沙特吉贊人工島設計淺析

黃道金 中交廣州航道局有限公司

楊志遠 中國港灣工程有限責任公司

沙特吉贊人工島位于沙特西南的吉贊經濟城，面積約1.2平方公里，是由1500萬方疏浚棄土在海中吹填形成的。

該1500萬方棄土來自航道與港池疏浚，原某著名西方咨詢公司設計規劃將棄土吹填至8公里遠的堆場。中國港灣貫徹“創新、協調、綠色、開放、共享“的發展理念，發揮海外商務管理強的優勢，對此進行了深入策劃。在技術上、商務上對不同方案組合進行充分論證，提出利用廢棄土吹填造島的方案，獲批并成功實施，如圖1所示。該人工島的主要作用有以下幾方面：

圖1 建成后的人工島航拍圖

一是棄物利用，變廢為寶。將廢棄疏浚土吹填形成陸地，發揮了價值，可用于未來港口作業區及堆場；

二是綠色發展，改善環境。避免了原規劃將疏浚棄土堆積在堆場，在起風時形成沙塵暴而產生惡劣天氣的不利影響；

三是掩護港池，一專多能。吹填形成的人工島，對港池起到了掩護作用，達到了防波堤的效果，節約了原計劃建設防坡堤的投資；

四是優化布局，節省投資。方便未來在港池西側原設計防波堤位置規劃和建設碼頭，避免了拆除防波堤的工序，節約了碼頭建設費用。

人工島設計考慮經濟性的同時，主要考慮的技術因素包括：

一是人工島位置與面積的確定：

二是邊坡防護型式的選擇；

三是護岸結構的設計；

四是環境影響評估；

五是施工工藝。

1.人工島基本參數的設計

荷載假定：鑒于在人工島上暫無具體的開發和建設規劃，因此在設計人工島時未考慮其他建筑物的永久荷載，未來建設可根據需要相應地基加固。

1.1 人工島位置的確定

為將該廢棄土充分利用，中國港灣結合現場條件及既有裝備能力，經對多個方案比較，確定在原防波堤西側吹填造地形成人工島，如圖2所示。

圖2 疏浚吹填形成人工島示意圖

（1）該位置方便未來在港池西側的防波堤位置進行碼頭規劃及建設，并提供必要的后方作業及堆場；

（2）港池及航道處于運營工況，該位置在施工期間不影響船舶進出航道及港池。

（3）根據該區域36年的近海波浪數據顯示，海浪主要來自NW(315度)和SSE(165度)。來自南部的海浪被近海的法拉桑島遮蔽，而來自西北的海浪可以穿透到項目現場。因此，該位置在施工期間，可快速吹填形成一道沙堤，成為對港池的臨時掩護。建設人工島可取消防波堤建設，為港池提供永久掩護。

（4）布置在該位置充分考慮了與周邊設施的關系：①避讓擬建原油管線位置，并保持100米以上安全距離；②避讓影響取排水項目的進水渠口門；③避免施工作業期間對通航產生影響。

1.2 人工島邊界及面積的確定

人工島面積大小，由納泥量與疏浚量基本一致的原則來確定。

（1）水下地形測量。首先對疏浚區域及吹填區域的水下地形進行復測，確認疏浚方量及吹填區容納方量。同時考慮到海流方向、風向、環保監測及EIA評估，測量范圍需要擴寬到可能影響區域。測量覆蓋區域如圖3。設計人工島測量范圍及實測數據見表1。

表1 測量范圍坐標表

圖3 測量范圍布置圖

（2）確定人工島邊界線及角點坐標。如圖4所示，擬建人工島的四條邊線分別為A、B、C、D。其中：

圖4 人工島邊界及角點圖

D 線（即a b 線）為防波堤的位置，其南端c為防波堤端頭，該點可確定；

C線（即ac線）的方向可確定，與防波堤南端c點平齊相交。

B線的方向與北邊的原油管線平行布置，保持最小安全間距100m。

根據該區域水下地形按吹填與疏浚方量相同進行計算并調整，確定a、b、c三個角點的坐標。

1.3 人工島標高

（1）吹填區域整體高程。與港區的整體高程+4.2m一致，設計最終吹填面高程定為+4.2m。

（2）對沉降預留的考慮。據該區域前期3600萬方疏浚吹填的觀測，疏浚開挖后松散在長期堆積沉降后，與原始方量變化較小，流失率約1%-3%可通過疏浚清掃恢復。因此在設計人工島時，仍按原狀土方量考慮。在沉降未完成前允許相應超高，最終沉降穩定后，能滿足設計高程+4.2m的允許偏差范圍。

