非洲西海岸長周期波浪海域超大沉箱施工作業條件分析

徐彥東，劉明

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

隨著我國經濟建設的快速發展及世界經濟的全球化和船舶的大型化，港口碼頭、跨海大橋、防波堤等水上構筑物也不斷向大型化、深水和外海發展，工程預制結構件也不斷大型化和專業化，超高、超重的預制構件的使用越來越多，尤其是碼頭、防波堤使用的沉箱尺寸及重量屢創新高。

以西北非、東南亞和南美洲為代表的地區海域波浪周期都比較長，大部分的波浪平均周期在12 s 以上，屬于中長周期波，個別海域還含有明顯的長周期波成分，最大周期在30 s 以上[1-3]。近年來，在受中長周期或長周期波影響海域施工的項目越來越多[4-5]。然而中長周期或長周期波對沉箱的運動幅度產生較大影響，對常規的施工工藝帶來較大困難，施工難度大幅度提升[6-7]。但是國內外對中長周期波或長周期波條件下的超大沉箱施工的相關研究較少[8]，沒有系統的研究成果[9]。

依托非洲西海岸附近毛里塔尼亞Greater Tortue Ahmeyim 項目，通過前期調研和收集的工程設計文件資料及對工程所在區域環境條件的搜集整理，針對工程特殊地理位置和現場實施重難點，對于施工環境惡劣、自然環境復雜海域，尤其長周期波波浪條件對超大沉箱出運、運輸、安裝施工的影響開展全面調研，為非洲西海岸區域長周期波浪作用下超大沉箱浮運安裝施工提供決策依據資料。

1 工程概況

毛里塔尼亞Greater Tortue Ahmeyim（GTA）液化天然氣項目，位于毛里塔尼亞和塞內加爾的海上邊界，由兩國共同開發，是非洲最深的海上LNG 項目。項目建成后將為跨界海洋天然氣田，向全球及毛里塔尼亞與塞內加爾供應天然氣，可從海上浮式生產儲卸油裝置（FPSO）中生產天然氣，然后將天然氣輸送到海岸線附近的浮式液化天然氣設施（FLNG）。

工程防波堤長約1 200 m，由18 座超大沉箱組成，結構形式為混合基床+重力式沉箱結構，沉箱幾何尺寸（長×寬×高）為63.51 m×33.19 m×30.0 m，單體重約31 400 t，如圖1 所示。

圖1 毛塔GTA 工程超大沉箱效果圖Fig.1 Effect picture of super-large caisson in Mauritania GTA project

2 自然環境調研

2.1 氣溫條件

施工作業區域歷史最高氣溫47.2 ℃，每年10月最熱，平均氣溫36.1 ℃；每年1 月最冷，平均氣溫13.5 ℃，氣溫特征統計見表1。

表1 毛塔GTA 工程氣溫特征統計表Table 1 Statistical table of temperature characteristics in Mauritania GTA project

2.2 風速條件

根據Saint Louis 氣象站1973—2016 年43 a的觀測風速統計，項目區域多年各方向的年平均風速范圍為1.7～4.7 m/s，綜合分析其年平均風速為3.87 m/s。Nouakchott 氣象站1973—2016 年43 a的觀測風速統計，項目區域多年各方向的年平均風速范圍為4.3～5.7 m/s。綜合分析其年平均風速為4.6 m/s。

從風速的方向分布來看，Saint Louis 站出現頻率最多的風速方向是NNW 方向，出現頻率為21.93%，其次是NW 方向，出現頻率是10.81%；除N—E、W—N 方向外，其他方向的風速頻率一般在2%以下。

Nouakchott 站出現頻率最多的風速方向也是NNW 方向，出現頻率為14.07%，其次為NW 方向，出現頻率為13.55%；兩者基本相似，其他方向風速頻率均小于2%。

就風速大小來分析，SaintLouis 站和Nouakchott站出現10 m/s 以上的風速頻率不大，分別合計為0.57%和1.32%，相當于平均每年出現1～3 d。該地區大部分時間的風速小于8 m/s，兩站小于8 m/s的風速頻率分別為98.40%和96.47%。

