CN109282737A - 一种防波堤抛石挤淤效果测定方法 - Google Patents

一种防波堤抛石挤淤效果测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防波堤抛石挤淤效果测定方法。基于等距离划分原则对防波堤进行分割，根据堤型与堤身高度确定测量断面；采用虚拟轨道控制整个系统，根据先标定后测量的原则，并基于土体介电特性，分别对土层，水，石块进行标定，确定材料单位长度电容值；利用电容大小与材料长度成正比的规律，计算出每层材料区域长度；根据计算结果绘制抛石挤淤形态，计算抛石挤淤面积，通过与设计图纸的对比分析，最终建立防波堤抛石挤淤效果测定方法。该方法具有简单易行，低成本的特点。可广泛适用于防波堤抛石挤淤效果评估。

Description

一种防波堤抛石挤淤效果测定方法
技术领域
本发明属于岩土工程、沿海港口工程技术领域，具体涉及一种防波堤抛石挤淤效果快速判定方法。
背景技术
在防波堤施工的过程中，抛石挤淤是常用的技术之一，对于软弱地基通过置换法进行处理，一般都有良好的处理效果。然而在实际的运用过程中，由于防波堤、海堤建设在水中，无法直接进行测量，导致抛石挤淤效果一般难以判定，需要通过钻孔、长期监控观测才能判定，耗费了大量的时间成本与经济成本，因此需要建立一种防波堤抛石挤淤效果快速判定方法，对工程监控效果检验以及工程质量验收。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防波堤抛石挤淤效果判定方法，解决现有技术中由于防波堤、海堤建设在水中，无法直接进行测量，导致抛石挤淤效果一般难以判定，需要通过钻孔、长期监控观测才能判定，耗费了大量的时间成本与经济成本的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案实现：
因路堤设计方案、地质条件、施工过程等均不一样，为准确判断抛石挤淤效果，所述断面为一般性断面。建立三维直角坐标系OXYZ，本发明中X为沿防波堤的纵向，即沿防波堤的长度方向；Y为垂直防波堤的横向，即沿防波堤的宽度方向；Z为垂直海面的竖向，全线均可利用该方案测量。
一种防波堤抛石挤淤效果快速判定方法，包括以下步骤：
步骤一、1)将防波堤沿其长度方向进行等间距划分，分为N段，N大于或等于2，选取每一段防波堤的堤高最高的断面作为测量断面；
2)建立三维直角坐标系OXYZ，X为沿防波堤的纵向，即沿防波堤的长度方向；Y为垂直防波堤的横向，即沿防波堤的宽度方向；Z为垂直海面的竖向；
步骤二、1)在防波堤两侧竖直设置第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3，其中，第一测量杆G1位于防波堤的一侧，第二测量杆G2和第三测量杆G3位于防波堤的另一侧；测量系统包括第一测量杆G1和第二测量杆G2，标定系统包括第二测量杆G2和第三测量杆G3；第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3均为由多节测量杆单元组成的杆件，第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3最上节测量杆单元的顶点分别记为A、B、C，利用卫星导航系统确定A、B、C三点的位置坐标，分别记为(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，(x3，y3，z3)；
第一测量杆G1与堤顶的水平距离为a，第一测量杆G1、第二测量杆G2与堤底两边预留的距离为b，m为防波堤两侧的坡比，H为堤身的高度，调整a值，满足条件：
2)设定第一测量杆G1最上节测量杆单元顶点A在XOZ平面上的虚拟轨道为在XOY平面上的虚拟轨道为
设定第二测量杆G2最上节测量杆单元顶点B在XOZ平面上的虚拟轨道为在XOY平面上的虚拟轨道为
