圍堤龍口合攏位置數值計算研究

崔國謹

（天津市北洋水運水利勘察設計研究院有限公司，天津 300452）

1 引言

眾所周知，圍海造陸可以為城市提供大量平整土地，為地區的經濟發展提供極為有利的條件。圍海工程中最重要的部分之一就是龍口工程。龍口的合攏施工更是整個工程的關鍵，龍口合攏的成敗對圍海造陸工程的進度、投資、安全及效益起著至關重要的作用。龍口合攏施工中，主要的影響因素包括水流、潮汐、風浪、深港、氣象、軟基等。在諸多不利的影響因素中，龍口的位置選取是龍口合攏的主要難題之一，因此需要對龍口合攏位置進行研究，為龍口合攏施工提供支持，最終以達到質量、進度、成本、安全最優平衡點。

2 試驗概況

2.1 試驗位置

本課題龍口合攏試驗區位于天津臨港工業區。在渤海灣畔、塘沽區海河入海口南側灘涂淺海區，北側以海河口南治導線為界，西側以濱海大道為界，總規劃面積約200 平方公里。圍堤項目位于臨港工業區南側，具體平面布置見圖1。圍堤工程采用土工編織袋，應用水力充填泥漿，并疊砌而形成袋體堤的方法建造圍埝。

圖1 圍堤工程試驗區平面示意圖

2.2 水文氣象條件

2.2.1 波浪

本工程海域的常浪向為ENE 和E，頻率分別為9.68%和9.53%，強浪向ENE，全年周期大于7.0s 的頻率為0.33%。

2.2.2 海流

本工程海域的海流基本為往復流型，漲潮主流向NW，落潮主流向SE，其中漲潮流速大于落潮，最大流速平面分布是由岸邊向海域逐步擴大。

2.2.3 潮汐

本工程海域潮汐類型為不規則半日潮型，其（H01+HK1）/HM2=0.53。

潮位特征值（以新港理論最低潮面起算，下同）：

平均海平面：2.56m 平均高潮位：3.74m

平均低潮位：1.34m 最大潮差：4.37m

平均潮差：2.40m 最高高潮位：5.81m

最低低潮位：-1.03m。

2.2.4 風

根據塘沽海洋站東突堤測站1997-1999 年資料統計，常風向E，出現頻率為11.71%，次常風向為S 向，頻率為10.34%，強風向E向，該向頻率≥6級風為1.95%，各向≥6 級風所出現的頻率為3.65%。

2.3 場地地質條件

本工程地基土自上而下主要分四大層。第一層為海相沉積的淤泥質粉質黏土和淤泥質黏土，第二層為海陸交互相沉積的粉質黏土混貝殼和粉質粘土，第三層為河口三角洲相沉積的粉質黏土，第四層為粉砂。

3 試驗方案設置

根據設計及工程實際要求，由于渤西水下管線穿過場區南圍堤，因此龍口應離管線有一定距離；龍口口門寬度還應能保證施工船的進出，南圍堤西側約200m 范圍由于其西側區域的吹填，地形淤積較大，不利于施工船的航行。

經初步估算，龍口寬度需約400m 左右，數值計算取400m 寬，龍口底高程取-2.5m，龍口位置考慮2 個方案，方案1 的距離西側已建圍堤600m，方案2 距離西側已建圍堤埝1600m，龍口底高程均為-2.5m。見圖2。

圖2 龍口位置方案圖

4 計算域確定及網格剖分

為避免邊界處的數值傳入誤差，模型范圍應足夠大。本次研究中潮流數學模型計算范圍采用大、小兩層模型進行嵌套計算，其中，采用大模型對整個渤海海域進行計算，小模型對渤海灣海域進行計算。模型的計算范圍如圖3 所示。大模型開邊界位于大連老虎灘和煙臺一線，邊界采用潮位驅動，由中國海洋大學研發的中國近海潮汐預測程序（ChinaTide）提供，次潮汐預測程序采用8 個分潮的調和常數進行疊加后所得，所得潮位數據較為精準。

圖3 模型計算范圍示意圖

計算域的網格劃分采用三角無結構網格，采用外疏里密的方式進行劃分，小模型開邊界處相鄰的網格節點最大步長約1500m，工程區附近局部進行了加密處理，最小步長為30m，各方案的網格節點總數約為32900 個。圖4 中示意了模型的網格剖分形式。

圖4 模型網格剖分

5 模型驗算

采用2020年6月中旬潮汐現場水文資料進行驗證。此次測量共包括3 個潮位站和3 個流速測站，同時還收集燈塔站同步潮位資料進行驗證。

圖5 與圖6 分別給出了潮位、流速和流向驗證曲線。通過比較分析，各測站計算所得的流速、流向及潮位在連續變化過程中的數值均與實測值具備較好的一致性，滿足有關規范的要求。

圖5 2020 年6 月18 日～19 日潮位驗證

圖6 2020 年6 月18 日～19 日潮流速流向驗證

通過計算的驗證，所建二維潮流數學模型在相位與數值上均與實際情況具備較高的一致性，因此可以采用此模型對工程場區的潮流平面運動規律進行模擬，模型預測結果具有較高的可信度。

6 計算結果及分析

根據模型的驗證結果可知，所建二維潮流數學模型的預測結果具有良好的可信度。圖7，圖8 為數值模擬得到的2 個龍口布置方案工程區域的急潮流場圖。圖中可見，工程海域潮流場具有往復流性質，漲潮時潮流向岸運動，落潮時潮流離岸運動。

圖7 方案1 時急流場圖

圖8 方案2 時漲急流場圖

方案1 和方案2 龍口出潮位、潮差及最大流速數值模擬計算結果見表1。

表1 方案1 和方案2 龍口潮位、潮差及最大流速對比

從模擬結果可以看出，方案1 離岸邊較近，其漲潮水位要高于方案2，潮差也略大于方案2，方案1 和方案2 中的龍口最大流速分別為0.56m/s 和0.53m/s，方案2 相對為優。

因此，在不影響海底管線的情況下，龍口靠向東南側略好，建議龍口位置采用方案2。

7 結語

本論文采用一維和二維的數值模擬計算來研究龍口合攏位置選取問題。試驗區為天津某圍堤工程的龍口合攏，采用數值模擬軟件Mike21，對龍口位置及尺寸進行模擬計算，比較不同方案之間的優劣。根據模擬計算所得結果，確定最佳的合攏施工方案。通過調整邊界條件對工程海域的潮位、流場進行模擬驗證，MIKE21平面二維潮流數學模型能夠基本反映了工程海域的流場分布情況，可以進行工程后的模擬研究。通過對天津港某圍海工程的龍口合攏口位置流場進行研究，并根據不同合攏口位置的模型計算結果對比可知：龍口宜選在波浪、潮流動力較弱，地質條件較好和水較深的地段。數值模擬對龍口位置的確定具有一定的指導意義。本文結合天津港某圍堤工程，對圍海工程中最復雜最困難的龍口合攏問題進行研究，最終確定了龍口合攏的施工方案，該項目已順利完成龍口合攏，取得良好經濟效益，標志著本次試驗取得圓滿成功，也為后續類似工程提供一定的理論基礎及經驗借鑒。