卢金华 修志福 谢乔木
（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东，广州，510230）
【摘 要】本文介绍土工织物护底的在某砂质地基深水防波堤中的应用。通过设计对地质条件的复核计算，发现防波堤的砂质基础在使用期有可能受到波浪的掏刷破坏。为了加强防波堤砂质基础的抗冲刷能力并增强防波堤结构的稳定性，设计考虑在防波堤堤芯和护坦抛填前，先在原状砂质泥面上铺设2层土工布和1层土工格栅防护。同时结合铺排船铺设水下土工织物的施工工艺实施，介绍其对工程工期和质量保证方面取得的良好控制效果，并对深水防波堤水下土工织物铺设施工进行总结，为其他类似工程提供借鉴。
【关键词】砂质基础；土工织物；冲刷深度；GPS实时差分定位
1．概况
中委合资广东石化2000万吨/年重油加工工程由中国石油天然气股份有限公司和委内瑞拉国家石油公司合资建设与运营。项目建设地点位于广东省揭阳市（惠来）大南海国际石化综合工业园，配套工程产品码头工程位于紧邻炼厂的大南海龙江河西侧海域，建设规模为：5万吨级液体散货泊位1个（结构预留至10万吨级）、3万吨级液体散货泊位2个、1万吨级液体散货泊位2个、5千吨级液体散货泊位3个、2万吨级固体散货泊位1个、5千吨级件杂货泊位1个（施工期兼做重件上岸泊位）、工作船泊位3个和2239m长的防波堤，工程总投资13.9亿人民币，工期30个月。
防波堤呈反L形布置，总长2239m，其中内段防波堤拟从东护岸端点向海域延伸，外段防波堤从内段防波堤端点向西南布置。内段防波堤、圆弧段及外段防波堤长度分别为892.4m、114.2m和1232.4m。防波堤为抛石斜坡堤结构，防波堤按2年一遇的波浪越过防波堤在码头泊位处产生的波高满足船舶泊稳条件要求进行设计。根据项目的波浪验算结果，堤头及拐弯段采用18t扭王字块体护面，堤身采用15t扭王字块体护面，堤头边坡为1:1.5，护底长度15m；堤身边坡为3:4，护底长度为8.0m，防波堤堤身顶高程为6.94m，堤头顶高程为7.20m。地质资料显示其基底表层覆盖3~5m粉细砂，在施工图阶段增加铺设两层土工布、一层土工格栅护底，防止防波堤底部淘刷。
2．设计验算
2.1自然条件
根据地质勘查报告，防波堤工程区域内表层为粉细砂层，平均厚度为3.5m，原泥面水深为4~13m。按往年波浪统计资料显示，防波堤施工海域，按≤5级风，≤0.8m浪高的水上施工条件，年有效作业天数约200天，且集中在4~10月份，约占全年85%。每年10月份至次年4月为东北季风期，现场波浪长期维持浪高＞1.0m。防波堤最大流速位于拐点和堤头附近，最大为0.51m/s。码头南侧的防波堤堤外流速比较大，最大流速为0.30~0.51m/s。防波堤接岸点为东护岸，受龙江河口泄洪影响，靠龙江河口处水流较急。
2.2判断冲刷形态
根据《防波堤设计与施工规范》（JTS154-1-2011）附录D 斜坡堤前的海底冲刷计算中的规定，计算冲刷形态的判别参数 ，相关参数值如下：
累计频率为13%的波高：H13%=4.8 m 波浪的平均周期：T=9.6 s
由平均周期计算得出的波长：L=82 m 水深：d=0.3+6.2=6.5 m
重力加速度：g=9.81 m﹒s-2 砂粒的重度：γs=26.5 kN/m3
水的重度：γ=10.25 kN/m3 砂粒的中值粒径：D50=0.116×10-3 m
根据《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）取水的运动粘滞系数：ν=1×10-4 m2s-1
引自《泥砂沉降速度研究进展及其影响因素分析》砂粒的静水沉降速度：
2.3第一腹点至静水面交点的距离
根据《防波堤设计与施工规范》（JTS 154-1-2011）附录D 斜坡堤前的海底冲刷计算中的规定，计算斜坡堤前部分立波第一个腹点至斜坡坡面与静水面交点间的距离，相关参数值如下：
