淺談季風環境下低窄頂離岸式防波堤施工

黃遠明 聶洪斌 中交四航局第二工程有限公司

1.引言

斜坡式塊石防波堤是海港防波堤工程最常用的結構型式，其中離岸式低窄頂防波堤多用于抵御涌浪侵蝕、保護陸域，且允許越浪或者堤內水域無嚴格泊穩要求的工程中。相比于傳統的大斷面防波堤，該種結構形式能節省石料，同時能起到較好的消浪作用，具有成本低、環保效果好等優點，同時對施工質量和進度度提出了較高要求。本文以科倫坡港口城填海造地項目為例，探索印度洋季風環境下低窄頂離岸式防波堤施工技術，解決低窄頂防波堤頂寬頂高受限，工期緊，質量要求高等難題，通過合理配置船機設備，科學安排施工順序，恰當引入高新技術提高工效和質量，加快了施工進度，節約了施工成本，確保了施工質量。

2.項目概況

科倫坡港口城填海造地項目，位于斯里蘭卡印度洋沿岸，填海面積約269萬m2，施工內容主要為水工結構、陸域回填及地基處理，其中水工結構包括外防波堤，內防波堤，潛堤，南、北攔沙堤，游艇碼頭內、外護岸，內河護岸，人工沙灘擋墻等。

外防波堤為離岸式低窄頂防波堤，距離后方陸域300 m，水深18～20m，堤頂標高為+4.0m,堤身結構規格石料拋填種類多,石方用量達200萬m3，其中堤心石130萬m3，防波堤典型斷面如圖2所示。

圖1 項目總平面圖

圖2 防波堤標準斷面

3.工程重點及難點

3.1 項目施工環境惡劣、工期緊張

項目施工海域常年處于印度洋強涌浪動力環境下，涌浪周期8-20s之間，每年的5月-9月為西南季風期，涌浪波高2-4m，常態涌浪2.5m，防波堤等水工結構需停工和防護，在非季風期需耗時拆除防護再推進。每年的10月～次年4月非季風期經常存在涌浪較大的情況，對推進中的防波堤造成威脅，防波堤需邊施工、邊驗收、邊防護。同時本工程防波堤施工與后方的陸域回填同步進行，防波堤須在較短的有效時間內迅速出水，在季風來臨前給已成型的陸域提供掩護。受季風期影響，防波堤等水工結構實際施工期不到18個月，工期十分緊張。

圖3 離岸式低窄頂防波坡堤斷面水拋/陸推工藝流程圖

圖4 工程節點目標圖

圖5 防波堤平面推進圖

3.2 單一的工藝無法匹配項目節點要求

防波堤設計頂標高低、斷面窄，僅靠傳統的陸推工藝，則需對防波堤進行加寬加高，后續陸推及反挖工程量、成本、石料進場強度以及設備需求量將大大增加，且進度難以保證。若僅靠傳統的水上拋填施工工藝，則需要現場有足夠的水域，以滿足水上施工船舶間的正常施工，確保流水作業，然而防波堤施工工序多達十幾道、施工水域狹窄、大小船只交叉施工，不具備形成流水作業面的條件。

3.3 項目質量要求高，監管嚴格

本項目防波堤設計及施工采用英標，施工允許偏差范圍較小，質量要求高，例如1-3t護面塊石允許偏差僅為±47cm，相比國標嚴格很多；護面塊體雖采用國內的扭王字塊，但驗收標準部分參照CLI國際標準，確保扭王塊間姿態各異及良好的勾連咬合效果。項目質量管理團隊為國際知名咨詢公司，其對水工結構的設計及施工有很深的理解，對施工質量要求極高，過程監管非常嚴格。

4.施工工藝流程

本項目施工流程在防波堤斷面成型上，為保證施工水域船舶滿載航行的安全，以-4m作為分界線，-4m以下的部分以水上施工為主，-4m以上采用陸推和水上施工兩種工藝，見圖3。

5.施工方案實施

5.1 防波堤平面推進方案

本工程水工防護結構與陸域回填同步施工，需要防波堤迅速出水在季風期給陸域提供可靠的掩護，確保陸域安全，節點目標如圖4所示。

為確保施工進度，根據現場實際情況，通過精心策劃，結合上述節點目標將防波堤施工分為3個階段：

在施工階段1，第一個非季風期間，利用游艇碼頭外護岸和南攔砂壩，推填陸上施工通道，采用陸推工藝迅速完成防波堤出水350m，形成一定的掩護條件；第一個季風期間，水域掩護有限，不安排水工結構施工；

施工階段2，第二個非季風期間，采用水陸相結合方案，利用陸上施工通道繼續陸推，同步新開全水上施工點，2個作業點同步施工，并優先進行海側施工和防護，確保防波堤出水足夠的長度，給陸域提供更好的掩護條件；第二個季風期間，利用已形成的防波堤，進行內側的工序施工。

