大型自航耙吸式挖泥船深水防波堤堤心砂抛填及理坡成型施工应用

郑洪武

（中交广州航道局有限公司，广州 510220）

1 项目概况

科伦坡港（Colombo Port）位于斯里兰卡西南沿海凯拉尼河口南岸，濒临印度洋北侧，是斯里兰卡最大的港口。目前，科伦坡港西侧为已建的南港集装箱码头，集装箱码头下方为拟建的港口城发展项目。

港口城开发项目东西向长度约2km，南北向约2.1km，整体面积约4.2km2，本项目自然水深从陆域向海侧渐变至至水深21m[1]。项目以吹填为主，由陆域吹填、防波堤、拦砂堤、潜堤、护岸、游艇码头及陆域上部各种建筑结构组成，总吹填设计工程量达到7.1×107m3。

2 实施环境

本项目的外防波堤为离岸、低窄顶深水防波堤，位于吹填区西南侧，呈近半圆形环绕。外防波堤堤心砂总长3 029m（桩号CH0+110～CH3+139），如图1所示。防波堤心砂回填起始原泥面平均水深由西向东由-15m变化为-21m，属于深水作业条件。

堤心砂回填料来自位于项目所在地的北侧取砂区，水深-36～-18m，总面积为125km2，各取砂区距港口城项目吹填区/防波堤30km以内。砂料依靠自航耙吸船进行运输，该航线穿越科伦坡港进出国际航线。

图1 外防波堤堤心砂平面示意图

3 工程要求

3.1 堤心砂设计

堤心砂设计顶标高为-9.1m，宽12.5m，底部宽80.8m，设计回填量每延米约568m3，总设计回填量2.9×106m3。回填砂质为中粗砂，平均含泥量要求小于5%。

本工程的外防波堤有起始面深、长度较长、施工面窄的特点，设计尺寸表详见表1。

表1 外防波堤堤心砂回填施工尺度表

3.2 质量要求

按照设计施工要求进行见证取样和实验室送检，检测吹填土质含泥量、粒径、有机物含量等指标是否符合设计要求。

根据堤心砂及与其相关的技术要求，质量控制目标设定为：一级棱体及其他水工结构不覆盖砂，砂层顶标高精度偏差值范围控制在[+0.5m，-1.0m]，且严格控制在包络线以内且不允许覆盖一级棱体及其他水工结构，如图2所示。

4 施工特点分析

4.1 质量控制难度高

施工区位于开阔水域，无任何结构物遮挡，在这样的

条件下施工，质量控制难度极高。为减小抛填泥沙扩散范围，避免覆盖一级棱体及导滤层，施工采用耙吸船定点抛填工艺。由于定抛时航速近乎为0，受风浪影响较大，抛填位置及时间均需要精确规划和控制。

4.2 工期紧，工序搭接紧凑

每年的5月到9月是斯里兰卡的西南季风期，西南季风期海况恶劣，对已成陆域淘刷严重，外防波堤能否顺利推进，关系着整个项目的成败。而受海况条件限制，外防波堤只能在非季风期进行施工，有效施工时间短，工序搭接紧凑。

堤心砂的外防波堤是施工过程中较为重要且复杂的环节，堤心砂推进的顺利与否直接影响外防波堤的整体进展，400m长的堤心砂从开始动工到验收通过工期不允许超过15d，可见，对于施工质量要求如此严格的堤心砂施工来说，工期要求可谓是极为苛刻，快捷且高效的堤心砂施工工艺对整个外防波堤的推进至关重要。

图2 外防波堤堤心砂断面示意图

4.3 施工干扰多

施工过程中面临多方面因素的干扰。例如，耙吸船往返砂区与抛填区穿过国际航线时的避让问题，多家单位多艘船舶同时施工的时间协调问题，当地渔民非法进入施工区捕鱼的干扰等问题。