累计频率为1%的波高：H1%=6.1 m 波浪的平均周期：T=9.6 s
由平均周期计算得出的波长：L=82 m 水深：d=6.5 m
按《港口与航道水文规范》（JTS 145-2015）斜坡堤上波浪爬高计算：
2.4冲刷深度
根据《防波堤设计与施工规范》（JTS 154-1-2011）附录D 斜坡堤前的海底冲刷计算中的规定，计算冲刷深度，相关参数值如下：
累计频率为13%的波高：H13%=4.8 m 波浪的平均周期：T=9.6 s
由平均周期计算得出的波长：L=82 m 水深：d=6.5 m
查《港口与航道水文规范》（JTS 145-2015）：
2.5验算结果
根据《防波堤设计与施工规范》（JTS 154-1-2011）附录D斜坡堤前海底冲刷计算公式计算，底砂的启动流速为0.137m/s，而设计波浪在防波堤前的底流速达到5.443m/s，相对于设计波浪在堤体前产生的水底流速，防波堤堤底冲刷形态属于细砂型，冲刷谷的深度达到3.27m。因此防波堤的护底设计变成尤为重要，一旦护底被冲刷，坡面扭王字块块就会向下滑移失去抗浪作用。为此防波堤护底块石层下铺设2层土工布和1层土工格栅，防止底部基础被波浪淘刷。
3．施工控制
3.1施工要求
按项目总体建设目标的要求，中委广东石化产品码头工程的质量目标是创国家级优质工程，对工程质量要求高。防波堤水下土工织物铺设水深在4~13m，水下施工测量定位控制要求高，须确保铺设质量满足规范要求。防波堤水下垫层土工织物铺设是施工的第一道工序，其施工进度直接影响到防波堤工程施工的全面推进。按产品码头工程三级进度计划，防波堤水下垫层土工织物铺设工期计划为3个月，且其铺设工期横跨在台风季节，面临台风时施工暂停影响工期计划的风险。
3.2工艺选择
沉管水下土工织物铺设工艺包括铺布船定位潜水员人工水下铺设和铺布船采用GPS实时定位系统进行精确定位铺设。潜水员人工铺设主要施工方法是人工卷布成型，整体吊运至铺布船，通过GPS精确测量定位，潜水员水下摊铺，并抛填碎石袋压实，完成单幅土工织物的铺设。GPS实时定位铺设的主要施工方法是由铺排船、GPS定位系统、铺设装置组成铺设设备，定位系统通过3台高精度的GPS、电脑、打印机、软件等组成，船上布置2台GPS，形成实时差分定位，可准确确定船舶行走轨迹，定位精度为10cm。铺设装置由铺设滚筒、吊索、臂架、提升卷扬机等组成。通过计算机软件及GPS定位系统在电脑上实时反映铺设滚筒的位置，将土工布按平面坐标制定安装方格，利用GPS实时定位系统精确定位，慢慢的下放滚筒，移船摊铺，同时抛填碎石袋压实。
目前水下土工织物的铺设，水深足够的工程普遍采用配备GPS实时定位系统的铺排船进行水下土工织物的铺设，可大大减少潜水作业，节省潜水员的使用，另采用潜水探摸、水下摄影等手段进行复核检查，保证工程质量。本项目水下土工织物的铺设采用GPS实时定位的铺设工艺。
3.3施工设备
本项目采用土工布铺排船进行水上土工织物铺设，选用的施工船舶为“宇帆3号”（来源于浙江舟山）铺布船，船舶吨位493吨，船长53m，型宽13.2m，型深3.15m，船舶核准航区为沿海，船舶作业抗风浪条件为5级风，≤0.8m浪高，施工期安排在5月~9月，作业有效作业天数满足计划要求。
图3-1 土工织物铺排船
3.4要素控制
（1）GPS测量仪器
GPS定位系统采用全新的设备，严格按照测量规范要求对GPS定位系统进行校核验证，做好测量基准点的校核，将GPS基站设立紧邻施工现场，减少因信号传输造成的仪器偏差的可能性。
（2）GPS实时差分定位
根据施工图纸，将土工织物铺设区域进行平面分块设计，计算每块土工织物铺设的边角左边，并通过监理审核后将土工织物铺设平面位置图导入GPS实时差分定位系统软件，在土工织物铺设时，当船舶已按软件显示定位完成后，采用1台GPS移动测量站进行单幅起始边角的坐标校核，复核无误后进行铺布船的移船摊铺，铺设完成后，对另外两个边角点坐标进行复测校核，验证铺设位置的准确性。
