數(shù)學(xué)模型在強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)展項目位于科倫坡CBD 核心區(qū)，計劃填海形成陸域269 公頃，規(guī)劃建設(shè)規(guī)模573 萬平方米，填海工程投資14 億美元。項目長期受印度洋季風(fēng)氣候影響，處于強涌浪環(huán)境下，給施工進度安排以及施工質(zhì)量帶來極大風(fēng)險和挑戰(zhàn)。采用大量數(shù)學(xué)模型對本項目防波堤設(shè)計與施工、人工島結(jié)構(gòu)平面布置設(shè)計和開敞式陸域形成施工組織進行試驗驗證，有助于提升惡劣環(huán)境無掩護人工島及其附屬結(jié)構(gòu)整體設(shè)計、施工、研究技術(shù)水平和實力[1]。

1 項目關(guān)鍵點

1.1 季風(fēng)期影響突出

實際施工過程中，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 個非季風(fēng)施工期，工程施工需跨越2 個季候風(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)防沖刷問題突出[2]。

1.2 敞開式水域可施工期短

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，施工水域越來越狹小，耙吸挖泥船進入吹填區(qū)的航行與施工和防波堤施工的干擾大。

圖1 港口城項目最終效果圖

2 數(shù)學(xué)模型研究

2.1 施工期泥沙運動規(guī)律數(shù)值模擬技術(shù)

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

2.2 泥沙運動動力因素和運動規(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)測岸線變化的趨勢。通過對岸線變化的有效預(yù)測，為季風(fēng)期后的設(shè)備部署、施工計劃的調(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)備時間，做到生產(chǎn)安排有章可循。圖2 為沿岸泥砂運動示意圖。

圖2 沿岸泥砂運動示意圖

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)模分析報告（見圖3），在季風(fēng)期的前半階段，陸域形成岸灘線會在游艇碼頭內(nèi)護岸有所調(diào)整，造成游艇碼頭內(nèi)護岸的淤積；并且該區(qū)域的岸灘會變緩，影響吹填施工；在季風(fēng)期的后半階段，陸域形成的岸灘線會沿南側(cè)靠近防波堤區(qū)域會有調(diào)整，但該部分泥沙運動不影響后期吹填施工。

圖3 1A 階段的預(yù)測分析

通過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前，陸域形成施工一直處于一個極其復(fù)雜的海洋環(huán)境中。風(fēng)、浪、潮、流等海洋環(huán)境要素間接通過對海底的泥沙運移、海底地形地貌變遷、砂土液化等會對項目實施產(chǎn)生影響。

2）2A 階段分析。2017 年9 月～2018 年4 月是項目施工強度最大的一個施工期，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)期來臨前應(yīng)當(dāng)按數(shù)模報告控制好陸域形態(tài)。

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

圖4 第2 個季風(fēng)期結(jié)束期的預(yù)測分析

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)生流動的泥沙，能夠避免二次處理。

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

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

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

根據(jù)數(shù)模分析及實際實施情況，事實證明結(jié)合水工結(jié)構(gòu)和吹填的進度組合開展數(shù)學(xué)模型試驗，運用施工期泥沙在整個項目周期的運動規(guī)律，能為陸域吹填及防波堤同步推進提供更好的技術(shù)支持服務(wù)。

3）收尾階段分析。項目西北口是項目最復(fù)雜的收尾工作，在經(jīng)歷季風(fēng)期的情況下，既要滿足陸域形成的推進，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，同時又要確保護岸區(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)第一版八月份計劃成陸演算結(jié)果，計劃9 月底陸域及水下坡推進至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)第二版九月份計劃成陸演算結(jié)果，計劃9 月底陸域及水下坡推進至2650 n mile，同時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 時大量泥沙流失至項目紅線外，并淤積在北口砂平臺上方，淤積厚度超過7 m。向南輸移的泥砂在防波堤東側(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)期前半階段計劃形成陸域可得到防波堤充分掩護，因此無需在水下坡區(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越顯著。

3）若防波堤出水為2300 n mile，則陸域同時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)計劃成陸岸線靜態(tài)分析，未能充分考慮期間船舶連續(xù)作業(yè)及岸線動態(tài)變化。因此實際情況下，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，則季風(fēng)期末的成陸進度建議放緩。目前現(xiàn)場尚無合適的清淤設(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)期后北口施工啟動時間。

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

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

結(jié)合數(shù)學(xué)模型報告建議，離防波堤出水位置南側(cè)300 m外陸域及水域?qū)凑赵O(shè)計標(biāo)高和邊線吹填施工，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行成陸，并在離岸一定距離區(qū)域進行堆高用于后期陸上標(biāo)高補量，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 強季風(fēng)復(fù)雜環(huán)境下成陸施工

根據(jù)數(shù)學(xué)模型報告分析及專項施工方案，隨著陸域面積不斷增大，通過控制成陸形態(tài)形成一個突變的岸線形狀，很好地減緩了泥砂輸移和回淤，泥沙沒有進一步往南輸移淤積，減少了季風(fēng)期結(jié)束后的理坡反挖量。

4 社會經(jīng)濟效益

從上述分析可知，在強季風(fēng)的復(fù)雜環(huán)境下進行施工，對強涌浪環(huán)境進行實際分析，并提出在施工環(huán)境下所出現(xiàn)的泥沙運行規(guī)律，在動力因素的影響下，完成施工過程，數(shù)學(xué)建模計算中可以得出，本文方法可以大大較少人工造島的資金成本，以國家“一帶一路”的倡議為基礎(chǔ)，同時也是中國交建在斯里蘭卡最大的海外投資項目，其重要意義可見一斑。本項目通過數(shù)學(xué)模型技術(shù)研究及應(yīng)用共節(jié)省經(jīng)濟投入約3345萬美元，極大地提升了中國交建在人工島建設(shè)的核心競爭力，促進在港口建設(shè)領(lǐng)域的持久發(fā)展，并取得了豐碩的經(jīng)濟效益和社會效益，防波堤施工工藝相對于傳統(tǒng)的陸推或水拋工藝，其施工進度更有保證，防波堤按照節(jié)點要求順利完成對于整個港口城項目的社會形象及招商引資有著極其深遠的影響

5 結(jié)語

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