大型自航耙吸式挖泥船深水防波堤堤心砂拋填及理坡成型施工應用

鄭洪武

（中交廣州航道局有限公司，廣州 510220）

1 項目概況

科倫坡港（Colombo Port）位于斯里蘭卡西南沿海凱拉尼河口南岸，瀕臨印度洋北側，是斯里蘭卡最大的港口。目前，科倫坡港西側為已建的南港集裝箱碼頭，集裝箱碼頭下方為擬建的港口城發展項目。

港口城開發項目東西向長度約2km，南北向約2.1km，整體面積約4.2km2，本項目自然水深從陸域向海側漸變至至水深21m[1]。項目以吹填為主，由陸域吹填、防波堤、攔砂堤、潛堤、護岸、游艇碼頭及陸域上部各種建筑結構組成，總吹填設計工程量達到7.1×107m3。

2 實施環境

本項目的外防波堤為離岸、低窄頂深水防波堤，位于吹填區西南側，呈近半圓形環繞。外防波堤堤心砂總長3 029m（樁號CH0+110～CH3+139），如圖1所示。防波堤心砂回填起始原泥面平均水深由西向東由-15m變化為-21m，屬于深水作業條件。

堤心砂回填料來自位于項目所在地的北側取砂區，水深-36～-18m，總面積為125km2，各取砂區距港口城項目吹填區/防波堤30km以內。砂料依靠自航耙吸船進行運輸，該航線穿越科倫坡港進出國際航線。

圖1 外防波堤堤心砂平面示意圖

3 工程要求

3.1 堤心砂設計

堤心砂設計頂標高為-9.1m，寬12.5m，底部寬80.8m，設計回填量每延米約568m3，總設計回填量2.9×106m3?；靥钌百|為中粗砂，平均含泥量要求小于5%。

本工程的外防波堤有起始面深、長度較長、施工面窄的特點，設計尺寸表詳見表1。

表1 外防波堤堤心砂回填施工尺度表

3.2 質量要求

按照設計施工要求進行見證取樣和實驗室送檢，檢測吹填土質含泥量、粒徑、有機物含量等指標是否符合設計要求。

根據堤心砂及與其相關的技術要求，質量控制目標設定為：一級棱體及其他水工結構不覆蓋砂，砂層頂標高精度偏差值范圍控制在[+0.5m，-1.0m]，且嚴格控制在包絡線以內且不允許覆蓋一級棱體及其他水工結構，如圖2所示。

4 施工特點分析

4.1 質量控制難度高

施工區位于開闊水域，無任何結構物遮擋，在這樣的

條件下施工，質量控制難度極高。為減小拋填泥沙擴散范圍，避免覆蓋一級棱體及導濾層，施工采用耙吸船定點拋填工藝。由于定拋時航速近乎為0，受風浪影響較大，拋填位置及時間均需要精確規劃和控制。

4.2 工期緊，工序搭接緊湊

每年的5月到9月是斯里蘭卡的西南季風期，西南季風期海況惡劣，對已成陸域淘刷嚴重，外防波堤能否順利推進，關系著整個項目的成敗。而受海況條件限制，外防波堤只能在非季風期進行施工，有效施工時間短，工序搭接緊湊。

堤心砂的外防波堤是施工過程中較為重要且復雜的環節，堤心砂推進的順利與否直接影響外防波堤的整體進展，400m長的堤心砂從開始動工到驗收通過工期不允許超過15d，可見，對于施工質量要求如此嚴格的堤心砂施工來說，工期要求可謂是極為苛刻，快捷且高效的堤心砂施工工藝對整個外防波堤的推進至關重要。

圖2 外防波堤堤心砂斷面示意圖

4.3 施工干擾多

施工過程中面臨多方面因素的干擾。例如，耙吸船往返砂區與拋填區穿過國際航線時的避讓問題，多家單位多艘船舶同時施工的時間協調問題，當地漁民非法進入施工區捕魚的干擾等問題。

5 實施策劃

本施工投入艙容21 028m3超大型耙吸船“浚洋1”和10 028m3大型耙吸船“萬頃沙”各1艘，根據耙吸式挖泥船規格特點，需要結合潮位、浪高、堤心砂設計深度，采用定點直拋為主，走拋為輔，精細理坡直接成型的施工工藝。具體方法和分工為：

