浅谈季风环境下低窄顶离岸式防波堤施工

黄远明 聂洪斌 中交四航局第二工程有限公司

1.引言

斜坡式块石防波堤是海港防波堤工程最常用的结构型式，其中离岸式低窄顶防波堤多用于抵御涌浪侵蚀、保护陆域，且允许越浪或者堤内水域无严格泊稳要求的工程中。相比于传统的大断面防波堤，该种结构形式能节省石料，同时能起到较好的消浪作用，具有成本低、环保效果好等优点，同时对施工质量和进度度提出了较高要求。本文以科伦坡港口城填海造地项目为例，探索印度洋季风环境下低窄顶离岸式防波堤施工技术，解决低窄顶防波堤顶宽顶高受限，工期紧，质量要求高等难题，通过合理配置船机设备，科学安排施工顺序，恰当引入高新技术提高工效和质量，加快了施工进度，节约了施工成本，确保了施工质量。

2.项目概况

科伦坡港口城填海造地项目，位于斯里兰卡印度洋沿岸，填海面积约269万m2，施工内容主要为水工结构、陆域回填及地基处理，其中水工结构包括外防波堤，内防波堤，潜堤，南、北拦沙堤，游艇码头内、外护岸，内河护岸，人工沙滩挡墙等。

外防波堤为离岸式低窄顶防波堤，距离后方陆域300 m，水深18～20m，堤顶标高为+4.0m,堤身结构规格石料抛填种类多,石方用量达200万m3，其中堤心石130万m3，防波堤典型断面如图2所示。

图1 项目总平面图

图2 防波堤标准断面

3.工程重点及难点

3.1 项目施工环境恶劣、工期紧张

项目施工海域常年处于印度洋强涌浪动力环境下，涌浪周期8-20s之间，每年的5月-9月为西南季风期，涌浪波高2-4m，常态涌浪2.5m，防波堤等水工结构需停工和防护，在非季风期需耗时拆除防护再推进。每年的10月～次年4月非季风期经常存在涌浪较大的情况，对推进中的防波堤造成威胁，防波堤需边施工、边验收、边防护。同时本工程防波堤施工与后方的陆域回填同步进行，防波堤须在较短的有效时间内迅速出水，在季风来临前给已成型的陆域提供掩护。受季风期影响，防波堤等水工结构实际施工期不到18个月，工期十分紧张。

图3 离岸式低窄顶防波坡堤断面水抛/陆推工艺流程图

图4 工程节点目标图

图5 防波堤平面推进图

3.2 单一的工艺无法匹配项目节点要求

防波堤设计顶标高低、断面窄，仅靠传统的陆推工艺，则需对防波堤进行加宽加高，后续陆推及反挖工程量、成本、石料进场强度以及设备需求量将大大增加，且进度难以保证。若仅靠传统的水上抛填施工工艺，则需要现场有足够的水域，以满足水上施工船舶间的正常施工，确保流水作业，然而防波堤施工工序多达十几道、施工水域狭窄、大小船只交叉施工，不具备形成流水作业面的条件。

3.3 项目质量要求高，监管严格

本项目防波堤设计及施工采用英标，施工允许偏差范围较小，质量要求高，例如1-3t护面块石允许偏差仅为±47cm，相比国标严格很多；护面块体虽采用国内的扭王字块，但验收标准部分参照CLI国际标准，确保扭王块间姿态各异及良好的勾连咬合效果。项目质量管理团队为国际知名咨询公司，其对水工结构的设计及施工有很深的理解，对施工质量要求极高，过程监管非常严格。

4.施工工艺流程

本项目施工流程在防波堤断面成型上，为保证施工水域船舶满载航行的安全，以-4m作为分界线，-4m以下的部分以水上施工为主，-4m以上采用陆推和水上施工两种工艺，见图3。

5.施工方案实施

5.1 防波堤平面推进方案

本工程水工防护结构与陆域回填同步施工，需要防波堤迅速出水在季风期给陆域提供可靠的掩护，确保陆域安全，节点目标如图4所示。

为确保施工进度，根据现场实际情况，通过精心策划，结合上述节点目标将防波堤施工分为3个阶段：

在施工阶段1，第一个非季风期间，利用游艇码头外护岸和南拦砂坝，推填陆上施工通道，采用陆推工艺迅速完成防波堤出水350m，形成一定的掩护条件；第一个季风期间，水域掩护有限，不安排水工结构施工；