5 实施策划

本施工投入舱容21 028m3超大型耙吸船“浚洋1”和10 028m3大型耙吸船“万顷沙”各1艘，根据耙吸式挖泥船规格特点，需要结合潮位、浪高、堤心砂设计深度，采用定点直抛为主，走抛为辅，精细理坡直接成型的施工工艺。具体方法和分工为：

1）“浚洋1”定点开底粗抛主体堤心砂；

2）“万顷沙”定点直抛和走抛进行面层砂精抛；

3）“万顷沙”根据水深地形测量数据进行精细理坡。

抛填过程中，由于原泥面水深不同，以及实施过程中不同区段抛填厚度有变化，需结合潮位、各船舶吃水等参数，规划不同抛填厚度的泥门开放先后顺序、泥门开度、时间间隔、抛泥航行速度等，使得抛填施工后各区段内顶标高及坡度接近设计尺寸要求。为控制抛填厚度，需结合船体及泥舱大小设计各耙吸船抛填网格，抛填网格参数根据船舶装舱量、船舶泥舱参数、抛填区的水深情况等数据计算后设定，可通过装舱量、泥舱泥门的开放顺序和航速等调整抛填厚度。

船舶操控需克服以下几个技术难题：

1）平面控制线定位距离把控不到位，容易造成回填砂覆盖一级棱体，增加理坡量，工期延长；

2）纵向和横向抛填砂扩散范围不确定，也容易导致抛填砂覆盖影响一级棱体结构；

3）抛填砂最大和平均厚度不确定，容易导致回填砂高低不平，增加后续质量控制难度，以及抛浅后造成后续无法继续施工。

6 过程实施与控制

6.1 工前准备

科伦坡港口城发展项目防波堤堤心砂抛填采用大型耙吸船进行施工，施工背景文件一旦错误，将导致堤心砂无法成型，后果非常严重。通过对整个施工过程的流程进行分析，将整个过程划分为4部分，即：技术准备、控制原理分析、施工文件编制与校核和施工过程质量控制，并制订了相应控制管理流程，如图3所示。

严格消化设计标准，制作施工背景，经与设计图纸核对准备后再发送船上。根据设计平面及断面图制作施工文件，并将施工文件上的数据重新导入设计平面图进行核对，核对无误后再发送施工船舶。

6.2 主体抛填

抛填施工需要结合设计要求、工程工况和设备性能规划好抛填参数。在工程初期，需要通过多次抛填试验来确定抛填效果，同时找到最佳的抛填参数。

图3 耙吸挖泥船防波堤堤心砂深水抛填施工工艺流程图

经相关方研究论证，最终确定-12m以下工程量采用“浚洋1”分层粗抛，-12m至最终成型则采用“万顷沙”定抛。通过抛填试验确定船中轴线离堤心砂与倒滤层交线的最小安全距离为46.925m，“万顷沙”抛填的格网大小为60m×25m，“浚洋1”抛填格网大小为75m×25m，以确保成型效果均匀连续，不会形成凹槽或凸起。

为提高施工效率，在2次水深检测间隔期间，在施工控制按计划有序进行的前提下，可预设抛填格网，确保连续施工，施工工程中根据实际抛填结果，灵活调整格网进行施工修正，如图4所示。

图4 定抛回填施工定位导航施工图

6.3 精细理坡

利用挖泥船自带的疏浚控制系统（DCS）、疏浚数据记录系统（DDRS）、施工导航系统（DTPS）、动力定位和动态跟踪系统（DP/DT）等在内的先进挖泥自动控制系统，可实现疏浚过程中的进展情况可视化和疏浚信息记录，从而进行耙头深度的监控和理坡质量的控制。

图5 耙吸船防波堤理坡施工平面示意图

理坡过程中，堤心砂海侧坡脚与导滤层相接处存在超抛的情况，施工范围需要灵活调整，如图5、图6中深色色块为超抛区域，可根据实际断面图来判断待清砂区域是否是石头。这时根据断面，画出需要清砂的区域，将该清砂区域图框输入到挖掘系统，这样船舶操耙手才能更清晰明了有目的地清砂。该系统还自带归算功能，通过理论深度和耙深及下耙深度来计算是否已耙到位，如归算到位，则耙齿走过区域变为白色色块。

