沙特吉贊人工島設(shè)計(jì)淺析

黃道金 中交廣州航道局有限公司

楊志遠(yuǎn) 中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司

沙特吉贊人工島位于沙特西南的吉贊經(jīng)濟(jì)城，面積約1.2平方公里，是由1500萬(wàn)方疏浚棄土在海中吹填形成的。

該1500萬(wàn)方棄土來(lái)自航道與港池疏浚，原某著名西方咨詢公司設(shè)計(jì)規(guī)劃將棄土吹填至8公里遠(yuǎn)的堆場(chǎng)。中國(guó)港灣貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享“的發(fā)展理念，發(fā)揮海外商務(wù)管理強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)此進(jìn)行了深入策劃。在技術(shù)上、商務(wù)上對(duì)不同方案組合進(jìn)行充分論證，提出利用廢棄土吹填造島的方案，獲批并成功實(shí)施，如圖1所示。該人工島的主要作用有以下幾方面：

圖1 建成后的人工島航拍圖

一是棄物利用，變廢為寶。將廢棄疏浚土吹填形成陸地，發(fā)揮了價(jià)值，可用于未來(lái)港口作業(yè)區(qū)及堆場(chǎng)；

二是綠色發(fā)展，改善環(huán)境。避免了原規(guī)劃將疏浚棄土堆積在堆場(chǎng)，在起風(fēng)時(shí)形成沙塵暴而產(chǎn)生惡劣天氣的不利影響；

三是掩護(hù)港池，一專多能。吹填形成的人工島，對(duì)港池起到了掩護(hù)作用，達(dá)到了防波堤的效果，節(jié)約了原計(jì)劃建設(shè)防坡堤的投資；

四是優(yōu)化布局，節(jié)省投資。方便未來(lái)在港池西側(cè)原設(shè)計(jì)防波堤位置規(guī)劃和建設(shè)碼頭，避免了拆除防波堤的工序，節(jié)約了碼頭建設(shè)費(fèi)用。

人工島設(shè)計(jì)考慮經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，主要考慮的技術(shù)因素包括：

一是人工島位置與面積的確定：

二是邊坡防護(hù)型式的選擇；

三是護(hù)岸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；

四是環(huán)境影響評(píng)估；

五是施工工藝。

1.人工島基本參數(shù)的設(shè)計(jì)

荷載假定：鑒于在人工島上暫無(wú)具體的開發(fā)和建設(shè)規(guī)劃，因此在設(shè)計(jì)人工島時(shí)未考慮其他建筑物的永久荷載，未來(lái)建設(shè)可根據(jù)需要相應(yīng)地基加固。

1.1 人工島位置的確定

為將該廢棄土充分利用，中國(guó)港灣結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件及既有裝備能力，經(jīng)對(duì)多個(gè)方案比較，確定在原防波堤西側(cè)吹填造地形成人工島，如圖2所示。

圖2 疏浚吹填形成人工島示意圖

（1）該位置方便未來(lái)在港池西側(cè)的防波堤位置進(jìn)行碼頭規(guī)劃及建設(shè)，并提供必要的后方作業(yè)及堆場(chǎng)；

（2）港池及航道處于運(yùn)營(yíng)工況，該位置在施工期間不影響船舶進(jìn)出航道及港池。

（3）根據(jù)該區(qū)域36年的近海波浪數(shù)據(jù)顯示，海浪主要來(lái)自NW(315度)和SSE(165度)。來(lái)自南部的海浪被近海的法拉桑島遮蔽，而來(lái)自西北的海浪可以穿透到項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)。因此，該位置在施工期間，可快速吹填形成一道沙堤，成為對(duì)港池的臨時(shí)掩護(hù)。建設(shè)人工島可取消防波堤建設(shè)，為港池提供永久掩護(hù)。

（4）布置在該位置充分考慮了與周邊設(shè)施的關(guān)系：①避讓擬建原油管線位置，并保持100米以上安全距離；②避讓影響取排水項(xiàng)目的進(jìn)水渠口門；③避免施工作業(yè)期間對(duì)通航產(chǎn)生影響。

1.2 人工島邊界及面積的確定

人工島面積大小，由納泥量與疏浚量基本一致的原則來(lái)確定。

（1）水下地形測(cè)量。首先對(duì)疏浚區(qū)域及吹填區(qū)域的水下地形進(jìn)行復(fù)測(cè)，確認(rèn)疏浚方量及吹填區(qū)容納方量。同時(shí)考慮到海流方向、風(fēng)向、環(huán)保監(jiān)測(cè)及EIA評(píng)估，測(cè)量范圍需要擴(kuò)寬到可能影響區(qū)域。測(cè)量覆蓋區(qū)域如圖3。設(shè)計(jì)人工島測(cè)量范圍及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 測(cè)量范圍坐標(biāo)表

