水交換率理論在梅山港區(qū)新建圍堤工程預留龍口方案比選中的應用

(中交上航局航道建設有限公司，浙江 寧波 315200)

伴隨著國家“一帶一路”、長江經(jīng)濟帶等戰(zhàn)略的提出和各項舉措的落地，浙江海洋經(jīng)濟建設頻傳利好，特別是寧波梅山港，具有得天獨厚的優(yōu)良水深和庇護條件，是不可多得的自然深水良港。寧波—舟山港梅山港區(qū)工程在建設過程中遇到新建圍堤工程預留龍口方案的比選難題，最后通過引進水交換理論比選出了最佳方案，保障了工程的順利實施。

寧波—舟山港梅山港區(qū)工程位于寧波梅山港區(qū)1～5號集裝箱碼頭東側(cè)，毗鄰5號泊位，北側(cè)緊鄰鹽田大道。該工程主要包括圍堤、吹填砂及軟基處理等項目，其中軟基處理工程中，陸域縱深約為670～780m，陸域?qū)挾燃s為2150m，總面積約166.41萬m2，將通過陸域形成與地基加固后建設成為集裝箱堆場。工程地理位置如圖1所示。

圖1 工程地理位置圖

1 圍堤工程施工工藝

該工程新建圍堤施工分為袋裝砂基礎、水上、陸拋石、圍堤護面、防浪墻及堤頂?shù)缆返?，?個階段實施：

1.1 一階段圍堤基礎

在一階段圍堤最底部2層通長砂被鋪設完成后，插排水板進行軟基處理，再進行第3層通長砂被的施工。在通長砂被施工完畢后立即進行圍堤底部軟體排，袋裝碎石墊層的施工；在軟體排、袋裝碎石墊層施工一段時間初步具備護底和棱體塊石拋填作業(yè)條件后立即進行此2項工作的開展。

1.2 一階段圍堤堤心及護面

一階段圍堤堤心及護面采用堤心石拋填施工,分4級進行。第1級堤心石拋填完成后，進行對應部位后坡倒濾層、土工膜的和平臺護面層的施工作業(yè)，在第1級平臺護面施工的同時安排拋石船進行第2級堤心石的拋填施工，同時安排施工人員進行第2級后坡倒濾層、土工布壓坡等施工作業(yè)，第3級、第4級與第2級施工工藝基本相同。

1.3 一階段圍堤上部結(jié)構

當一階段圍堤結(jié)構全部完成并沉降穩(wěn)定后進行防浪墻及堤頂?shù)缆返氖┕ぷ鳂I(yè)，防浪墻計劃采取分段跳倉澆筑的方式進行作業(yè)。堤頂?shù)缆吩诜览藟就瓿珊筮M行施工作業(yè)。

1.4 二階段圍堤部分

二階段圍堤在一階段圍堤初步具備吹砂條件后同步展開，二階段圍堤施工順序及流程基本與一階段圍堤一致。

在新建圍堤實際施工過程中，涉及選擇預留龍口位置的問題，如何保證預留的龍口水流平緩不影響圍堤安全、使吹填砂充分沉淀、砂的流失率最少和取得最佳經(jīng)濟效益是一大難題。

2 FVCOM模型

2.1 模型簡介

FVCOM (Finite-Volume Coastal Ocean Model)是三維有限體積近海模型。有限差分、有限元模式使用的是微分形式，而 FVCOM 是對控制方程進行積分求解。在非結(jié)構化網(wǎng)格中(與有限元方法相同)，用通量進行計算(與有限差分法相同)，可以從數(shù)學上求解這些積分方程。本文通過應用FVCOM模型，模擬梅山港區(qū)周圍海域的工程不同預留龍口方案下的潮流場變化。

2.2 模型建立

圖2 地形圖

根據(jù)研究工程范圍大小，選定梅山島附近海域作為研究區(qū)域，地形圖如圖2所示。由于研究范圍較小，選用最小間距為50m的三角形網(wǎng)格，垂向分為5層，本文采用M2分潮驅(qū)動，通過獲得開邊界調(diào)和常數(shù)，從而計算得到水位進行驅(qū)動。公式如下：

式中ξ0——水位,m;

hi和gi——第i分潮的調(diào)和常數(shù)；

wi——各分潮的角速度;

t——時間,s;

fi——分潮的交點因子;

v0i——分潮的天文初位相;

ui——分潮的交點頂正角;

N0——分潮數(shù)。

2.3 模型驗證

驗證資料采用2016年5月15日4∶00至5月16日4∶00實測的水位、流速、流向資料，監(jiān)測點如圖3所示。圖4～圖6給出了模擬結(jié)果與驗證資料的對比圖，其中實線為模擬值，虛線為實測值，實測值為實測潮位與流速的垂向平均值，其中T1站潮位誤差平均值為3.8cm，T2站潮位誤差平均值為6.2cm，流速誤差較大，T1、T2站分別為25%、34%。分析發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實測結(jié)果基本吻合，驗證結(jié)果趨勢基本一致，但部分點出現(xiàn)偏差較大，一方面是模型模擬的不足，僅用M2分潮作為驅(qū)動條件進行模擬；僅選擇驗證點附近的三角網(wǎng)格，具體地理位置可能存在偏差；另一方面，實測資料是用人工測量與記錄，存在一定誤差。總體而言模型可用。