第二测量杆G2和第三测量杆G3中心连线与防波堤纵向平行，将三根测量杆运送至预定虚拟控制轨道的指定点，第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3的每个测量杆单元中均设置有电容元件，采用双线接法将每个电容元件与测量仪表相连，并在每节测量杆单元的上端设置总线接头，相邻两个测量杆单元通过一个套管连接，每个套管长度为lt，每节测量杆单元的长为lm，每节测杆单元每隔一定距离布置一个电容测量元件，利用套管及螺栓连接固定每节测量杆单元，第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3的长度均为L，满足条件L≥H；
步骤三、第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3最上节测量杆单元的顶点A、B、C为虚拟轨道定位校准点，调整第一测量杆G1、第二测量杆G2的y值使第一测量杆G1、第二测量杆G2沿虚拟纵向轨道滑动，第一测量杆G1、第二测量杆G2满足条件：|y1-y2|≤0.1m，|z1-z2|≤0.1m；
第二测量杆G2、第三测量杆G3满足：|y2-y3|＝1m，|x2-x3|≤0.1m，|z2-z3|≤0.1m；
通过液压装置压力调节将第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3以固定速度v插入水中，直至最下端的测量杆单元下端点到达持力层上表面；设定第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3的土层以上部分与插入土层中杆长之比α，控制第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3与Z轴线夹角β；
步骤四、1)第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3安放到位后，为避免出现击穿现象，输入频率为10MHz的交流电，电压为U(V)，记录每个电容元件示数，观察各点电容元件示数有无变化，若有变化则该点工作正常，反之则该点损坏需更换相应的测量杆；
2)利用第二测量杆G2和第三测量杆G3进行试测确保测量设备正常工作，记录每个电容元件示数，反复试验并取其平均值，作为最终该层的土层参数，标定单位长度土层的电容值Mn(n＝1，2，3…)；同样对堤底含淤泥抛石层进行标定，根据总电容及堤底设计距离确定单位长度电容值，反复试验取其平均值，标定其单位长度电容为N1；
步骤五、1)利用第一测量杆G1、第二测量杆G2组成的测量系统，对设计堤底高程以下部分进行测量，对有数据的测量点从上而下进行编号为：C1，C2…Cn，Cn+1，当Cn+1与Cn差值首次稳定时，将两根测杆同时缓慢升高，直至Cn+1与Cn且差值出现变化时，此时Cn所在水平线即为下界面，上界面即为水位线，依次读取堤底高程以下每层的电容值Cn(n＝1，2，3…)；
2)左、右界面即为第一测量杆G1、第二测量杆G2所在直线；
步骤六、两根测杆间的距离固定为D，根据下列公式：
计算每层抛石区域的长度Yn，利用分层求和的方法计算挤淤部分面积其中，Yn为每层抛石区域的长度，Xn为每层土层长度；
步骤七、绘制以端点为堤底中点的垂直线，在该垂直线上每隔一个层高的距离向两边作延长Yn/2的延长线，依次连接左侧端点与右侧端点，初步绘制出抛石挤淤形状；
计算堤身高度与抛石挤淤深度之比H/h，其中h＝0.25(n-1)m；
计算实际抛石挤淤面积与设计抛石挤淤面积之比η，其中S设为断面预计抛石挤淤面积；
步骤八、建立综合评价体系：
根据抛石挤淤效果综合表(表1)写出综合评价系数为R＝[0.3，0.2，0.5]，G＝W·R根据G值判定抛石挤淤效果等级，A-2＜G≤3，B-1＜G≤2，C-0＜G≤1。
表1抛石挤淤效果综合评价表
评估得分 0分 1分 2分 3分
挤淤形状 未定型 三角形 梯形 半椭圆
H/h 0～2及＞15 2-5 5-10 10-15
η 0～0.3及＞1.2 0.3～0.6 0.6～0.8 0.8～1.2
优选地，为避免与堤脚接触，所述步骤二中第一测量杆G1、第二测量杆G2与两边预留距离b为2m。
优选地，步骤二中的定位系统可采用我国自主研发的北斗卫星定位系统(BDS)。
