新型防护块体Xbloc的安装技术

向 松，吴文力，王 刚

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

1 项目概况

尼日利亚莱基深水港项目（Lekki Deep Sea Port Project，简称LDSPP）位于尼日利亚拉各斯以东约70 km的拉各斯自贸区，码头设计水深-16.5 m，泊位长度为1 523 m，包括3个集装箱泊位和1个MOF泊位，防波堤总长度约2.4 km。

本项目防波堤采用了新型护面混凝土块体Xbloc，三维模型见图1所示。

图1 Xbloc三维模型

该块体专利属于荷兰DMC（Delta Marine Consultants）公司。Xbloc块体是一种可应用于防波堤和护岸上的强有力的单层混凝土护面块体，具有制造工序简单、相对混凝土用量小、块体连锁稳定性强等优势[1]。

本项目使用的Xbloc有以下3种规格，分别为2 m3、3 m3和5 m3，对应的设计用量为7 206块、10 966块和8 820块。

2 Xbloc的安装原则及验收

在海外工程上使用的单层混凝土防护块体，主要靠单个块体自身的重量和块体间的联锁效应，来为防波堤堤心提供防护[2]。相比于其他类型块体的较为复杂的安装原则，Xbloc具有更简单易行的安装原则，在安装效率和联锁效应上具有明显的优势[3]。

Xbloc的安装坐标由DMC提供，EPC承包商将按照DMC所提供的设计安装坐标进行Xbloc的安装，同时记录实际安装坐标并提交DMC。

2.1 坡脚块体安装

坡脚块体可以选用Xbloc或Xbase，首层块体选取不同，安装块体要求也不同，下面对不同坡脚块体的安装要求进行分别描述。

若坡脚块体使用Xbase，则要求如下

1）Xbase块体要平放；

2）坡脚Xbase实际安装坐标与设计安装坐标的偏差要小于0.1D（D为块体的高度，下同）；

3）坡脚Xbase在垫层上的安装姿态见图1所示，鼻子朝上，两脚平行坡面，且与同一列块体相比，在水平上的角度偏差不超过15°。

此外，与Xbase接触的一层Xbloc安装需要满足如下要求：

1）此层Xbloc需要三点接触；

2）此次Xbloc安装偏差要小于0.1D。

若坡脚采用Xbloc块体安装，则安装规则如下：

1）块体应该三点接触垫层；

2）块体应根据设计坐标安装，且实际偏差小于0.1D。

为避免坡面的块体安装困难，在坡脚、第二层的块体安装时，每安装10 m或者5个块体时，应该返回检查块体是否已正确安装。

压脚石应与块体紧密接触，提供保护。在块体开始安装后，应该尽可能早地对压脚石进行吊抛，结合现场施工条件，在允许的情况下，在装完第三层块体就进行压脚石的吊抛。

2.2 坡面块体安装

在坡脚块体安装完成后，坡面上的Xbloc安装便可以进行，坡面上的Xbloc首先需要根据设计坐标块体进行安装，其次，安装要让块体相互联锁，其中，联锁的内涵为：要移动一个块体，必须同时移动周围的若干块体，即块体被其上方的两个块体压紧。具体安装规则如下：

1）坡面上的Xbloc在安装时指向要随机，即一个块体附近不能有多个相同指向的Xbloc；

2）在安装完成后，在防波堤直线段安装的每个Xbloc都应该和它上方的两个Xbloc联锁，并且与垫层相接触；堤头圆弧段安装的每个Xbloc则与它周围的块体联锁，并且与垫层接触；

3）在坡面上的块体相对堆叠密度（Relative Packing Density，简称RPD）为理论堆叠密度的98%到105%。

2.3 堤顶的块体安装

防波堤堤顶平台的Xbloc安装需要两腿或三点接触堤顶，同时Xbloc需要与相邻的坡面上的Xbloc联锁，与现有的胸墙或其他堤心防护结构相融合。如果挡浪墙和Xbloc之间的空隙较大但不足以安装另一块Xbloc，则空隙需要用较大的块石、混凝土块或Xbase来填充。

2.4 Xbloc安装的验收

根据以上原则进行Xbloc的安装工作，安装完成之后，需要对Xbloc的联锁程度和相对堆叠密度进行验收。

1）Xbloc联锁程度的验收

除了依靠自身的重量，防护块体还需与周围块体联锁才能发挥预定的掩护作用。Xbloc联锁程度的验收可以通过对防波堤Xbloc安装段进行分区段高清摄像或摄影来实现。对于水上部分的Xbloc护面，首先要在陆地上进行分段标记，以便在照片上进行比对，然后使用带高清摄像头的无人机等航拍设备，对Xbloc护面进行分段垂直拍摄，每张照片在宽度上不得超过十个块体。另外，还应该根据需要让拍摄的照片有一定的重叠度，以便进行图片拼接比对。

2）相对堆叠密度

所有Xbloc都应根据设计安装坐标进行安装，同时记录实际安装坐标，根据安装坐标计算相对堆叠密度，算出来的RPD要落在98%～105%范围内。相对堆叠密度的计算公式如下：

式中：

Nx为所计算区段在水平方向上的块体个数；

Ny为所计算区段的安装层数；

dx为Xbloc在水平方向上的距离常数，取1.32D；

dy为Xbloc在斜坡方向上的距离常数，取0.93D；

Lx为所计算区段在水平方向上的长度；

Ly为所计算区段在斜坡方向上的长度。

实际上，DMC以满足RPD为约束条件进行Xbloc的安装坐标设计，故而只需在实际安装过程中，按照DMC的设计坐标来完成相应块体的安装，即可满足Xbloc安装所需的RPD要求。

