非洲西海岸長周期波浪海域超大沉箱施工作業(yè)條件分析

徐彥東，劉明

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展及世界經(jīng)濟(jì)的全球化和船舶的大型化，港口碼頭、跨海大橋、防波堤等水上構(gòu)筑物也不斷向大型化、深水和外海發(fā)展，工程預(yù)制結(jié)構(gòu)件也不斷大型化和專業(yè)化，超高、超重的預(yù)制構(gòu)件的使用越來越多，尤其是碼頭、防波堤使用的沉箱尺寸及重量屢創(chuàng)新高。

以西北非、東南亞和南美洲為代表的地區(qū)海域波浪周期都比較長，大部分的波浪平均周期在12 s 以上，屬于中長周期波，個(gè)別海域還含有明顯的長周期波成分，最大周期在30 s 以上[1-3]。近年來，在受中長周期或長周期波影響海域施工的項(xiàng)目越來越多[4-5]。然而中長周期或長周期波對沉箱的運(yùn)動(dòng)幅度產(chǎn)生較大影響，對常規(guī)的施工工藝帶來較大困難，施工難度大幅度提升[6-7]。但是國內(nèi)外對中長周期波或長周期波條件下的超大沉箱施工的相關(guān)研究較少[8]，沒有系統(tǒng)的研究成果[9]。

依托非洲西海岸附近毛里塔尼亞Greater Tortue Ahmeyim 項(xiàng)目，通過前期調(diào)研和收集的工程設(shè)計(jì)文件資料及對工程所在區(qū)域環(huán)境條件的搜集整理，針對工程特殊地理位置和現(xiàn)場實(shí)施重難點(diǎn)，對于施工環(huán)境惡劣、自然環(huán)境復(fù)雜海域，尤其長周期波波浪條件對超大沉箱出運(yùn)、運(yùn)輸、安裝施工的影響開展全面調(diào)研，為非洲西海岸區(qū)域長周期波浪作用下超大沉箱浮運(yùn)安裝施工提供決策依據(jù)資料。

1 工程概況

毛里塔尼亞Greater Tortue Ahmeyim（GTA）液化天然氣項(xiàng)目，位于毛里塔尼亞和塞內(nèi)加爾的海上邊界，由兩國共同開發(fā)，是非洲最深的海上LNG 項(xiàng)目。項(xiàng)目建成后將為跨界海洋天然氣田，向全球及毛里塔尼亞與塞內(nèi)加爾供應(yīng)天然氣，可從海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置（FPSO）中生產(chǎn)天然氣，然后將天然氣輸送到海岸線附近的浮式液化天然氣設(shè)施（FLNG）。

工程防波堤長約1 200 m，由18 座超大沉箱組成，結(jié)構(gòu)形式為混合基床+重力式沉箱結(jié)構(gòu)，沉箱幾何尺寸（長×寬×高）為63.51 m×33.19 m×30.0 m，單體重約31 400 t，如圖1 所示。

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

2 自然環(huán)境調(diào)研

2.1 氣溫條件

施工作業(yè)區(qū)域歷史最高氣溫47.2 ℃，每年10月最熱，平均氣溫36.1 ℃；每年1 月最冷，平均氣溫13.5 ℃，氣溫特征統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 毛塔GTA 工程氣溫特征統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of temperature characteristics in Mauritania GTA project

2.2 風(fēng)速條件

根據(jù)Saint Louis 氣象站1973—2016 年43 a的觀測風(fēng)速統(tǒng)計(jì)，項(xiàng)目區(qū)域多年各方向的年平均風(fēng)速范圍為1.7～4.7 m/s，綜合分析其年平均風(fēng)速為3.87 m/s。Nouakchott 氣象站1973—2016 年43 a的觀測風(fēng)速統(tǒng)計(jì)，項(xiàng)目區(qū)域多年各方向的年平均風(fēng)速范圍為4.3～5.7 m/s。綜合分析其年平均風(fēng)速為4.6 m/s。

