新型防護(hù)塊體Xbloc的安裝技術(shù)

向 松，吳文力，王 剛

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

1 項(xiàng)目概況

尼日利亞萊基深水港項(xiàng)目（Lekki Deep Sea Port Project，簡稱LDSPP）位于尼日利亞拉各斯以東約70 km的拉各斯自貿(mào)區(qū)，碼頭設(shè)計(jì)水深-16.5 m，泊位長度為1 523 m，包括3個(gè)集裝箱泊位和1個(gè)MOF泊位，防波堤總長度約2.4 km。

本項(xiàng)目防波堤采用了新型護(hù)面混凝土塊體Xbloc，三維模型見圖1所示。

圖1 Xbloc三維模型

該塊體專利屬于荷蘭DMC（Delta Marine Consultants）公司。Xbloc塊體是一種可應(yīng)用于防波堤和護(hù)岸上的強(qiáng)有力的單層混凝土護(hù)面塊體，具有制造工序簡單、相對混凝土用量小、塊體連鎖穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢[1]。

本項(xiàng)目使用的Xbloc有以下3種規(guī)格，分別為2 m3、3 m3和5 m3，對應(yīng)的設(shè)計(jì)用量為7 206塊、10 966塊和8 820塊。

2 Xbloc的安裝原則及驗(yàn)收

在海外工程上使用的單層混凝土防護(hù)塊體，主要靠單個(gè)塊體自身的重量和塊體間的聯(lián)鎖效應(yīng)，來為防波堤堤心提供防護(hù)[2]。相比于其他類型塊體的較為復(fù)雜的安裝原則，Xbloc具有更簡單易行的安裝原則，在安裝效率和聯(lián)鎖效應(yīng)上具有明顯的優(yōu)勢[3]。

Xbloc的安裝坐標(biāo)由DMC提供，EPC承包商將按照DMC所提供的設(shè)計(jì)安裝坐標(biāo)進(jìn)行Xbloc的安裝，同時(shí)記錄實(shí)際安裝坐標(biāo)并提交DMC。

2.1 坡腳塊體安裝

坡腳塊體可以選用Xbloc或Xbase，首層塊體選取不同，安裝塊體要求也不同，下面對不同坡腳塊體的安裝要求進(jìn)行分別描述。

若坡腳塊體使用Xbase，則要求如下

1）Xbase塊體要平放；

2）坡腳Xbase實(shí)際安裝坐標(biāo)與設(shè)計(jì)安裝坐標(biāo)的偏差要小于0.1D（D為塊體的高度，下同）；

3）坡腳Xbase在墊層上的安裝姿態(tài)見圖1所示，鼻子朝上，兩腳平行坡面，且與同一列塊體相比，在水平上的角度偏差不超過15°。

此外，與Xbase接觸的一層Xbloc安裝需要滿足如下要求：

1）此層Xbloc需要三點(diǎn)接觸；

2）此次Xbloc安裝偏差要小于0.1D。

若坡腳采用Xbloc塊體安裝，則安裝規(guī)則如下：

1）塊體應(yīng)該三點(diǎn)接觸墊層；

2）塊體應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)坐標(biāo)安裝，且實(shí)際偏差小于0.1D。

為避免坡面的塊體安裝困難，在坡腳、第二層的塊體安裝時(shí)，每安裝10 m或者5個(gè)塊體時(shí)，應(yīng)該返回檢查塊體是否已正確安裝。

壓腳石應(yīng)與塊體緊密接觸，提供保護(hù)。在塊體開始安裝后，應(yīng)該盡可能早地對壓腳石進(jìn)行吊拋，結(jié)合現(xiàn)場施工條件，在允許的情況下，在裝完第三層塊體就進(jìn)行壓腳石的吊拋。

2.2 坡面塊體安裝

在坡腳塊體安裝完成后，坡面上的Xbloc安裝便可以進(jìn)行，坡面上的Xbloc首先需要根據(jù)設(shè)計(jì)坐標(biāo)塊體進(jìn)行安裝，其次，安裝要讓塊體相互聯(lián)鎖，其中，聯(lián)鎖的內(nèi)涵為：要移動(dòng)一個(gè)塊體，必須同時(shí)移動(dòng)周圍的若干塊體，即塊體被其上方的兩個(gè)塊體壓緊。具體安裝規(guī)則如下：

