沙特吉赞人工岛设计浅析

黄道金 中交广州航道局有限公司

杨志远 中国港湾工程有限责任公司

沙特吉赞人工岛位于沙特西南的吉赞经济城，面积约1.2平方公里，是由1500万方疏浚弃土在海中吹填形成的。

该1500万方弃土来自航道与港池疏浚，原某著名西方咨询公司设计规划将弃土吹填至8公里远的堆场。中国港湾贯彻“创新、协调、绿色、开放、共享“的发展理念，发挥海外商务管理强的优势，对此进行了深入策划。在技术上、商务上对不同方案组合进行充分论证，提出利用废弃土吹填造岛的方案，获批并成功实施，如图1所示。该人工岛的主要作用有以下几方面：

图1 建成后的人工岛航拍图

一是弃物利用，变废为宝。将废弃疏浚土吹填形成陆地，发挥了价值，可用于未来港口作业区及堆场；

二是绿色发展，改善环境。避免了原规划将疏浚弃土堆积在堆场，在起风时形成沙尘暴而产生恶劣天气的不利影响；

三是掩护港池，一专多能。吹填形成的人工岛，对港池起到了掩护作用，达到了防波堤的效果，节约了原计划建设防坡堤的投资；

四是优化布局，节省投资。方便未来在港池西侧原设计防波堤位置规划和建设码头，避免了拆除防波堤的工序，节约了码头建设费用。

人工岛设计考虑经济性的同时，主要考虑的技术因素包括：

一是人工岛位置与面积的确定：

二是边坡防护型式的选择；

三是护岸结构的设计；

四是环境影响评估；

五是施工工艺。

1.人工岛基本参数的设计

荷载假定：鉴于在人工岛上暂无具体的开发和建设规划，因此在设计人工岛时未考虑其他建筑物的永久荷载，未来建设可根据需要相应地基加固。

1.1 人工岛位置的确定

为将该废弃土充分利用，中国港湾结合现场条件及既有装备能力，经对多个方案比较，确定在原防波堤西侧吹填造地形成人工岛，如图2所示。

图2 疏浚吹填形成人工岛示意图

（1）该位置方便未来在港池西侧的防波堤位置进行码头规划及建设，并提供必要的后方作业及堆场；

（2）港池及航道处于运营工况，该位置在施工期间不影响船舶进出航道及港池。

（3）根据该区域36年的近海波浪数据显示，海浪主要来自NW(315度)和SSE(165度)。来自南部的海浪被近海的法拉桑岛遮蔽，而来自西北的海浪可以穿透到项目现场。因此，该位置在施工期间，可快速吹填形成一道沙堤，成为对港池的临时掩护。建设人工岛可取消防波堤建设，为港池提供永久掩护。

（4）布置在该位置充分考虑了与周边设施的关系：①避让拟建原油管线位置，并保持100米以上安全距离；②避让影响取排水项目的进水渠口门；③避免施工作业期间对通航产生影响。

1.2 人工岛边界及面积的确定

人工岛面积大小，由纳泥量与疏浚量基本一致的原则来确定。

（1）水下地形测量。首先对疏浚区域及吹填区域的水下地形进行复测，确认疏浚方量及吹填区容纳方量。同时考虑到海流方向、风向、环保监测及EIA评估，测量范围需要扩宽到可能影响区域。测量覆盖区域如图3。设计人工岛测量范围及实测数据见表1。

表1 测量范围坐标表

图3 测量范围布置图

（2）确定人工岛边界线及角点坐标。如图4所示，拟建人工岛的四条边线分别为A、B、C、D。其中：

图4 人工岛边界及角点图

D 线（即a b 线）为防波堤的位置，其南端c为防波堤端头，该点可确定；

C线（即ac线）的方向可确定，与防波堤南端c点平齐相交。

B线的方向与北边的原油管线平行布置，保持最小安全间距100m。

根据该区域水下地形按吹填与疏浚方量相同进行计算并调整，确定a、b、c三个角点的坐标。

1.3 人工岛标高

（1）吹填区域整体高程。与港区的整体高程+4.2m一致，设计最终吹填面高程定为+4.2m。

（2）对沉降预留的考虑。据该区域前期3600万方疏浚吹填的观测，疏浚开挖后松散在长期堆积沉降后，与原始方量变化较小，流失率约1%-3%可通过疏浚清扫恢复。因此在设计人工岛时，仍按原状土方量考虑。在沉降未完成前允许相应超高，最终沉降稳定后，能满足设计高程+4.2m的允许偏差范围。