优选地，为保证测量杆重复多次使用，减少海水的腐蚀，所述步骤二与步骤三中的测量杆材质为不锈钢。测杆分节组装而成，每节长度lm范围为3-4m，每节测杆单元每隔25cm布置一个电容测量元件。
优选地，为了保证连接处的密封性，所述步骤二中的套管外侧包裹的防水材料为HDPE防水膜，第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3的测量杆单元连接处设置有防水垫片。
优选地，为了准确定位测量杆端位置，所述步骤二在第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3的最上端安装有防水定位装置。
优选地，为保证测量杆顺利进入土层，所述步骤三液压装置压力控制在3MPa～4MPa。
优选地，第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3位于土层以上部分与插入土层中部分的长度之比为3/4。
优选地，为了保证计算精度，减小不必要的误差所述步骤四对每一种材料电容值的标定试验次数均为5次。
优选地，为保证电容示数的稳定，所述步骤四输入电压为30-100V的交流电。
优选地，为保证有效测量，两根测量杆保持平行，所述步骤三中第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3之间必须保持平行，第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3与Z轴线夹角β不得超过1°。
综上所述，本发明所提供的一种防波堤抛石挤淤效果快速判定方法，利用电容工作原理以及分层求和法，建立了一套低成本、高效率、高精度的防波堤抛石挤淤效果快速判定方法，可以运用于防波堤、海堤等实际工程抛石挤淤效果的判定。
与现有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、提高了获取数据的准确性，在水下直接进行测量，避免了沉降观测中的累计误差。
2、提高了计量效率，在施工结束后进行一次性测量，大大减少了计量成本。
3、可操作性更强，测试仪器采用现场组装的方式，可重复使用测量，操作简单更易于携带海上作业。
4、采用分层求和的方法，提高了计算精度，每层厚度为25cm，电容测量元件器布置密集，在保证准确性的同时提高而计算效率。
附图说明
图1为本发明横断面示意图。
图2为本发明纵断面示意图。
图3为本发明A-A截面示意图。
图4为本发明计算示意图。
图5为本发明测量杆及连接示意图。
图6为本发明所述防波堤抛石挤淤效果测定方法的流程图。
图中标号为：1、堤顶；2、水位线；3、测量杆；4、抛石挤淤部分；5、堤底；6、电容测量元件；7、定位螺栓；8、连接器(不锈钢套筒)；9、虚拟轨道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-6所示，图中标号为：1、堤顶；2、水位线；3、测量杆；4、抛石挤淤部分；5、堤底；6、电容测量元件；7、定位螺栓；8、连接器(不锈钢套筒)；9、虚拟轨道。
本次实施例为某防波堤工程，该工程要求对其中200米重点段落(K0+000～K0+200)进行抛石挤淤效果评估。本发明中X为沿防波堤的纵向，Y为垂直防波堤的横向，Z为垂直海面的竖向。防波堤坡比为1∶3，堤身高度范围8-10m，堤顶宽度为18m。
步骤一：选择堤身高度最大的横断面K+150作为测量断面。
步骤二：测量系统包括第一测量杆G1和第二测量杆G2，标定系统包括第二测量杆G2和第三测量杆G3，第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3最上节测量杆单元的顶点分别记为A、B、C，利用北斗卫星导航系统(BDS)确定A、B、C三点的位置坐标，A、B、C三点的位置坐标分别为
(6.33，5.21，11.23)，(88.33，5.22，11.22)，(88.33，4.22，11.23)。
利用BDS装置确第一测量杆G1、第二测量杆G2与堤顶的水平距离a为35m，其满足条件：第一测量杆G1、第二测量杆G2与两边预留b的距离，m为防波堤两侧的坡比。
