《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）——第一部分公铁水《印度洋季风环境下低窄顶防波堤施工关键技术》

1. 项目名称: 印度洋季风环境下低窄顶防波堤施工关键技术

2. 完成单位: 中交第四航务工程局有限公司、中交四航局第二工程有限公司、 中国港湾工程有限责任公司

3. 主要完成人: 曹剑林、 李汉渤、 郭赞辉、金建军、 夏晓露、 李春潮、 徐杰、 黄远明、 冯宇子、 聂洪斌

　　(一)项目背景

　　科伦坡港口城独特地理位置,长期受印度洋季风气候影响,长周期涌浪和短周期风浪相互作用,风浪周期较短,一般处于3~8s之间;涌浪周期较长,在8~20s之间,两者相互叠加,形成以涌浪影响为主的混合浪,使得科伦坡海域常年处于很强的波浪动力环境下。每年的5—9月份为西南季风期,西南方向涌浪较大,防波堤等结构无法施工,本工程实施期间需要经历2~3个季风期,季风期间部分结构物存在未按设计断面形成的情况,需要对结构物进行临时防护以便安全度过季风期。

　　港口城项目防波堤设计断面较为袖珍,堤顶顶宽低、窄,该设计断面的好处是节省石料、节约工期。防波堤为离岸式结构,施工工序多,一般考虑采用全水上施工。但考虑到项目所在地斯里兰卡船机设备较为匮乏,并受季风期影响,防波堤施工主要依靠非季风期的时间段进行施工,面临五个难点:离岸、深水,顶高低、堤顶窄,精度高(扭王块和抛石成型采用国际高标准),传统工艺难以满足防波堤的精度要求和效率很低,难以满足同步推进过程中掩护陆域的需求。本项目为英标与国标结合的典范项目,有必要对防波堤的扭王块施工工艺进行系列深入研究,推动扭王块设计施工与国际的接轨。

　　(二)技术概况

　　以斯里兰卡港口城工程项目为依托,从防波堤结构设计优化、施工组织及工艺、信息化施工技术等方面进行研究,高效地解决了防波堤施工工序多、工期紧、质量要求高等难题。依托该项目开展了以下技术研究:

　　(1)倒滤斜坡式防波堤设计优化方面,开展深水防波堤低标高、窄堤身结构设计施工的关键技术研究,开展结构优化技术研究和应用,研究印度洋季风环境下砂肩台配合宽柔性护底的深水防波堤防冲刷结构形式。

　　(2)低窄顶斜坡式防波堤施工组织及工艺研究方面,通过对波浪特性的研究,开展不同船机设备组合施工研究,吸收国际先进技术,总结科学精准、高效协同的低窄顶斜坡式防波堤建造方法。采用理论计算、物模论证不同施工阶段的结构防护稳定性,研究印度洋季风长周期高能量涌浪作用下结构物临时防护方法。

　　(3)防波堤信息化施工方面,研究水下扭王字块可视化安装和可视化理坡施工技术,实现水下可视化施工。研究采用无人机摄影测量技术,用于扭王字块验收和石料堆存计量。本项目研究总结出了一套适应于印度洋强浪条件下防波堤的建造技术,为海况恶劣条件下建造防波堤提供了高效、快捷的解决方案。

　　(三)适用范围

　　本项目研究成果适用于各类海况,为自然条件恶劣条件下建设防波堤提供高效、快速的解决方案,节约了建设成本。随着我国港口工程建设领域不断发展,具有广阔推广应用前景。

　　(四)获奖情况

　　获评中国交通运输协会2020年度科技进步奖二等奖。

　　(1)根据防波堤的结构特点及工程节点要求,将传统的水上和陆上工艺进行了完美的组合,施工过程中分别形成水上及陆上的出水点,保证两个点的流水工作面,在保证防波堤施工进度的同时,充分利用了现场现有的船机设备资源,节约了施工成本。

　　(2)引进配有国际先进可视化系统的200t挖掘机,保证了防波堤水下安装的可视化,施工过程中操作、技术管理人员及监理人员可清楚地看到水下的具体情况,更直观的给予具体的操作意见或验收意见。相比于传统的“潜水+履带吊冶组合的方式,可视化安装工艺更安全,同时也不必依赖潜水人员对安装规则的理解程度,施工质量更为可控。

