深水防波堤抛填工艺

任宁，樊湘伟

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

1 工程概况

青岛港董家口港区东防波堤Ⅰ标段工程（SE-3段），结构形式分为60 m长直立式及920.5 m长斜坡式两段。直立堤部分采用重力式沉箱结构，安装沉箱两个，上部结构为现浇混凝土挡浪墙；斜坡堤部分港池外侧采用10 t扭王字块护面，港池内侧为栅栏板护面，上部结构采用灌浆石及现浇混凝土挡浪墙，见图1和图2。

施工水域原泥面在-12～-13 m之间，疏浚至淤泥质土层底部（粉质黏土上部），平均浚后基槽底标高为-18 m。直立堤部分即采用传统工艺进行基槽挖泥、基床分层抛夯、整平及沉箱安装施工；斜坡堤部分，1∶1.5边坡，堤身底宽达76 m。抛石总方量为122.7万m3。由于东防波堤陆上推进施工段尚未完成，本段全部采用水上施工工艺。

本工程为该地区首个全部采用水上施工的深水防波堤，无成熟的施工经验。施工现场无掩护，海上有效作业天数少，每年6—9月份海上每月有效作业天数为15 d，其它月份约为20 d。南风季节时涌浪对船舶施工作业造成很大影响，设备利用率较低。为了能够如期完成工程，确保施工期的堤身安全，项目部在确定施工方案时充分考虑自然条件，参考类似工程经验多次讨论后，最终制定了以开底驳和开体驳大范围主抛、甲板驳补抛以及通过翘板堆填的方案，形成了类似陆推的水上施工工艺。

图1 董家口港区东、西防波堤总平面图

图2 斜坡堤断面图

2 施工工艺

2.1 工艺概述

由于抛石方量较大，且需经历2010年台风季节，为避免堤身受台风破坏，必须在台风来临前完成阶段性抛填，并形成护面块体有效防护，日平均抛填4700 m3，最大强度抛石量为7200 m3。

根据堤身结构特点及抛石船舶参数，抛石采取平面上分区、立面上分层、纵向断面阶梯流水的全断面施工方法，并按照“堤心石缩断面突起、防护层全断面跟进”的原则组织施工，施工船舶参数见表1。

斜坡堤堤身抛石在立面上分为3层，具体堤身抛石分层及船机配置见表2。

第四层开始抛填时，直立堤现浇混凝土挡浪墙已完成底层施工，标高+5.7 m，反铲自直立堤侧于堤顶向东推进抛理，而后翘板驳垂直于堤身驻位，船头卸料抛填。

表1 船舶参数

表2 堤身抛石分层及船机配置

2.2 工艺流程

工艺流程见图3。

图3 施工工艺流程

2.3 施工方法

2.3.1 测量控制

本工程全部采用外海水上施工，因此对于平面位置及高程的控制尤为关键。采用抗风浪能力强的方驳作为定位方驳，顺轴线驻位，实际施工中使用中海达的RTK-GPS及海洋测量软件进行控制，达到了较好的效果。

首先使用CAD绘制堤身抛填边坡线，轴线方向按照20 m间距标记里程，根据边坡坡度1∶1.5，各标高坡肩线按照高差2 m进行划分，即形成每2 m的分层，计算标明各标高坡肩的平面位置，作图完成后另存为dxf格式作为计划线导入海洋测量软件，同时将船型参数导入，实现定位船平面位置动态实时控制，见图4。

图4 方驳定位测量软件船位显示图

对出水后堤身进行抛理时，则采用常规放线方法施放坡肩标，以控制平面位置。

2.3.2 开底驳及开体驳抛填施工

利用已绘制好的抛填边坡平面图，将施工区域分成若干网格。从中部开始，在定位方驳两侧靠船对称抛填，断面全部抛填完成后移至下一个船位继续施工。为精确控制抛填质量，抛填前进行典型施工，通过试抛测出抛填后实际断面情况，并掌握该地区海流等因素对抛填的影响，对网格进行验证和调整。该类型船舶属一次性投料，因此，需根据船舶类型、水深、海流等因素，确定一次抛填成型高度及范围极为重要，从而施工过程中能够有效控制抛填高度及平面位置，避免抛高抛偏。

500 m3开体驳舱口为23.2 m×8.0 m，最大开启角度为15°×2，根据型深可计算出一般开启底宽在2.0～2.2 m，开启动力为液压，开启速度较慢，根据其他工程经验，石料在水下扩散角度为14°～15°。根据不同的水深，可分别计算出有效抛填范围。同理，100 m3开底驳舱口为16.0 m×4.2 m，单扇底挡板宽1.5 m，开启动力为石料自重产生的压力，因此开启底宽与舱口底宽一致，取2.0 m，亦可计算其有效抛填范围。

设施工即时水深为h，可计算出石料落底后的扩散范围长a×宽b，并绘出a、b-h曲线图，如图5所示。

图5 石料落底扩散范围关系图

按照卸料后形成规则棱台的模型计算，分别按照500 m3开体驳及100 m3开底驳可计算出在不同水深h情况下，卸料后一船可成型的厚度t，并绘制h-t关系曲线。首先根据上列a、b-h曲线求得扩散底面尺寸，然后拟定t，仍按照15°扩散角求出棱台顶面尺寸，以求得棱台体积，反复试算t，使棱台体积为500 m3或100 m3，以确定h-t曲线。水深h及成型厚度t数据见表3。

