新型防護塊體Xbloc的安裝技術

向 松，吳文力，王 剛

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

1 項目概況

尼日利亞萊基深水港項目（Lekki Deep Sea Port Project，簡稱LDSPP）位于尼日利亞拉各斯以東約70 km的拉各斯自貿區，碼頭設計水深-16.5 m，泊位長度為1 523 m，包括3個集裝箱泊位和1個MOF泊位，防波堤總長度約2.4 km。

本項目防波堤采用了新型護面混凝土塊體Xbloc，三維模型見圖1所示。

圖1 Xbloc三維模型

該塊體專利屬于荷蘭DMC（Delta Marine Consultants）公司。Xbloc塊體是一種可應用于防波堤和護岸上的強有力的單層混凝土護面塊體，具有制造工序簡單、相對混凝土用量小、塊體連鎖穩定性強等優勢[1]。

本項目使用的Xbloc有以下3種規格，分別為2 m3、3 m3和5 m3，對應的設計用量為7 206塊、10 966塊和8 820塊。

2 Xbloc的安裝原則及驗收

在海外工程上使用的單層混凝土防護塊體，主要靠單個塊體自身的重量和塊體間的聯鎖效應，來為防波堤堤心提供防護[2]。相比于其他類型塊體的較為復雜的安裝原則，Xbloc具有更簡單易行的安裝原則，在安裝效率和聯鎖效應上具有明顯的優勢[3]。

Xbloc的安裝坐標由DMC提供，EPC承包商將按照DMC所提供的設計安裝坐標進行Xbloc的安裝，同時記錄實際安裝坐標并提交DMC。

2.1 坡腳塊體安裝

坡腳塊體可以選用Xbloc或Xbase，首層塊體選取不同，安裝塊體要求也不同，下面對不同坡腳塊體的安裝要求進行分別描述。

若坡腳塊體使用Xbase，則要求如下

1）Xbase塊體要平放；

2）坡腳Xbase實際安裝坐標與設計安裝坐標的偏差要小于0.1D（D為塊體的高度，下同）；

3）坡腳Xbase在墊層上的安裝姿態見圖1所示，鼻子朝上，兩腳平行坡面，且與同一列塊體相比，在水平上的角度偏差不超過15°。

此外，與Xbase接觸的一層Xbloc安裝需要滿足如下要求：

1）此層Xbloc需要三點接觸；

2）此次Xbloc安裝偏差要小于0.1D。

若坡腳采用Xbloc塊體安裝，則安裝規則如下：

1）塊體應該三點接觸墊層；

2）塊體應根據設計坐標安裝，且實際偏差小于0.1D。

為避免坡面的塊體安裝困難，在坡腳、第二層的塊體安裝時，每安裝10 m或者5個塊體時，應該返回檢查塊體是否已正確安裝。

壓腳石應與塊體緊密接觸，提供保護。在塊體開始安裝后，應該盡可能早地對壓腳石進行吊拋，結合現場施工條件，在允許的情況下，在裝完第三層塊體就進行壓腳石的吊拋。

2.2 坡面塊體安裝

在坡腳塊體安裝完成后，坡面上的Xbloc安裝便可以進行，坡面上的Xbloc首先需要根據設計坐標塊體進行安裝，其次，安裝要讓塊體相互聯鎖，其中，聯鎖的內涵為：要移動一個塊體，必須同時移動周圍的若干塊體，即塊體被其上方的兩個塊體壓緊。具體安裝規則如下：

1）坡面上的Xbloc在安裝時指向要隨機，即一個塊體附近不能有多個相同指向的Xbloc；

2）在安裝完成后，在防波堤直線段安裝的每個Xbloc都應該和它上方的兩個Xbloc聯鎖，并且與墊層相接觸；堤頭圓弧段安裝的每個Xbloc則與它周圍的塊體聯鎖，并且與墊層接觸；