（3）護岸頂高程。考慮到未來人工島的開發，需要安裝防浪墻。因此當前階段護岸設計主要考慮紅海區域的歷史波浪條件，維持人工島不受沖刷即可。經波浪模型分析，將護岸側的頂標高定為+2.5M能滿足人工島基本防護要求，對與吹填區域正常標高+4.2m在50m范圍內自然過度。

2.邊坡防護型式的選擇

根據測量和計算所確定的人工島陸域吹填尺寸，A、B、C三邊護岸為3231 延米。

護岸的設計使用壽命期為30年，參考英標BS6349-Part1對結構的設計要求，在使用期間有39%概率發生60年一遇的大浪。為了保證人工島在使用期間的穩定，不遭受風浪襲擊坍塌而流失吹填物料，必須對邊坡采取適當的防護措施。在設計時考慮了3個邊坡防護方案。

2.1 堤芯石護岸

回填堤芯石形成重力斜坡式護岸，該方案的優點是穩定性非常好，缺點是投資巨大，成本很高，施工周期較長。該方案技術可行，經濟性較差。

2.2 鋼板樁護岸

利用短鋼板樁形成連續墻體，可快速形成吹填區邊界。選用合適材質的鋼板樁，在不采取犧牲陽極保護情況下，耐蝕性也能滿足耐久性要求。該方案成本較低，外表美觀，缺點是滿足耐腐蝕要求的鋼板樁生產及運輸周期較長。

2.3 柵欄板護岸

該方案采用充砂袋分層吹填，逐層疊加并以碎石填縫形成邊坡，上鋪土工布及墊層石，安裝預制砼柵欄板結構，有較好的破浪效果。

柵欄板方案成本較低，材料方便獲得，各工序的施工工藝較成熟，且該柵欄板施工工藝在中國有較多的應用案例，且有中國設計標準JTS154-1-2011《防波堤設計與施工規范》4.2.16條和JTJ 300-2000《港口及航道護岸工程設計與施工規范》7.6.2.4條，在同時符合國際通行標準下使用。

綜合比較三個方案，從滿足防護功能要求、工程成本、施工的可靠性等方面考慮，選用柵欄板護岸的斜坡式護岸結構型式。

3.護岸結構的設計

人工島護岸結構典型斷面如上圖所示，根據相關的國際標準及中國標準互相校核設計。

3.1 柵欄板護面塊體

圖5 堤芯石護岸方案典型斷面圖

柵欄板護面塊體的初步設計，尺寸、厚度、波壓強度等采用中國標準JTS154-1-2011《防波堤設計與施工規范》4.2.16條計算，并參考《The Rock Manual-The use of rock in hydraulic engineering》（CIRIA C683，2007）進行符合性復核。

圖6 鋼板樁護岸斷面圖

圖7 充砂袋+柵欄板護岸斷面圖

圖8 柵欄板結構圖

對柵欄板的強度設計，主要考慮波浪襲擊和退卻時產生的正負波壓強度，以及預制及安裝時的起吊強度。

在詳細設計階段，采用STRUCTURAL ANALYSIS AND DESIGN軟件（SAP2000）對柵欄板結構和起吊點進行受力分析和優化設計，采用35MPa（標準圓柱體抗壓強度）的素砼結構即可滿足安裝時的起吊要求，節約了鋼材，避免了傳統海工結構采用環氧鋼筋和高性能砼來滿足耐久性的傳統做法，大大降低了成本。

3.2 護腳及護坦

護岸所處位置是沙質海床，在波浪的作用下有可能被沖刷，采用了Sawaragi 1997，Carpenter and Powell 1998，Sutherland et al 2007等方法進行分析計算，設計護腳及護坦尺寸。

3.3 墊層石

柵欄板安裝在分2 層施工的墊層上，墊層的粒徑應大于柵欄板縫隙200mm，該粒徑相當于30公斤塊石，因此設計的墊層石規格選用30-100kg。

石料的級配要求：

由于該地區開采的塊石級配難以滿足連續級配，考慮到這一情況，設計時采用《The Rock Manual The use of rock in hydraulic engineering》（CIRIA C683）中確定非標準巖石分級的方法進行計算，按巖石密度為2650kg/m3，確定滿足規范要求且易于采購和施工的塊石級配如表2。

表2 石料級配表

3.4 堤頂越浪破壞分析

按照60 年重現期設計波浪標準，采用歐盟手冊《Eurotop:Wave Over topping of Sea Defences and Related Structures:Assessment manual》(2007)中的方法，按照柵欄板空隙糙率系數0.95考慮，對護岸越浪情況下的穩定性進行分析和破壞性評估。

