个断面内测点与原点的距离为起点距，结合对应的高程数据，绘制起点距与高程的如图4所示的断面图。
1.3)快速计算水下疏浚量，根据疏浚区域划分开挖断面及里程，设定初始水位线，根据各断面起点距、高程及初始水位线，依据公式(1)计算在初始水位下过水断面面积，依据公式(2)计算各断面间的蓄水体积，开挖前后蓄水体积之差则计算得出各断面疏浚量与总疏浚量：
A(i)＝DL(i，j)·{Z0-0.5[ZE(i，j+1)+ZE(i，j)]} (1)
其中，A(i)为断面i在初始水位下的面积，DL(i，j)为i断面内j和j+1两个高程点间距，ZE(i，j)为断面i高程点j的地形高程，W(i+1)为初始水位下断面i和i+1之间蓄水体积。DX(i+1)为断面i与断面i+1里程之差。
1.4)评估确定超挖或欠挖区域范围及超挖或欠挖工程量，指导现场精准疏浚；通过计算断面疏浚量以及绘制如图5所示的疏浚前后的地形变化图，快速评估每个断面间及具体位置的疏浚状况；结合水下地形图及码头上部结构的断面标识，评估确定超挖或欠挖区域范围及超挖或欠挖工程量，指导码头面层底部水下桩间疏浚设备施工；依据断面查找受限空间附近标识物，指导现场精准疏浚。
2)抛泥评估
2.1)收集现场工程区域水文、波浪、泥沙和地形数据，结合实际施工水域情况，选取施工区域测量典型点，收集典型点的逐时潮位、波浪过程，以及含沙量变化过程。
2.2)基于二维水流泥沙运动方程，构建二维潮流泥沙数学模型，首先提取地形高程点，选取模型施工区域糙率、泥沙特性等相关参数，输入潮位、含沙量逐时变化过程作为边界条件，以此构建二维潮流泥沙数学模型，并结合现场受限空间疏浚试验段的实测淤积数据，率定与验证数学模型。
2.3)模拟分析不同潮位、不同抛泥点工况下抛泥回淤范围及厚度，采用数值模拟方法，根据受限空间疏浚施工时间段对应的潮位条件，模拟分析不同施工时间段、不同抛泥点工况下抛泥回淤的深度与范围，绘制图6。
2.4)评估确定最优抛泥点位置，避免抛泥回淤造成的不良影响；根据步骤2.3)模拟分析结果，确定合适的疏浚施工时间段及抛泥点位置，以此实现减小抛泥回淤影响的效果。
进一步的，所述步骤1.2)中，所述纵向间距A＝6m，所述横向间隔B＝1/2A＝3m。
进一步的。依据步骤1.3)中划分的开挖断面对数据进行预处理，提取各断面起点距、高程，以及断面里程间距，计算各断面疏浚量及总量。同时对工程开挖区域划分非结构化网格，网格尺寸根据高程点精度而定，将设计高程与开挖后高程之差导入网格后进行插值，形成图5所示的水下地形图，形象直观展示每个位置点超挖或欠挖状况。
进一步的，在步骤2.3)中，采用现场潮流、泥沙等数据，基于二维水流运动方程、泥沙连续性方程和河床变形方程，设置初始条件、边界条件，采用有限体积数值求解，构建并验证二维潮流泥沙数学模型，模拟在不同水文条件下，不同抛泥点的泥沙运动特征，计算抛泥后一段时间内开挖区域受潮流影响回淤厚度及扩散范围。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
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