施工階段3，第三個非季風期間，采用全水上方案完成剩余防波堤及其他水工結構施工，見圖5。

5.2 水拋出水點位置的確定

圖6 -4m以下石料拋填

圖7 V形槽成型步驟

圖8 陸推實測邊坡

圖9 陸推工藝---4m以上堤心陸推及墊層塊石拋理

水陸結合的方案在上述施工階段2實施，該階段的關鍵是需要確定水上拋填出水點的位置。陸推出水長度過長，則導致石料推填及二次反挖量工程量增加；陸推出水長度過短，受水域限制，短時間難以形成迅速形成流水作業面；水拋出水點位置的選擇還需綜合考慮如下因素：

（1）陸推及水拋出水的速度，必須保證在結構出水后具有充足的時間完成季風期前的防護工作，確保第二個施工節點的順利完成；

（2）必須提供給防波堤關鍵設備—200t級挖掘機連續的扭王字塊安裝工作面；

根據現場典型施工及施工計劃倒排，項目選擇在里程1250的位置作為水上拋填出水點，在保證節點及季風期的結構防護順利完成的同時，最大程度的減少了陸推及反挖的工程量。

5.3 斷面-4m以下結構施工

（1）小規格石料主要以開體駁進行粗拋，然后利用平板駁加短臂挖掘機進行補拋。大塊石以平板駁加挖掘機的方式進行拋填。拋填過程中主要欠拋為主，補拋為輔，勤測水深避免超拋。超拋部分采用帶有GPS引導系統的長臂挖掘機進行處理。

（2）在防波堤一級棱體（上圖中的海側堤底1～500kg和1～50kg倒濾層）施工完成后，采用多波束測量儀實時監測堤心砂的吹填進度及質量，必要時采用潛水探摸的方式確認一級棱體是否覆蓋有砂，避免對結構的安全造成影響。

（3）為保證海側壓腳塊石施工時可形成如圖7所示的V形槽設計結構，以提供給扭王字塊足夠的支撐；同時也為了減少后期大塊石的施工壓力，充分利用船機設備，形成流水作業面；在海側壓腳塊石施工時，將其分為如下圖所示的三個步驟，優先拋填第一層壓腳塊石。

（4）-4m以上堤心石拋填出水前，優先完成-4m以下墊層塊石施工，避免堤心石出水后涌浪撞擊防波堤堤身后反射疊加對船舶的穩定性造成影響，同時墊層塊石拋填至-4m處將形成一個約3m寬水平肩臺，有效防止堤心石出水后遭浪涌沖刷直接滾落到坡腳V形槽，造成后續清理的困難。

5.4 陸推工藝— -4m以上堤心石推填

（1）堤心料的設計頂標高為-0.29m，堤頂僅6.14m寬，為滿足陸上設備的正常行駛，在陸推時需對堤心進行加寬加高處理。加高后的高度以正常情況下海浪不會打上堤面為宜，加寬后的寬度應滿足陸上理坡設備與自卸車安全會車的要求。經典型施工試驗，陸推時堤心的頂標高控制為+2m，頂寬控制為9m；

圖10 陸推工藝—陸上塊石理坡

圖11 陸推工藝—海上塊石理坡

圖12 陸推工藝--海側壓腳及扭王字塊安裝

圖13 陸推工藝--岸側反挖及墊層、壓腳塊石拋填

（2）為盡快形成抵御海側涌浪的結構，在堤心推填時需以海側的邊線控制為主；同時，為避免涌浪作用下已推填的堤心被沖刷至堤腳區域，項目開展典型施工試驗，通過先假定堤心石推填后形成的坡度（假定為1：1），根據推填頂標高（+2m）和推填頂寬（9m），得出推填控制線在海側偏距1m；推填完成后對邊坡進行測量得出實際的堤心成型坡度在1:1.33～1:1.5左右，同時在海側壓腳部分發現大量堤心石；隨后，通過多次試驗得出最優的推填邊線為岸側偏距-0.5m，見圖8。

（3）堤心推填后要及時對海側結構進行理坡，驗收完成后立即拋填海側墊層塊石進行防護，岸側采用1～3t塊石進行臨時防護。未防護的堤心石長度按照不超過20m控制，見圖9。

5.5 陸推工藝--海側墊層塊石及壓腳塊石的拋理

（1）為了給扭王字塊提供平整的安裝作業面，同時為了形成上文中提到的V形槽，墊層塊石和壓腳塊石拋填時采用配備了GPS引導系統的CAT390長臂挖掘機，見圖10。

（2）陸上理坡作業受橫向坡長距離、水深等因素影響，理坡最大深度只能到達坡面-8m處，結合陸上挖掘機實際最大作業距離，以設計坡面-8m為界，-8m以上墊層塊石采用陸上（挖掘機站在防波堤堤頂）理坡；