（3）护岸顶高程。考虑到未来人工岛的开发，需要安装防浪墙。因此当前阶段护岸设计主要考虑红海区域的历史波浪条件，维持人工岛不受冲刷即可。经波浪模型分析，将护岸侧的顶标高定为+2.5M能满足人工岛基本防护要求，对与吹填区域正常标高+4.2m在50m范围内自然过度。

2.边坡防护型式的选择

根据测量和计算所确定的人工岛陆域吹填尺寸，A、B、C三边护岸为3231 延米。

护岸的设计使用寿命期为30年，参考英标BS6349-Part1对结构的设计要求，在使用期间有39%概率发生60年一遇的大浪。为了保证人工岛在使用期间的稳定，不遭受风浪袭击坍塌而流失吹填物料，必须对边坡采取适当的防护措施。在设计时考虑了3个边坡防护方案。

2.1 堤芯石护岸

回填堤芯石形成重力斜坡式护岸，该方案的优点是稳定性非常好，缺点是投资巨大，成本很高，施工周期较长。该方案技术可行，经济性较差。

2.2 钢板桩护岸

利用短钢板桩形成连续墙体，可快速形成吹填区边界。选用合适材质的钢板桩，在不采取牺牲阳极保护情况下，耐蚀性也能满足耐久性要求。该方案成本较低，外表美观，缺点是满足耐腐蚀要求的钢板桩生产及运输周期较长。

2.3 栅栏板护岸

该方案采用充砂袋分层吹填，逐层叠加并以碎石填缝形成边坡，上铺土工布及垫层石，安装预制砼栅栏板结构，有较好的破浪效果。

栅栏板方案成本较低，材料方便获得，各工序的施工工艺较成熟，且该栅栏板施工工艺在中国有较多的应用案例，且有中国设计标准JTS154-1-2011《防波堤设计与施工规范》4.2.16条和JTJ 300-2000《港口及航道护岸工程设计与施工规范》7.6.2.4条，在同时符合国际通行标准下使用。

综合比较三个方案，从满足防护功能要求、工程成本、施工的可靠性等方面考虑，选用栅栏板护岸的斜坡式护岸结构型式。

3.护岸结构的设计

人工岛护岸结构典型断面如上图所示，根据相关的国际标准及中国标准互相校核设计。

3.1 栅栏板护面块体

图5 堤芯石护岸方案典型断面图

栅栏板护面块体的初步设计，尺寸、厚度、波压强度等采用中国标准JTS154-1-2011《防波堤设计与施工规范》4.2.16条计算，并参考《The Rock Manual-The use of rock in hydraulic engineering》（CIRIA C683，2007）进行符合性复核。

图6 钢板桩护岸断面图

图7 充砂袋+栅栏板护岸断面图

图8 栅栏板结构图

对栅栏板的强度设计，主要考虑波浪袭击和退却时产生的正负波压强度，以及预制及安装时的起吊强度。

在详细设计阶段，采用STRUCTURAL ANALYSIS AND DESIGN软件（SAP2000）对栅栏板结构和起吊点进行受力分析和优化设计，采用35MPa（标准圆柱体抗压强度）的素砼结构即可满足安装时的起吊要求，节约了钢材，避免了传统海工结构采用环氧钢筋和高性能砼来满足耐久性的传统做法，大大降低了成本。

3.2 护脚及护坦

护岸所处位置是沙质海床，在波浪的作用下有可能被冲刷，采用了Sawaragi 1997，Carpenter and Powell 1998，Sutherland et al 2007等方法进行分析计算，设计护脚及护坦尺寸。

3.3 垫层石

栅栏板安装在分2 层施工的垫层上，垫层的粒径应大于栅栏板缝隙200mm，该粒径相当于30公斤块石，因此设计的垫层石规格选用30-100kg。

石料的级配要求：

由于该地区开采的块石级配难以满足连续级配，考虑到这一情况，设计时采用《The Rock Manual The use of rock in hydraulic engineering》（CIRIA C683）中确定非标准岩石分级的方法进行计算，按岩石密度为2650kg/m3，确定满足规范要求且易于采购和施工的块石级配如表2。

表2 石料级配表

3.4 堤顶越浪破坏分析

按照60 年重现期设计波浪标准，采用欧盟手册《Eurotop:Wave Over topping of Sea Defences and Related Structures:Assessment manual》(2007)中的方法，按照栅栏板空隙糙率系数0.95考虑，对护岸越浪情况下的稳定性进行分析和破坏性评估。