3 3D声呐系统Echoscope

3D声呐系统Echoscope是由英国Coda Octopus研发，集水下测量、探测及防护块体安装等多用途于一身，全球唯一的一款实时实景3D声呐系统[4]。该系统已获得Accropode、Accropode Ⅱ和Xbloc等块体的安装认证[5]，利用实时3D声呐所提供的高清晰度水下环境图像，指导岸上操作人员正确地对水下块体进行相应操作和安装。

Echoscope 3D声呐系统主要由五部分组成，水下声呐、定位定姿系统、单轴转子、立体连接器及数据处理软件。

3.1 水下声呐

本项目采用的水下声呐Echoscope4G Surface为Coda Octopus公司针对浅水块体安装所研发的新型声呐，作业最大深度20 m，水下量程可达1～120 m，水下分辨率为3 cm，可发射128×128的波束量，强大的数据采样能力，可对水下数据成像进行每秒12次的更新。与声呐配套使用的还有一个智能开关（3D Smart Switch），智能开关可自动控制声呐进出水时的启停，避免声呐在出水后继续工作而产生高温烧坏传感器，同时让声呐在入水时自动开始工作。

3.2 定位定姿系统

使用双频双GPS定位定姿系统F185R为水下块体安装提供位置信息。F185R由两个双频GPS接收机和一个惯性测量单元（IMU）组成，在接收RTK基站差分信号的情况下，为水下声呐实时提供厘米级的位置数据，对声呐因波浪造成的横摇和纵摇（Roll and Pitch）进行实时补偿，保证声呐在地理空间的位置准确性，进而保证成像数据的空间准确性。

3.3 单轴转子

单轴转子（Integrated Single Axis Rotator，简称ISAR）是调节水下声呐探照角度的设备，可对声呐进行高精度的角度控制，扩大声呐的覆盖范围，增加水下的可视化区域。

本项目使用履带吊作为主要安装设备，上述三部分仪器设备使用由Coda Octopus指导预制的安装辅助支架搭载，见图2所示。

图2 安装辅助架上的Echoscope系统

3.4 立体连接器

立体连接器（3D Connect）是Coda Octopus公司新研发的集成线路供电及数据传输的中继器。3D Connect与外部电源直接相连，进而为各部分仪器供电并提供短路保护，是控制仪器的电源开关。同时，3D Connect也是数据的传输中心，通过网线与电脑实现连接，与电脑交换仪器的实时数据。

3.5 数据处理软件

Echoscope 3D声呐系统主要的控制软件有用于指导水下块体安装和控制ISAR的软件Construction Monitoring Software（以下简称CMS），用于水下已安装块体测量验收的Underwater Survey Explorer（以下简称USE），以及用于控制定位定姿系统的软件MOTION Control。Echoscope采集的数据量大、声呐成像速度快、成像质量高，对供软件搭载的便携式电脑提出了比较高的要求。该Echoscope 3D声呐系统通过电缆实现各部分相连，实现电源和数据的传输。

4 3D声呐系统Echoscope的功能

4.1 实景可视化功能

基于每秒超过16 000个声呐波束的数据，Echoscope对水下环境可以进行细致的实时实景可视化，见图3。所形成的3D图像是具有地理意义的，图像上的任何一点都具有空间信息即空间三维坐标x、y、h[6]。此功能为Echoscope主要功能，亦是其特有的功能。

图3 Echoscope水下实景3D图像

4.2 块体捕捉和跟踪功能

Echoscope利用软件内置的块体模型，可以在水下对块体进行捕捉和跟踪，获取块体的实时位置，在安装完成时记录块体的位置和姿态信息。

4.3 3D图像融合功能

Echoscope可将水下拍摄的3D声呐图像进行融合，结果可以输出整合在同一幅图像中[7]，见图4，可为安装完成的块体提供验收依据。

图4 Echoscope声呐图像拼接成果

4.4 块体监测

除了块体安装、块体验收功能，Echoscope还可以对已经安装完成的块体进行监测，判断已安装的块体是否稳定或存在移动，实现对防护块体全生命周期的控制。

4.5 其他常规功能

在上述特色功能之外，Echoscope还具有坐标放样指示功能、数据自动记录功能、测量过程回放功能。此外，还可以加装分屏显示器，展示水下安装过程，方便现场技术人员和现场监理对安装过程进行管控。

5 Echoscope与POSIBLOC的对比

当前国际市场在防护块体安装领域，Echoscope系统与POSIBLOC系统是两款主流的块体安装系统。POSIBLOC系统是法国MESURIS公司旗下一个水下防护块体安装辅助系统，可适用于Accropode、Accropode II、Ecopode和Core-Loc等不同类型扭王字块[8]。表1为二者在块体安装上的对比。

表1 Echoscope与POSIBLOC的对比

通过对比可知，POSIBLOC在安装作业适应性上具有明显优势，而Echoscope在水下成像原理上技术性更强，在护面块体后期维护上有优异的拓展应用，是一款覆盖了块体从安装、验收到维护的全周期产品。

6 结 语

Xbloc作为一种较新型的单层防护块体，具有较高的结构稳定性和水力稳定性。我公司是国内第一个根据Xbloc技术规格书和标准进行Xbloc安装的单位。3D声呐系统Echoscope也是目前在尼日利亚境内首次应用，为水下块体安装提供了高精度的实时可视化场景，实现了无须潜水员即可完成水下块体安装并验收，提高了工作效率，减少了水下作业的安全隐患，保障了作业人员的人身安全。

本文从技术上对Xbloc安装和验收进行阐释，对3D声呐系统Echoscope进行了详细介绍并和同领域的其他系统进行了对比，可以作为国内类似工程应用的参考，也可以给国内软件开发公司拓展思路。