（3）水下固定、摊铺系统
水下土工织物铺设过程的固定是整个铺设工艺控制的关键，施工前组织典型施工，校验质量控制措施的可行性。本项目采用4口轻锚通过活结连接到土工织物的卷铺起始边，移动GPS测站复核滚筒下放的边线，固定小锚，开始卷铺土工织物。严格控制土工织物摊铺过程的移船速度，按每2m宽度作为一个卷铺抛压段，船上通过挖掘机及时抛填10~100kg块石压实。
（4）土工织物卷铺
根据铺排船滚筒的尺寸，单幅土工织物长度设计略小于滚筒长度，留出足够的操作宽度，同时在土工织物卷曲过程中增加竹片作为单幅土工织物的加强肋，增强单幅土工织物的整体性。每幅土工织物经过验收合格后才能下水。
（5）施工海域风浪条件
结合项目实际，向国家海洋局天气预报中心订制了专业的施工海域风浪预报，每天向各层管理人员发送海况短信，对每天的施工安排提供了非常有效的帮助。另外考虑工程地区的海况条件较差，结合典型施工的情况，通过优化铺排船的卷扬系统性能，由每次铺设一层改为3层一次性卷铺，减少铺设次数，节约施工耗时，提高了施工工效，降低了因海况恶劣而无法施工造成工期延误的风险。
（6）检查验收
水下土工织物验收按照规范要求，对单幅土工织物进行全断面的钢管探摸，另委托专业队伍进行潜水探摸和水下摄影检查。
（7）其他
组织开展水下土工织物铺设典型施工，验证铺设工艺在实际操作过程存在的不足，及时进行典型施工总结，制定质量控制的改进措施。
采购部门对供应商各层次的管理人员进行了材料要求交底，施工工程师结合现场铺设情况及时反馈土工织物的尺寸，避免幅宽设计不合理造成材料浪费。现场备选部分散装土工织物，对局部尺寸不规则的区域进行现场灵活安排，节约成本。对于供货商加工成型的单幅土工织物，现场严格验收，保证尺寸符合计划，若发现偏差较大时，及时修正调整设计单幅尺寸，同步要求供货商进行修正。
3.5实施效果
（1）工程质量
土工织物采购抽检合格率100%，铺设质量符合设计及规范要求，满足项目总体质量标准。，其检验结果见表3-1。
表3-1 质量检查效果统计表
（2）工期目标
土工织物铺设施工自2013年6月初至2013年9月初全部铺设完成，达到了制定的工期目标。防波堤工程水下土工织物工程量约24万m2，日平均功效达2700m2/d。
（3）技术效应
通过GPS差分实时定位系统定位，采用铺排船进行水下土工织物铺设工艺的实施，积累了工程经验，为类似工程项目的实施提供了借鉴。
4．结语
1）按国内以往砂质地基防波堤工程经验，不乏防波堤受波浪淘刷至失稳的案例。波浪对防波堤护底淘刷的验算非常重要，直接影响防波堤工程的使用寿命，通过设计的复核验算，设计有效的防浪淘刷措施，是砂质地基防波堤工程质量的重要保证。
2）水下土工织物铺设往往需要使用潜水员操作，采用GPS实时定位系统的铺排船施工工艺可取消潜水作业，降低施工风险。
3）GPS实时定位系统的铺排船铺设水下土工织物的工艺铺设质量优良，功效高，可广泛应用于水深条件足够的工程项目。
参考文献：
[1]杨位洸.地基及基础[M].中国建筑工业出版社.1999
[2]JTJ 154-1-2011,防波堤设计与施工规范[S]
[3]JTS 145-2015,港口与航道水文规范[S]
[4]JTS 144-1-2010,港口工程荷载规范[S]
作者简介：
卢金华（1984-），男，广西容县人，工程师，主要从事港口航道与海岸工程管理。
论文作者:卢金华,修志福,谢乔木
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年4月总第209期
论文发表时间:2016/6/13
标签：防波堤论文; 土工论文; 织物论文; 水下论文; 波浪论文; 泊位论文; 工程论文; 《工程建设标准化》2016年4月总第209期论文;