從測站風速的統計可以看出，總體上該地區的風速均值不大，但有時會出現短暫大風；就風速的分布來看，大部分的風速在0～8 m/s 之間，出現頻率在上述兩站均超過96%，超過10 m/s 的風速出現頻率小于2%；從風速的方向分布來看，風速較多的方向是NNW 和NW 方向，在兩站出現頻率均大于10%，兩者平均概率為15.09%，其中兩站NNW 方向出現的平均概率高達18%，NW方向為12.18%。

2.3 波浪條件

工程施工在非洲西海岸海域附近，通過美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）波浪監測數據進行波浪條件分析，該波浪監測點位于（16N，17W）的海域位置，布置在距離西海岸約50 km，水深500 m 處附近。

根據1980—2009 年每隔1 h 的隨機波浪實時監測數據資料，對有效波高和波浪譜峰周期進行歷時曲線統計分析，見圖2、圖3。

圖2 工程海域1980—2009 年有效波高歷時曲線圖Fig.2 Significant wave height duration curve in engineering sea area from 1980 to 2009

從圖中可以看出，該施工海域30 a 來最大有效波高為4.41 m，平均波高為1.61 m；最大波浪譜峰周期為24.4 s，平均波浪譜峰周期為10.97 s。

2.4 潮汐條件

施工作業區域最高潮位為1.02 m，最低潮位-0.99 m，平均高水位0.53 m，相關潮位見表2。

表2 工程施工海域潮位表Table 2 Tidal level table of construction sea area

3 施工環境分析

基于30 a 每隔1 h 的隨機波浪監測數據，對有效波高和譜峰周期進行聯合分布分析及概率分析，如圖4、圖5 所示。

圖4 工程海域1980—2009 年有效波高和譜峰周期聯合分布圖Fig.4 Joint distribution of significant wave height and spectral peak period in the engineering sea area from 1980 to 2009

圖5 工程海域1980—2009 年有效波高和譜峰周期概率分析圖Fig.5 Probability analysis of significant wave height and spectral peak period in the engineering sea area from 1980 to 2009

從圖4 中可以看出，該施工區域30 a 來兩者各自分布區域范圍較大，其中有效波高基本分布在0.5～3.5 m 范圍內，譜峰周期基本分布在4.0～20.0 s 范圍內；而兩者分布較為集中的區域為有效波高1.2～2.2 m，譜峰周期6.0～16.0 s 的橢圓形區域內。

從圖5（a）中可以發現，該施工區域30 a 來的有效波高的分布頻率和累積概率均為威布爾分布。從圖5（b）中可以看出，譜峰周期的分布頻率為雙峰分布，累積概率為威布爾分布。

從有效波高和譜峰周期的分析圖中可以得到，有效波高出現概率最大的是1.5 m，有效波高不大于1.5 m 的出現概率是42%，有效波高不大于2.0 m 的出現概率是84%；波浪譜峰周期出現雙峰概率分布圖，出現概率最大的譜峰周期是7.5 s，其次是13.2 s，兩者出現概率很接近，均在9%左右，波浪譜峰周期不大于10 s 的波浪出現概率是39.5%，不大于12 s 的波浪出現概率是58%，不大于14 s 的波浪出現概率基本在84%左右。

從2008 年有效波高歷時曲線分布圖（圖6）中可以發現，工程所在海域每年5—11 月為小浪期，12 月—翌年4 月為大浪期。在小浪期，每年11月底，一般大浪較為頻繁，對施工影響較大，大浪期間防波堤施工基本難以進行。結合施工經驗對有效波高1.5 m 出現概率進行年度分析，如表3所示。

表3 工程施工海域波浪條件統計表Table 3 Statistical table of wave conditions in the construction sea area

圖6 工程海域2008 年有效波高歷時曲線圖Fig.6 Significant wave height duration curve of the engineering sea area in 2008

從表3 可以看出，基本上6—10 月為小浪期，大于1.5 m 波浪出現的頻率明顯低于其他月份，12 月開始大浪出現頻率逐漸增大，1—4 月為主要大浪期，大于1.5 m 波浪出現頻率均超過40%。

4 作業條件分析

超大沉箱施工作業的主要影響因素是風、浪、流，由于工程施工地理位置的特殊性，波浪周期作為控制因素，其次是波浪高度。基于多年施工經驗，超大沉箱施工作業條件如表4 所示。

