在水深测量中通常采用高频回声测深仪进行测量,反射界面密度一般为1 050kg/m3左右,该界面容重对船舶航行能保证安全,但是对密度相对较大的浮泥层的测定比较困难,高频信号无法穿透浮泥层,而适航水深的测量关键是确定浮泥层的密度及对应厚度。因此,采用普通的高频回声测深仪将无法测量得到适航水深值。目前,在国内采用较多的有重力式器具(如三爪铊)测量和走航式测量系统。
3.1.1 三爪铊测量
三爪铊测量适航水深是利用浮力原理,有3个张开的竹片或不锈钢片和一个铅锤(如图2-14所示),随着水下浮泥层密度的增加,浮力变大,到达一定浮泥密度时,三爪铊重量和浮力达到平衡,从而测定适航深度。
三爪铊的制作相对简单、成本低廉、作业灵活,但是这种方法的测量精度有赖于测量现场环境和测量员的工作经验,当水流流速和船速、三爪铊抛出速度不匹配时容易造成测绳的倾斜从而带来误差,操作人员的读数及绳尺的分划也会对测量结果有一定的影响。此外,这种方法只适用于测量小范围的适航水深图,工作强度较大、效率较低。
图2-14 三爪铊实物照片
3.1.2 走航式适航水深测量
这种测量方法的最大优点是使适航水深测量实现完全走航式,并大大提高了测深精度和工作效率,可用于大范围的适航水深测量工作。同时,可满足淤泥质港口海底地形复杂和测量工期的要求。交通运输部天津水运工程科学研究所引进了荷兰生产的SILAS走航式测量系统,如图2-15所示,采用双频水深测量与SILAS数据采集软件相结合的方式进行测量。
该系统利用双频(或低频)回声测深仪向泥层发射信号,高频声波到达水-泥交界面,随即反射,故能确定泥面位置(水深),这与通用水深测量的原理相同。而低频声波能穿透泥层,在穿越淤泥层过程中,有部分声波返回,返回声波的强度与淤泥界面密度梯度有关,梯度越大,反射波强度越强。低频声波直至穿越整个淤泥层达到未开挖的原土层后,能量基本消失。因此,能连续不断采集到淤泥层各界面上的反射波强度。若将室内事先率定好的反射波强度与淤泥重度的关系输入处理系统,便可确定出整个剖面的密度值,从而可确定出不同淤泥重度界面的位置,一次可成淤泥层表面、适航厚度界面、开挖层界面的可视图像。图2-16为利用走航式适航水深测量系统测得口门附近断面的SILAS处理图像,显示了淤泥层表面、适航厚度界面、开挖层界面等的可视图像。
图2-15 SILAS走航式测量系统
图2-16 某航道断面水深SILAS处理图像——航道
淤泥密度测量采用采用荷兰Rheotune音叉密度计见图2-17。该仪器利用音叉振动原理测量淤泥的密度,可以将率定文件载入使用,无需重复率定,测量结果稳定、可靠,使用方便。输出的数据界面见图2-18,可直观显示不同深度处对应的密度值。(www.xing528.com)
使用的音叉密度计必须进行率定,率定用的泥沙和水样应在计划测量区域内采集,配置样品数目不得少于10个,样品的重度应在10.5~14.5kN/m3之间均匀划分,每个样品量应大于1 000ml,样品称重应使用万分之一天平,率定系统的相对误差应小于1%。例如在厦门测量时,现场采集泥沙样品,配制了11个不同密度值(1 034~1 481kg/m3)泥样,先采用密度计测量泥样密度值,然后采用万分之一天平称重测泥样密度,然后对两种测量方法的结果进行对比如图2-19所示,可见两种结果的吻合较好。
淤泥层垂线重度测量前必须先进行密度计现场测深校正。采用一点法校正时,宜选择最大深度校正;采用两点法校正时,宜选择深度差最大的两点校正。另外,还需要在测量前进行感温,感温时间不少于3min。本次测量时采用1点法校正温度和2点法校正深度。
每次进行垂线重度测量前,必须清洗密度计音叉探头。
图2-17 Rheotune音叉振动密度计
图2-18 Rheotune音叉密度计输出界面
图2-19 密度计测量和称重法测量结果对比
3.1.3 三爪铊和音叉密度计对比分析
为了确定适航水深测量方法,采用音叉密度计与某单位近期新制作的三爪铊的测量结果进行了对比。在航道中,同步利用三爪铊和音叉密度计进行测量,对比结果如图2-20所示,发现密度计测量得到的泥层界面与铊测得到的界面存在一定的差距,部分测点对应关系较好,但某些测点相差较大,且均比密度计测量得到的水深要大,究其原因应该是在测量过程中三爪铊的测绳倾斜导致。因此,当测量面积大、憩流时间短时,三爪铊测量将不能满足及时、高精度测量的要求。因此,在航道中适航水深宜采用走航式测量(双频测深仪+密度计相结合的方式),若采用三爪铊进行局部复核测量时,三爪铊对应界面的淤泥密度值应当为适航淤泥重度值。对于停泊水域适航水深,可采用走航式或有条件地采用三爪铊测量。
图2-20 密度计与铊测结果比对
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