设定第一测量杆G1最上节测量杆单元顶点A在XOZ平面上的虚拟轨道为在XOY平面上的虚拟轨道为
设定第二测量杆G2最上节测量杆单元顶点B在XOZ平面上的虚拟轨道为在XOY平面上的虚拟轨道为
第二测量杆G2和第三测量杆G3中心连线与防波堤纵向平行，将三根测量杆同时运送至预定虚拟控制轨道的指定点，第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3的每个测量杆单元中均设置有电容元件，采用双线接法每个电容元件与测量仪表相连，并在每节测量杆单元的上端设置总线接头，相邻两个测量杆单元通过一个套管连接，套管每个长度为25cm，每节测量杆单元杆长为3m，利用套管及螺栓连接固定4节测量杆，测量杆总长为12m，满足条件L＝12m≥H＝10m。
步骤三：测量杆上杆端作为虚拟轨道定位校准点，调整第一测量杆G1、第二测量杆G2的y值使得第一测量杆G1、第二测量杆G2沿虚拟纵向轨道滑动，通过BDS确定三根测杆端的位置分别为：(6.33，5.21，11.23)，(88.33，5.22，11.22)，(88.33，4.22，11.23)满足条件|y1-y2|≤0.1m，|z1-z2|≤0.1m，|y2-y3|＝1m，|x2-x3|≤0.1m，|z2-z3|≤0.1m，如图3所示。通过液压装置压力调节(3MPa-4MPa)以固定速度5cm/s插入水中，直至末节测量杆下端到达持力层上表面，土层以上与插入土层杆长之比α为2/3，控制测量杆与轴线夹角β为0.5°＜1°，如图1。
步骤四：测量杆安放到位后，输入电压U为(频率为10MHz)38V的交流电，观察各点电容示数有无变化，若有变化则该点工作正常，反之则该点损坏需更换相应的测量杆。检查电容测量元件，保持两根测量杆之间平行，满足测量条件。利用第二测量杆G2和第三测量杆G3进行试测确保测量设备正常工作，输入电压为(频率为10MHz)38V的交流电，记录每个电容元件示数，反复试验5次并取其平均值，作为最终该层的土层参数，标定单位长度土层的电容值Mn(n＝1，2，3…)，确定单位长度的电容值如表2所示；同样对堤底含淤泥抛石层进行标定，确定其单位长度电容为N1＝40pf/m。
表2：土层标定数值表
测量元件编号 各土层标定值pf/m
M<sub>1</sub> 21.1
M<sub>2</sub> 23.2
M<sub>3</sub> 23.6
M<sub>4</sub> 24.1
M<sub>5</sub> 24.8
M<sub>6</sub> 24.9
M<sub>7</sub> 25.4
M<sub>8</sub> 25.7
步骤五：利用第一测量杆G1、第二测量杆G2组成的测量系统，对设计堤底高程以下部分进行测量，对有数据的测量点从上而下进行编号为：C1，C2…Cn，Cn+1，当Cn+1与Cn差值首次稳定时，此时n＝8将两根测杆同时缓慢升高，直至C9与C8且差值出现变化时，C8所在水平线即为下界面，上界面即为水位线，依次读取堤底高程以下每层的电容值Cn(n＝1，2，3…8)；测杆读数如表3所示。
表3：测杆读数表
测量元件编号 电容值/pf
C<sub>1</sub> 3204.4
C<sub>2</sub> 3112.0
C<sub>3</sub> 2937.2
C<sub>4</sub> 2772.8
C<sub>5</sub> 2504.8
C<sub>6</sub> 2369.5
C<sub>7</sub> 2285.7
C<sub>8</sub> 2131.7
步骤六：由于两根测杆间的距离固定为D＝82m，将上表2、3数据代入公式：
可计算出每层(25cm)抛石区域的长度Yn，结果如表4所示。Yn为每层抛石区域的长度，Xn为每层土层长度。
利用分层求和的方法计算出挤淤部分面积：
表4：结果统计表
步骤七：初步绘制抛石挤淤形状，绘制以端点为堤底中点的垂直线，在该垂直线上每25cm向两边作延长Yn/2的延长线，依次连接左侧端点与右侧端点，可初步绘制处抛石挤淤形状，结果为倒梯形。
计算堤身高度H与抛石挤淤深度h之比H/h，h＝0.25(8-1)＝1.75，H/h＝10/1.75≈5.7。