1）坡面上的Xbloc在安裝時(shí)指向要隨機(jī)，即一個(gè)塊體附近不能有多個(gè)相同指向的Xbloc；

2）在安裝完成后，在防波堤直線段安裝的每個(gè)Xbloc都應(yīng)該和它上方的兩個(gè)Xbloc聯(lián)鎖，并且與墊層相接觸；堤頭圓弧段安裝的每個(gè)Xbloc則與它周圍的塊體聯(lián)鎖，并且與墊層接觸；

3）在坡面上的塊體相對堆疊密度（Relative Packing Density，簡稱RPD）為理論堆疊密度的98%到105%。

2.3 堤頂?shù)膲K體安裝

防波堤堤頂平臺(tái)的Xbloc安裝需要兩腿或三點(diǎn)接觸堤頂，同時(shí)Xbloc需要與相鄰的坡面上的Xbloc聯(lián)鎖，與現(xiàn)有的胸墻或其他堤心防護(hù)結(jié)構(gòu)相融合。如果擋浪墻和Xbloc之間的空隙較大但不足以安裝另一塊Xbloc，則空隙需要用較大的塊石、混凝土塊或Xbase來填充。

2.4 Xbloc安裝的驗(yàn)收

根據(jù)以上原則進(jìn)行Xbloc的安裝工作，安裝完成之后，需要對Xbloc的聯(lián)鎖程度和相對堆疊密度進(jìn)行驗(yàn)收。

1）Xbloc聯(lián)鎖程度的驗(yàn)收

除了依靠自身的重量，防護(hù)塊體還需與周圍塊體聯(lián)鎖才能發(fā)揮預(yù)定的掩護(hù)作用。Xbloc聯(lián)鎖程度的驗(yàn)收可以通過對防波堤Xbloc安裝段進(jìn)行分區(qū)段高清攝像或攝影來實(shí)現(xiàn)。對于水上部分的Xbloc護(hù)面，首先要在陸地上進(jìn)行分段標(biāo)記，以便在照片上進(jìn)行比對，然后使用帶高清攝像頭的無人機(jī)等航拍設(shè)備，對Xbloc護(hù)面進(jìn)行分段垂直拍攝，每張照片在寬度上不得超過十個(gè)塊體。另外，還應(yīng)該根據(jù)需要讓拍攝的照片有一定的重疊度，以便進(jìn)行圖片拼接比對。

2）相對堆疊密度

所有Xbloc都應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)安裝坐標(biāo)進(jìn)行安裝，同時(shí)記錄實(shí)際安裝坐標(biāo)，根據(jù)安裝坐標(biāo)計(jì)算相對堆疊密度，算出來的RPD要落在98%～105%范圍內(nèi)。相對堆疊密度的計(jì)算公式如下：

式中：

Nx為所計(jì)算區(qū)段在水平方向上的塊體個(gè)數(shù)；

Ny為所計(jì)算區(qū)段的安裝層數(shù)；

dx為Xbloc在水平方向上的距離常數(shù)，取1.32D；

dy為Xbloc在斜坡方向上的距離常數(shù)，取0.93D；

Lx為所計(jì)算區(qū)段在水平方向上的長度；

Ly為所計(jì)算區(qū)段在斜坡方向上的長度。

實(shí)際上，DMC以滿足RPD為約束條件進(jìn)行Xbloc的安裝坐標(biāo)設(shè)計(jì)，故而只需在實(shí)際安裝過程中，按照DMC的設(shè)計(jì)坐標(biāo)來完成相應(yīng)塊體的安裝，即可滿足Xbloc安裝所需的RPD要求。

