非洲西海岸长周期波浪海域超大沉箱施工作业条件分析

徐彦东，刘明

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

随着我国经济建设的快速发展及世界经济的全球化和船舶的大型化，港口码头、跨海大桥、防波堤等水上构筑物也不断向大型化、深水和外海发展，工程预制结构件也不断大型化和专业化，超高、超重的预制构件的使用越来越多，尤其是码头、防波堤使用的沉箱尺寸及重量屡创新高。

以西北非、东南亚和南美洲为代表的地区海域波浪周期都比较长，大部分的波浪平均周期在12 s 以上，属于中长周期波，个别海域还含有明显的长周期波成分，最大周期在30 s 以上[1-3]。近年来，在受中长周期或长周期波影响海域施工的项目越来越多[4-5]。然而中长周期或长周期波对沉箱的运动幅度产生较大影响，对常规的施工工艺带来较大困难，施工难度大幅度提升[6-7]。但是国内外对中长周期波或长周期波条件下的超大沉箱施工的相关研究较少[8]，没有系统的研究成果[9]。

依托非洲西海岸附近毛里塔尼亚Greater Tortue Ahmeyim 项目，通过前期调研和收集的工程设计文件资料及对工程所在区域环境条件的搜集整理，针对工程特殊地理位置和现场实施重难点，对于施工环境恶劣、自然环境复杂海域，尤其长周期波波浪条件对超大沉箱出运、运输、安装施工的影响开展全面调研，为非洲西海岸区域长周期波浪作用下超大沉箱浮运安装施工提供决策依据资料。

1 工程概况

毛里塔尼亚Greater Tortue Ahmeyim（GTA）液化天然气项目，位于毛里塔尼亚和塞内加尔的海上边界，由两国共同开发，是非洲最深的海上LNG 项目。项目建成后将为跨界海洋天然气田，向全球及毛里塔尼亚与塞内加尔供应天然气，可从海上浮式生产储卸油装置（FPSO）中生产天然气，然后将天然气输送到海岸线附近的浮式液化天然气设施（FLNG）。

工程防波堤长约1 200 m，由18 座超大沉箱组成，结构形式为混合基床+重力式沉箱结构，沉箱几何尺寸（长×宽×高）为63.51 m×33.19 m×30.0 m，单体重约31 400 t，如图1 所示。

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

2 自然环境调研

2.1 气温条件

施工作业区域历史最高气温47.2 ℃，每年10月最热，平均气温36.1 ℃；每年1 月最冷，平均气温13.5 ℃，气温特征统计见表1。

表1 毛塔GTA 工程气温特征统计表Table 1 Statistical table of temperature characteristics in Mauritania GTA project

2.2 风速条件

根据Saint Louis 气象站1973—2016 年43 a的观测风速统计，项目区域多年各方向的年平均风速范围为1.7～4.7 m/s，综合分析其年平均风速为3.87 m/s。Nouakchott 气象站1973—2016 年43 a的观测风速统计，项目区域多年各方向的年平均风速范围为4.3～5.7 m/s。综合分析其年平均风速为4.6 m/s。

从风速的方向分布来看，Saint Louis 站出现频率最多的风速方向是NNW 方向，出现频率为21.93%，其次是NW 方向，出现频率是10.81%；除N—E、W—N 方向外，其他方向的风速频率一般在2%以下。

Nouakchott 站出现频率最多的风速方向也是NNW 方向，出现频率为14.07%，其次为NW 方向，出现频率为13.55%；两者基本相似，其他方向风速频率均小于2%。

就风速大小来分析，SaintLouis 站和Nouakchott站出现10 m/s 以上的风速频率不大，分别合计为0.57%和1.32%，相当于平均每年出现1～3 d。该地区大部分时间的风速小于8 m/s，两站小于8 m/s的风速频率分别为98.40%和96.47%。