计算挤淤效果系数其中S设为断面预计抛石挤淤面积(设计图纸提供)。
步骤八：建立综合评价体系
根据抛石挤淤效果综合表(表1)写出综合评价系数为R＝[0.3，0.2，0.5]，G＝W·R＝2.5根据G值判定抛石挤淤效果等级为A，抛石挤淤效果良好。

Claims (10)

1.一种防波堤抛石挤淤效果测定方法，包括以下步骤：
步骤一、防波堤分段划分并建立坐标系：1)将防波堤沿其长度方向进行等间距划分，分为N段，N大于或等于2，选取每一段防波堤的堤高最高的断面作为测量断面；
2)建立三维直角坐标系OXYZ，X为沿防波堤的纵向，即沿防波堤的长度方向；Y为垂直防波堤的横向，即沿防波堤的宽度方向；Z为垂直海面的竖向；
步骤二、确定测量杆位置并建立虚拟轨道：1)在防波堤两侧竖直设置第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3，其中，第一测量杆G1位于防波堤的一侧，第二测量杆G2和第三测量杆G3位于防波堤的另一侧；测量系统包括第一测量杆G1和第二测量杆G2，标定系统包括第二测量杆G2和第三测量杆G3；第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3均为由多节测量杆单元组成的杆件，第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3最上节测量杆单元的顶点分别记为A、B、C，利用卫星导航系统确定A、B、C三点的位置坐标，分别记为(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，(x3，y3，z3)；
第一测量杆G1与堤顶的水平距离为a，第一测量杆G1、第二测量杆G2与堤底两边预留的距离为b，m为防波堤两侧的坡比，H为堤身的高度，调整a值，满足条件：
2)设定第一测量杆G1最上节测量杆单元顶点A在XOZ平面上的虚拟轨道为在XOY平面上的虚拟轨道为
设定第二测量杆G2最上节测量杆单元顶点B在XOZ平面上的虚拟轨道为在XOY平面上的虚拟轨道为
第二测量杆G2和第三测量杆G3中心连线与防波堤纵向平行，将三根测量杆运送至预定虚拟控制轨道的指定点，第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3的每个测量杆单元中均设置有电容元件，采用双线接法将每个电容元件与测量仪表相连，并在每节测量杆单元的上端设置总线接头，相邻两个测量杆单元通过一个套管连接，每个套管长度为lt，每节测量杆单元的长为lm，每节测杆单元每隔一定距离布置一个电容测量元件，利用套管及螺栓连接固定每节测量杆单元，第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3的长度均为L，满足条件L≥H；
步骤三、布置G1、G2测量系统与G2、G3标定系统：第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3最上节测量杆单元的顶点A、B、C为虚拟轨道定位校准点，调整第一测量杆G1、第二测量杆G2的y值使第一测量杆G1、第二测量杆G2沿虚拟纵向轨道滑动，第一测量杆G1、第二测量杆G2满足条件：|y1-y2|≤0.1m，|z1-z2|≤0.1m；
第二测量杆G2、第三测量杆G3满足：|y2-y3|＝1m，|x2-x3|≤0.1m，|z2-z3|≤0.1m；
通过液压装置压力调节将第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3以固定速度v插入水中，直至最下端的测量杆单元下端点到达持力层上表面；设定第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3的土层以上部分与插入土层中杆长之比α，控制第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3与Z轴线夹角β；
