淺談數(shù)值模擬技術(shù)在疏浚吹填施工中的應(yīng)用

徐小遲 郭立棟

近年來隨著我國城市化進(jìn)程的加快，各沿海城市通過填海造陸的方式“向海洋要土地”的現(xiàn)象也就不可避免，興起了沿海城市填海造陸的熱潮，圍海造地已經(jīng)在建設(shè)、工業(yè)、交通、旅游等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。在沿海經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)，已建設(shè)完成了多座大型港口，疏浚吹填也為港口提供了大片人造地，作用非常巨大。但在建設(shè)過程中，如遇到項(xiàng)目選址不合理，施工決策或應(yīng)對措施不當(dāng)，極易造成環(huán)境破壞，產(chǎn)生的損失將無法估量。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)中的地位和作用不斷提高，模擬技術(shù)也不斷朝著高效、高精度、可視化、軟件化的方向發(fā)展。而對于工程建筑行業(yè)，特別是疏浚吹填行業(yè)，雖多已實(shí)現(xiàn)技術(shù)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)化和標(biāo)準(zhǔn)化，但受制于企業(yè)實(shí)力和研發(fā)能力，數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用還較為滯后。

本文采用基于數(shù)值模擬技術(shù)的mike21，模擬分析吹填砂在海水中運(yùn)動(dòng)成型情況，結(jié)合工程實(shí)例，印證數(shù)值模擬計(jì)算在疏浚吹填工程中應(yīng)用的可行性和準(zhǔn)確性，為優(yōu)化疏浚工程方案提供科學(xué)依據(jù)。數(shù)字模擬技術(shù)在疏浚吹填施工中的探索和研究，有助于找到新的低廉且有效地解決關(guān)鍵問題的技術(shù)手段。

一、 數(shù)值模擬軟件mike21

Mike21是一個(gè)全面研究二維自由水面流動(dòng)模擬系統(tǒng)軟件包，主要應(yīng)用在河流等地表水體流動(dòng)（如洪水推進(jìn)模擬）、污染物擴(kuò)散（如溢油、磷擴(kuò)散問題）、海岸或港口附近波浪的變化以及泥沙輸移等水利工程、海洋工程和環(huán)境工程領(lǐng)域中。Mike21軟件里面包含多個(gè)不同用途的模塊：1.Hydrodynamic Module（水動(dòng)力模塊）；2.Transport（對流擴(kuò)散模塊）；3.ECO Lab/Oilspill（水質(zhì)水生態(tài)模塊/溢油模塊）；4.Mud Transport Module（黏性泥沙輸運(yùn)模塊）；5.Particle Tracking Module（粒子追蹤模塊）；6.Sand Transport Module（非黏性泥沙輸運(yùn)模塊）。其中Hydrodynamic Module（水動(dòng)力模塊）是所有模型建立的基礎(chǔ)，可模擬多種力引起的水位、流速變化以及不考慮分層的二維自由表面流。

由于該軟件包擁有有強(qiáng)大的前、后處理功能、可選擇多種計(jì)算網(wǎng)格、可以進(jìn)行熱啟動(dòng)、可以進(jìn)行耦合或非耦合運(yùn)算以及可設(shè)置多種類型的水邊界條件等優(yōu)點(diǎn)，Mike21已成為全球眾多的工程技術(shù)人員及科學(xué)工作者的關(guān)鍵模擬工具，如我國的長江口綜合治理、南水北調(diào)工程、杭州灣數(shù)值模擬等多項(xiàng)超級(jí)工程。

二、實(shí)例應(yīng)用

本文選取西非某疏浚吹填中遇到的某一關(guān)鍵問題，將目標(biāo)施工方案進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)監(jiān)測實(shí)際施工情況，綜合對比分析。

該項(xiàng)目所在水域，波浪平均周期9.8s，最大波浪周期18s，且大浪季（旱季，5～9月）每月遭受1～3次波高在2.5～3.5 m的大浪襲擊。受制于大西洋涌浪影響，碼頭施工無法使用水上打樁船作業(yè)，只能在形成陸域平臺(tái)后采用陸上設(shè)備施工。當(dāng)?shù)厥鲜秩狈?，很難在短時(shí)間內(nèi)形成堆場圍堤，根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度要求，需要快速開展吹填施工，在開闊海域形成一個(gè)出水的陸域平臺(tái)，為碼頭施工創(chuàng)造條件。

1.工程情況

（1）工程施工目標(biāo)：

在近海無圍堰防護(hù)水域進(jìn)行吹填造地，在近海區(qū)域直接吹填，以形成一片陸域，為碼頭施工提供作業(yè)平臺(tái)。本項(xiàng)目水文氣象、地質(zhì)參數(shù)、施工船舶性能指標(biāo)等資料完備。