表4 工程海域超大沉箱施工作業條件Table 4 Construction conditions for super-large caissons in the engineering sea area

依據1980—2009 年每小時波浪數據資料，以最小連續4 h 的可施工作業段數進行統計，對適用于連續作業條件的波高及周期序列進行分析。根據長周期波區域的施工經驗，可滿足作業條件的數據統計結果為：

1） 符合連續4 h 有效波高Hs≤1.5 m 條件的可作業段數，7—9 月最多，出現10 次，6—9 月平均出現次數最多，均大于6 次，其中7 月和8月平均出現次數為10 次。

2） 符合連續4 h 有效波高Hs≤2.0 m 條件的可作業段數，11 月最多，出現11 次，5—11 月平均出現次數最多，均大于9 次，其中6—9 月平均出現次數為10 次。

3） 符合連續4 h 有效波高Hs≤2.0 m、波浪譜峰周期Tp≤12 s 條件的可作業段數，6—10 月最多，均出現10 次，5—9 月平均出現次數最多，均大于8 次，其中7 月和8 月平均出現次數為10次。

4） 符合連續8 h 有效波高Hs≤1.2 m 條件的可作業天數，8 月最多，出現91 次，平均出現次數最多，為77 次，6—9 月平均出現次數最多，均大于46 次，其中7 月和8 月平均出現次數均大于72 次。

5） 符合連續8 h 有效波高Hs≤1.2 m、波浪譜峰周期Tp≤12 s 條件的可作業段數，8 月最多，出現91 次，平均出現次數最多，為76 次，6—9 月平均出現次數最多，均大于46 次，其中7 月和8月平均出現次數均大于72 次。

6） 符合時間在5:00—20:00 的且連續8 h 有效波高Hs≤1.2 m、波浪譜峰周期Tp≤12 s 的作業段數，7 月和8 月最多，出現31 次，8 月平均出現次數最多，為27 次，6—11 月平均出現次數均大于12 次，其中7—9 月平均出現次數均大于22次。

7） 符合時間在5:00—20:00 且連續8 h 有效波高Hs≤1.5 m、波浪譜峰周期Tp≤12 s 的作業段數，7 月和8 月最多，出現31 次，平均出現次數最多為30 次，5—10 月平均出現次數均大于21次，其中6—9 月平均出現次數均大于27 次。

8） 符合時間在5:00—20:00 且連續6 h 有效波高Hs≤1.0 m、波浪譜峰周期Tp≤12 s 的作業段數，7 月和8 月最多，出現26 次，8 月平均出現次數最多，為19 次，6—10 月平均出現次數均大于8 次，其中7—9 月平均出現次數均大于15 次。

5 結語

根據施工海域多年統計數據發現，非洲西海岸區域長周期波浪對施工影響較大，通過資料分析發現：

1） 該施工海域30 a 來有效波高和譜峰周期的總體分布范圍較為離散，出現頻率較高的范圍為一橢圓形區域，其中有效波高的范圍為1.2～2.2 m，譜峰周期的范圍為6.0～16.0 s。

2） 有效波高的分布頻率和累積概率均為威布爾分布，譜峰周期的分布頻率為雙峰分布，累積概率為威布爾分布。其中最大有效波高為4.41 m，平均波高為1.61 m；最大波浪譜峰周期為24.4 s，平均波浪譜峰周期為10.97 s。

3） 有效波高出現概率最大的是1.5 m，有效波高不大于1.5 m 的出現概率是42%，有效波高不大于2.0 m 的出現概率是84%；波浪譜峰周期出現雙峰概率分布圖，出現概率最大的譜峰周期是7.5 s，其次是13.2 s，兩者出現概率很接近，均在9%左右，波浪譜峰周期不大于10 s 的波浪出現概率是39.5%，不大于12 s 的波浪出現概率是58%。

4） 每年6—10 月為小浪期，大于1.5 m 波浪出現的頻率明顯低于其他月份，12 月開始大浪出現頻率逐漸增大，1—4 月為主要大浪期，大于1.5 m 波浪出現頻率均超過40%。

建議毛塔GTA 工程以及附近海域的類似工程施工可在6—10 月進行超大沉箱出運作業，在7—9 月進行超大沉箱安裝作業，可按照調研分析結果進行工程施工組織設計的總體部署以及資源配置研究。