《交通運(yùn)輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２０）——第一部分公鐵水《印度洋季風(fēng)環(huán)境下低窄頂防波堤施工關(guān)鍵技術(shù)》

1. 項(xiàng)目名稱(chēng): 印度洋季風(fēng)環(huán)境下低窄頂防波堤施工關(guān)鍵技術(shù)

2. 完成單位: 中交第四航務(wù)工程局有限公司、中交四航局第二工程有限公司、 中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司

3. 主要完成人: 曹劍林、 李漢渤、 郭贊輝、金建軍、 夏曉露、 李春潮、 徐杰、 黃遠(yuǎn)明、 馮宇子、 聶洪斌

　　(一)項(xiàng)目背景

　　科倫坡港口城獨(dú)特地理位置,長(zhǎng)期受印度洋季風(fēng)氣候影響,長(zhǎng)周期涌浪和短周期風(fēng)浪相互作用,風(fēng)浪周期較短,一般處于3~8s之間;涌浪周期較長(zhǎng),在8~20s之間,兩者相互疊加,形成以涌浪影響為主的混合浪,使得科倫坡海域常年處于很強(qiáng)的波浪動(dòng)力環(huán)境下。每年的5—9月份為西南季風(fēng)期,西南方向涌浪較大,防波堤等結(jié)構(gòu)無(wú)法施工,本工程實(shí)施期間需要經(jīng)歷2~3個(gè)季風(fēng)期,季風(fēng)期間部分結(jié)構(gòu)物存在未按設(shè)計(jì)斷面形成的情況,需要對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行臨時(shí)防護(hù)以便安全度過(guò)季風(fēng)期。

　　港口城項(xiàng)目防波堤設(shè)計(jì)斷面較為袖珍,堤頂頂寬低、窄,該設(shè)計(jì)斷面的好處是節(jié)省石料、節(jié)約工期。防波堤為離岸式結(jié)構(gòu),施工工序多,一般考慮采用全水上施工。但考慮到項(xiàng)目所在地斯里蘭卡船機(jī)設(shè)備較為匱乏,并受季風(fēng)期影響,防波堤施工主要依靠非季風(fēng)期的時(shí)間段進(jìn)行施工,面臨五個(gè)難點(diǎn):離岸、深水,頂高低、堤頂窄,精度高(扭王塊和拋石成型采用國(guó)際高標(biāo)準(zhǔn)),傳統(tǒng)工藝難以滿(mǎn)足防波堤的精度要求和效率很低,難以滿(mǎn)足同步推進(jìn)過(guò)程中掩護(hù)陸域的需求。本項(xiàng)目為英標(biāo)與國(guó)標(biāo)結(jié)合的典范項(xiàng)目,有必要對(duì)防波堤的扭王塊施工工藝進(jìn)行系列深入研究,推動(dòng)扭王塊設(shè)計(jì)施工與國(guó)際的接軌。

　　(二)技術(shù)概況

　　以斯里蘭卡港口城工程項(xiàng)目為依托,從防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工組織及工藝、信息化施工技術(shù)等方面進(jìn)行研究,高效地解決了防波堤施工工序多、工期緊、質(zhì)量要求高等難題。依托該項(xiàng)目開(kāi)展了以下技術(shù)研究:

　　(1)倒濾斜坡式防波堤設(shè)計(jì)優(yōu)化方面,開(kāi)展深水防波堤低標(biāo)高、窄堤身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工的關(guān)鍵技術(shù)研究,開(kāi)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)研究和應(yīng)用,研究印度洋季風(fēng)環(huán)境下砂肩臺(tái)配合寬柔性護(hù)底的深水防波堤防沖刷結(jié)構(gòu)形式。

　　(2)低窄頂斜坡式防波堤施工組織及工藝研究方面,通過(guò)對(duì)波浪特性的研究,開(kāi)展不同船機(jī)設(shè)備組合施工研究,吸收國(guó)際先進(jìn)技術(shù),總結(jié)科學(xué)精準(zhǔn)、高效協(xié)同的低窄頂斜坡式防波堤建造方法。采用理論計(jì)算、物模論證不同施工階段的結(jié)構(gòu)防護(hù)穩(wěn)定性,研究印度洋季風(fēng)長(zhǎng)周期高能量涌浪作用下結(jié)構(gòu)物臨時(shí)防護(hù)方法。