1）“浚洋1”定點開底粗拋主體堤心砂；

2）“萬頃沙”定點直拋和走拋進行面層砂精拋；

3）“萬頃沙”根據水深地形測量數據進行精細理坡。

拋填過程中，由于原泥面水深不同，以及實施過程中不同區段拋填厚度有變化，需結合潮位、各船舶吃水等參數，規劃不同拋填厚度的泥門開放先后順序、泥門開度、時間間隔、拋泥航行速度等，使得拋填施工后各區段內頂標高及坡度接近設計尺寸要求。為控制拋填厚度，需結合船體及泥艙大小設計各耙吸船拋填網格，拋填網格參數根據船舶裝艙量、船舶泥艙參數、拋填區的水深情況等數據計算后設定，可通過裝艙量、泥艙泥門的開放順序和航速等調整拋填厚度。

船舶操控需克服以下幾個技術難題：

1）平面控制線定位距離把控不到位，容易造成回填砂覆蓋一級棱體，增加理坡量，工期延長；

2）縱向和橫向拋填砂擴散范圍不確定，也容易導致拋填砂覆蓋影響一級棱體結構；

3）拋填砂最大和平均厚度不確定，容易導致回填砂高低不平，增加后續質量控制難度，以及拋淺后造成后續無法繼續施工。

6 過程實施與控制

6.1 工前準備

科倫坡港口城發展項目防波堤堤心砂拋填采用大型耙吸船進行施工，施工背景文件一旦錯誤，將導致堤心砂無法成型，后果非常嚴重。通過對整個施工過程的流程進行分析，將整個過程劃分為4部分，即：技術準備、控制原理分析、施工文件編制與校核和施工過程質量控制，并制訂了相應控制管理流程，如圖3所示。

嚴格消化設計標準，制作施工背景，經與設計圖紙核對準備后再發送船上。根據設計平面及斷面圖制作施工文件，并將施工文件上的數據重新導入設計平面圖進行核對，核對無誤后再發送施工船舶。

6.2 主體拋填

拋填施工需要結合設計要求、工程工況和設備性能規劃好拋填參數。在工程初期，需要通過多次拋填試驗來確定拋填效果，同時找到最佳的拋填參數。

圖3 耙吸挖泥船防波堤堤心砂深水拋填施工工藝流程圖

經相關方研究論證，最終確定-12m以下工程量采用“浚洋1”分層粗拋，-12m至最終成型則采用“萬頃沙”定拋。通過拋填試驗確定船中軸線離堤心砂與倒濾層交線的最小安全距離為46.925m，“萬頃沙”拋填的格網大小為60m×25m，“浚洋1”拋填格網大小為75m×25m，以確保成型效果均勻連續，不會形成凹槽或凸起。

為提高施工效率，在2次水深檢測間隔期間，在施工控制按計劃有序進行的前提下，可預設拋填格網，確保連續施工，施工工程中根據實際拋填結果，靈活調整格網進行施工修正，如圖4所示。

圖4 定拋回填施工定位導航施工圖

6.3 精細理坡

利用挖泥船自帶的疏?？刂葡到y（DCS）、疏浚數據記錄系統（DDRS）、施工導航系統（DTPS）、動力定位和動態跟蹤系統（DP/DT）等在內的先進挖泥自動控制系統，可實現疏浚過程中的進展情況可視化和疏浚信息記錄，從而進行耙頭深度的監控和理坡質量的控制。

圖5 耙吸船防波堤理坡施工平面示意圖

理坡過程中，堤心砂海側坡腳與導濾層相接處存在超拋的情況，施工范圍需要靈活調整，如圖5、圖6中深色色塊為超拋區域，可根據實際斷面圖來判斷待清砂區域是否是石頭。這時根據斷面，畫出需要清砂的區域，將該清砂區域圖框輸入到挖掘系統，這樣船舶操耙手才能更清晰明了有目的地清砂。該系統還自帶歸算功能，通過理論深度和耙深及下耙深度來計算是否已耙到位，如歸算到位，則耙齒走過區域變為白色色塊。

