崔國(guó)謹(jǐn)

（天津市北洋水運(yùn)水利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300452）

1 引言

眾所周知，圍海造陸可以為城市提供大量平整土地，為地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供極為有利的條件。圍海工程中最重要的部分之一就是龍口工程。龍口的合攏施工更是整個(gè)工程的關(guān)鍵，龍口合攏的成敗對(duì)圍海造陸工程的進(jìn)度、投資、安全及效益起著至關(guān)重要的作用。龍口合攏施工中，主要的影響因素包括水流、潮汐、風(fēng)浪、深港、氣象、軟基等。在諸多不利的影響因素中，龍口的位置選取是龍口合攏的主要難題之一，因此需要對(duì)龍口合攏位置進(jìn)行研究，為龍口合攏施工提供支持，最終以達(dá)到質(zhì)量、進(jìn)度、成本、安全最優(yōu)平衡點(diǎn)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)位置

本課題龍口合攏試驗(yàn)區(qū)位于天津臨港工業(yè)區(qū)。在渤海灣畔、塘沽區(qū)海河入海口南側(cè)灘涂淺海區(qū)，北側(cè)以海河口南治導(dǎo)線為界，西側(cè)以濱海大道為界，總規(guī)劃面積約200 平方公里。圍堤項(xiàng)目位于臨港工業(yè)區(qū)南側(cè)，具體平面布置見圖1。圍堤工程采用土工編織袋，應(yīng)用水力充填泥漿，并疊砌而形成袋體堤的方法建造圍埝。

圖1 圍堤工程試驗(yàn)區(qū)平面示意圖

2.2 水文氣象條件

2.2.1 波浪

本工程海域的常浪向?yàn)镋NE 和E，頻率分別為9.68%和9.53%，強(qiáng)浪向ENE，全年周期大于7.0s 的頻率為0.33%。

2.2.2 海流

本工程海域的海流基本為往復(fù)流型，漲潮主流向NW，落潮主流向SE，其中漲潮流速大于落潮，最大流速平面分布是由岸邊向海域逐步擴(kuò)大。

2.2.3 潮汐

本工程海域潮汐類型為不規(guī)則半日潮型，其（H01+HK1）/HM2=0.53。

潮位特征值（以新港理論最低潮面起算，下同）：

平均海平面：2.56m 平均高潮位：3.74m

平均低潮位：1.34m 最大潮差：4.37m

平均潮差：2.40m 最高高潮位：5.81m

最低低潮位：-1.03m。

2.2.4 風(fēng)

根據(jù)塘沽海洋站東突堤測(cè)站1997-1999 年資料統(tǒng)計(jì)，常風(fēng)向E，出現(xiàn)頻率為11.71%，次常風(fēng)向?yàn)镾 向，頻率為10.34%，強(qiáng)風(fēng)向E向，該向頻率≥6級(jí)風(fēng)為1.95%，各向≥6 級(jí)風(fēng)所出現(xiàn)的頻率為3.65%。

2.3 場(chǎng)地地質(zhì)條件

本工程地基土自上而下主要分四大層。第一層為海相沉積的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)黏土，第二層為海陸交互相沉積的粉質(zhì)黏土混貝殼和粉質(zhì)粘土，第三層為河口三角洲相沉積的粉質(zhì)黏土，第四層為粉砂。

3 試驗(yàn)方案設(shè)置

根據(jù)設(shè)計(jì)及工程實(shí)際要求，由于渤西水下管線穿過場(chǎng)區(qū)南圍堤，因此龍口應(yīng)離管線有一定距離；龍口口門寬度還應(yīng)能保證施工船的進(jìn)出，南圍堤西側(cè)約200m 范圍由于其西側(cè)區(qū)域的吹填，地形淤積較大，不利于施工船的航行。

經(jīng)初步估算，龍口寬度需約400m 左右，數(shù)值計(jì)算取400m 寬，龍口底高程取-2.5m，龍口位置考慮2 個(gè)方案，方案1 的距離西側(cè)已建圍堤600m，方案2 距離西側(cè)已建圍堤埝1600m，龍口底高程均為-2.5m。見圖2。

圖2 龍口位置方案圖

4 計(jì)算域確定及網(wǎng)格剖分

為避免邊界處的數(shù)值傳入誤差，模型范圍應(yīng)足夠大。本次研究中潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍采用大、小兩層模型進(jìn)行嵌套計(jì)算，其中，采用大模型對(duì)整個(gè)渤海海域進(jìn)行計(jì)算，小模型對(duì)渤海灣海域進(jìn)行計(jì)算。模型的計(jì)算范圍如圖3 所示。大模型開邊界位于大連老虎灘和煙臺(tái)一線，邊界采用潮位驅(qū)動(dòng)，由中國(guó)海洋大學(xué)研發(fā)的中國(guó)近海潮汐預(yù)測(cè)程序（ChinaTide）提供，次潮汐預(yù)測(cè)程序采用8 個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)進(jìn)行疊加后所得，所得潮位數(shù)據(jù)較為精準(zhǔn)。