　　(3)防波堤信息化施工方面,研究水下扭王字塊可視化安裝和可視化理坡施工技術(shù),實(shí)現(xiàn)水下可視化施工。研究采用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù),用于扭王字塊驗(yàn)收和石料堆存計(jì)量。本項(xiàng)目研究總結(jié)出了一套適應(yīng)于印度洋強(qiáng)浪條件下防波堤的建造技術(shù),為海況惡劣條件下建造防波堤提供了高效、快捷的解決方案。

　　(三)適用范圍

　　本項(xiàng)目研究成果適用于各類(lèi)海況,為自然條件惡劣條件下建設(shè)防波堤提供高效、快速的解決方案,節(jié)約了建設(shè)成本。隨著我國(guó)港口工程建設(shè)領(lǐng)域不斷發(fā)展,具有廣闊推廣應(yīng)用前景。

　　(四)獲獎(jiǎng)情況

　　獲評(píng)中國(guó)交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)2020年度科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

　　(1)根據(jù)防波堤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工程節(jié)點(diǎn)要求,將傳統(tǒng)的水上和陸上工藝進(jìn)行了完美的組合,施工過(guò)程中分別形成水上及陸上的出水點(diǎn),保證兩個(gè)點(diǎn)的流水工作面,在保證防波堤施工進(jìn)度的同時(shí),充分利用了現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有的船機(jī)設(shè)備資源,節(jié)約了施工成本。

　　(2)引進(jìn)配有國(guó)際先進(jìn)可視化系統(tǒng)的200t挖掘機(jī),保證了防波堤水下安裝的可視化,施工過(guò)程中操作、技術(shù)管理人員及監(jiān)理人員可清楚地看到水下的具體情況,更直觀的給予具體的操作意見(jiàn)或驗(yàn)收意見(jiàn)。相比于傳統(tǒng)的“潛水+履帶吊冶組合的方式,可視化安裝工藝更安全,同時(shí)也不必依賴(lài)潛水人員對(duì)安裝規(guī)則的理解程度,施工質(zhì)量更為可控。

　　(3)引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)的GPS理坡系統(tǒng),清晰直觀地將水下塊石拋填情況反饋給操作手,同時(shí)在施工的過(guò)程中可直接開(kāi)展驗(yàn)收工作,相比于傳統(tǒng)的盲理質(zhì)量更有保證,驗(yàn)收效率更高。

　　(4)利用無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)為載體,結(jié)合GPS導(dǎo)航定位技術(shù),運(yùn)用攝影測(cè)量技術(shù),實(shí)現(xiàn)了扭王字塊安裝質(zhì)量驗(yàn)收及現(xiàn)場(chǎng)石料儲(chǔ)備量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

　　(一)倒濾斜坡式防波堤設(shè)計(jì)優(yōu)化

　　開(kāi)展石料供應(yīng)和質(zhì)量受限條件下低標(biāo)高、窄堤身深水防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工的關(guān)鍵技術(shù)研究,開(kāi)展堤心料分級(jí)研究,開(kāi)展防波堤結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)研究和應(yīng)用,研究印度洋季風(fēng)環(huán)境下砂肩臺(tái)配合寬柔性護(hù)底的深水離岸防波堤防沖刷結(jié)構(gòu)形式。

　　(二)低窄頂斜坡式防波堤施工組織及工藝研究

　　防波堤建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)性工程,通過(guò)對(duì)波浪特性的研究,開(kāi)展不同船機(jī)設(shè)備組合施工研究,吸收國(guó)際先進(jìn)技術(shù),總結(jié)出了一整套采用自航駁船、開(kāi)體駁、定位方駁,長(zhǎng)短臂鉤機(jī)、吊機(jī)、礦山車(chē)等重型機(jī)械設(shè)備,在合理施工順序下協(xié)調(diào)作業(yè),高效精準(zhǔn)完成低窄頂斜坡式防波堤建造的方法,在極度緊張的施工工期內(nèi)完成了3245m防波堤以及其余約2公里水工結(jié)構(gòu)的建設(shè),為項(xiàng)目開(kāi)發(fā)提供了良好的基礎(chǔ)。