（2）施工方法選定：

考慮當(dāng)?shù)匮罅骱陀坷朔较虼蟛糠謺r(shí)間處于西南方向，為保障吹填管線不受吹填砂淤積的影響，吹填管口應(yīng)該順應(yīng)潮流方向錨固置放，吹填管頭平行于水面進(jìn)行吹填施工。

（3）存在問題：

當(dāng)?shù)厮臍庀筝^為復(fù)雜，常年遭受長周期涌浪影響，在無圍堰防護(hù)情況下吹填，可能受水文影響，吹填砂無法堆積，造成泥沙擴(kuò)散，影響附近海域水質(zhì)。根據(jù)現(xiàn)場工況，無法確認(rèn)此吹填施工方案是否可行。

（4）解決方案：

嘗試按照施工目標(biāo)方案對吹填砂運(yùn)動(dòng)成型情況進(jìn)行數(shù)值模擬，在模擬結(jié)果顯示施工可行的情況下，同時(shí)進(jìn)行典型性試施工。在開闊水域吹填5天，施工后5天進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，對比分析模擬結(jié)果。

2. mike21模擬分析

（1）數(shù)值建模

本次數(shù)值模擬采用基于單元中心的有限體積法對二維淺水控制方程進(jìn)行離散求解，將計(jì)算區(qū)域劃分為若干網(wǎng)格（采用Mike21里提供的三角形網(wǎng)格），通過控制方程求解將互相重疊的統(tǒng)一體生成離散的網(wǎng)格。在Mike軟件中，二維模擬的淺水方程組有兩種形式的求解方法（根據(jù)求解階數(shù)劃分），根據(jù)工程實(shí)際情況，采用低階顯式的Euler方法進(jìn)行時(shí)間積分。

根據(jù)工程需求計(jì)算海底淤積，則應(yīng)首先選擇Hydrodynamic Module（水動(dòng)力模塊）對其進(jìn)行水力特性的模擬，再選擇Sand Transport Module（非黏性泥沙輸運(yùn)模塊）對其排沙管口附近泥沙運(yùn)動(dòng)成型情況進(jìn)行模擬。

（2）環(huán)境參數(shù)處理

Mike模型中定義多種類型的環(huán)境條件，如模擬場地范圍、海底流速、波浪周期、浪高、吹填砂流速、吹填砂密度等。為確保驗(yàn)證結(jié)果準(zhǔn)確，本次模擬采用實(shí)際施工工況下的環(huán)境因素值。

3. 模擬結(jié)果

（1）施工期模擬

本次數(shù)值模擬分析采用與施工方案相同的吹填砂源設(shè)置和綜合相關(guān)環(huán)境因素，模擬結(jié)果如下：

圖1 施工120小時(shí)形成的海底高程變化圖

圖2 施工期120h的速度矢量圖

（2）施工后120小時(shí)

在施工后，停滯砂源，對吹填形成的沙堆在開闊水域的穩(wěn)定情況進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如下：

圖3 施工停止后120h的泥沙淤積圖

圖4 施工期120h的速度矢量圖

（3）實(shí)際施工15天的實(shí)際效果圖

圖5 實(shí)際施工形成的海底高程變化圖

圖6 實(shí)際施工效果

在施工期間，考慮已形成沙堆，為便于觀測，施工時(shí)間可延長至15天。在完成施工后5天，對現(xiàn)場進(jìn)行跟蹤觀測。根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果，沙堆運(yùn)動(dòng)方向和現(xiàn)有泥沙堆積的厚度與模擬顯示結(jié)果高度匹配，且模擬生成的吹填沙堆周邊的水下流速圖，能為下一步圍擋泥沙擴(kuò)散施工防護(hù)提供可靠的施工依據(jù)，保障現(xiàn)場施工滿足相關(guān)要求。本次數(shù)值模擬，驗(yàn)證基于的數(shù)值模擬的mike21完全可以進(jìn)行局部小型流場的泥沙模擬分析，并能詳細(xì)地反映泥沙運(yùn)動(dòng)成型的特征。

三、結(jié)語

本文在基于mike模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)對實(shí)體項(xiàng)目進(jìn)行模擬跟蹤分析，模擬結(jié)果與實(shí)際施工效果基本一致，較好地反映了實(shí)際情況，也進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值仿真技術(shù)可以作為一種新的技術(shù)手段應(yīng)用在疏浚吹填行業(yè)的。現(xiàn)有的數(shù)值模擬軟件已趨近成熟，可以考慮因素相互影響，可以進(jìn)行“全尺度”的試驗(yàn)，通過低廉的研發(fā)就能快速地得到復(fù)雜的計(jì)算分析結(jié)果，從而大大減輕施工風(fēng)險(xiǎn)，減少不必要的工作負(fù)擔(dān)，欲將在本行業(yè)發(fā)揮重大作用。