施工阶段2，第二个非季风期间，采用水陆相结合方案，利用陆上施工通道继续陆推，同步新开全水上施工点，2个作业点同步施工，并优先进行海侧施工和防护，确保防波堤出水足够的长度，给陆域提供更好的掩护条件；第二个季风期间，利用已形成的防波堤，进行内侧的工序施工。

施工阶段3，第三个非季风期间，采用全水上方案完成剩余防波堤及其他水工结构施工，见图5。

5.2 水抛出水点位置的确定

图6 -4m以下石料抛填

图7 V形槽成型步骤

图8 陆推实测边坡

图9 陆推工艺---4m以上堤心陆推及垫层块石抛理

水陆结合的方案在上述施工阶段2实施，该阶段的关键是需要确定水上抛填出水点的位置。陆推出水长度过长，则导致石料推填及二次反挖量工程量增加；陆推出水长度过短，受水域限制，短时间难以形成迅速形成流水作业面；水抛出水点位置的选择还需综合考虑如下因素：

（1）陆推及水抛出水的速度，必须保证在结构出水后具有充足的时间完成季风期前的防护工作，确保第二个施工节点的顺利完成；

（2）必须提供给防波堤关键设备—200t级挖掘机连续的扭王字块安装工作面；

根据现场典型施工及施工计划倒排，项目选择在里程1250的位置作为水上抛填出水点，在保证节点及季风期的结构防护顺利完成的同时，最大程度的减少了陆推及反挖的工程量。

5.3 断面-4m以下结构施工

（1）小规格石料主要以开体驳进行粗抛，然后利用平板驳加短臂挖掘机进行补抛。大块石以平板驳加挖掘机的方式进行抛填。抛填过程中主要欠抛为主，补抛为辅，勤测水深避免超抛。超抛部分采用带有GPS引导系统的长臂挖掘机进行处理。

（2）在防波堤一级棱体（上图中的海侧堤底1～500kg和1～50kg倒滤层）施工完成后，采用多波束测量仪实时监测堤心砂的吹填进度及质量，必要时采用潜水探摸的方式确认一级棱体是否覆盖有砂，避免对结构的安全造成影响。

（3）为保证海侧压脚块石施工时可形成如图7所示的V形槽设计结构，以提供给扭王字块足够的支撑；同时也为了减少后期大块石的施工压力，充分利用船机设备，形成流水作业面；在海侧压脚块石施工时，将其分为如下图所示的三个步骤，优先抛填第一层压脚块石。

（4）-4m以上堤心石抛填出水前，优先完成-4m以下垫层块石施工，避免堤心石出水后涌浪撞击防波堤堤身后反射叠加对船舶的稳定性造成影响，同时垫层块石抛填至-4m处将形成一个约3m宽水平肩台，有效防止堤心石出水后遭浪涌冲刷直接滚落到坡脚V形槽，造成后续清理的困难。

5.4 陆推工艺— -4m以上堤心石推填

（1）堤心料的设计顶标高为-0.29m，堤顶仅6.14m宽，为满足陆上设备的正常行驶，在陆推时需对堤心进行加宽加高处理。加高后的高度以正常情况下海浪不会打上堤面为宜，加宽后的宽度应满足陆上理坡设备与自卸车安全会车的要求。经典型施工试验，陆推时堤心的顶标高控制为+2m，顶宽控制为9m；

图10 陆推工艺—陆上块石理坡

图11 陆推工艺—海上块石理坡

图12 陆推工艺--海侧压脚及扭王字块安装

图13 陆推工艺--岸侧反挖及垫层、压脚块石抛填

（2）为尽快形成抵御海侧涌浪的结构，在堤心推填时需以海侧的边线控制为主；同时，为避免涌浪作用下已推填的堤心被冲刷至堤脚区域，项目开展典型施工试验，通过先假定堤心石推填后形成的坡度（假定为1：1），根据推填顶标高（+2m）和推填顶宽（9m），得出推填控制线在海侧偏距1m；推填完成后对边坡进行测量得出实际的堤心成型坡度在1:1.33～1:1.5左右，同时在海侧压脚部分发现大量堤心石；随后，通过多次试验得出最优的推填边线为岸侧偏距-0.5m，见图8。

（3）堤心推填后要及时对海侧结构进行理坡，验收完成后立即抛填海侧垫层块石进行防护，岸侧采用1～3t块石进行临时防护。未防护的堤心石长度按照不超过20m控制，见图9。