从测站风速的统计可以看出，总体上该地区的风速均值不大，但有时会出现短暂大风；就风速的分布来看，大部分的风速在0～8 m/s 之间，出现频率在上述两站均超过96%，超过10 m/s 的风速出现频率小于2%；从风速的方向分布来看，风速较多的方向是NNW 和NW 方向，在两站出现频率均大于10%，两者平均概率为15.09%，其中两站NNW 方向出现的平均概率高达18%，NW方向为12.18%。

2.3 波浪条件

工程施工在非洲西海岸海域附近，通过美国国家海洋和大气管理局（NOAA）波浪监测数据进行波浪条件分析，该波浪监测点位于（16N，17W）的海域位置，布置在距离西海岸约50 km，水深500 m 处附近。

根据1980—2009 年每隔1 h 的随机波浪实时监测数据资料，对有效波高和波浪谱峰周期进行历时曲线统计分析，见图2、图3。

图2 工程海域1980—2009 年有效波高历时曲线图Fig.2 Significant wave height duration curve in engineering sea area from 1980 to 2009

从图中可以看出，该施工海域30 a 来最大有效波高为4.41 m，平均波高为1.61 m；最大波浪谱峰周期为24.4 s，平均波浪谱峰周期为10.97 s。

2.4 潮汐条件

施工作业区域最高潮位为1.02 m，最低潮位-0.99 m，平均高水位0.53 m，相关潮位见表2。

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

3 施工环境分析

基于30 a 每隔1 h 的随机波浪监测数据，对有效波高和谱峰周期进行联合分布分析及概率分析，如图4、图5 所示。

图4 工程海域1980—2009 年有效波高和谱峰周期联合分布图Fig.4 Joint distribution of significant wave height and spectral peak period in the engineering sea area from 1980 to 2009

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

从图4 中可以看出，该施工区域30 a 来两者各自分布区域范围较大，其中有效波高基本分布在0.5～3.5 m 范围内，谱峰周期基本分布在4.0～20.0 s 范围内；而两者分布较为集中的区域为有效波高1.2～2.2 m，谱峰周期6.0～16.0 s 的椭圆形区域内。

从图5（a）中可以发现，该施工区域30 a 来的有效波高的分布频率和累积概率均为威布尔分布。从图5（b）中可以看出，谱峰周期的分布频率为双峰分布，累积概率为威布尔分布。

从有效波高和谱峰周期的分析图中可以得到，有效波高出现概率最大的是1.5 m，有效波高不大于1.5 m 的出现概率是42%，有效波高不大于2.0 m 的出现概率是84%；波浪谱峰周期出现双峰概率分布图，出现概率最大的谱峰周期是7.5 s，其次是13.2 s，两者出现概率很接近，均在9%左右，波浪谱峰周期不大于10 s 的波浪出现概率是39.5%，不大于12 s 的波浪出现概率是58%，不大于14 s 的波浪出现概率基本在84%左右。

从2008 年有效波高历时曲线分布图（图6）中可以发现，工程所在海域每年5—11 月为小浪期，12 月—翌年4 月为大浪期。在小浪期，每年11月底，一般大浪较为频繁，对施工影响较大，大浪期间防波堤施工基本难以进行。结合施工经验对有效波高1.5 m 出现概率进行年度分析，如表3所示。

表3 工程施工海域波浪条件统计表Table 3 Statistical table of wave conditions in the construction sea area

图6 工程海域2008 年有效波高历时曲线图Fig.6 Significant wave height duration curve of the engineering sea area in 2008

从表3 可以看出，基本上6—10 月为小浪期，大于1.5 m 波浪出现的频率明显低于其他月份，12 月开始大浪出现频率逐渐增大，1—4 月为主要大浪期，大于1.5 m 波浪出现频率均超过40%。

4 作业条件分析

超大沉箱施工作业的主要影响因素是风、浪、流，由于工程施工地理位置的特殊性，波浪周期作为控制因素，其次是波浪高度。基于多年施工经验，超大沉箱施工作业条件如表4 所示。

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

依据1980—2009 年每小时波浪数据资料，以最小连续4 h 的可施工作业段数进行统计，对适用于连续作业条件的波高及周期序列进行分析。根据长周期波区域的施工经验，可满足作业条件的数据统计结果为：