3）在坡面上的塊體相對堆疊密度（Relative Packing Density，簡稱RPD）為理論堆疊密度的98%到105%。

2.3 堤頂的塊體安裝

防波堤堤頂平臺的Xbloc安裝需要兩腿或三點接觸堤頂，同時Xbloc需要與相鄰的坡面上的Xbloc聯鎖，與現有的胸墻或其他堤心防護結構相融合。如果擋浪墻和Xbloc之間的空隙較大但不足以安裝另一塊Xbloc，則空隙需要用較大的塊石、混凝土塊或Xbase來填充。

2.4 Xbloc安裝的驗收

根據以上原則進行Xbloc的安裝工作，安裝完成之后，需要對Xbloc的聯鎖程度和相對堆疊密度進行驗收。

1）Xbloc聯鎖程度的驗收

除了依靠自身的重量，防護塊體還需與周圍塊體聯鎖才能發揮預定的掩護作用。Xbloc聯鎖程度的驗收可以通過對防波堤Xbloc安裝段進行分區段高清攝像或攝影來實現。對于水上部分的Xbloc護面，首先要在陸地上進行分段標記，以便在照片上進行比對，然后使用帶高清攝像頭的無人機等航拍設備，對Xbloc護面進行分段垂直拍攝，每張照片在寬度上不得超過十個塊體。另外，還應該根據需要讓拍攝的照片有一定的重疊度，以便進行圖片拼接比對。

2）相對堆疊密度

所有Xbloc都應根據設計安裝坐標進行安裝，同時記錄實際安裝坐標，根據安裝坐標計算相對堆疊密度，算出來的RPD要落在98%～105%范圍內。相對堆疊密度的計算公式如下：

式中：

Nx為所計算區段在水平方向上的塊體個數；

Ny為所計算區段的安裝層數；

dx為Xbloc在水平方向上的距離常數，取1.32D；

dy為Xbloc在斜坡方向上的距離常數，取0.93D；

Lx為所計算區段在水平方向上的長度；

Ly為所計算區段在斜坡方向上的長度。

實際上，DMC以滿足RPD為約束條件進行Xbloc的安裝坐標設計，故而只需在實際安裝過程中，按照DMC的設計坐標來完成相應塊體的安裝，即可滿足Xbloc安裝所需的RPD要求。

3 3D聲吶系統Echoscope

3D聲吶系統Echoscope是由英國Coda Octopus研發，集水下測量、探測及防護塊體安裝等多用途于一身，全球唯一的一款實時實景3D聲吶系統[4]。該系統已獲得Accropode、Accropode Ⅱ和Xbloc等塊體的安裝認證[5]，利用實時3D聲吶所提供的高清晰度水下環境圖像，指導岸上操作人員正確地對水下塊體進行相應操作和安裝。

Echoscope 3D聲吶系統主要由五部分組成，水下聲吶、定位定姿系統、單軸轉子、立體連接器及數據處理軟件。

3.1 水下聲吶

本項目采用的水下聲吶Echoscope4G Surface為Coda Octopus公司針對淺水塊體安裝所研發的新型聲吶，作業最大深度20 m，水下量程可達1～120 m，水下分辨率為3 cm，可發射128×128的波束量，強大的數據采樣能力，可對水下數據成像進行每秒12次的更新。與聲吶配套使用的還有一個智能開關（3D Smart Switch），智能開關可自動控制聲吶進出水時的啟停，避免聲吶在出水后繼續工作而產生高溫燒壞傳感器，同時讓聲吶在入水時自動開始工作。

3.2 定位定姿系統

使用雙頻雙GPS定位定姿系統F185R為水下塊體安裝提供位置信息。F185R由兩個雙頻GPS接收機和一個慣性測量單元（IMU）組成，在接收RTK基站差分信號的情況下，為水下聲吶實時提供厘米級的位置數據，對聲吶因波浪造成的橫搖和縱搖（Roll and Pitch）進行實時補償，保證聲吶在地理空間的位置準確性，進而保證成像數據的空間準確性。

3.3 單軸轉子

單軸轉子（Integrated Single Axis Rotator，簡稱ISAR）是調節水下聲吶探照角度的設備，可對聲吶進行高精度的角度控制，擴大聲吶的覆蓋范圍，增加水下的可視化區域。