圖3 測(cè)量范圍布置圖

（2）確定人工島邊界線及角點(diǎn)坐標(biāo)。如圖4所示，擬建人工島的四條邊線分別為A、B、C、D。其中：

圖4 人工島邊界及角點(diǎn)圖

D 線（即a b 線）為防波堤的位置，其南端c為防波堤端頭，該點(diǎn)可確定；

C線（即ac線）的方向可確定，與防波堤南端c點(diǎn)平齊相交。

B線的方向與北邊的原油管線平行布置，保持最小安全間距100m。

根據(jù)該區(qū)域水下地形按吹填與疏浚方量相同進(jìn)行計(jì)算并調(diào)整，確定a、b、c三個(gè)角點(diǎn)的坐標(biāo)。

1.3 人工島標(biāo)高

（1）吹填區(qū)域整體高程。與港區(qū)的整體高程+4.2m一致，設(shè)計(jì)最終吹填面高程定為+4.2m。

（2）對(duì)沉降預(yù)留的考慮。據(jù)該區(qū)域前期3600萬(wàn)方疏浚吹填的觀測(cè)，疏浚開挖后松散在長(zhǎng)期堆積沉降后，與原始方量變化較小，流失率約1%-3%可通過(guò)疏浚清掃恢復(fù)。因此在設(shè)計(jì)人工島時(shí)，仍按原狀土方量考慮。在沉降未完成前允許相應(yīng)超高，最終沉降穩(wěn)定后，能滿足設(shè)計(jì)高程+4.2m的允許偏差范圍。

（3）護(hù)岸頂高程。考慮到未來(lái)人工島的開發(fā)，需要安裝防浪墻。因此當(dāng)前階段護(hù)岸設(shè)計(jì)主要考慮紅海區(qū)域的歷史波浪條件，維持人工島不受沖刷即可。經(jīng)波浪模型分析，將護(hù)岸側(cè)的頂標(biāo)高定為+2.5M能滿足人工島基本防護(hù)要求，對(duì)與吹填區(qū)域正常標(biāo)高+4.2m在50m范圍內(nèi)自然過(guò)度。

2.邊坡防護(hù)型式的選擇

根據(jù)測(cè)量和計(jì)算所確定的人工島陸域吹填尺寸，A、B、C三邊護(hù)岸為3231 延米。

護(hù)岸的設(shè)計(jì)使用壽命期為30年，參考英標(biāo)BS6349-Part1對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，在使用期間有39%概率發(fā)生60年一遇的大浪。為了保證人工島在使用期間的穩(wěn)定，不遭受風(fēng)浪襲擊坍塌而流失吹填物料，必須對(duì)邊坡采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了3個(gè)邊坡防護(hù)方案。

2.1 堤芯石護(hù)岸

回填堤芯石形成重力斜坡式護(hù)岸，該方案的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性非常好，缺點(diǎn)是投資巨大，成本很高，施工周期較長(zhǎng)。該方案技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)性較差。

2.2 鋼板樁護(hù)岸

利用短鋼板樁形成連續(xù)墻體，可快速形成吹填區(qū)邊界。選用合適材質(zhì)的鋼板樁，在不采取犧牲陽(yáng)極保護(hù)情況下，耐蝕性也能滿足耐久性要求。該方案成本較低，外表美觀，缺點(diǎn)是滿足耐腐蝕要求的鋼板樁生產(chǎn)及運(yùn)輸周期較長(zhǎng)。

2.3 柵欄板護(hù)岸

該方案采用充砂袋分層吹填，逐層疊加并以碎石填縫形成邊坡，上鋪土工布及墊層石，安裝預(yù)制砼柵欄板結(jié)構(gòu)，有較好的破浪效果。

柵欄板方案成本較低，材料方便獲得，各工序的施工工藝較成熟，且該柵欄板施工工藝在中國(guó)有較多的應(yīng)用案例，且有中國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JTS154-1-2011《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》4.2.16條和JTJ 300-2000《港口及航道護(hù)岸工程設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》7.6.2.4條，在同時(shí)符合國(guó)際通行標(biāo)準(zhǔn)下使用。

綜合比較三個(gè)方案，從滿足防護(hù)功能要求、工程成本、施工的可靠性等方面考慮，選用柵欄板護(hù)岸的斜坡式護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式。

3.護(hù)岸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

人工島護(hù)岸結(jié)構(gòu)典型斷面如上圖所示，根據(jù)相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)互相校核設(shè)計(jì)。