5.5 陆推工艺--海侧垫层块石及压脚块石的抛理

（1）为了给扭王字块提供平整的安装作业面，同时为了形成上文中提到的V形槽，垫层块石和压脚块石抛填时采用配备了GPS引导系统的CAT390长臂挖掘机，见图10。

（2）陆上理坡作业受横向坡长距离、水深等因素影响，理坡最大深度只能到达坡面-8m处，结合陆上挖掘机实际最大作业距离，以设计坡面-8m为界，-8m以上垫层块石采用陆上（挖掘机站在防波堤堤顶）理坡；

（3）水上理坡采用船机甲板作为施工平台，坡面水下-15m以上至坡顶的边坡均能从水上理坡，理坡能力覆盖防波堤全断面。理坡顺序由边坡横向外侧往内侧、从坡脚往坡顶顺序推进，确保块石之间接触紧密、水上陆上施工紧密搭接，以防止护面块石下滑，见图11。

（4）使用GPS引导系统，操作手操作挖掘机斗对块石坡面进行探测，并挑选备用在一旁的块石填补空缺，超高部分进行挖除，最终将坡面拍打击实成型。

（5）海侧压脚块石V形槽部位第二层施工时，挑选块石利用船上配备了GCS引导系统的长臂挖掘机，采用螃蟹式抓斗精确安装少量第2,3层大块石，最后采用堤顶长臂挖掘机对安装不到位的块石进行理坡，确保V形槽的质量，注意第2,3层块石不宜多安放，否则一旦位置偏差大很难反挖。随后在第1,2排扭王字块完成安装后，补抛2-5t压脚块石给扭王字块提供足够支撑，最终再将扭王字块安装出水。

（6）GCS引导系统的精度偏差小于5cm，可以直接用于测量验收，验收时操作手利用理坡系统，操控挖掘机铲斗斗齿触碰验收坡面，通过使用快速记录按钮，将坡面触碰点的坐标和高程自动存储于控制箱默认的根目录下，验收完成后，使用U盘通过USB接口拷贝到电脑里生成断面图作为验收资料，见图12。

图14 水抛工艺---4m以上堤心及垫层块石抛填

图15 扭王字块安装

5.6 陆推工艺—岸侧反挖

岸侧反挖采用配备GPS引导系统的长臂挖掘机施工，先清除岸侧的临时防护块石，随后反挖的堤心石利用开体驳运输到前方的堤心区域进行抛填。反挖过程中需注意监测边坡的安全，反挖完成后立即安排岸侧垫层及压脚块石的抛填施工，一个反挖段以20m为宜，见图13。

5.7 水抛工艺—-4m以上堤心、垫层块石抛填

水抛工艺中-4m以上堤心石施工主要采用自航驳和配置GPS引导系统的长臂挖掘机抛填。操作手根据系统指示控制堤心石抛填不超出设计轮廓线范围，确保后续垫层块石层厚，抛填完成后采用堤顶长臂挖掘机理坡并采用GPS引导系统进行验收。堤心石每完成20m即安排全断面覆盖垫层块石，以形成较好的防浪抗冲刷能力，垫层块石粗抛工艺同堤心石,理坡和验收采用堤顶长臂挖掘机，见图14。

5.8 扭王字块安装

（1）扭王字块安装按照平面分为堤头和堤身部分，在断面上分为水上和水下部分；其中堤头段为22t扭王字块，受200t级挖掘机起重性能限制，堤头扭王字块采用传统的280t履带吊加潜水的安装工艺；堤身段为17t扭王字块，水下部分采用200t级挖掘机进行可视化安装，200t级挖掘机履带外边宽仅5.5m，较适合堤顶较窄的情况；水上部分除采用200t级挖掘机可视化安装之外，也可以采用150t履带吊在平板驳上起吊，起重工人在堤顶配合旋转确保扭王字块间的咬合，见图15。

（2）扭王字块安装自下而上进行，在开始安装前，根据防波堤断面及扭王字块的尺寸完成安装点位图及坐标的编制。扭王字块安装时，先在平面安装成一个起始三角形后再按照菱形依次向前安装。调整扭王字块的间距至合适位置，避免出现过大的缝隙。

6.总结

在季风环境影响下通过优化施工方案，合理设置水、陆施工分界点，形成时间和空间上的至少两个点同时出水的施工工作面，施工进度快。水陆结合的工艺解决了单一陆推或水抛施工的限制，在本工程低窄顶防波堤施工中，相比于单一的陆推工艺减少了约20万方加宽加高石料的推填及反挖工作，在保证项目节点工期的同时，大大节约了项目的施工成本。通过科学组织、精心安排、高新技术应用，实现了防波堤高效、高品质、精细化施工，减小了受季风期环境的影响，确保了低窄顶离岸式施工质量和进度，为以后类似工程积累了宝贵经验。