3 3D聲吶系統(tǒng)Echoscope

3D聲吶系統(tǒng)Echoscope是由英國Coda Octopus研發(fā)，集水下測量、探測及防護(hù)塊體安裝等多用途于一身，全球唯一的一款實(shí)時(shí)實(shí)景3D聲吶系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)已獲得Accropode、Accropode Ⅱ和Xbloc等塊體的安裝認(rèn)證[5]，利用實(shí)時(shí)3D聲吶所提供的高清晰度水下環(huán)境圖像，指導(dǎo)岸上操作人員正確地對水下塊體進(jìn)行相應(yīng)操作和安裝。

Echoscope 3D聲吶系統(tǒng)主要由五部分組成，水下聲吶、定位定姿系統(tǒng)、單軸轉(zhuǎn)子、立體連接器及數(shù)據(jù)處理軟件。

3.1 水下聲吶

本項(xiàng)目采用的水下聲吶Echoscope4G Surface為Coda Octopus公司針對淺水塊體安裝所研發(fā)的新型聲吶，作業(yè)最大深度20 m，水下量程可達(dá)1～120 m，水下分辨率為3 cm，可發(fā)射128×128的波束量，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采樣能力，可對水下數(shù)據(jù)成像進(jìn)行每秒12次的更新。與聲吶配套使用的還有一個(gè)智能開關(guān)（3D Smart Switch），智能開關(guān)可自動(dòng)控制聲吶進(jìn)出水時(shí)的啟停，避免聲吶在出水后繼續(xù)工作而產(chǎn)生高溫?zé)龎膫鞲衅?，同時(shí)讓聲吶在入水時(shí)自動(dòng)開始工作。

3.2 定位定姿系統(tǒng)

使用雙頻雙GPS定位定姿系統(tǒng)F185R為水下塊體安裝提供位置信息。F185R由兩個(gè)雙頻GPS接收機(jī)和一個(gè)慣性測量單元（IMU）組成，在接收RTK基站差分信號(hào)的情況下，為水下聲吶實(shí)時(shí)提供厘米級(jí)的位置數(shù)據(jù)，對聲吶因波浪造成的橫搖和縱搖（Roll and Pitch）進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，保證聲吶在地理空間的位置準(zhǔn)確性，進(jìn)而保證成像數(shù)據(jù)的空間準(zhǔn)確性。

3.3 單軸轉(zhuǎn)子

單軸轉(zhuǎn)子（Integrated Single Axis Rotator，簡稱ISAR）是調(diào)節(jié)水下聲吶探照角度的設(shè)備，可對聲吶進(jìn)行高精度的角度控制，擴(kuò)大聲吶的覆蓋范圍，增加水下的可視化區(qū)域。

本項(xiàng)目使用履帶吊作為主要安裝設(shè)備，上述三部分儀器設(shè)備使用由Coda Octopus指導(dǎo)預(yù)制的安裝輔助支架搭載，見圖2所示。

圖2 安裝輔助架上的Echoscope系統(tǒng)

3.4 立體連接器

立體連接器（3D Connect）是Coda Octopus公司新研發(fā)的集成線路供電及數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^器。3D Connect與外部電源直接相連，進(jìn)而為各部分儀器供電并提供短路保護(hù)，是控制儀器的電源開關(guān)。同時(shí)，3D Connect也是數(shù)據(jù)的傳輸中心，通過網(wǎng)線與電腦實(shí)現(xiàn)連接，與電腦交換儀器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3.5 數(shù)據(jù)處理軟件

Echoscope 3D聲吶系統(tǒng)主要的控制軟件有用于指導(dǎo)水下塊體安裝和控制ISAR的軟件Construction Monitoring Software（以下簡稱CMS），用于水下已安裝塊體測量驗(yàn)收的Underwater Survey Explorer（以下簡稱USE），以及用于控制定位定姿系統(tǒng)的軟件MOTION Control。Echoscope采集的數(shù)據(jù)量大、聲吶成像速度快、成像質(zhì)量高，對供軟件搭載的便攜式電腦提出了比較高的要求。該Echoscope 3D聲吶系統(tǒng)通過電纜實(shí)現(xiàn)各部分相連，實(shí)現(xiàn)電源和數(shù)據(jù)的傳輸。