從風(fēng)速的方向分布來看，Saint Louis 站出現(xiàn)頻率最多的風(fēng)速方向是NNW 方向，出現(xiàn)頻率為21.93%，其次是NW 方向，出現(xiàn)頻率是10.81%；除N—E、W—N 方向外，其他方向的風(fēng)速頻率一般在2%以下。

Nouakchott 站出現(xiàn)頻率最多的風(fēng)速方向也是NNW 方向，出現(xiàn)頻率為14.07%，其次為NW 方向，出現(xiàn)頻率為13.55%；兩者基本相似，其他方向風(fēng)速頻率均小于2%。

就風(fēng)速大小來分析，SaintLouis 站和Nouakchott站出現(xiàn)10 m/s 以上的風(fēng)速頻率不大，分別合計(jì)為0.57%和1.32%，相當(dāng)于平均每年出現(xiàn)1～3 d。該地區(qū)大部分時(shí)間的風(fēng)速小于8 m/s，兩站小于8 m/s的風(fēng)速頻率分別為98.40%和96.47%。

從測站風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)可以看出，總體上該地區(qū)的風(fēng)速均值不大，但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)短暫大風(fēng)；就風(fēng)速的分布來看，大部分的風(fēng)速在0～8 m/s 之間，出現(xiàn)頻率在上述兩站均超過96%，超過10 m/s 的風(fēng)速出現(xiàn)頻率小于2%；從風(fēng)速的方向分布來看，風(fēng)速較多的方向是NNW 和NW 方向，在兩站出現(xiàn)頻率均大于10%，兩者平均概率為15.09%，其中兩站NNW 方向出現(xiàn)的平均概率高達(dá)18%，NW方向?yàn)?2.18%。

2.3 波浪條件

工程施工在非洲西海岸海域附近，通過美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）波浪監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行波浪條件分析，該波浪監(jiān)測點(diǎn)位于（16N，17W）的海域位置，布置在距離西海岸約50 km，水深500 m 處附近。

根據(jù)1980—2009 年每隔1 h 的隨機(jī)波浪實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，對有效波高和波浪譜峰周期進(jìn)行歷時(shí)曲線統(tǒng)計(jì)分析，見圖2、圖3。

圖2 工程海域1980—2009 年有效波高歷時(shí)曲線圖Fig.2 Significant wave height duration curve in engineering sea area from 1980 to 2009

從圖中可以看出，該施工海域30 a 來最大有效波高為4.41 m，平均波高為1.61 m；最大波浪譜峰周期為24.4 s，平均波浪譜峰周期為10.97 s。

2.4 潮汐條件

施工作業(yè)區(qū)域最高潮位為1.02 m，最低潮位-0.99 m，平均高水位0.53 m，相關(guān)潮位見表2。

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

3 施工環(huán)境分析

基于30 a 每隔1 h 的隨機(jī)波浪監(jiān)測數(shù)據(jù)，對有效波高和譜峰周期進(jìn)行聯(lián)合分布分析及概率分析，如圖4、圖5 所示。

圖4 工程海域1980—2009 年有效波高和譜峰周期聯(lián)合分布圖Fig.4 Joint distribution of significant wave height and spectral peak period in the engineering sea area from 1980 to 2009

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

從圖4 中可以看出，該施工區(qū)域30 a 來兩者各自分布區(qū)域范圍較大，其中有效波高基本分布在0.5～3.5 m 范圍內(nèi)，譜峰周期基本分布在4.0～20.0 s 范圍內(nèi)；而兩者分布較為集中的區(qū)域?yàn)橛行Рǜ?.2～2.2 m，譜峰周期6.0～16.0 s 的橢圓形區(qū)域內(nèi)。

從圖5（a）中可以發(fā)現(xiàn)，該施工區(qū)域30 a 來的有效波高的分布頻率和累積概率均為威布爾分布。從圖5（b）中可以看出，譜峰周期的分布頻率為雙峰分布，累積概率為威布爾分布。

