数学模型在强涌浪条件下人工造岛关键技术的应用

王臻宁

（中港疏浚有限公司，上海 200136）

0 引言

斯里兰卡科伦坡港口城发展项目位于科伦坡CBD 核心区，计划填海形成陆域269 公顷，规划建设规模573 万平方米，填海工程投资14 亿美元。项目长期受印度洋季风气候影响，处于强涌浪环境下，给施工进度安排以及施工质量带来极大风险和挑战。采用大量数学模型对本项目防波堤设计与施工、人工岛结构平面布置设计和开敞式陆域形成施工组织进行试验验证，有助于提升恶劣环境无掩护人工岛及其附属结构整体设计、施工、研究技术水平和实力[1]。

1 项目关键点

1.1 季风期影响突出

实际施工过程中，在印度洋季风背景下，港口城陆域形成施工主要分为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 个非季风施工期，工程施工需跨越2 个季候风期。施工受季候风等灾害性天气影响大，陆域形成结构防冲刷问题突出[2]。

1.2 敞开式水域可施工期短

根据自然资料及以往在当地施工经验分析，其中每年5月～9 月为季候风季节，全年水上可作业天数将大打折扣。施工后期，施工水域越来越狭小，耙吸挖泥船进入吹填区的航行与施工和防波堤施工的干扰大。

图1 港口城项目最终效果图

2 数学模型研究

2.1 施工期泥沙运动规律数值模拟技术

项目部委托咨询公司CDR 建立数学模型，并根据停工期间实际水深变化进行校正，该数学模型由2 个耦合模型组成，分别是FINEL2D（形态模型）和SWAN（波浪模型）[1]。

2.2 泥沙运动动力因素和运动规律分析

本工程地处斯里兰卡的西海岸、克拉尼河以南，濒临印度洋北侧，主要受来自西南和西侧涌浪和风浪影响，其中西南季风期（5 月～9 月）影响最为剧烈。

预测岸线变化的趋势。通过对岸线变化的有效预测，为季风期后的设备部署、施工计划的调整、施工工艺的优化，提供了有效的数据支持和充足的准备时间，做到生产安排有章可循。图2 为沿岸泥砂运动示意图。

图2 沿岸泥砂运动示意图

2.3 数学模型应用

1）1A 阶段分析。根据施工组织数模分析报告（见图3），在季风期的前半阶段，陆域形成岸滩线会在游艇码头内护岸有所调整，造成游艇码头内护岸的淤积；并且该区域的岸滩会变缓，影响吹填施工；在季风期的后半阶段，陆域形成的岸滩线会沿南侧靠近防波堤区域会有调整，但该部分泥沙运动不影响后期吹填施工。

图3 1A 阶段的预测分析

通过1A 阶段的施工，可以得出如下结论：

科伦坡港口城在防波堤形成整体掩护前，陆域形成施工一直处于一个极其复杂的海洋环境中。风、浪、潮、流等海洋环境要素间接通过对海底的泥沙运移、海底地形地貌变迁、砂土液化等会对项目实施产生影响。

2）2A 阶段分析。2017 年9 月～2018 年4 月是项目施工强度最大的一个施工期，在最大化设备产能的前提下形成稳定的陆域形态，由于泥沙大面积重新分布发生在季风期，季风期来临前应当按数模报告控制好陆域形态。

根据数模的淘刷回淤分析（见图4），中期阶段在防波堤与陆域形成同步推进的前提下，泥沙重新分布主要发生在施工区内，可见防波堤的遮蔽作用，能够有效掩护成型陆域。

图4 第2 个季风期结束期的预测分析

从分析结果看，淘刷主要发生在陆域形态突出的部位，而湾区有利于聚集发生流动的泥沙，能够避免二次处理。

陆域形成根据实际情况改为相对稳定垂直浪向的形态由北往南施工，并按设计图留出运河位置，减少了后期反挖工程量。

长石矿物量较少(<5%)，但矿物种类繁多，主要为钾长石，偶见有条纹长石、微斜长石和钠长石等。现主要对钾长石的嵌布特征描述如下：

在2A 实施阶段，吹填施工配合防波堤进度在南部有序成陆，避免了成型陆域在季风期遭受大面积淘刷的风险，并最终形成了较为稳定的形态。

根据数模分析及实际实施情况，事实证明结合水工结构和吹填的进度组合开展数学模型试验，运用施工期泥沙在整个项目周期的运动规律，能为陆域吹填及防波堤同步推进提供更好的技术支持服务。

3）收尾阶段分析。项目西北口是项目最复杂的收尾工作，在经历季风期的情况下，既要满足陆域形成的推进，又要保障防波堤施工工作面、水工水域和避免水工结构区的回淤，同时又要确保护岸区域的陆域稳定等。