3.1 柵欄板護(hù)面塊體

圖5 堤芯石護(hù)岸方案典型斷面圖

柵欄板護(hù)面塊體的初步設(shè)計(jì)，尺寸、厚度、波壓強(qiáng)度等采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)JTS154-1-2011《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》4.2.16條計(jì)算，并參考《The Rock Manual-The use of rock in hydraulic engineering》（CIRIA C683，2007）進(jìn)行符合性復(fù)核。

圖6 鋼板樁護(hù)岸斷面圖

圖7 充砂袋+柵欄板護(hù)岸斷面圖

圖8 柵欄板結(jié)構(gòu)圖

對(duì)柵欄板的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，主要考慮波浪襲擊和退卻時(shí)產(chǎn)生的正負(fù)波壓強(qiáng)度，以及預(yù)制及安裝時(shí)的起吊強(qiáng)度。

在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，采用STRUCTURAL ANALYSIS AND DESIGN軟件（SAP2000）對(duì)柵欄板結(jié)構(gòu)和起吊點(diǎn)進(jìn)行受力分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用35MPa（標(biāo)準(zhǔn)圓柱體抗壓強(qiáng)度）的素砼結(jié)構(gòu)即可滿足安裝時(shí)的起吊要求，節(jié)約了鋼材，避免了傳統(tǒng)海工結(jié)構(gòu)采用環(huán)氧鋼筋和高性能砼來(lái)滿足耐久性的傳統(tǒng)做法，大大降低了成本。

3.2 護(hù)腳及護(hù)坦

護(hù)岸所處位置是沙質(zhì)海床，在波浪的作用下有可能被沖刷，采用了Sawaragi 1997，Carpenter and Powell 1998，Sutherland et al 2007等方法進(jìn)行分析計(jì)算，設(shè)計(jì)護(hù)腳及護(hù)坦尺寸。

3.3 墊層石

柵欄板安裝在分2 層施工的墊層上，墊層的粒徑應(yīng)大于柵欄板縫隙200mm，該粒徑相當(dāng)于30公斤塊石，因此設(shè)計(jì)的墊層石規(guī)格選用30-100kg。

石料的級(jí)配要求：

由于該地區(qū)開采的塊石級(jí)配難以滿足連續(xù)級(jí)配，考慮到這一情況，設(shè)計(jì)時(shí)采用《The Rock Manual The use of rock in hydraulic engineering》（CIRIA C683）中確定非標(biāo)準(zhǔn)巖石分級(jí)的方法進(jìn)行計(jì)算，按巖石密度為2650kg/m3，確定滿足規(guī)范要求且易于采購(gòu)和施工的塊石級(jí)配如表2。

表2 石料級(jí)配表

3.4 堤頂越浪破壞分析

按照60 年重現(xiàn)期設(shè)計(jì)波浪標(biāo)準(zhǔn)，采用歐盟手冊(cè)《Eurotop:Wave Over topping of Sea Defences and Related Structures:Assessment manual》(2007)中的方法，按照柵欄板空隙糙率系數(shù)0.95考慮，對(duì)護(hù)岸越浪情況下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和破壞性評(píng)估。

計(jì)算護(hù)岸頂標(biāo)高+2.5mCD時(shí)越浪量為50l/s/m，根據(jù)表3可見，可能會(huì)對(duì)護(hù)岸后的回填區(qū)域造成一定的影響。雖然未來(lái)開發(fā)人工島時(shí)會(huì)在護(hù)岸頂部增加設(shè)置防浪墻，在目前階段仍然對(duì)柵欄板后方增加了5米寬30-150kg的塊石護(hù)面，以減少防浪墻建成前的越浪破壞可能。

表3 不同越浪量破壞對(duì)照表

3.5 護(hù)岸的整體穩(wěn)定性

護(hù)岸位置的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，為不同厚度的極松散至松散的砂層，以及極松散至松散的粉砂/粘土層，其下有極軟至軟的粉砂/粘土層，以及中密粉砂層。

為了評(píng)估其整體穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)階段聘請(qǐng)了咨詢公司Hacrrow采用Morgenstern-Price分析法和SLOPE/W軟件進(jìn)行分析，并對(duì)護(hù)岸是否鋪設(shè)土工布兩種情況下的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估，如圖9所示。

圖9 護(hù)岸整體穩(wěn)定分析斷面圖

其中，在靜力分析中考慮了10kPa的活荷載，分析結(jié)果見表4。

表4 邊坡穩(wěn)定分析匯總表

只有鋪設(shè)土工布工況下的安全系數(shù)大于1.3，須鋪設(shè)土工布以滿足要求。

其中，形成邊坡的充砂袋的強(qiáng)度雖高，但在結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定中并未考慮，僅考慮作為施工材料而非結(jié)構(gòu)材料。