　　(三)印度洋季風(fēng)長(zhǎng)周期高能量涌浪作用下結(jié)構(gòu)物臨時(shí)防護(hù)研究

　　根據(jù)防波堤所處海域的風(fēng)浪流等水文氣象條件,通過(guò)理論計(jì)算,物模論證各個(gè)不同施工階段的結(jié)構(gòu)防護(hù)穩(wěn)定性,找出了印度洋季風(fēng)長(zhǎng)周期高能量涌浪長(zhǎng)時(shí)間作用下結(jié)構(gòu)物臨時(shí)防護(hù)的方法,使得結(jié)構(gòu)物安全度過(guò)季風(fēng)期浪涌的侵襲和沖刷,給后方陸域提供了良好的掩護(hù)。

　　(四)水下扭王字塊可視化安裝研究

　　通過(guò)定制大型長(zhǎng)臂挖掘機(jī)搭載Echoscope3D聲吶可視化安裝系統(tǒng)和水下攝像頭,實(shí)現(xiàn)了水下扭王字塊可視化安裝,利用鉤機(jī)配置的機(jī)械轉(zhuǎn)盤(pán),水平360毅調(diào)整塊體姿勢(shì),達(dá)到塊體間的立項(xiàng)勾連咬合效果,剛性的鉤機(jī)臂消除了傳統(tǒng)吊機(jī)安裝扭王字塊因鋼絲繩在水流、波浪力作用下擺動(dòng)導(dǎo)致定位不精準(zhǔn)的問(wèn)題,形成了一套扭王字塊可視化安裝技術(shù),可為同類(lèi)項(xiàng)目提供良好的借鑒。

　　(五)可視化理坡及斷面測(cè)量驗(yàn)收方法研究

　　通過(guò)給長(zhǎng)臂鉤機(jī)配備天寶GCS900理坡引導(dǎo)系統(tǒng),形成了水下塊石的可視化安放、理坡施工以及斷面測(cè)量驗(yàn)收的施工方法,施工效率和施工質(zhì)量成倍提高,在服務(wù)于本項(xiàng)目的同時(shí)也為同類(lèi)項(xiàng)目提供良好的借鑒。

　　(六)已安裝扭王字塊無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量驗(yàn)收技術(shù)研究

　　針對(duì)防波堤堤頂扭王塊施工測(cè)量中存在的難點(diǎn)和較大的安全隱患,研究采用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量快速、精準(zhǔn)、高效地采集扭王塊安裝后的數(shù)據(jù)信息,通過(guò)航拍軟件處理后的數(shù)字模型,形成扭王字塊驗(yàn)收測(cè)量資料。

　　(七)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量在石料堆存計(jì)量中的應(yīng)用

　　對(duì)于石料種類(lèi)多、數(shù)量龐大、常規(guī)測(cè)量方法效率低下、存在安全隱患的情況,研究采用無(wú)人機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的石料堆場(chǎng)進(jìn)行航拍攝影測(cè)量和計(jì)量工作,施工精度滿(mǎn)足要求,施工效率高。

同類(lèi)項(xiàng)目比較見(jiàn)表 1。

　　斯里蘭卡科倫坡港口城項(xiàng)目防波堤結(jié)構(gòu),開(kāi)始施工于2016年3月,于2019年3月完工。與防波堤陸推相關(guān)的游艇碼頭外護(hù)岸結(jié)構(gòu),開(kāi)始施工于2014年9月,將于2019年6月完工。防波堤總長(zhǎng)3245m,設(shè)計(jì)頂標(biāo)高為+4.0m,設(shè)計(jì)頂寬9m,拋填石料183萬(wàn)立方米。游艇碼頭外護(hù)岸總長(zhǎng)930m,設(shè)計(jì)堤頂+5.0m,其中0~472.5里程為直立式護(hù)岸,472.5~930為斜坡式護(hù)岸。通過(guò)精心組織施工,斯里蘭卡港口城項(xiàng)目防波堤及游艇外護(hù)岸自實(shí)施以來(lái),經(jīng)受了2個(gè)季風(fēng)期的考驗(yàn),結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,施工質(zhì)量和進(jìn)度完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)以及業(yè)主的各項(xiàng)指標(biāo),得到了各方的好評(píng)(見(jiàn)圖1和圖2)。