借鉴数学模型演算结果，充分评估耙吸船产能最大化后季风期期间陆域岸形的演变情况，模拟防波堤出水2300 n mile 时2 种船舶产能下的陆域形态变化。

根据第一版八月份计划成陆演算结果，计划9 月底陆域及水下坡推进至2400 n mile。

风暴潮后，波浪入射形成复杂流态，使北侧和南侧泥沙冲刷并向中间淤积。同时防波堤出水堤头东南方向形成沙嘴。

根据第二版九月份计划成陆演算结果，计划9 月底陆域及水下坡推进至2650 n mile，同时完成北口堤心砂部分。

根据演算结果，防波堤出水2300 n mile 时大量泥沙流失至项目红线外，并淤积在北口砂平台上方，淤积厚度超过7 m。向南输移的泥砂在防波堤东侧形成一西南向沙嘴，并在水下坡区域造成淤积。

根据以上数模分析，得出以下结论：

1）季风期前半阶段计划形成陆域可得到防波堤充分掩护，因此无需在水下坡区域设置拦砂坝。陆域形成单位可发挥最大产能推进陆域形成。

2）季风期后半阶段随着陆域面积不断增大，沙坝的拦砂效果越来越显著。

3）若防波堤出水为2300 n mile，则陆域同时受到西南向涌浪和西向风浪侵袭，泥沙分别向北和向南输移，造成北口泥沙淤积超过6 m 并造成流失。

图5 季风期风浪、涌浪及泥沙输移方向示意图

根据数模演算结果，做出如下策划：

数模演算仅依据计划成陆岸线静态分析，未能充分考虑期间船舶连续作业及岸线动态变化。因此实际情况下，泥沙流失及施工区冲淤现象可能更为严重。

根据第二版数模演算结果，若防波堤在2300 n mile 时，则季风期末的成陆进度建议放缓。目前现场尚无合适的清淤设备，若北口淤积严重，较难在短期内完成清淤工作，影响施工单位在季风期后北口施工启动时间。

4）最终方案。根据船舶产能，至季风期开始前陆域及水下坡可推进至CH1+300 n mile，其中堤心砂完成至2800 n mile。

由于北口砂平台在季风期期间有冲淤现象，因此根据数学模型报告建议，为减少泥沙流失及后期返工，北口砂平台抛填施工项目部计划在9 月份实施第一阶段粗抛。

结合数学模型报告建议，离防波堤出水位置南侧300 m外陆域及水域将按照设计标高和边线吹填施工，300 m 内水域考虑到季风期回淤影响，仅在出水部分虹吹出水形成自然坡，有效利用向南输移淤积的泥砂进行成陆，并在离岸一定距离区域进行堆高用于后期陆上标高补量，减少后期水下反挖。

季风期结束后根据施工单位的具体要求于11 月5 日前完成内防波堤-11.8 m/-10 m/-9 m LWOST 堤心砂抛填（靠近南港防波堤50 m 内采用艏喷）。

图6 2018 年10 月份中旬陆域形成图

3 强季风复杂环境下成陆施工

根据数学模型报告分析及专项施工方案，随着陆域面积不断增大，通过控制成陆形态形成一个突变的岸线形状，很好地减缓了泥砂输移和回淤，泥沙没有进一步往南输移淤积，减少了季风期结束后的理坡反挖量。

4 社会经济效益

从上述分析可知，在强季风的复杂环境下进行施工，对强涌浪环境进行实际分析，并提出在施工环境下所出现的泥沙运行规律，在动力因素的影响下，完成施工过程，数学建模计算中可以得出，本文方法可以大大较少人工造岛的资金成本，以国家“一带一路”的倡议为基础，同时也是中国交建在斯里兰卡最大的海外投资项目，其重要意义可见一斑。本项目通过数学模型技术研究及应用共节省经济投入约3345万美元，极大地提升了中国交建在人工岛建设的核心竞争力，促进在港口建设领域的持久发展，并取得了丰硕的经济效益和社会效益，防波堤施工工艺相对于传统的陆推或水抛工艺，其施工进度更有保证，防波堤按照节点要求顺利完成对于整个港口城项目的社会形象及招商引资有着极其深远的影响

5 结语

当下社会发展的情况下，港口建设已经成为我国的重要发展目标之一，结合近年来承担的工程研究项目作为典型代表,根据当地海域季节性长周期涌浪长期作用的特点,分别对海岸波浪动力条件、岸滩演变规律及建港淤积问题进行了分析研究，得到了波浪防护决定港区口门朝向、破波带宽度决定防波堤规模以及泥沙冲淤强度决定港区口门位置等重要结论。