1） 符合连续4 h 有效波高Hs≤1.5 m 条件的可作业段数，7—9 月最多，出现10 次，6—9 月平均出现次数最多，均大于6 次，其中7 月和8月平均出现次数为10 次。

2） 符合连续4 h 有效波高Hs≤2.0 m 条件的可作业段数，11 月最多，出现11 次，5—11 月平均出现次数最多，均大于9 次，其中6—9 月平均出现次数为10 次。

3） 符合连续4 h 有效波高Hs≤2.0 m、波浪谱峰周期Tp≤12 s 条件的可作业段数，6—10 月最多，均出现10 次，5—9 月平均出现次数最多，均大于8 次，其中7 月和8 月平均出现次数为10次。

4） 符合连续8 h 有效波高Hs≤1.2 m 条件的可作业天数，8 月最多，出现91 次，平均出现次数最多，为77 次，6—9 月平均出现次数最多，均大于46 次，其中7 月和8 月平均出现次数均大于72 次。

5） 符合连续8 h 有效波高Hs≤1.2 m、波浪谱峰周期Tp≤12 s 条件的可作业段数，8 月最多，出现91 次，平均出现次数最多，为76 次，6—9 月平均出现次数最多，均大于46 次，其中7 月和8月平均出现次数均大于72 次。

6） 符合时间在5:00—20:00 的且连续8 h 有效波高Hs≤1.2 m、波浪谱峰周期Tp≤12 s 的作业段数，7 月和8 月最多，出现31 次，8 月平均出现次数最多，为27 次，6—11 月平均出现次数均大于12 次，其中7—9 月平均出现次数均大于22次。

7） 符合时间在5:00—20:00 且连续8 h 有效波高Hs≤1.5 m、波浪谱峰周期Tp≤12 s 的作业段数，7 月和8 月最多，出现31 次，平均出现次数最多为30 次，5—10 月平均出现次数均大于21次，其中6—9 月平均出现次数均大于27 次。

8） 符合时间在5:00—20:00 且连续6 h 有效波高Hs≤1.0 m、波浪谱峰周期Tp≤12 s 的作业段数，7 月和8 月最多，出现26 次，8 月平均出现次数最多，为19 次，6—10 月平均出现次数均大于8 次，其中7—9 月平均出现次数均大于15 次。

5 结语

根据施工海域多年统计数据发现，非洲西海岸区域长周期波浪对施工影响较大，通过资料分析发现：

1） 该施工海域30 a 来有效波高和谱峰周期的总体分布范围较为离散，出现频率较高的范围为一椭圆形区域，其中有效波高的范围为1.2～2.2 m，谱峰周期的范围为6.0～16.0 s。

2） 有效波高的分布频率和累积概率均为威布尔分布，谱峰周期的分布频率为双峰分布，累积概率为威布尔分布。其中最大有效波高为4.41 m，平均波高为1.61 m；最大波浪谱峰周期为24.4 s，平均波浪谱峰周期为10.97 s。

3） 有效波高出现概率最大的是1.5 m，有效波高不大于1.5 m 的出现概率是42%，有效波高不大于2.0 m 的出现概率是84%；波浪谱峰周期出现双峰概率分布图，出现概率最大的谱峰周期是7.5 s，其次是13.2 s，两者出现概率很接近，均在9%左右，波浪谱峰周期不大于10 s 的波浪出现概率是39.5%，不大于12 s 的波浪出现概率是58%。

4） 每年6—10 月为小浪期，大于1.5 m 波浪出现的频率明显低于其他月份，12 月开始大浪出现频率逐渐增大，1—4 月为主要大浪期，大于1.5 m 波浪出现频率均超过40%。

建议毛塔GTA 工程以及附近海域的类似工程施工可在6—10 月进行超大沉箱出运作业，在7—9 月进行超大沉箱安装作业，可按照调研分析结果进行工程施工组织设计的总体部署以及资源配置研究。