圖3 驗證點地理位置

圖4 T1、T2站位水位驗證

圖5 T1、T2站位流速驗證

圖6 T1、T2站位流向驗證

3 預留龍口多方案比選

為更好地指導施工，將水動力環(huán)境對圍堤建設的影響降至最低，本文對預留龍口位置進行方案比選。本工程新建圍堤共2813m，為保證數(shù)值模擬的合理性以及可操作性，預留龍口有5處位置可供選擇，如圖7所示進行布置(按照新建圍堤長度滿足500m處布設)。但是考慮到梅山港區(qū)新建圍堤以及內(nèi)部陸域形成施工是從西南側(cè)向東北側(cè)推進，若選用龍口3、龍口4、龍口5位置進行預留，大大增加了新建圍堤陸拋石、后坡以及護面施工等工序的施工難度，且與吹砂施工沖突，直接造成吹填砂原材料的流失。因此預留龍口位置最終可選的只有在新建圍堤K1+1800處(龍口1)，以及K2+500處(龍口2)。本文首先根據(jù)龍口1和龍口2預留龍口方案，模擬出2個龍口方案在漲急時刻以及落急時刻的最大流速，掌握2個龍口方案對新建圍堤沖刷情況，用流速作為方案比選依據(jù)，為工程決策提供理論依據(jù)。

圖7 龍口預留位置

3.1 預留龍口1流場分布

圖8 龍口1處漲急時刻流場

圖9 龍口1處落急時刻流場

圖8、圖9分別繪制了新建海堤工程預留龍口1時的漲急時刻與落急時刻流場。漲潮時海流從外海的南側(cè)傳播而來，向北輸運，海流經(jīng)由佛度島時一分為二，然后在六橫島北側(cè)匯合流至外海，落潮流與漲潮流方向大致相反。在工程區(qū)域：漲潮時，潮流在新建海堤海側(cè)順著新建圍堤由西南向東北側(cè)運輸，由龍口1處流入工程區(qū)域內(nèi)，潮流在新建海堤及陸側(cè)之間形成逆時針環(huán)流，在龍口處潮流流速最大，漲急時刻龍口處最大流速36.67cm/s；落潮時，潮流方向與漲潮潮流方向大致相反，在龍口處潮流流速最大，落急時刻龍口處最大流速25.41cm/s。

3.2 預留龍口2流場分布

圖10、圖11分別繪制了新建海堤工程預留龍口2時的漲急時刻與落急時刻流場。漲潮時海流經(jīng)龍口2處由海側(cè)流入工程區(qū)域內(nèi)，潮流在新建海堤及陸側(cè)之間形成逆時針環(huán)流，在龍口處潮流流速最大，漲急時刻龍口處最大流速29.27cm/s；落潮時，潮流方向與漲潮潮流方向大致相反，在龍口處潮流流速最大，落急時刻龍口處最大流速27.38cm/s。

圖10 龍口2處漲急時刻流場

圖11 龍口2處落急時刻流場

4 水交換

4.1 水交換概念

在該工程中，新建圍堤陸側(cè)需進行吹填砂，可引入水交換的概念，通過模擬不同龍口方案下水交換的快慢，來反映工程區(qū)域內(nèi)吹填砂流失率的大小，即水交換越快，吹填砂的流失率越大。

在模型計算出流場的情況下，開啟拉格朗日質(zhì)點追蹤模塊，從某一初始刻開始，在整個圍堤工程區(qū)域內(nèi)均勻布設一定量的質(zhì)點，然后統(tǒng)計各時刻通過龍口流出的質(zhì)點數(shù)X(t),用X(t)與初時刻釋放的質(zhì)點相除，計算得出整個工程區(qū)域的水交換率，計U(X,t)=dX/dt，水交換率越大說明水交換越快。

4.2 不同預留龍口方案下的水交換率

在新建圍堤與陸側(cè)之間的海域內(nèi)均勻布設1000個質(zhì)點，在模型運行10d穩(wěn)定后一次性釋放，模擬龍口方案1與龍口方案2下的質(zhì)點移動趨勢，如圖12、13 所示。不同預留龍口方案下的水交換率如圖14所示。

圖12 龍口方案1在1h、5h、10h時質(zhì)點分布

圖13 龍口方案2在1h、5h、10h時質(zhì)點分布

圖14 龍口方案與龍口方案2水交換率對比

對比兩種龍口方案下的質(zhì)點輸運趨勢發(fā)現(xiàn)，起始質(zhì)點均經(jīng)由龍口處向東南側(cè)輸運，后受到佛渡島阻擋，大部分質(zhì)點有向西側(cè)運輸?shù)内厔?。且預留龍口方案2下的水交換率明顯低于預留龍口方案1。

5 總 結(jié)

該工程預留龍口雖然有5處，但由于陸域形成吹砂施工是從西南側(cè)向東北側(cè)推進，為延長吹砂的流程，使吹填砂充分沉淀，提高沉降效果，減少吹填流失量，龍口設置必須遠離出砂口，即龍口位置距西南側(cè)越遠越好；為了避免新建圍堤陸拋石、后坡以及護面施工等工序的施工難度，龍口3、龍口4、龍口5方案不可行，龍口1和龍口2非常合適，在2者中選擇1個即可。

為此，利用FVCOM模型對梅山島海域進行模擬，通過模擬計算得到水動力場數(shù)據(jù)，并與實際水文資料驗證基本吻合，說明模型能夠較好的模擬出梅山島海域的水動力。

從模擬實驗結(jié)果可以看出：

a.預留龍口2處漲急與落急流速明顯小于預留龍口1處，因此海流對龍口處沖刷的影響更小，更有利于圍堤的安全穩(wěn)定性與成本控制。

b.預留龍口方案2下的水交換率明顯低于預留龍口方案1，因此預留龍口2時水交換更慢，工程內(nèi)部的吹填砂流失速率會更小，有利于降本增效。

綜上所述，預留龍口2(新建圍堤K2+500處)方案比預留龍口1(新建圍堤K1+1800處)方案更適合該工程。