4 3D聲吶系統(tǒng)Echoscope的功能

4.1 實(shí)景可視化功能

基于每秒超過16 000個(gè)聲吶波束的數(shù)據(jù)，Echoscope對水下環(huán)境可以進(jìn)行細(xì)致的實(shí)時(shí)實(shí)景可視化，見圖3。所形成的3D圖像是具有地理意義的，圖像上的任何一點(diǎn)都具有空間信息即空間三維坐標(biāo)x、y、h[6]。此功能為Echoscope主要功能，亦是其特有的功能。

圖3 Echoscope水下實(shí)景3D圖像

4.2 塊體捕捉和跟蹤功能

Echoscope利用軟件內(nèi)置的塊體模型，可以在水下對塊體進(jìn)行捕捉和跟蹤，獲取塊體的實(shí)時(shí)位置，在安裝完成時(shí)記錄塊體的位置和姿態(tài)信息。

4.3 3D圖像融合功能

Echoscope可將水下拍攝的3D聲吶圖像進(jìn)行融合，結(jié)果可以輸出整合在同一幅圖像中[7]，見圖4，可為安裝完成的塊體提供驗(yàn)收依據(jù)。

圖4 Echoscope聲吶圖像拼接成果

4.4 塊體監(jiān)測

除了塊體安裝、塊體驗(yàn)收功能，Echoscope還可以對已經(jīng)安裝完成的塊體進(jìn)行監(jiān)測，判斷已安裝的塊體是否穩(wěn)定或存在移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對防護(hù)塊體全生命周期的控制。

4.5 其他常規(guī)功能

在上述特色功能之外，Echoscope還具有坐標(biāo)放樣指示功能、數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄功能、測量過程回放功能。此外，還可以加裝分屏顯示器，展示水下安裝過程，方便現(xiàn)場技術(shù)人員和現(xiàn)場監(jiān)理對安裝過程進(jìn)行管控。

5 Echoscope與POSIBLOC的對比

當(dāng)前國際市場在防護(hù)塊體安裝領(lǐng)域，Echoscope系統(tǒng)與POSIBLOC系統(tǒng)是兩款主流的塊體安裝系統(tǒng)。POSIBLOC系統(tǒng)是法國MESURIS公司旗下一個(gè)水下防護(hù)塊體安裝輔助系統(tǒng)，可適用于Accropode、Accropode II、Ecopode和Core-Loc等不同類型扭王字塊[8]。表1為二者在塊體安裝上的對比。

表1 Echoscope與POSIBLOC的對比

通過對比可知，POSIBLOC在安裝作業(yè)適應(yīng)性上具有明顯優(yōu)勢，而Echoscope在水下成像原理上技術(shù)性更強(qiáng)，在護(hù)面塊體后期維護(hù)上有優(yōu)異的拓展應(yīng)用，是一款覆蓋了塊體從安裝、驗(yàn)收到維護(hù)的全周期產(chǎn)品。

6 結(jié) 語

Xbloc作為一種較新型的單層防護(hù)塊體，具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和水力穩(wěn)定性。我公司是國內(nèi)第一個(gè)根據(jù)Xbloc技術(shù)規(guī)格書和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行Xbloc安裝的單位。3D聲吶系統(tǒng)Echoscope也是目前在尼日利亞境內(nèi)首次應(yīng)用，為水下塊體安裝提供了高精度的實(shí)時(shí)可視化場景，實(shí)現(xiàn)了無須潛水員即可完成水下塊體安裝并驗(yàn)收，提高了工作效率，減少了水下作業(yè)的安全隱患，保障了作業(yè)人員的人身安全。

本文從技術(shù)上對Xbloc安裝和驗(yàn)收進(jìn)行闡釋，對3D聲吶系統(tǒng)Echoscope進(jìn)行了詳細(xì)介紹并和同領(lǐng)域的其他系統(tǒng)進(jìn)行了對比，可以作為國內(nèi)類似工程應(yīng)用的參考，也可以給國內(nèi)軟件開發(fā)公司拓展思路。