圖3 模型計(jì)算范圍示意圖

計(jì)算域的網(wǎng)格劃分采用三角無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，采用外疏里密的方式進(jìn)行劃分，小模型開邊界處相鄰的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)最大步長(zhǎng)約1500m，工程區(qū)附近局部進(jìn)行了加密處理，最小步長(zhǎng)為30m，各方案的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)約為32900 個(gè)。圖4 中示意了模型的網(wǎng)格剖分形式。

圖4 模型網(wǎng)格剖分

5 模型驗(yàn)算

采用2020年6月中旬潮汐現(xiàn)場(chǎng)水文資料進(jìn)行驗(yàn)證。此次測(cè)量共包括3 個(gè)潮位站和3 個(gè)流速測(cè)站，同時(shí)還收集燈塔站同步潮位資料進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5 與圖6 分別給出了潮位、流速和流向驗(yàn)證曲線。通過比較分析，各測(cè)站計(jì)算所得的流速、流向及潮位在連續(xù)變化過程中的數(shù)值均與實(shí)測(cè)值具備較好的一致性，滿足有關(guān)規(guī)范的要求。

圖5 2020 年6 月18 日～19 日潮位驗(yàn)證

圖6 2020 年6 月18 日～19 日潮流速流向驗(yàn)證

通過計(jì)算的驗(yàn)證，所建二維潮流數(shù)學(xué)模型在相位與數(shù)值上均與實(shí)際情況具備較高的一致性，因此可以采用此模型對(duì)工程場(chǎng)區(qū)的潮流平面運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行模擬，模型預(yù)測(cè)結(jié)果具有較高的可信度。

6 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)模型的驗(yàn)證結(jié)果可知，所建二維潮流數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果具有良好的可信度。圖7，圖8 為數(shù)值模擬得到的2 個(gè)龍口布置方案工程區(qū)域的急潮流場(chǎng)圖。圖中可見，工程海域潮流場(chǎng)具有往復(fù)流性質(zhì)，漲潮時(shí)潮流向岸運(yùn)動(dòng)，落潮時(shí)潮流離岸運(yùn)動(dòng)。

圖7 方案1 時(shí)急流場(chǎng)圖

圖8 方案2 時(shí)漲急流場(chǎng)圖

方案1 和方案2 龍口出潮位、潮差及最大流速數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 方案1 和方案2 龍口潮位、潮差及最大流速對(duì)比

從模擬結(jié)果可以看出，方案1 離岸邊較近，其漲潮水位要高于方案2，潮差也略大于方案2，方案1 和方案2 中的龍口最大流速分別為0.56m/s 和0.53m/s，方案2 相對(duì)為優(yōu)。

因此，在不影響海底管線的情況下，龍口靠向東南側(cè)略好，建議龍口位置采用方案2。

7 結(jié)語(yǔ)

本論文采用一維和二維的數(shù)值模擬計(jì)算來研究龍口合攏位置選取問題。試驗(yàn)區(qū)為天津某圍堤工程的龍口合攏，采用數(shù)值模擬軟件Mike21，對(duì)龍口位置及尺寸進(jìn)行模擬計(jì)算，比較不同方案之間的優(yōu)劣。根據(jù)模擬計(jì)算所得結(jié)果，確定最佳的合攏施工方案。通過調(diào)整邊界條件對(duì)工程海域的潮位、流場(chǎng)進(jìn)行模擬驗(yàn)證，MIKE21平面二維潮流數(shù)學(xué)模型能夠基本反映了工程海域的流場(chǎng)分布情況，可以進(jìn)行工程后的模擬研究。通過對(duì)天津港某圍海工程的龍口合攏口位置流場(chǎng)進(jìn)行研究，并根據(jù)不同合攏口位置的模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知：龍口宜選在波浪、潮流動(dòng)力較弱，地質(zhì)條件較好和水較深的地段。數(shù)值模擬對(duì)龍口位置的確定具有一定的指導(dǎo)意義。本文結(jié)合天津港某圍堤工程，對(duì)圍海工程中最復(fù)雜最困難的龍口合攏問題進(jìn)行研究，最終確定了龍口合攏的施工方案，該項(xiàng)目已順利完成龍口合攏，取得良好經(jīng)濟(jì)效益，標(biāo)志著本次試驗(yàn)取得圓滿成功，也為后續(xù)類似工程提供一定的理論基礎(chǔ)及經(jīng)驗(yàn)借鑒。