數(shù)學(xué)模型在強(qiáng)涌浪條件下人工造島關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

王臻寧

（中港疏浚有限公司，上海 200136）

0 引言

斯里蘭卡科倫坡港口城發(fā)展項(xiàng)目位于科倫坡CBD 核心區(qū)，計(jì)劃填海形成陸域269 公頃，規(guī)劃建設(shè)規(guī)模573 萬(wàn)平方米，填海工程投資14 億美元。項(xiàng)目長(zhǎng)期受印度洋季風(fēng)氣候影響，處于強(qiáng)涌浪環(huán)境下，給施工進(jìn)度安排以及施工質(zhì)量帶來(lái)極大風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。采用大量數(shù)學(xué)模型對(duì)本項(xiàng)目防波堤設(shè)計(jì)與施工、人工島結(jié)構(gòu)平面布置設(shè)計(jì)和開(kāi)敞式陸域形成施工組織進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，有助于提升惡劣環(huán)境無(wú)掩護(hù)人工島及其附屬結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)、施工、研究技術(shù)水平和實(shí)力[1]。

1 項(xiàng)目關(guān)鍵點(diǎn)

1.1 季風(fēng)期影響突出

實(shí)際施工過(guò)程中，在印度洋季風(fēng)背景下，港口城陸域形成施工主要分為2016 年10 月～2017 年4 月、2017 年10月～2018 年4 月、2018 年10 月～2019 年4 月等3 個(gè)非季風(fēng)施工期，工程施工需跨越2 個(gè)季候風(fēng)期。施工受季候風(fēng)等災(zāi)害性天氣影響大，陸域形成結(jié)構(gòu)防沖刷問(wèn)題突出[2]。

1.2 敞開(kāi)式水域可施工期短

根據(jù)自然資料及以往在當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)分析，其中每年5月～9 月為季候風(fēng)季節(jié)，全年水上可作業(yè)天數(shù)將大打折扣。施工后期，施工水域越來(lái)越狹小，耙吸挖泥船進(jìn)入吹填區(qū)的航行與施工和防波堤施工的干擾大。

圖1 港口城項(xiàng)目最終效果圖

2 數(shù)學(xué)模型研究

2.1 施工期泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬技術(shù)

項(xiàng)目部委托咨詢(xún)公司CDR 建立數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)停工期間實(shí)際水深變化進(jìn)行校正，該數(shù)學(xué)模型由2 個(gè)耦合模型組成，分別是FINEL2D（形態(tài)模型）和SWAN（波浪模型）[1]。

2.2 泥沙運(yùn)動(dòng)動(dòng)力因素和運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

本工程地處斯里蘭卡的西海岸、克拉尼河以南，瀕臨印度洋北側(cè)，主要受來(lái)自西南和西側(cè)涌浪和風(fēng)浪影響，其中西南季風(fēng)期（5 月～9 月）影響最為劇烈。

預(yù)測(cè)岸線(xiàn)變化的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)岸線(xiàn)變化的有效預(yù)測(cè)，為季風(fēng)期后的設(shè)備部署、施工計(jì)劃的調(diào)整、施工工藝的優(yōu)化，提供了有效的數(shù)據(jù)支持和充足的準(zhǔn)備時(shí)間，做到生產(chǎn)安排有章可循。圖2 為沿岸泥砂運(yùn)動(dòng)示意圖。

圖2 沿岸泥砂運(yùn)動(dòng)示意圖

2.3 數(shù)學(xué)模型應(yīng)用

1）1A 階段分析。根據(jù)施工組織數(shù)模分析報(bào)告（見(jiàn)圖3），在季風(fēng)期的前半階段，陸域形成岸灘線(xiàn)會(huì)在游艇碼頭內(nèi)護(hù)岸有所調(diào)整，造成游艇碼頭內(nèi)護(hù)岸的淤積；并且該區(qū)域的岸灘會(huì)變緩，影響吹填施工；在季風(fēng)期的后半階段，陸域形成的岸灘線(xiàn)會(huì)沿南側(cè)靠近防波堤區(qū)域會(huì)有調(diào)整，但該部分泥沙運(yùn)動(dòng)不影響后期吹填施工。

圖3 1A 階段的預(yù)測(cè)分析

通過(guò)1A 階段的施工，可以得出如下結(jié)論：

科倫坡港口城在防波堤形成整體掩護(hù)前，陸域形成施工一直處于一個(gè)極其復(fù)雜的海洋環(huán)境中。風(fēng)、浪、潮、流等海洋環(huán)境要素間接通過(guò)對(duì)海底的泥沙運(yùn)移、海底地形地貌變遷、砂土液化等會(huì)對(duì)項(xiàng)目實(shí)施產(chǎn)生影響。

