水交換率理論在梅山港區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”、長江經濟帶等戰略的提出和各項舉措的落地，浙江海洋經濟建設頻傳利好，特別是寧波梅山港，具有得天獨厚的優良水深和庇護條件，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—舟山港梅山港區工程位于寧波梅山港區1～5號集裝箱碼頭東側，毗鄰5號泊位，北側緊鄰鹽田大道。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，陸域寬度約為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、防浪墻及堤頂道路等，分2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，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，第3級、第4級與第2級施工工藝基本相同。

1.3 一階段圍堤上部結構

當一階段圍堤結構全部完成并沉降穩定后進行防浪墻及堤頂道路的施工作業，防浪墻計劃采取分段跳倉澆筑的方式進行作業。堤頂道路在防浪墻基本完成后進行施工作業。

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。在非結構化網格中(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

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

式中ξ0——水位,m;

hi和gi——第i分潮的調和常數；

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。

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，監測點如圖3所示。圖4～圖6給出了模擬結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%。分析發現模擬結果與實測結果基本吻合，驗證結果趨勢基本一致，但部分點出現偏差較大，一方面是模型模擬的不足，僅用M2分潮作為驅動條件進行模擬；僅選擇驗證點附近的三角網格，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新建圍堤以及內部陸域形成施工是從西南側向東北側推進，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，為工程決策提供理論依據。

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傳播而來，向北輸運，海流經由佛度島時一分為二，然后在六橫島北側匯合流至外海，落潮流與漲潮流方向大致相反。在工程區域：漲潮時，潮流在新建海堤海側順著新建圍堤由西南向東北側運輸，由龍口1處流入工程區域內，潮流在新建海堤及陸側之間形成逆時針環流，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。漲潮時海流經龍口2處由海側流入工程區域內，潮流在新建海堤及陸側之間形成逆時針環流，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，來反映工程區域內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，開啟拉格朗日質點追蹤模塊，從某一初始刻開始，在整個圍堤工程區域內均勻布設一定量的質點，然后統計各時刻通過龍口流出的質點數X(t),用X(t)與初時刻釋放的質點相除，計算得出整個工程區域的水交換率，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

在新建圍堤與陸側之間的海域內均勻布設1000個質點，在模型運行10d穩定后一次性釋放，模擬龍口方案1與龍口方案2下的質點移動趨勢，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時質點分布

圖13 龍口方案2在1h、5h、10h時質點分布

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點輸運趨勢發現，起始質點均經由龍口處向東南側輸運，后受到佛渡島阻擋，大部分質點有向西側運輸的趨勢。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

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向東北側推進，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據，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。