步骤四、系统调试并标定材料电容：1)第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3安放到位后，为避免出现击穿现象，输入频率为10MHz的交流电，电压为U(V)，记录每个电容元件示数，观察各点电容元件示数有无变化，若有变化则该点工作正常，反之则该点损坏需更换相应的测量杆；
2)利用第二测量杆G2和第三测量杆G3进行试测确保测量设备正常工作，记录每个电容元件示数，反复试验并取其平均值，作为最终该层的土层参数，标定单位长度土层的电容值Mn(n＝1，2，3…)；同样对堤底含淤泥抛石层进行标定，根据总电容及堤底设计距离确定单位长度电容值，反复试验取其平均值，标定其单位长度电容为N1；
步骤五、搜索并确定上下界面与左右界面：1)利用第一测量杆G1、第二测量杆G2组成的测量系统，对设计堤底高程以下部分进行测量，对有数据的测量点从上而下进行编号为：C1，C2…Cn，Cn+1，当Cn+1与Cn差值首次稳定时，将两根测杆同时缓慢升高，直至Cn+1与Cn且差值出现变化时，此时Cn所在水平线即为下界面，上界面即为水位线，依次读取堤底高程以下每层的电容值Cn(n＝1，2，3…)；
2)左、右界面即为第一测量杆G1、第二测量杆G2所在直线；
步骤六、断面挤淤面积计算：两根测杆间的距离固定为D，根据下列公式：
计算每层抛石区域的长度Yn，利用分层求和的方法计算挤淤部分面积其中，Yn为每层抛石区域的长度，Xn为每层土层长度；
步骤七、绘制以端点为堤底中点的垂直线，在该垂直线上每隔一个层高的距离向两边作延长Yn/2的延长线，依次连接左侧端点与右侧端点，初步绘制出抛石挤淤形状；
计算堤身高度与抛石挤淤深度之比H/h，其中h＝0.25(n-1)m；
计算实际抛石挤淤面积与设计抛石挤淤面积之比η，其中S设为断面预计抛石挤淤面积；
步骤八、建立综合评价体系：
根据抛石挤淤效果综合表(表1)写出综合评价系数为R＝[0.3，0.2，0.5]，G＝W·R，根据G值判定抛石挤淤效果等级，A-2＜G≤3，B-1＜G≤2，C-0＜G≤1；
抛石挤淤效果综合评价表
2.根据权利要求1所述的防波堤抛石挤淤效果测定方法，其特征在于，所述步骤二中第一测量杆G1、第二测量杆G2与两边预留距离b为2m。
3.根据权利要求1所述的防波堤抛石挤淤效果测定方法，其特征在于，所述步骤二与步骤三中的测量杆材质为不锈钢。测杆分节组装而成，每节长度lm范围为3-4m，每节测杆单元每隔25cm布置一个电容测量元件。
4.根据权利要求1所述的防波堤抛石挤淤效果测定方法，其特征在于，所述步骤二中的套管外侧包裹的防水材料为HDPE防水膜，第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3的测量杆单元连接处设置有防水垫片。
5.根据权利要求1所述的防波堤抛石挤淤效果测定方法，其特征在于，所述步骤二在第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3的最上端安装有BDS防水定位装置。
6.根据权利要求1所述的防波堤抛石挤淤效果测定方法，其特征在于，所述步骤三液压装置压力控制在3MPa～4MPa。
7.根据权利要求1所述的防波堤抛石挤淤效果测定方法，其特征在于，第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3位于土层以上部分与插入土层中部分的长度之比为3/4。
8.根据权利要求1所述的防波堤抛石挤淤效果测定方法，其特征在于，所述步骤四对每一种材料电容值的标定试验次数均不应小于3次。
9.根据权利要求1所述的防波堤抛石挤淤效果测定方法，其特征在于，所述步骤四输入电压为30-100V的交流电。
10.根据权利要求1所述的防波堤抛石挤淤效果测定方法，其特征在于，所述步骤四第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3之间必须保持平行，第一测量杆G1、第二测量杆G2和第三测量杆G3与Z轴线夹角β偏转角γ不得超过1度。
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