2）2A 階段分析。2017 年9 月～2018 年4 月是項(xiàng)目施工強(qiáng)度最大的一個(gè)施工期，在最大化設(shè)備產(chǎn)能的前提下形成穩(wěn)定的陸域形態(tài)，由于泥沙大面積重新分布發(fā)生在季風(fēng)期，季風(fēng)期來(lái)臨前應(yīng)當(dāng)按數(shù)模報(bào)告控制好陸域形態(tài)。

根據(jù)數(shù)模的淘刷回淤分析（見(jiàn)圖4），中期階段在防波堤與陸域形成同步推進(jìn)的前提下，泥沙重新分布主要發(fā)生在施工區(qū)內(nèi)，可見(jiàn)防波堤的遮蔽作用，能夠有效掩護(hù)成型陸域。

圖4 第2 個(gè)季風(fēng)期結(jié)束期的預(yù)測(cè)分析

從分析結(jié)果看，淘刷主要發(fā)生在陸域形態(tài)突出的部位，而灣區(qū)有利于聚集發(fā)生流動(dòng)的泥沙，能夠避免二次處理。

陸域形成根據(jù)實(shí)際情況改為相對(duì)穩(wěn)定垂直浪向的形態(tài)由北往南施工，并按設(shè)計(jì)圖留出運(yùn)河位置，減少了后期反挖工程量。

長(zhǎng)石礦物量較少(<5%)，但礦物種類(lèi)繁多，主要為鉀長(zhǎng)石，偶見(jiàn)有條紋長(zhǎng)石、微斜長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石等。現(xiàn)主要對(duì)鉀長(zhǎng)石的嵌布特征描述如下：

在2A 實(shí)施階段，吹填施工配合防波堤進(jìn)度在南部有序成陸，避免了成型陸域在季風(fēng)期遭受大面積淘刷的風(fēng)險(xiǎn)，并最終形成了較為穩(wěn)定的形態(tài)。

根據(jù)數(shù)模分析及實(shí)際實(shí)施情況，事實(shí)證明結(jié)合水工結(jié)構(gòu)和吹填的進(jìn)度組合開(kāi)展數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)，運(yùn)用施工期泥沙在整個(gè)項(xiàng)目周期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，能為陸域吹填及防波堤同步推進(jìn)提供更好的技術(shù)支持服務(wù)。

3）收尾階段分析。項(xiàng)目西北口是項(xiàng)目最復(fù)雜的收尾工作，在經(jīng)歷季風(fēng)期的情況下，既要滿(mǎn)足陸域形成的推進(jìn)，又要保障防波堤施工工作面、水工水域和避免水工結(jié)構(gòu)區(qū)的回淤，同時(shí)又要確保護(hù)岸區(qū)域的陸域穩(wěn)定等。

借鑒數(shù)學(xué)模型演算結(jié)果，充分評(píng)估耙吸船產(chǎn)能最大化后季風(fēng)期期間陸域岸形的演變情況，模擬防波堤出水2300 n mile 時(shí)2 種船舶產(chǎn)能下的陸域形態(tài)變化。

根據(jù)第一版八月份計(jì)劃成陸演算結(jié)果，計(jì)劃9 月底陸域及水下坡推進(jìn)至2400 n mile。

風(fēng)暴潮后，波浪入射形成復(fù)雜流態(tài)，使北側(cè)和南側(cè)泥沙沖刷并向中間淤積。同時(shí)防波堤出水堤頭東南方向形成沙嘴。

根據(jù)第二版九月份計(jì)劃成陸演算結(jié)果，計(jì)劃9 月底陸域及水下坡推進(jìn)至2650 n mile，同時(shí)完成北口堤心砂部分。

根據(jù)演算結(jié)果，防波堤出水2300 n mile 時(shí)大量泥沙流失至項(xiàng)目紅線(xiàn)外，并淤積在北口砂平臺(tái)上方，淤積厚度超過(guò)7 m。向南輸移的泥砂在防波堤?hào)|側(cè)形成一西南向沙嘴，并在水下坡區(qū)域造成淤積。

根據(jù)以上數(shù)模分析，得出以下結(jié)論：

1）季風(fēng)期前半階段計(jì)劃形成陸域可得到防波堤充分掩護(hù)，因此無(wú)需在水下坡區(qū)域設(shè)置攔砂壩。陸域形成單位可發(fā)揮最大產(chǎn)能推進(jìn)陸域形成。

2）季風(fēng)期后半階段隨著陸域面積不斷增大，沙壩的攔砂效果越來(lái)越顯著。

3）若防波堤出水為2300 n mile，則陸域同時(shí)受到西南向涌浪和西向風(fēng)浪侵襲，泥沙分別向北和向南輸移，造成北口泥沙淤積超過(guò)6 m 并造成流失。

