浅谈数值模拟技术在疏浚吹填施工中的应用

徐小迟 郭立栋

近年来随着我国城市化进程的加快，各沿海城市通过填海造陆的方式“向海洋要土地”的现象也就不可避免，兴起了沿海城市填海造陆的热潮，围海造地已经在建设、工业、交通、旅游等多个领域发挥了重要的作用。在沿海经济较发达地区，已建设完成了多座大型港口，疏浚吹填也为港口提供了大片人造地，作用非常巨大。但在建设过程中，如遇到项目选址不合理，施工决策或应对措施不当，极易造成环境破坏，产生的损失将无法估量。

随着计算机技术的发展，数值模拟技术在科学研究、工程设计中的地位和作用不断提高，模拟技术也不断朝着高效、高精度、可视化、软件化的方向发展。而对于工程建筑行业，特别是疏浚吹填行业，虽多已实现技术领域的数据化和标准化，但受制于企业实力和研发能力，数值模拟技术的应用还较为滞后。

本文采用基于数值模拟技术的mike21，模拟分析吹填砂在海水中运动成型情况，结合工程实例，印证数值模拟计算在疏浚吹填工程中应用的可行性和准确性，为优化疏浚工程方案提供科学依据。数字模拟技术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决关键问题的技术手段。

一、 数值模拟软件mike21

Mike21是一个全面研究二维自由水面流动模拟系统软件包，主要应用在河流等地表水体流动（如洪水推进模拟）、污染物扩散（如溢油、磷扩散问题）、海岸或港口附近波浪的变化以及泥沙输移等水利工程、海洋工程和环境工程领域中。Mike21软件里面包含多个不同用途的模块：1.Hydrodynamic Module（水动力模块）；2.Transport（对流扩散模块）；3.ECO Lab/Oilspill（水质水生态模块/溢油模块）；4.Mud Transport Module（黏性泥沙输运模块）；5.Particle Tracking Module（粒子追踪模块）；6.Sand Transport Module（非黏性泥沙输运模块）。其中Hydrodynamic Module（水动力模块）是所有模型建立的基础，可模拟多种力引起的水位、流速变化以及不考虑分层的二维自由表面流。

由于该软件包拥有有强大的前、后处理功能、可选择多种计算网格、可以进行热启动、可以进行耦合或非耦合运算以及可设置多种类型的水边界条件等优点，Mike21已成为全球众多的工程技术人员及科学工作者的关键模拟工具，如我国的长江口综合治理、南水北调工程、杭州湾数值模拟等多项超级工程。

二、实例应用

本文选取西非某疏浚吹填中遇到的某一关键问题，将目标施工方案进行数值模拟，同时监测实际施工情况，综合对比分析。

该项目所在水域，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的大浪袭击。受制于大西洋涌浪影响，码头施工无法使用水上打桩船作业，只能在形成陆域平台后采用陆上设备施工。当地石料十分缺乏，很难在短时间内形成堆场围堤，根据项目进度要求，需要快速开展吹填施工，在开阔海域形成一个出水的陆域平台，为码头施工创造条件。

1.工程情况

（1）工程施工目标：

在近海无围堰防护水域进行吹填造地，在近海区域直接吹填，以形成一片陆域，为码头施工提供作业平台。本项目水文气象、地质参数、施工船舶性能指标等资料完备。

（2）施工方法选定：

考虑当地洋流和涌浪方向大部分时间处于西南方向，为保障吹填管线不受吹填砂淤积的影响，吹填管口应该顺应潮流方向锚固置放，吹填管头平行于水面进行吹填施工。

（3）存在问题：

当地水文气象较为复杂，常年遭受长周期涌浪影响，在无围堰防护情况下吹填，可能受水文影响，吹填砂无法堆积，造成泥沙扩散，影响附近海域水质。根据现场工况，无法确认此吹填施工方案是否可行。

（4）解决方案：

尝试按照施工目标方案对吹填砂运动成型情况进行数值模拟，在模拟结果显示施工可行的情况下，同时进行典型性试施工。在开阔水域吹填5天，施工后5天进行跟踪监测，对比分析模拟结果。

2. mike21模拟分析

（1）数值建模

本次数值模拟采用基于单元中心的有限体积法对二维浅水控制方程进行离散求解，将计算区域划分为若干网格（采用Mike21里提供的三角形网格），通过控制方程求解将互相重叠的统一体生成离散的网格。在Mike软件中，二维模拟的浅水方程组有两种形式的求解方法（根据求解阶数划分），根据工程实际情况，采用低阶显式的Euler方法进行时间积分。

根据工程需求计算海底淤积，则应首先选择Hydrodynamic Module（水动力模块）对其进行水力特性的模拟，再选择Sand Transport Module（非黏性泥沙输运模块）对其排沙管口附近泥沙运动成型情况进行模拟。

（2）环境参数处理

Mike模型中定义多种类型的环境条件，如模拟场地范围、海底流速、波浪周期、浪高、吹填砂流速、吹填砂密度等。为确保验证结果准确，本次模拟采用实际施工工况下的环境因素值。

3. 模拟结果

（1）施工期模拟

本次数值模拟分析采用与施工方案相同的吹填砂源设置和综合相关环境因素，模拟结果如下：

图1 施工120小时形成的海底高程变化图

图2 施工期120h的速度矢量图

（2）施工后120小时

在施工后，停滞砂源，对吹填形成的沙堆在开阔水域的稳定情况进行数值模拟，模拟结果如下：

图3 施工停止后120h的泥沙淤积图

图4 施工期120h的速度矢量图

（3）实际施工15天的实际效果图

图5 实际施工形成的海底高程变化图

图6 实际施工效果

在施工期间，考虑已形成沙堆，为便于观测，施工时间可延长至15天。在完成施工后5天，对现场进行跟踪观测。根据现场测量结果，沙堆运动方向和现有泥沙堆积的厚度与模拟显示结果高度匹配，且模拟生成的吹填沙堆周边的水下流速图，能为下一步围挡泥沙扩散施工防护提供可靠的施工依据，保障现场施工满足相关要求。本次数值模拟，验证基于的数值模拟的mike21完全可以进行局部小型流场的泥沙模拟分析，并能详细地反映泥沙运动成型的特征。

三、结语

本文在基于mike模型的基础上，运用数值模拟技术对实体项目进行模拟跟踪分析，模拟结果与实际施工效果基本一致，较好地反映了实际情况，也进一步验证了数值仿真技术可以作为一种新的技术手段应用在疏浚吹填行业的。现有的数值模拟软件已趋近成熟，可以考虑因素相互影响，可以进行“全尺度”的试验，通过低廉的研发就能快速地得到复杂的计算分析结果，从而大大减轻施工风险，减少不必要的工作负担，欲将在本行业发挥重大作用。