计算护岸顶标高+2.5mCD时越浪量为50l/s/m，根据表3可见，可能会对护岸后的回填区域造成一定的影响。虽然未来开发人工岛时会在护岸顶部增加设置防浪墙，在目前阶段仍然对栅栏板后方增加了5米宽30-150kg的块石护面，以减少防浪墙建成前的越浪破坏可能。

表3 不同越浪量破坏对照表

3.5 护岸的整体稳定性

护岸位置的地质结构，为不同厚度的极松散至松散的砂层，以及极松散至松散的粉砂/粘土层，其下有极软至软的粉砂/粘土层，以及中密粉砂层。

为了评估其整体稳定性，在设计阶段聘请了咨询公司Hacrrow采用Morgenstern-Price分析法和SLOPE/W软件进行分析，并对护岸是否铺设土工布两种情况下的整体稳定性进行了评估，如图9所示。

图9 护岸整体稳定分析断面图

其中，在静力分析中考虑了10kPa的活荷载，分析结果见表4。

表4 边坡稳定分析汇总表

只有铺设土工布工况下的安全系数大于1.3，须铺设土工布以满足要求。

其中，形成边坡的充砂袋的强度虽高，但在结构长期稳定中并未考虑，仅考虑作为施工材料而非结构材料。

3.6 沉降

护岸工程施工期间的沉降预测，委托Haccrow使用Settle 3D软件进行估算，预计总沉降量约为150mm。

4.环境影响评估

4.1 可能产生环境影响的范围

该人工岛在施工期间及建成后，可能对海洋环境及所在海域的海生物产生一定的影响。为了避免不利影响，需要对可能的影响范围进行研究及评估，并采取针对性的保护措施。

结合波浪、洋流、风向等条件，以及当地有关政府的要求，环境影响评估的范围为人工岛2.5公里半径的区域。如图10所示。

图10 环境影响范围布置图

4.2 环境影响的主要因素

可能对环境产生影响主要有两个阶段：施工阶段和人工岛建成后阶段。

施工阶段的影响主要有：水上船机施工和产生的噪声、油污泄漏、吹填流失物料产生的悬浮质及沉淀物

建成阶段的影响主要有：人工岛侵占海域，并改变了原来的海流。

4.3 环境影响的对象

主要有对海洋水质的影响，以及长期生活在该区域的各种鸟类，海底海底珊瑚、海龟、鱼类等生物，以及北边的红树林等生物的可能影响，和洋流变化对地形的潜在影响。

4.4 需要采取的预防及监测措施

针对可能产生的环保影响，分别采取预防、减少等限制措施，来缓解、减少不利影响，对无法预防或减小的不利影响，需通采取补偿措施进行补救。

通过对水质、噪声、水下地形测量等监控措施和手段，并及时采取相应的措施，确保项目对环境不会产生不利影响，并符合所在国政府的环保要求。

5.施工工艺及主要技术参数。

5.1 吹填造地施工

陆域的形成，采用绞吸式挖泥船从内港池和外航道开挖疏浚后，吹填至设计位置的方式施工。

5.2 护岸施工

护岸施工分三阶段：充砂袋施工形成设计边坡轮廓,边坡整形及垫层施工,栅栏板人工防浪块体预制安装阶段。

5.3 主要技术参数

（1）疏浚吹填料：疏浚料为中细沙，不含腐殖质，砾石或泥灰岩材料最大尺寸不超过75毫米。

（2）吹填区域在沉降未完成期间允许相应的超高，最终标高允许误差：± 300mm。

（3）吹填区域差异沉降：每25m不超过30mm；长期沉降：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，填充料松软度不超过200mm，人工操作压实松软度不超过100mm。

（5）栅栏板：预制栅栏板的砼设计抗压强度35Mpa,安装时其相邻块体的高差不应大于150mm，最大缝隙宽度不应大于100mm。

6.结论

人工岛及其护岸结构的设计，融合了中国和国际通行的相关规范、设计手册及国内施工工艺，从吹填造岛设计、护岸结构设计、整体稳定性等各方面均符合国际及国内相关技术要求。该人工岛的成功设计和建设，节约了大量投资和成本，重新塑造了吉赞经济城港口的总体布局，大大改善了该区域的生态环境，为未来该港口的发展预留下了足够的空间。建成后至今三年的使用观察，人工岛吹填场地、护岸结构强度、越浪情况、稳定性等均满足设计要求，采用的相关设计方法也可为今后开展类似工程研究提供参考经验。