圖5 季風(fēng)期風(fēng)浪、涌浪及泥沙輸移方向示意圖

根據(jù)數(shù)模演算結(jié)果，做出如下策劃：

數(shù)模演算僅依據(jù)計(jì)劃成陸岸線(xiàn)靜態(tài)分析，未能充分考慮期間船舶連續(xù)作業(yè)及岸線(xiàn)動(dòng)態(tài)變化。因此實(shí)際情況下，泥沙流失及施工區(qū)沖淤現(xiàn)象可能更為嚴(yán)重。

根據(jù)第二版數(shù)模演算結(jié)果，若防波堤在2300 n mile 時(shí)，則季風(fēng)期末的成陸進(jìn)度建議放緩。目前現(xiàn)場(chǎng)尚無(wú)合適的清淤設(shè)備，若北口淤積嚴(yán)重，較難在短期內(nèi)完成清淤工作，影響施工單位在季風(fēng)期后北口施工啟動(dòng)時(shí)間。

4）最終方案。根據(jù)船舶產(chǎn)能，至季風(fēng)期開(kāi)始前陸域及水下坡可推進(jìn)至CH1+300 n mile，其中堤心砂完成至2800 n mile。

由于北口砂平臺(tái)在季風(fēng)期期間有沖淤現(xiàn)象，因此根據(jù)數(shù)學(xué)模型報(bào)告建議，為減少泥沙流失及后期返工，北口砂平臺(tái)拋填施工項(xiàng)目部計(jì)劃在9 月份實(shí)施第一階段粗拋。

結(jié)合數(shù)學(xué)模型報(bào)告建議，離防波堤出水位置南側(cè)300 m外陸域及水域?qū)凑赵O(shè)計(jì)標(biāo)高和邊線(xiàn)吹填施工，300 m 內(nèi)水域考慮到季風(fēng)期回淤影響，僅在出水部分虹吹出水形成自然坡，有效利用向南輸移淤積的泥砂進(jìn)行成陸，并在離岸一定距離區(qū)域進(jìn)行堆高用于后期陸上標(biāo)高補(bǔ)量，減少后期水下反挖。

季風(fēng)期結(jié)束后根據(jù)施工單位的具體要求于11 月5 日前完成內(nèi)防波堤-11.8 m/-10 m/-9 m LWOST 堤心砂拋填（靠近南港防波堤50 m 內(nèi)采用艏噴）。

圖6 2018 年10 月份中旬陸域形成圖

3 強(qiáng)季風(fēng)復(fù)雜環(huán)境下成陸施工

根據(jù)數(shù)學(xué)模型報(bào)告分析及專(zhuān)項(xiàng)施工方案，隨著陸域面積不斷增大，通過(guò)控制成陸形態(tài)形成一個(gè)突變的岸線(xiàn)形狀，很好地減緩了泥砂輸移和回淤，泥沙沒(méi)有進(jìn)一步往南輸移淤積，減少了季風(fēng)期結(jié)束后的理坡反挖量。

4 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

從上述分析可知，在強(qiáng)季風(fēng)的復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行施工，對(duì)強(qiáng)涌浪環(huán)境進(jìn)行實(shí)際分析，并提出在施工環(huán)境下所出現(xiàn)的泥沙運(yùn)行規(guī)律，在動(dòng)力因素的影響下，完成施工過(guò)程，數(shù)學(xué)建模計(jì)算中可以得出，本文方法可以大大較少人工造島的資金成本，以國(guó)家“一帶一路”的倡議為基礎(chǔ)，同時(shí)也是中國(guó)交建在斯里蘭卡最大的海外投資項(xiàng)目，其重要意義可見(jiàn)一斑。本項(xiàng)目通過(guò)數(shù)學(xué)模型技術(shù)研究及應(yīng)用共節(jié)省經(jīng)濟(jì)投入約3345萬(wàn)美元，極大地提升了中國(guó)交建在人工島建設(shè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)在港口建設(shè)領(lǐng)域的持久發(fā)展，并取得了豐碩的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，防波堤施工工藝相對(duì)于傳統(tǒng)的陸推或水拋工藝，其施工進(jìn)度更有保證，防波堤按照節(jié)點(diǎn)要求順利完成對(duì)于整個(gè)港口城項(xiàng)目的社會(huì)形象及招商引資有著極其深遠(yuǎn)的影響

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)下社會(huì)發(fā)展的情況下，港口建設(shè)已經(jīng)成為我國(guó)的重要發(fā)展目標(biāo)之一，結(jié)合近年來(lái)承擔(dān)的工程研究項(xiàng)目作為典型代表,根據(jù)當(dāng)?shù)睾Ｓ蚣竟?jié)性長(zhǎng)周期涌浪長(zhǎng)期作用的特點(diǎn),分別對(duì)海岸波浪動(dòng)力條件、岸灘演變規(guī)律及建港淤積問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，得到了波浪防護(hù)決定港區(qū)口門(mén)朝向、破波帶寬度決定防波堤規(guī)模以及泥沙沖淤?gòu)?qiáng)度決定港區(qū)口門(mén)位置等重要結(jié)論。