計算護岸頂標高+2.5mCD時越浪量為50l/s/m，根據表3可見，可能會對護岸后的回填區域造成一定的影響。雖然未來開發人工島時會在護岸頂部增加設置防浪墻，在目前階段仍然對柵欄板后方增加了5米寬30-150kg的塊石護面，以減少防浪墻建成前的越浪破壞可能。

表3 不同越浪量破壞對照表

3.5 護岸的整體穩定性

護岸位置的地質結構，為不同厚度的極松散至松散的砂層，以及極松散至松散的粉砂/粘土層，其下有極軟至軟的粉砂/粘土層，以及中密粉砂層。

為了評估其整體穩定性，在設計階段聘請了咨詢公司Hacrrow采用Morgenstern-Price分析法和SLOPE/W軟件進行分析，并對護岸是否鋪設土工布兩種情況下的整體穩定性進行了評估，如圖9所示。

圖9 護岸整體穩定分析斷面圖

其中，在靜力分析中考慮了10kPa的活荷載，分析結果見表4。

表4 邊坡穩定分析匯總表

只有鋪設土工布工況下的安全系數大于1.3，須鋪設土工布以滿足要求。

其中，形成邊坡的充砂袋的強度雖高，但在結構長期穩定中并未考慮，僅考慮作為施工材料而非結構材料。

3.6 沉降

護岸工程施工期間的沉降預測，委托Haccrow使用Settle 3D軟件進行估算，預計總沉降量約為150mm。

4.環境影響評估

4.1 可能產生環境影響的范圍

該人工島在施工期間及建成后，可能對海洋環境及所在海域的海生物產生一定的影響。為了避免不利影響，需要對可能的影響范圍進行研究及評估，并采取針對性的保護措施。

結合波浪、洋流、風向等條件，以及當地有關政府的要求，環境影響評估的范圍為人工島2.5公里半徑的區域。如圖10所示。

圖10 環境影響范圍布置圖

4.2 環境影響的主要因素

可能對環境產生影響主要有兩個階段：施工階段和人工島建成后階段。

施工階段的影響主要有：水上船機施工和產生的噪聲、油污泄漏、吹填流失物料產生的懸浮質及沉淀物

建成階段的影響主要有：人工島侵占海域，并改變了原來的海流。

4.3 環境影響的對象

主要有對海洋水質的影響，以及長期生活在該區域的各種鳥類，海底海底珊瑚、海龜、魚類等生物，以及北邊的紅樹林等生物的可能影響，和洋流變化對地形的潛在影響。

4.4 需要采取的預防及監測措施

針對可能產生的環保影響，分別采取預防、減少等限制措施，來緩解、減少不利影響，對無法預防或減小的不利影響，需通采取補償措施進行補救。

通過對水質、噪聲、水下地形測量等監控措施和手段，并及時采取相應的措施，確保項目對環境不會產生不利影響，并符合所在國政府的環保要求。

5.施工工藝及主要技術參數。

5.1 吹填造地施工

陸域的形成，采用絞吸式挖泥船從內港池和外航道開挖疏浚后，吹填至設計位置的方式施工。

5.2 護岸施工

護岸施工分三階段：充砂袋施工形成設計邊坡輪廓,邊坡整形及墊層施工,柵欄板人工防浪塊體預制安裝階段。

5.3 主要技術參數

（1）疏浚吹填料：疏浚料為中細沙，不含腐殖質，礫石或泥灰巖材料最大尺寸不超過75毫米。

（2）吹填區域在沉降未完成期間允許相應的超高，最終標高允許誤差：± 300mm。

（3）吹填區域差異沉降：每25m不超過30mm；長期沉降：5年沉降25mm，25年沉降50mm，50年沉降75mm。

（4）土工袋回填料：采用疏浚料，填充料松軟度不超過200mm，人工操作壓實松軟度不超過100mm。

（5）柵欄板：預制柵欄板的砼設計抗壓強度35Mpa,安裝時其相鄰塊體的高差不應大于150mm，最大縫隙寬度不應大于100mm。

6.結論

人工島及其護岸結構的設計，融合了中國和國際通行的相關規范、設計手冊及國內施工工藝，從吹填造島設計、護岸結構設計、整體穩定性等各方面均符合國際及國內相關技術要求。該人工島的成功設計和建設，節約了大量投資和成本，重新塑造了吉贊經濟城港口的總體布局，大大改善了該區域的生態環境，為未來該港口的發展預留下了足夠的空間。建成后至今三年的使用觀察，人工島吹填場地、護岸結構強度、越浪情況、穩定性等均滿足設計要求，采用的相關設計方法也可為今后開展類似工程研究提供參考經驗。