　　(3)引进国际先进的GPS理坡系统,清晰直观地将水下块石抛填情况反馈给操作手,同时在施工的过程中可直接开展验收工作,相比于传统的盲理质量更有保证,验收效率更高。

　　(4)利用无人机飞行平台为载体,结合GPS导航定位技术,运用摄影测量技术,实现了扭王字块安装质量验收及现场石料储备量的实时监控。

　　(一)倒滤斜坡式防波堤设计优化

　　开展石料供应和质量受限条件下低标高、窄堤身深水防波堤结构设计施工的关键技术研究,开展堤心料分级研究,开展防波堤结构优化技术研究和应用,研究印度洋季风环境下砂肩台配合宽柔性护底的深水离岸防波堤防冲刷结构形式。

　　(二)低窄顶斜坡式防波堤施工组织及工艺研究

　　防波堤建设是一个系统性工程,通过对波浪特性的研究,开展不同船机设备组合施工研究,吸收国际先进技术,总结出了一整套采用自航驳船、开体驳、定位方驳,长短臂钩机、吊机、矿山车等重型机械设备,在合理施工顺序下协调作业,高效精准完成低窄顶斜坡式防波堤建造的方法,在极度紧张的施工工期内完成了3245m防波堤以及其余约2公里水工结构的建设,为项目开发提供了良好的基础。

　　(三)印度洋季风长周期高能量涌浪作用下结构物临时防护研究

　　根据防波堤所处海域的风浪流等水文气象条件,通过理论计算,物模论证各个不同施工阶段的结构防护稳定性,找出了印度洋季风长周期高能量涌浪长时间作用下结构物临时防护的方法,使得结构物安全度过季风期浪涌的侵袭和冲刷,给后方陆域提供了良好的掩护。

　　(四)水下扭王字块可视化安装研究

　　通过定制大型长臂挖掘机搭载Echoscope3D声呐可视化安装系统和水下摄像头,实现了水下扭王字块可视化安装,利用钩机配置的机械转盘,水平360毅调整块体姿势,达到块体间的立项勾连咬合效果,刚性的钩机臂消除了传统吊机安装扭王字块因钢丝绳在水流、波浪力作用下摆动导致定位不精准的问题,形成了一套扭王字块可视化安装技术,可为同类项目提供良好的借鉴。

　　(五)可视化理坡及断面测量验收方法研究

　　通过给长臂钩机配备天宝GCS900理坡引导系统,形成了水下块石的可视化安放、理坡施工以及断面测量验收的施工方法,施工效率和施工质量成倍提高,在服务于本项目的同时也为同类项目提供良好的借鉴。

　　(六)已安装扭王字块无人机摄影测量验收技术研究

　　针对防波堤堤顶扭王块施工测量中存在的难点和较大的安全隐患,研究采用无人机摄影测量快速、精准、高效地采集扭王块安装后的数据信息,通过航拍软件处理后的数字模型,形成扭王字块验收测量资料。

　　(七)无人机摄影测量在石料堆存计量中的应用

　　对于石料种类多、数量庞大、常规测量方法效率低下、存在安全隐患的情况,研究采用无人机对现场的石料堆场进行航拍摄影测量和计量工作,施工精度满足要求,施工效率高。

同类项目比较见表 1。

　　斯里兰卡科伦坡港口城项目防波堤结构,开始施工于2016年3月,于2019年3月完工。与防波堤陆推相关的游艇码头外护岸结构,开始施工于2014年9月,将于2019年6月完工。防波堤总长3245m,设计顶标高为+4.0m,设计顶宽9m,抛填石料183万立方米。游艇码头外护岸总长930m,设计堤顶+5.0m,其中0~472.5里程为直立式护岸,472.5~930为斜坡式护岸。通过精心组织施工,斯里兰卡港口城项目防波堤及游艇外护岸自实施以来,经受了2个季风期的考验,结构稳定,施工质量和进度完全满足设计以及业主的各项指标,得到了各方的好评(见图1和图2)。