3.6 沉降

護(hù)岸工程施工期間的沉降預(yù)測(cè)，委托Haccrow使用Settle 3D軟件進(jìn)行估算，預(yù)計(jì)總沉降量約為150mm。

4.環(huán)境影響評(píng)估

4.1 可能產(chǎn)生環(huán)境影響的范圍

該人工島在施工期間及建成后，可能對(duì)海洋環(huán)境及所在海域的海生物產(chǎn)生一定的影響。為了避免不利影響，需要對(duì)可能的影響范圍進(jìn)行研究及評(píng)估，并采取針對(duì)性的保護(hù)措施。

結(jié)合波浪、洋流、風(fēng)向等條件，以及當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)政府的要求，環(huán)境影響評(píng)估的范圍為人工島2.5公里半徑的區(qū)域。如圖10所示。

圖10 環(huán)境影響范圍布置圖

4.2 環(huán)境影響的主要因素

可能對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響主要有兩個(gè)階段：施工階段和人工島建成后階段。

施工階段的影響主要有：水上船機(jī)施工和產(chǎn)生的噪聲、油污泄漏、吹填流失物料產(chǎn)生的懸浮質(zhì)及沉淀物

建成階段的影響主要有：人工島侵占海域，并改變了原來(lái)的海流。

4.3 環(huán)境影響的對(duì)象

主要有對(duì)海洋水質(zhì)的影響，以及長(zhǎng)期生活在該區(qū)域的各種鳥類，海底海底珊瑚、海龜、魚類等生物，以及北邊的紅樹林等生物的可能影響，和洋流變化對(duì)地形的潛在影響。

4.4 需要采取的預(yù)防及監(jiān)測(cè)措施

針對(duì)可能產(chǎn)生的環(huán)保影響，分別采取預(yù)防、減少等限制措施，來(lái)緩解、減少不利影響，對(duì)無(wú)法預(yù)防或減小的不利影響，需通采取補(bǔ)償措施進(jìn)行補(bǔ)救。

通過(guò)對(duì)水質(zhì)、噪聲、水下地形測(cè)量等監(jiān)控措施和手段，并及時(shí)采取相應(yīng)的措施，確保項(xiàng)目對(duì)環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生不利影響，并符合所在國(guó)政府的環(huán)保要求。

5.施工工藝及主要技術(shù)參數(shù)。

5.1 吹填造地施工

陸域的形成，采用絞吸式挖泥船從內(nèi)港池和外航道開挖疏浚后，吹填至設(shè)計(jì)位置的方式施工。

5.2 護(hù)岸施工

護(hù)岸施工分三階段：充砂袋施工形成設(shè)計(jì)邊坡輪廓,邊坡整形及墊層施工,柵欄板人工防浪塊體預(yù)制安裝階段。

5.3 主要技術(shù)參數(shù)

（1）疏浚吹填料：疏浚料為中細(xì)沙，不含腐殖質(zhì)，礫石或泥灰?guī)r材料最大尺寸不超過(guò)75毫米。

（2）吹填區(qū)域在沉降未完成期間允許相應(yīng)的超高，最終標(biāo)高允許誤差：± 300mm。

（3）吹填區(qū)域差異沉降：每25m不超過(guò)30mm；長(zhǎng)期沉降：5年沉降25mm，25年沉降50mm，50年沉降75mm。

（4）土工袋回填料：采用疏浚料，填充料松軟度不超過(guò)200mm，人工操作壓實(shí)松軟度不超過(guò)100mm。

（5）柵欄板：預(yù)制柵欄板的砼設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度35Mpa,安裝時(shí)其相鄰塊體的高差不應(yīng)大于150mm，最大縫隙寬度不應(yīng)大于100mm。

6.結(jié)論

人工島及其護(hù)岸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，融合了中國(guó)和國(guó)際通行的相關(guān)規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊(cè)及國(guó)內(nèi)施工工藝，從吹填造島設(shè)計(jì)、護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、整體穩(wěn)定性等各方面均符合國(guó)際及國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)要求。該人工島的成功設(shè)計(jì)和建設(shè)，節(jié)約了大量投資和成本，重新塑造了吉贊經(jīng)濟(jì)城港口的總體布局，大大改善了該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，為未來(lái)該港口的發(fā)展預(yù)留下了足夠的空間。建成后至今三年的使用觀察，人工島吹填場(chǎng)地、護(hù)岸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、越浪情況、穩(wěn)定性等均滿足設(shè)計(jì)要求，采用的相關(guān)設(shè)計(jì)方法也可為今后開展類似工程研究提供參考經(jīng)驗(yàn)。