6.4 质量控制

堤心砂含泥量控制方面，按照合同要求进行舱内见证取砂样和实验室送检，检测砂质含泥量、粒径、有机物含量等指标是否符合设计要求。

标高和坡度控制方面，先通过浚前数据分析，初步对施工计划进行施工布线，紧接着加大测量检测频率，通过一系列的分析手段对施工结果进行全面评估与预估，分析抛填成果是否已达到设计要求。施工质量分析和控制使用方法具体为如下3方面。

6.4.1 断面比对分析法

根据测量检测的多波束数据，生成断面图并与上一次检测断面线及设计断面进行比较分析，检查抛填质量是否达标，分析施工过程中所出现的问题，总结原因并实时调整施工格网及施工参数。

6.4.2 差值图比对分析法

根据测量检测的多波束数据，与浚前数据、上一次检测数据以及设计数据等分别相减生成差值数据色块图，通过分析可以得出目前的抛填厚度情况、近期的抛填质量情况以及后续仍须抛填或需理坡的情况。另外，通过差值图可以精确地划定后续施工区域，如抛填格网、需清砂区域等。

6.4.3 3D图比对分析法

根据多波束测量检测数据生成3D立体效果图，加载其对应的设计控制线进行比较分析，判断其是否已达到设计要求。另外，根据抛填扩散影响范围调整施工，如图7所示。

图6 耙头精挖操控示意图

图7 抛填及理陂质量3D效果成型过程图

7 安全环保

斯里兰卡科伦坡港口城发展项目工程位于斯里兰卡的首都科伦坡，其地处繁华的Galle Face地界西侧和科伦坡港延伸项目的南侧，政府及业主部门对项目实施的安全及环保要求极高。

项目部专门成立环境保护监控小组，严格遵守国家和地方政府的有关法律、法规和制度要求开展各项工作。堤心砂抛填实施过程中，科学地安排施工计划，综合分析风向和水流因素，选择合理抛填及理坡方式，减少抛泥悬浮物扰动对周边环境产生的影响。同时，本施工工艺显著提高了堤心砂施工的抛填效率，减少理坡过程中的反挖量，大大缩短了施工总时间，降低了安全实施风险，也大幅减缓了对生态环境的影响。

8 实施成果

8.1 质量成果

运用此施工工艺进行堤心砂施工顺利完成了该工程吹填CH0+110～CH3+139段共3 029m的堤心砂抛填施工，回填料砂质量满足合同技术参数要求，达到了一级棱体及其他水工结构不覆盖砂的效果，砂层顶标高精度偏差值范围控制在[+0.5m，-1.0m]内，验收断面线均控制在包络线以内，总体效果良好。

8.2 经济效益

该项目实现了大型耙吸挖泥船独立完成堤心砂主体抛填及理坡成型作业，与传统的耙吸挖泥船主体抛填加抓斗船精细理坡的组合施工相比，大幅节省了抓斗船和辅助设备的远程调遣费、船机使用成本以及人员投入费用。此施工工艺的成功实施，充分利用了原有的疏浚设备和技术，无需额外增添设备和人员配置，实施效率高，操作单一便捷，高效地解决了船舶资源与防波堤工期保障问题。

9 结语

本工程投入多艘大型自航耙吸挖泥船进行深水防波堤堤心砂抛填和理坡施工工艺的操作，顺利完成了该工程的堤心砂填筑成型施工，施工质量满足合同技术参数要求，达到了预期的整体成型效果，为后续的堤心石抛填、护面块体安装等重要工序及时提供了工作面，显著增加了防波堤的总体推进进度，为吹填区及时形成掩护创造了极其重要的基础条件。

本工艺除了解决工程实际问题外，还验证了超大型、大型耙吸船单程独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质量、安全控制的施工工艺，为后续类似工程提供了可贵的参考、借鉴意义。