淺談數值模擬技術在疏浚吹填施工中的應用

徐小遲 郭立棟

近年來隨著我國城市化進程的加快，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，圍海造地已經在建設、工業、交通、旅游等多個領域發揮了重要的作用。在沿海經濟較發達地區，已建設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。但在建設過程中，如遇到項目選址不合理，施工決策或應對措施不當，極易造成環境破壞，產生的損失將無法估量。

隨著計算機技術的發展，數值模擬技術在科學研究、工程設計中的地位和作用不斷提高，模擬技術也不斷朝著高效、高精度、可視化、軟件化的方向發展。而對于工程建筑行業，特別是疏浚吹填行業，雖多已實現技術領域的數據化和標準化，但受制于企業實力和研發能力，數值模擬技術的應用還較為滯后。

本文采用基于數值模擬技術的mike21，模擬分析吹填砂在海水中運動成型情況，結合工程實例，印證數值模擬計算在疏浚吹填工程中應用的可行性和準確性，為優化疏浚工程方案提供科學依據。數字模擬技術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鍵問題的技術手段。

一、 數值模擬軟件mike21

Mike21是一個全面研究二維自由水面流動模擬系統軟件包，主要應用在河流等地表水體流動（如洪水推進模擬）、污染物擴散（如溢油、磷擴散問題）、海岸或港口附近波浪的變化以及泥沙輸移等水利工程、海洋工程和環境工程領域中。Mike21軟件里面包含多個不同用途的模塊：1.Hydrodynamic Module（水動力模塊）；2.Transport（對流擴散模塊）；3.ECO Lab/Oilspill（水質水生態模塊/溢油模塊）；4.Mud Transport Module（黏性泥沙輸運模塊）；5.Particle Tracking Module（粒子追蹤模塊）；6.Sand Transport Module（非黏性泥沙輸運模塊）。其中Hydrodynamic Module（水動力模塊）是所有模型建立的基礎，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大的前、后處理功能、可選擇多種計算網格、可以進行熱啟動、可以進行耦合或非耦合運算以及可設置多種類型的水邊界條件等優點，Mike21已成為全球眾多的工程技術人員及科學工作者的關鍵模擬工具，如我國的長江口綜合治理、南水北調工程、杭州灣數值模擬等多項超級工程。

二、實例應用

本文選取西非某疏浚吹填中遇到的某一關鍵問題，將目標施工方案進行數值模擬，同時監測實際施工情況，綜合對比分析。

該項目所在水域，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，只能在形成陸域平臺后采用陸上設備施工。當地石料十分缺乏，很難在短時間內形成堆場圍堤，根據項目進度要求，需要快速開展吹填施工，在開闊海域形成一個出水的陸域平臺，為碼頭施工創造條件。

1.工程情況

（1）工程施工目標：

在近海無圍堰防護水域進行吹填造地，在近海區域直接吹填，以形成一片陸域，為碼頭施工提供作業平臺。本項目水文氣象、地質參數、施工船舶性能指標等資料完備。

（2）施工方法選定：

考慮當地洋流和涌浪方向大部分時間處于西南方向，為保障吹填管線不受吹填砂淤積的影響，吹填管口應該順應潮流方向錨固置放，吹填管頭平行于水面進行吹填施工。

（3）存在問題：

當地水文氣象較為復雜，常年遭受長周期涌浪影響，在無圍堰防護情況下吹填，可能受水文影響，吹填砂無法堆積，造成泥沙擴散，影響附近海域水質。根據現場工況，無法確認此吹填施工方案是否可行。

（4）解決方案：

嘗試按照施工目標方案對吹填砂運動成型情況進行數值模擬，在模擬結果顯示施工可行的情況下，同時進行典型性試施工。在開闊水域吹填5天，施工后5天進行跟蹤監測，對比分析模擬結果。

2. mike21模擬分析

（1）數值建模

本次數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行離散求解，將計算區域劃分為若干網格（采用Mike21里提供的三角形網格），通過控制方程求解將互相重疊的統一體生成離散的網格。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（根據求解階數劃分），根據工程實際情況，采用低階顯式的Euler方法進行時間積分。

根據工程需求計算海底淤積，則應首先選擇Hydrodynamic Module（水動力模塊）對其進行水力特性的模擬，再選擇Sand Transport Module（非黏性泥沙輸運模塊）對其排沙管口附近泥沙運動成型情況進行模擬。

（2）環境參數處理

Mike模型中定義多種類型的環境條件，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。為確保驗證結果準確，本次模擬采用實際施工工況下的環境因素值。

3. 模擬結果

（1）施工期模擬

本次數值模擬分析采用與施工方案相同的吹填砂源設置和綜合相關環境因素，模擬結果如下：

圖1 施工120小時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

在施工后，停滯砂源，對吹填形成的沙堆在開闊水域的穩定情況進行數值模擬，模擬結果如下：

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）實際施工15天的實際效果圖

圖5 實際施工形成的海底高程變化圖

圖6 實際施工效果

在施工期間，考慮已形成沙堆，為便于觀測，施工時間可延長至15天。在完成施工后5天，對現場進行跟蹤觀測。根據現場測量結果，沙堆運動方向和現有泥沙堆積的厚度與模擬顯示結果高度匹配，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散施工防護提供可靠的施工依據，保障現場施工滿足相關要求。本次數值模擬，驗證基于的數值模擬的mike21完全可以進行局部小型流場的泥沙模擬分析，并能詳細地反映泥沙運動成型的特征。

三、結語

本文在基于mike模型的基礎上，運用數值模擬技術對實體項目進行模擬跟蹤分析，模擬結果與實際施工效果基本一致，較好地反映了實際情況，也進一步驗證了數值仿真技術可以作為一種新的技術手段應用在疏浚吹填行業的。現有的數值模擬軟件已趨近成熟，可以考慮因素相互影響，可以進行“全尺度”的試驗，通過低廉的研發就能快速地得到復雜的計算分析結果，從而大大減輕施工風險，減少不必要的工作負擔，欲將在本行業發揮重大作用。