水交换率理论在梅山港区新建围堤工程预留龙口方案比选中的应用

(中交上航局航道建设有限公司，浙江 宁波 315200)

伴随着国家“一带一路”、长江经济带等战略的提出和各项举措的落地，浙江海洋经济建设频传利好，特别是宁波梅山港，具有得天独厚的优良水深和庇护条件，是不可多得的自然深水良港。宁波—舟山港梅山港区工程在建设过程中遇到新建围堤工程预留龙口方案的比选难题，最后通过引进水交换理论比选出了最佳方案，保障了工程的顺利实施。

宁波—舟山港梅山港区工程位于宁波梅山港区1～5号集装箱码头东侧，毗邻5号泊位，北侧紧邻盐田大道。该工程主要包括围堤、吹填砂及软基处理等项目，其中软基处理工程中，陆域纵深约为670～780m，陆域宽度约为2150m，总面积约166.41万m2，将通过陆域形成与地基加固后建设成为集装箱堆场。工程地理位置如图1所示。

图1 工程地理位置图

1 围堤工程施工工艺

该工程新建围堤施工分为袋装砂基础、水上、陆抛石、围堤护面、防浪墙及堤顶道路等，分2个阶段实施：

1.1 一阶段围堤基础

在一阶段围堤最底部2层通长砂被铺设完成后，插排水板进行软基处理，再进行第3层通长砂被的施工。在通长砂被施工完毕后立即进行围堤底部软体排，袋装碎石垫层的施工；在软体排、袋装碎石垫层施工一段时间初步具备护底和棱体块石抛填作业条件后立即进行此2项工作的开展。

1.2 一阶段围堤堤心及护面

一阶段围堤堤心及护面采用堤心石抛填施工,分4级进行。第1级堤心石抛填完成后，进行对应部位后坡倒滤层、土工膜的和平台护面层的施工作业，在第1级平台护面施工的同时安排抛石船进行第2级堤心石的抛填施工，同时安排施工人员进行第2级后坡倒滤层、土工布压坡等施工作业，第3级、第4级与第2级施工工艺基本相同。

1.3 一阶段围堤上部结构

当一阶段围堤结构全部完成并沉降稳定后进行防浪墙及堤顶道路的施工作业，防浪墙计划采取分段跳仓浇筑的方式进行作业。堤顶道路在防浪墙基本完成后进行施工作业。

1.4 二阶段围堤部分

二阶段围堤在一阶段围堤初步具备吹砂条件后同步展开，二阶段围堤施工顺序及流程基本与一阶段围堤一致。

在新建围堤实际施工过程中，涉及选择预留龙口位置的问题，如何保证预留的龙口水流平缓不影响围堤安全、使吹填砂充分沉淀、砂的流失率最少和取得最佳经济效益是一大难题。

2 FVCOM模型

2.1 模型简介

FVCOM (Finite-Volume Coastal Ocean Model)是三维有限体积近海模型。有限差分、有限元模式使用的是微分形式，而 FVCOM 是对控制方程进行积分求解。在非结构化网格中(与有限元方法相同)，用通量进行计算(与有限差分法相同)，可以从数学上求解这些积分方程。本文通过应用FVCOM模型，模拟梅山港区周围海域的工程不同预留龙口方案下的潮流场变化。

2.2 模型建立

图2 地形图

根据研究工程范围大小，选定梅山岛附近海域作为研究区域，地形图如图2所示。由于研究范围较小，选用最小间距为50m的三角形网格，垂向分为5层，本文采用M2分潮驱动，通过获得开边界调和常数，从而计算得到水位进行驱动。公式如下：

式中ξ0——水位,m;

hi和gi——第i分潮的调和常数；

wi——各分潮的角速度;

t——时间,s;

fi——分潮的交点因子;

v0i——分潮的天文初位相;

ui——分潮的交点顶正角;

N0——分潮数。

2.3 模型验证

验证资料采用2016年5月15日4∶00至5月16日4∶00实测的水位、流速、流向资料，监测点如图3所示。图4～图6给出了模拟结果与验证资料的对比图，其中实线为模拟值，虚线为实测值，实测值为实测潮位与流速的垂向平均值，其中T1站潮位误差平均值为3.8cm，T2站潮位误差平均值为6.2cm，流速误差较大，T1、T2站分别为25%、34%。分析发现模拟结果与实测结果基本吻合，验证结果趋势基本一致，但部分点出现偏差较大，一方面是模型模拟的不足，仅用M2分潮作为驱动条件进行模拟；仅选择验证点附近的三角网格，具体地理位置可能存在偏差；另一方面，实测资料是用人工测量与记录，存在一定误差。总体而言模型可用。