從有效波高和譜峰周期的分析圖中可以得到，有效波高出現(xiàn)概率最大的是1.5 m，有效波高不大于1.5 m 的出現(xiàn)概率是42%，有效波高不大于2.0 m 的出現(xiàn)概率是84%；波浪譜峰周期出現(xiàn)雙峰概率分布圖，出現(xiàn)概率最大的譜峰周期是7.5 s，其次是13.2 s，兩者出現(xiàn)概率很接近，均在9%左右，波浪譜峰周期不大于10 s 的波浪出現(xiàn)概率是39.5%，不大于12 s 的波浪出現(xiàn)概率是58%，不大于14 s 的波浪出現(xiàn)概率基本在84%左右。

從2008 年有效波高歷時(shí)曲線分布圖（圖6）中可以發(fā)現(xiàn)，工程所在海域每年5—11 月為小浪期，12 月—翌年4 月為大浪期。在小浪期，每年11月底，一般大浪較為頻繁，對施工影響較大，大浪期間防波堤施工基本難以進(jìn)行。結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)對有效波高1.5 m 出現(xiàn)概率進(jìn)行年度分析，如表3所示。

表3 工程施工海域波浪條件統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of wave conditions in the construction sea area

圖6 工程海域2008 年有效波高歷時(shí)曲線圖Fig.6 Significant wave height duration curve of the engineering sea area in 2008

從表3 可以看出，基本上6—10 月為小浪期，大于1.5 m 波浪出現(xiàn)的頻率明顯低于其他月份，12 月開始大浪出現(xiàn)頻率逐漸增大，1—4 月為主要大浪期，大于1.5 m 波浪出現(xiàn)頻率均超過40%。

4 作業(yè)條件分析

超大沉箱施工作業(yè)的主要影響因素是風(fēng)、浪、流，由于工程施工地理位置的特殊性，波浪周期作為控制因素，其次是波浪高度?；诙嗄晔┕そ?jīng)驗(yàn)，超大沉箱施工作業(yè)條件如表4 所示。

表4 工程海域超大沉箱施工作業(yè)條件Table 4 Construction conditions for super-large caissons in the engineering sea area

依據(jù)1980—2009 年每小時(shí)波浪數(shù)據(jù)資料，以最小連續(xù)4 h 的可施工作業(yè)段數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對適用于連續(xù)作業(yè)條件的波高及周期序列進(jìn)行分析。根據(jù)長周期波區(qū)域的施工經(jīng)驗(yàn)，可滿足作業(yè)條件的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：

1） 符合連續(xù)4 h 有效波高Hs≤1.5 m 條件的可作業(yè)段數(shù)，7—9 月最多，出現(xiàn)10 次，6—9 月平均出現(xiàn)次數(shù)最多，均大于6 次，其中7 月和8月平均出現(xiàn)次數(shù)為10 次。

2） 符合連續(xù)4 h 有效波高Hs≤2.0 m 條件的可作業(yè)段數(shù)，11 月最多，出現(xiàn)11 次，5—11 月平均出現(xiàn)次數(shù)最多，均大于9 次，其中6—9 月平均出現(xiàn)次數(shù)為10 次。

3） 符合連續(xù)4 h 有效波高Hs≤2.0 m、波浪譜峰周期Tp≤12 s 條件的可作業(yè)段數(shù)，6—10 月最多，均出現(xiàn)10 次，5—9 月平均出現(xiàn)次數(shù)最多，均大于8 次，其中7 月和8 月平均出現(xiàn)次數(shù)為10次。

4） 符合連續(xù)8 h 有效波高Hs≤1.2 m 條件的可作業(yè)天數(shù)，8 月最多，出現(xiàn)91 次，平均出現(xiàn)次數(shù)最多，為77 次，6—9 月平均出現(xiàn)次數(shù)最多，均大于46 次，其中7 月和8 月平均出現(xiàn)次數(shù)均大于72 次。

