围堤龙口合拢位置数值计算研究

崔国谨

（天津市北洋水运水利勘察设计研究院有限公司，天津 300452）

1 引言

众所周知，围海造陆可以为城市提供大量平整土地，为地区的经济发展提供极为有利的条件。围海工程中最重要的部分之一就是龙口工程。龙口的合拢施工更是整个工程的关键，龙口合拢的成败对围海造陆工程的进度、投资、安全及效益起着至关重要的作用。龙口合拢施工中，主要的影响因素包括水流、潮汐、风浪、深港、气象、软基等。在诸多不利的影响因素中，龙口的位置选取是龙口合拢的主要难题之一，因此需要对龙口合拢位置进行研究，为龙口合拢施工提供支持，最终以达到质量、进度、成本、安全最优平衡点。

2 试验概况

2.1 试验位置

本课题龙口合拢试验区位于天津临港工业区。在渤海湾畔、塘沽区海河入海口南侧滩涂浅海区，北侧以海河口南治导线为界，西侧以滨海大道为界，总规划面积约200 平方公里。围堤项目位于临港工业区南侧，具体平面布置见图1。围堤工程采用土工编织袋，应用水力充填泥浆，并叠砌而形成袋体堤的方法建造围埝。

图1 围堤工程试验区平面示意图

2.2 水文气象条件

2.2.1 波浪

本工程海域的常浪向为ENE 和E，频率分别为9.68%和9.53%，强浪向ENE，全年周期大于7.0s 的频率为0.33%。

2.2.2 海流

本工程海域的海流基本为往复流型，涨潮主流向NW，落潮主流向SE，其中涨潮流速大于落潮，最大流速平面分布是由岸边向海域逐步扩大。

2.2.3 潮汐

本工程海域潮汐类型为不规则半日潮型，其（H01+HK1）/HM2=0.53。

潮位特征值（以新港理论最低潮面起算，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 风

根据塘沽海洋站东突堤测站1997-1999 年资料统计，常风向E，出现频率为11.71%，次常风向为S 向，频率为10.34%，强风向E向，该向频率≥6级风为1.95%，各向≥6 级风所出现的频率为3.65%。

2.3 场地地质条件

本工程地基土自上而下主要分四大层。第一层为海相沉积的淤泥质粉质黏土和淤泥质黏土，第二层为海陆交互相沉积的粉质黏土混贝壳和粉质粘土，第三层为河口三角洲相沉积的粉质黏土，第四层为粉砂。

3 试验方案设置

根据设计及工程实际要求，由于渤西水下管线穿过场区南围堤，因此龙口应离管线有一定距离；龙口口门宽度还应能保证施工船的进出，南围堤西侧约200m 范围由于其西侧区域的吹填，地形淤积较大，不利于施工船的航行。

经初步估算，龙口宽度需约400m 左右，数值计算取400m 宽，龙口底高程取-2.5m，龙口位置考虑2 个方案，方案1 的距离西侧已建围堤600m，方案2 距离西侧已建围堤埝1600m，龙口底高程均为-2.5m。见图2。

图2 龙口位置方案图

4 计算域确定及网格剖分

为避免边界处的数值传入误差，模型范围应足够大。本次研究中潮流数学模型计算范围采用大、小两层模型进行嵌套计算，其中，采用大模型对整个渤海海域进行计算，小模型对渤海湾海域进行计算。模型的计算范围如图3 所示。大模型开边界位于大连老虎滩和烟台一线，边界采用潮位驱动，由中国海洋大学研发的中国近海潮汐预测程序（ChinaTide）提供，次潮汐预测程序采用8 个分潮的调和常数进行叠加后所得，所得潮位数据较为精准。

图3 模型计算范围示意图

计算域的网格划分采用三角无结构网格，采用外疏里密的方式进行划分，小模型开边界处相邻的网格节点最大步长约1500m，工程区附近局部进行了加密处理，最小步长为30m，各方案的网格节点总数约为32900 个。图4 中示意了模型的网格剖分形式。

图4 模型网格剖分

5 模型验算

采用2020年6月中旬潮汐现场水文资料进行验证。此次测量共包括3 个潮位站和3 个流速测站，同时还收集灯塔站同步潮位资料进行验证。

图5 与图6 分别给出了潮位、流速和流向验证曲线。通过比较分析，各测站计算所得的流速、流向及潮位在连续变化过程中的数值均与实测值具备较好的一致性，满足有关规范的要求。

图5 2020 年6 月18 日～19 日潮位验证

图6 2020 年6 月18 日～19 日潮流速流向验证

通过计算的验证，所建二维潮流数学模型在相位与数值上均与实际情况具备较高的一致性，因此可以采用此模型对工程场区的潮流平面运动规律进行模拟，模型预测结果具有较高的可信度。

6 计算结果及分析

根据模型的验证结果可知，所建二维潮流数学模型的预测结果具有良好的可信度。图7，图8 为数值模拟得到的2 个龙口布置方案工程区域的急潮流场图。图中可见，工程海域潮流场具有往复流性质，涨潮时潮流向岸运动，落潮时潮流离岸运动。

图7 方案1 时急流场图

图8 方案2 时涨急流场图

方案1 和方案2 龙口出潮位、潮差及最大流速数值模拟计算结果见表1。

表1 方案1 和方案2 龙口潮位、潮差及最大流速对比

从模拟结果可以看出，方案1 离岸边较近，其涨潮水位要高于方案2，潮差也略大于方案2，方案1 和方案2 中的龙口最大流速分别为0.56m/s 和0.53m/s，方案2 相对为优。

因此，在不影响海底管线的情况下，龙口靠向东南侧略好，建议龙口位置采用方案2。

7 结语

本论文采用一维和二维的数值模拟计算来研究龙口合拢位置选取问题。试验区为天津某围堤工程的龙口合拢，采用数值模拟软件Mike21，对龙口位置及尺寸进行模拟计算，比较不同方案之间的优劣。根据模拟计算所得结果，确定最佳的合拢施工方案。通过调整边界条件对工程海域的潮位、流场进行模拟验证，MIKE21平面二维潮流数学模型能够基本反映了工程海域的流场分布情况，可以进行工程后的模拟研究。通过对天津港某围海工程的龙口合拢口位置流场进行研究，并根据不同合拢口位置的模型计算结果对比可知：龙口宜选在波浪、潮流动力较弱，地质条件较好和水较深的地段。数值模拟对龙口位置的确定具有一定的指导意义。本文结合天津港某围堤工程，对围海工程中最复杂最困难的龙口合拢问题进行研究，最终确定了龙口合拢的施工方案，该项目已顺利完成龙口合拢，取得良好经济效益，标志着本次试验取得圆满成功，也为后续类似工程提供一定的理论基础及经验借鉴。