图3 验证点地理位置

图4 T1、T2站位水位验证

图5 T1、T2站位流速验证

图6 T1、T2站位流向验证

3 预留龙口多方案比选

为更好地指导施工，将水动力环境对围堤建设的影响降至最低，本文对预留龙口位置进行方案比选。本工程新建围堤共2813m，为保证数值模拟的合理性以及可操作性，预留龙口有5处位置可供选择，如图7所示进行布置(按照新建围堤长度满足500m处布设)。但是考虑到梅山港区新建围堤以及内部陆域形成施工是从西南侧向东北侧推进，若选用龙口3、龙口4、龙口5位置进行预留，大大增加了新建围堤陆抛石、后坡以及护面施工等工序的施工难度，且与吹砂施工冲突，直接造成吹填砂原材料的流失。因此预留龙口位置最终可选的只有在新建围堤K1+1800处(龙口1)，以及K2+500处(龙口2)。本文首先根据龙口1和龙口2预留龙口方案，模拟出2个龙口方案在涨急时刻以及落急时刻的最大流速，掌握2个龙口方案对新建围堤冲刷情况，用流速作为方案比选依据，为工程决策提供理论依据。

图7 龙口预留位置

3.1 预留龙口1流场分布

图8 龙口1处涨急时刻流场

图9 龙口1处落急时刻流场

图8、图9分别绘制了新建海堤工程预留龙口1时的涨急时刻与落急时刻流场。涨潮时海流从外海的南侧传播而来，向北输运，海流经由佛度岛时一分为二，然后在六横岛北侧汇合流至外海，落潮流与涨潮流方向大致相反。在工程区域：涨潮时，潮流在新建海堤海侧顺着新建围堤由西南向东北侧运输，由龙口1处流入工程区域内，潮流在新建海堤及陆侧之间形成逆时针环流，在龙口处潮流流速最大，涨急时刻龙口处最大流速36.67cm/s；落潮时，潮流方向与涨潮潮流方向大致相反，在龙口处潮流流速最大，落急时刻龙口处最大流速25.41cm/s。

3.2 预留龙口2流场分布

图10、图11分别绘制了新建海堤工程预留龙口2时的涨急时刻与落急时刻流场。涨潮时海流经龙口2处由海侧流入工程区域内，潮流在新建海堤及陆侧之间形成逆时针环流，在龙口处潮流流速最大，涨急时刻龙口处最大流速29.27cm/s；落潮时，潮流方向与涨潮潮流方向大致相反，在龙口处潮流流速最大，落急时刻龙口处最大流速27.38cm/s。

图10 龙口2处涨急时刻流场

图11 龙口2处落急时刻流场

4 水交换

4.1 水交换概念

在该工程中，新建围堤陆侧需进行吹填砂，可引入水交换的概念，通过模拟不同龙口方案下水交换的快慢，来反映工程区域内吹填砂流失率的大小，即水交换越快，吹填砂的流失率越大。

在模型计算出流场的情况下，开启拉格朗日质点追踪模块，从某一初始刻开始，在整个围堤工程区域内均匀布设一定量的质点，然后统计各时刻通过龙口流出的质点数X(t),用X(t)与初时刻释放的质点相除，计算得出整个工程区域的水交换率，计U(X,t)=dX/dt，水交换率越大说明水交换越快。

4.2 不同预留龙口方案下的水交换率

在新建围堤与陆侧之间的海域内均匀布设1000个质点，在模型运行10d稳定后一次性释放，模拟龙口方案1与龙口方案2下的质点移动趋势，如图12、13 所示。不同预留龙口方案下的水交换率如图14所示。

图12 龙口方案1在1h、5h、10h时质点分布

图13 龙口方案2在1h、5h、10h时质点分布

图14 龙口方案与龙口方案2水交换率对比

对比两种龙口方案下的质点输运趋势发现，起始质点均经由龙口处向东南侧输运，后受到佛渡岛阻挡，大部分质点有向西侧运输的趋势。且预留龙口方案2下的水交换率明显低于预留龙口方案1。

5 总 结

该工程预留龙口虽然有5处，但由于陆域形成吹砂施工是从西南侧向东北侧推进，为延长吹砂的流程，使吹填砂充分沉淀，提高沉降效果，减少吹填流失量，龙口设置必须远离出砂口，即龙口位置距西南侧越远越好；为了避免新建围堤陆抛石、后坡以及护面施工等工序的施工难度，龙口3、龙口4、龙口5方案不可行，龙口1和龙口2非常合适，在2者中选择1个即可。

为此，利用FVCOM模型对梅山岛海域进行模拟，通过模拟计算得到水动力场数据，并与实际水文资料验证基本吻合，说明模型能够较好的模拟出梅山岛海域的水动力。

从模拟实验结果可以看出：

a.预留龙口2处涨急与落急流速明显小于预留龙口1处，因此海流对龙口处冲刷的影响更小，更有利于围堤的安全稳定性与成本控制。

b.预留龙口方案2下的水交换率明显低于预留龙口方案1，因此预留龙口2时水交换更慢，工程内部的吹填砂流失速率会更小，有利于降本增效。

综上所述，预留龙口2(新建围堤K2+500处)方案比预留龙口1(新建围堤K1+1800处)方案更适合该工程。