5） 符合連續(xù)8 h 有效波高Hs≤1.2 m、波浪譜峰周期Tp≤12 s 條件的可作業(yè)段數(shù)，8 月最多，出現(xiàn)91 次，平均出現(xiàn)次數(shù)最多，為76 次，6—9 月平均出現(xiàn)次數(shù)最多，均大于46 次，其中7 月和8月平均出現(xiàn)次數(shù)均大于72 次。

6） 符合時(shí)間在5:00—20:00 的且連續(xù)8 h 有效波高Hs≤1.2 m、波浪譜峰周期Tp≤12 s 的作業(yè)段數(shù)，7 月和8 月最多，出現(xiàn)31 次，8 月平均出現(xiàn)次數(shù)最多，為27 次，6—11 月平均出現(xiàn)次數(shù)均大于12 次，其中7—9 月平均出現(xiàn)次數(shù)均大于22次。

7） 符合時(shí)間在5:00—20:00 且連續(xù)8 h 有效波高Hs≤1.5 m、波浪譜峰周期Tp≤12 s 的作業(yè)段數(shù)，7 月和8 月最多，出現(xiàn)31 次，平均出現(xiàn)次數(shù)最多為30 次，5—10 月平均出現(xiàn)次數(shù)均大于21次，其中6—9 月平均出現(xiàn)次數(shù)均大于27 次。

8） 符合時(shí)間在5:00—20:00 且連續(xù)6 h 有效波高Hs≤1.0 m、波浪譜峰周期Tp≤12 s 的作業(yè)段數(shù)，7 月和8 月最多，出現(xiàn)26 次，8 月平均出現(xiàn)次數(shù)最多，為19 次，6—10 月平均出現(xiàn)次數(shù)均大于8 次，其中7—9 月平均出現(xiàn)次數(shù)均大于15 次。

5 結(jié)語

根據(jù)施工海域多年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，非洲西海岸區(qū)域長周期波浪對施工影響較大，通過資料分析發(fā)現(xiàn)：

1） 該施工海域30 a 來有效波高和譜峰周期的總體分布范圍較為離散，出現(xiàn)頻率較高的范圍為一橢圓形區(qū)域，其中有效波高的范圍為1.2～2.2 m，譜峰周期的范圍為6.0～16.0 s。

2） 有效波高的分布頻率和累積概率均為威布爾分布，譜峰周期的分布頻率為雙峰分布，累積概率為威布爾分布。其中最大有效波高為4.41 m，平均波高為1.61 m；最大波浪譜峰周期為24.4 s，平均波浪譜峰周期為10.97 s。

3） 有效波高出現(xiàn)概率最大的是1.5 m，有效波高不大于1.5 m 的出現(xiàn)概率是42%，有效波高不大于2.0 m 的出現(xiàn)概率是84%；波浪譜峰周期出現(xiàn)雙峰概率分布圖，出現(xiàn)概率最大的譜峰周期是7.5 s，其次是13.2 s，兩者出現(xiàn)概率很接近，均在9%左右，波浪譜峰周期不大于10 s 的波浪出現(xiàn)概率是39.5%，不大于12 s 的波浪出現(xiàn)概率是58%。

4） 每年6—10 月為小浪期，大于1.5 m 波浪出現(xiàn)的頻率明顯低于其他月份，12 月開始大浪出現(xiàn)頻率逐漸增大，1—4 月為主要大浪期，大于1.5 m 波浪出現(xiàn)頻率均超過40%。

建議毛塔GTA 工程以及附近海域的類似工程施工可在6—10 月進(jìn)行超大沉箱出運(yùn)作業(yè)，在7—9 月進(jìn)行超大沉箱安裝作業(yè)，可按照調(diào)研分析結(jié)果進(jìn)行工程施工組織設(shè)計(jì)的總體部署以及資源配置研究。