（3）水上理坡采用船機甲板作為施工平臺，坡面水下-15m以上至坡頂的邊坡均能從水上理坡，理坡能力覆蓋防波堤全斷面。理坡順序由邊坡橫向外側往內側、從坡腳往坡頂順序推進，確保塊石之間接觸緊密、水上陸上施工緊密搭接，以防止護面塊石下滑，見圖11。

（4）使用GPS引導系統，操作手操作挖掘機斗對塊石坡面進行探測，并挑選備用在一旁的塊石填補空缺，超高部分進行挖除，最終將坡面拍打擊實成型。

（5）海側壓腳塊石V形槽部位第二層施工時，挑選塊石利用船上配備了GCS引導系統的長臂挖掘機，采用螃蟹式抓斗精確安裝少量第2,3層大塊石，最后采用堤頂長臂挖掘機對安裝不到位的塊石進行理坡，確保V形槽的質量，注意第2,3層塊石不宜多安放，否則一旦位置偏差大很難反挖。隨后在第1,2排扭王字塊完成安裝后，補拋2-5t壓腳塊石給扭王字塊提供足夠支撐，最終再將扭王字塊安裝出水。

（6）GCS引導系統的精度偏差小于5cm，可以直接用于測量驗收，驗收時操作手利用理坡系統，操控挖掘機鏟斗斗齒觸碰驗收坡面，通過使用快速記錄按鈕，將坡面觸碰點的坐標和高程自動存儲于控制箱默認的根目錄下，驗收完成后，使用U盤通過USB接口拷貝到電腦里生成斷面圖作為驗收資料，見圖12。

圖14 水拋工藝---4m以上堤心及墊層塊石拋填

圖15 扭王字塊安裝

5.6 陸推工藝—岸側反挖

岸側反挖采用配備GPS引導系統的長臂挖掘機施工，先清除岸側的臨時防護塊石，隨后反挖的堤心石利用開體駁運輸到前方的堤心區域進行拋填。反挖過程中需注意監測邊坡的安全，反挖完成后立即安排岸側墊層及壓腳塊石的拋填施工，一個反挖段以20m為宜，見圖13。

5.7 水拋工藝—-4m以上堤心、墊層塊石拋填

水拋工藝中-4m以上堤心石施工主要采用自航駁和配置GPS引導系統的長臂挖掘機拋填。操作手根據系統指示控制堤心石拋填不超出設計輪廓線范圍，確保后續墊層塊石層厚，拋填完成后采用堤頂長臂挖掘機理坡并采用GPS引導系統進行驗收。堤心石每完成20m即安排全斷面覆蓋墊層塊石，以形成較好的防浪抗沖刷能力，墊層塊石粗拋工藝同堤心石,理坡和驗收采用堤頂長臂挖掘機，見圖14。

5.8 扭王字塊安裝

（1）扭王字塊安裝按照平面分為堤頭和堤身部分，在斷面上分為水上和水下部分；其中堤頭段為22t扭王字塊，受200t級挖掘機起重性能限制，堤頭扭王字塊采用傳統的280t履帶吊加潛水的安裝工藝；堤身段為17t扭王字塊，水下部分采用200t級挖掘機進行可視化安裝，200t級挖掘機履帶外邊寬僅5.5m，較適合堤頂較窄的情況；水上部分除采用200t級挖掘機可視化安裝之外，也可以采用150t履帶吊在平板駁上起吊，起重工人在堤頂配合旋轉確保扭王字塊間的咬合，見圖15。

（2）扭王字塊安裝自下而上進行，在開始安裝前，根據防波堤斷面及扭王字塊的尺寸完成安裝點位圖及坐標的編制。扭王字塊安裝時，先在平面安裝成一個起始三角形后再按照菱形依次向前安裝。調整扭王字塊的間距至合適位置，避免出現過大的縫隙。

6.總結

在季風環境影響下通過優化施工方案，合理設置水、陸施工分界點，形成時間和空間上的至少兩個點同時出水的施工工作面，施工進度快。水陸結合的工藝解決了單一陸推或水拋施工的限制，在本工程低窄頂防波堤施工中，相比于單一的陸推工藝減少了約20萬方加寬加高石料的推填及反挖工作，在保證項目節點工期的同時，大大節約了項目的施工成本。通過科學組織、精心安排、高新技術應用，實現了防波堤高效、高品質、精細化施工，減小了受季風期環境的影響，確保了低窄頂離岸式施工質量和進度，為以后類似工程積累了寶貴經驗。