本項目使用履帶吊作為主要安裝設備，上述三部分儀器設備使用由Coda Octopus指導預制的安裝輔助支架搭載，見圖2所示。

圖2 安裝輔助架上的Echoscope系統

3.4 立體連接器

立體連接器（3D Connect）是Coda Octopus公司新研發的集成線路供電及數據傳輸的中繼器。3D Connect與外部電源直接相連，進而為各部分儀器供電并提供短路保護，是控制儀器的電源開關。同時，3D Connect也是數據的傳輸中心，通過網線與電腦實現連接，與電腦交換儀器的實時數據。

3.5 數據處理軟件

Echoscope 3D聲吶系統主要的控制軟件有用于指導水下塊體安裝和控制ISAR的軟件Construction Monitoring Software（以下簡稱CMS），用于水下已安裝塊體測量驗收的Underwater Survey Explorer（以下簡稱USE），以及用于控制定位定姿系統的軟件MOTION Control。Echoscope采集的數據量大、聲吶成像速度快、成像質量高，對供軟件搭載的便攜式電腦提出了比較高的要求。該Echoscope 3D聲吶系統通過電纜實現各部分相連，實現電源和數據的傳輸。

4 3D聲吶系統Echoscope的功能

4.1 實景可視化功能

基于每秒超過16 000個聲吶波束的數據，Echoscope對水下環境可以進行細致的實時實景可視化，見圖3。所形成的3D圖像是具有地理意義的，圖像上的任何一點都具有空間信息即空間三維坐標x、y、h[6]。此功能為Echoscope主要功能，亦是其特有的功能。

圖3 Echoscope水下實景3D圖像

4.2 塊體捕捉和跟蹤功能

Echoscope利用軟件內置的塊體模型，可以在水下對塊體進行捕捉和跟蹤，獲取塊體的實時位置，在安裝完成時記錄塊體的位置和姿態信息。

4.3 3D圖像融合功能

Echoscope可將水下拍攝的3D聲吶圖像進行融合，結果可以輸出整合在同一幅圖像中[7]，見圖4，可為安裝完成的塊體提供驗收依據。

圖4 Echoscope聲吶圖像拼接成果

4.4 塊體監測

除了塊體安裝、塊體驗收功能，Echoscope還可以對已經安裝完成的塊體進行監測，判斷已安裝的塊體是否穩定或存在移動，實現對防護塊體全生命周期的控制。

4.5 其他常規功能

在上述特色功能之外，Echoscope還具有坐標放樣指示功能、數據自動記錄功能、測量過程回放功能。此外，還可以加裝分屏顯示器，展示水下安裝過程，方便現場技術人員和現場監理對安裝過程進行管控。

5 Echoscope與POSIBLOC的對比

當前國際市場在防護塊體安裝領域，Echoscope系統與POSIBLOC系統是兩款主流的塊體安裝系統。POSIBLOC系統是法國MESURIS公司旗下一個水下防護塊體安裝輔助系統，可適用于Accropode、Accropode II、Ecopode和Core-Loc等不同類型扭王字塊[8]。表1為二者在塊體安裝上的對比。

表1 Echoscope與POSIBLOC的對比

通過對比可知，POSIBLOC在安裝作業適應性上具有明顯優勢，而Echoscope在水下成像原理上技術性更強，在護面塊體后期維護上有優異的拓展應用，是一款覆蓋了塊體從安裝、驗收到維護的全周期產品。

6 結 語

Xbloc作為一種較新型的單層防護塊體，具有較高的結構穩定性和水力穩定性。我公司是國內第一個根據Xbloc技術規格書和標準進行Xbloc安裝的單位。3D聲吶系統Echoscope也是目前在尼日利亞境內首次應用，為水下塊體安裝提供了高精度的實時可視化場景，實現了無須潛水員即可完成水下塊體安裝并驗收，提高了工作效率，減少了水下作業的安全隱患，保障了作業人員的人身安全。

本文從技術上對Xbloc安裝和驗收進行闡釋，對3D聲吶系統Echoscope進行了詳細介紹并和同領域的其他系統進行了對比，可以作為國內類似工程應用的參考，也可以給國內軟件開發公司拓展思路。