6.4 質量控制

堤心砂含泥量控制方面，按照合同要求進行艙內見證取砂樣和實驗室送檢，檢測砂質含泥量、粒徑、有機物含量等指標是否符合設計要求。

標高和坡度控制方面，先通過浚前數據分析，初步對施工計劃進行施工布線，緊接著加大測量檢測頻率，通過一系列的分析手段對施工結果進行全面評估與預估，分析拋填成果是否已達到設計要求。施工質量分析和控制使用方法具體為如下3方面。

6.4.1 斷面比對分析法

根據測量檢測的多波束數據，生成斷面圖并與上一次檢測斷面線及設計斷面進行比較分析，檢查拋填質量是否達標，分析施工過程中所出現的問題，總結原因并實時調整施工格網及施工參數。

6.4.2 差值圖比對分析法

根據測量檢測的多波束數據，與浚前數據、上一次檢測數據以及設計數據等分別相減生成差值數據色塊圖，通過分析可以得出目前的拋填厚度情況、近期的拋填質量情況以及后續仍須拋填或需理坡的情況。另外，通過差值圖可以精確地劃定后續施工區域，如拋填格網、需清砂區域等。

6.4.3 3D圖比對分析法

根據多波束測量檢測數據生成3D立體效果圖，加載其對應的設計控制線進行比較分析，判斷其是否已達到設計要求。另外，根據拋填擴散影響范圍調整施工，如圖7所示。

圖6 耙頭精挖操控示意圖

圖7 拋填及理陂質量3D效果成型過程圖

7 安全環保

斯里蘭卡科倫坡港口城發展項目工程位于斯里蘭卡的首都科倫坡，其地處繁華的Galle Face地界西側和科倫坡港延伸項目的南側，政府及業主部門對項目實施的安全及環保要求極高。

項目部專門成立環境保護監控小組，嚴格遵守國家和地方政府的有關法律、法規和制度要求開展各項工作。堤心砂拋填實施過程中，科學地安排施工計劃，綜合分析風向和水流因素，選擇合理拋填及理坡方式，減少拋泥懸浮物擾動對周邊環境產生的影響。同時，本施工工藝顯著提高了堤心砂施工的拋填效率，減少理坡過程中的反挖量，大大縮短了施工總時間，降低了安全實施風險，也大幅減緩了對生態環境的影響。

8 實施成果

8.1 質量成果

運用此施工工藝進行堤心砂施工順利完成了該工程吹填CH0+110～CH3+139段共3 029m的堤心砂拋填施工，回填料砂質量滿足合同技術參數要求，達到了一級棱體及其他水工結構不覆蓋砂的效果，砂層頂標高精度偏差值范圍控制在[+0.5m，-1.0m]內，驗收斷面線均控制在包絡線以內，總體效果良好。

8.2 經濟效益

該項目實現了大型耙吸挖泥船獨立完成堤心砂主體拋填及理坡成型作業，與傳統的耙吸挖泥船主體拋填加抓斗船精細理坡的組合施工相比，大幅節省了抓斗船和輔助設備的遠程調遣費、船機使用成本以及人員投入費用。此施工工藝的成功實施，充分利用了原有的疏浚設備和技術，無需額外增添設備和人員配置，實施效率高，操作單一便捷，高效地解決了船舶資源與防波堤工期保障問題。

9 結語

本工程投入多艘大型自航耙吸挖泥船進行深水防波堤堤心砂拋填和理坡施工工藝的操作，順利完成了該工程的堤心砂填筑成型施工，施工質量滿足合同技術參數要求，達到了預期的整體成型效果，為后續的堤心石拋填、護面塊體安裝等重要工序及時提供了工作面，顯著增加了防波堤的總體推進進度，為吹填區及時形成掩護創造了極其重要的基礎條件。

本工藝除了解決工程實際問題外，還驗證了超大型、大型耙吸船單程獨立完成深水防波堤堤心砂施工的可行性，并建立一套有效可行的質量、安全控制的施工工藝，為后續類似工程提供了可貴的參考、借鑒意義。