表3 成型厚度数据表

2.3.3 甲板驳-3 m标高以下抛填施工

开底驳及开体驳用于初期大范围主体抛填，护底块石、护面块石、垫层石及堤心石欠缺部分主要采用甲板驳配反铲进行施工，机动灵活，定位准确，抛填精度高。

定位方驳顺堤轴线方向驻位，甲板驳靠定位方驳内侧，根据甲板驳型宽、与定位方驳间的距离可计算出定位方驳GPS定位边线，即定位方驳靠甲板驳一侧船舷偏位=拟抛等高线偏位+甲板驳型宽+船间距离。反铲移至船舷一侧，挖取石料向外侧抛填，抛填过程中需勤测水深，以提高抛填精度，随石料抛填逐渐向堤身中心移船。亦可单独使用GPS对甲板驳船舷进行定位。

2.3.4 堤顶抛填施工方法

2010年12月17日完成直立堤现浇混凝土挡浪墙底层施工，面积为16.2 m×30 m，标高+5.7 m，且前沿已浇筑一段挡浪墙，宽2.7 m，标高为+9.1 m，形成工作平台，可用于高潮停放机械设备。设计堤心石标高为+3.5 m，需乘潮作业，为增加工作时间，堤顶抛填按照+4.0 m控制，堤身水上部分主体施工基本完成后，多余石料可用于后沿垫层石抛理。

高潮时，甲板驳运载两台挖掘机通过船头翘板自行开至挡浪墙底层平台，自西向东进行堤身水上部分的抛理施工。

首先设立好前后沿坡肩标。喂料时，1700 m3甲板驳自防波堤北侧垂直于轴线驻位，船头翘板长10 m，宽4 m，满载吃水3.5 m。船上装载机通过翘板进行抛石卸料，卸料最远可达堤身中央，并可全潮位抛填，根据坡肩标将卸料控制在堤身顶宽以内。因自后沿抛填，后沿按照“缩段面原则”预留1.5 m宽度，以免石料隆起不利于后续相对较高精度的栅栏板垫层石理坡。待抛填一定数量后，堤上挖掘机平整临时道路，并倒运部分石料到堤身南侧，形成30 m流水步距后，第二台反铲随后进行理坡成型，形成类似于陆上推进施工工艺，逐步推进立标、理坡，前后标距不小于前标距所控制抛填位置距离的1/4。堤心石补坡、300～500 kg块石垫层等均采用本工艺施工，达到安装条件后安装外坡扭王字块。

潮水涨至+3.5 m时，挖掘机等机械可开至直立堤+5.7 m平台上存放，待下一低潮继续返回堤头施工。为减少机械行走时间，在920.5 m的长堤上，每200 m处使用大块石加高、设立平台并使用扭王字块有效防护，标高为+5.5 m，可用于小汛潮且无较大风浪时停放。

堤身抛理与护面块体安装施工相协调，随抛随护，以减少施工期风浪冲刷造成损失，施工期间堤心暴露长度不超过50 m，台风影响时暴露长度不超过30 m。

3 抛填质量控制

堤身抛填+0.0 m以上共计6.5万m3，仅占总量的5%，前期95%的工程量均为水下隐蔽工程，因此除抛填石料的规格和质量控制外，石料抛填平面位置是否准确，堤身断面轮廓线是否达到设计要求且不得超抛浪费石料，是质量控制的重中之重。

石料抛填过程中，使用测深系统定期对拟定区域进行扫海测量，将水深图与上述的堤身抛填边坡线进行比对，通过Excel绘制实测堤身断面轮廓线，从而直观形象的反映不同时期的累积抛填轮廓，以掌握和控制抛填施工效果。需要注意的是，扫海需在无风浪情况下进行，以尽量减小船体晃动造成的误差。

首先用CAD绘制扫海平面测量图，以设计前后沿坡脚各向外5 m为范围，按照横向3 m间距，纵向5 m间距划分测量轨迹线。测量人员导入测深仪后指挥测量小艇沿轨迹线行驶。

根据水深测量图，将堤身抛填各边坡线原坐标粘贴到同一CAD文件中，即可找到对应边坡线上的实测数据。将理论数据与实测数据统计到excel中，自动生成堤身轮廓线，便可直观的检查抛填情况，找出不足之处，见表4及图6。

表4和图6中的设计值（或理论值）与实测数据相差较大，这只是过程抛、测结果，对下步施工的指导有着重要的意义。

表4 断面测点理论值与实测值数据表

图6 K0+300 m抛填断面轮廓图

4 成本分析

使用Excel统计实测数据绘制的完成断面轮廓图，可用其进行累计抛填工程量、剩余工程量、超抛工程量等计算。以断面测点为分割点间距将断面划分为多个矩形框，矩形框的高度=所属测点高程平均值－设计底高程，其面积和即为断面面积。

利用已统计好的数据使用Excel编辑公式进行计算，可大大减少计算工作量，按照相邻断面取平均的方法计算累计抛填量，再将采购石料数量与之对比，可进行及时成本分析。

5 结语

该工程于2010年6月开工，采用此施工工艺，用10个月时间抛填122.7万m3石料，并按期完成了扭王字块的安装，对堤身形成有效防护。施工过程中堤身亦多次受到南风风浪破坏，但通过预缩断面、严格控制流水步距，做到护面块体及时安装，石料坍塌滑移仍在堤身范围内，后期通过补坡完成断面轮廓。通过开底驳与开体驳抛填数据计算、充分利用甲板驳机动灵活特点、定期进行扫海测深与断面图绘制，有效地控制了石料抛填质量及成本。实践证明该工艺在董家口地区进行海上作业是成功的，作为首个全部采用水上施工的防波堤，为港区内其他防波堤建设提供了可借鉴经验。

[1]JTJ 203—2001，水运工程测量规范[S].

[2]JTS 257—2008，水运工程质量检验标准[S].

[3]JTS 298—98，防波堤设计与施工规范[S].