洋口港區人工島工程的沖淤變化

雙方關鍵技術試驗結果陽口大橋人工島項目是沙島從離島港口建設的基礎。多年來，通過現場測量、理論研究、數值模擬和物理模型試驗，我們了解了沙島布局區南部海上發展規律、港口建設條件、港口規劃、港口水建筑物設計等關鍵技術。最后，成功完成了人工島的建設。但輻射沙洲海域海洋動力強、灘槽演變復雜,人工島建設及運營過程中印證了數模及物模試驗預示的沖刷現象。本文主要對洋口港區人工島工程海域沖淤情況進行了總結和初步分析,并提出了防沖維護措施。1人工島的設計1.1人工島的選擇洋口港區人工島工程選址在江蘇外海輻射沙洲海域的西太陽沙。根據南京水利科學研究院對衛星遙感資料和歷史測圖的對比分析,西太陽沙洲中部主體是穩定的,人工島選擇在南科院論證的西太陽沙-5.0m等深線(以當地理論最低潮位為基準,下同)以下核心穩定區域之內。該區域地勢較高且地貌穩定,人工島結構局部在-3m等深線附近,大部分在-2m等深線以上1.2人工島的主軸方向和長度分布保護特征洋口港區人工島平面形狀采用圓角矩形,其東北采取削角布置,人工島邊界形狀與當地自然條件相適應。人工島的主軸方向主要受波浪和海流分布情況及其強度的控制,長軸方向接近東西向,順其自然。洋口港區人工島最終建設規模為長3km左右,寬1km左右,總面積約2.89km1.3島壁采用平護方式防沖保護鑒于工程的重要性和所處環境的復雜性,人工島在設計之初就已充分考慮了防沖措施。本項目拋石斜坡式島壁結構選用平護與立護相結合的方法,充填袋斜坡式島壁選用平護的方式進行防沖保護。立護起到固灘作用,采用鋼板樁結構,鋼板樁長度考慮沖刷深度及土層特性等因素確定。平護起到保灘作用,分兩部分,在鋼板樁和斜坡堤坡腳之間,先鋪設帶砂肋抗老化的機織針刺復合土工布軟體排,軟體排上鋪設二片石墊層,再拋填200~300kg塊石護底;在鋼板樁外的護底采用混凝土連鎖塊軟體排,其上拋填200~300kg塊石2分析人工島區域內的沖砂變化2.1人工島海域沖淤現狀洋口港區人工島2006年12月開工,2008年11月一期(1.44km根據歷次測量結果,采取繪制沖淤變化圖、分區統計表和等深線變化對比等方法,分別對整體、局部、以及重點水域進行沖淤的量化和趨勢分析根據2006年~2015年間近10年的定期測量數據,繪制的測區地貌圖(圖3)宏觀展示了人工島海域的整體地形地貌的演變情勢。從圖3可以看到,西太陽沙洲東端頭表現為持續沖刷,向西萎縮,向南擺動的情勢。采用圓角矩形的人工島在波浪與潮流的作用下,“凸”點均表現為沖刷狀態:東北島壁外水下地形沖刷范圍持續擴大,沖坑漸深;人工島東南島壁有沖刷坑形成,沖刷范圍不斷擴大;人工島西北雖然建成時間較短,但沖刷現象也較明顯。人工島南部海事碼頭的北側區域和東側區域的西太陽沙洲淤積現象明顯明顯。西太陽沙洲及人工島的沖淤情勢與建設前開展的有關數模、物模試驗結果相吻合,沖淤變化尚在工程可控范圍之內。但沖刷較為嚴重的區域宜盡快開展防護措施,確保工程安全。2.2人工島底部西太陽沙移動情況人工島東側西太陽沙自工程建設以來持續沖刷,根據歷年定期測量圖繪制了0m等高線、1m等高線、2m等高線變化對比圖,并結合西太陽沙固定斷面變化圖,統計分析出人工島東側的西太陽沙從2006年11月至今向西平均移動了1900m,平均向南移動了270m,西太陽沙面積縮小明顯。從2008年4月份定期測量成果圖開始,人工島東南側西太陽沙2m等高線被人工島東南角的沖刷溝斷開。從2013年6月開始,人工島東側的西太陽沙沖刷速度加快。本區域目前雖有沖深,但沖刷幅度尚未危及人工島結構安全區域,可加強監測,一旦發現沖淤區域危及結構安全,應及時采取工程措施進行維護。2.3坑底沖刷水口管線范圍人工島東北側堤外地形從人工島建設開始至今持續沖刷(LNG取水管線與LNG棧橋之間)并有大沖刷坑形成。近期測量成果圖沖刷坑范圍較2014年7月測圖明顯擴大。目前坑底最深水深-18.7m,此位置靠近取水口管線,距離最近LNG取水口管線軸線距離30m,較2014年7月測圖水深沖刷了4.2m。目前沖刷坑長410m,寬225m(-10m等深線范圍),較2014年7月沖刷范圍加長了65m,變寬了50m。由于本區域沖刷嚴重,危及結構安全,需采取工程措施進行維護。2.4島壁下天然鋼板樁沖淤從圖4可以直觀地看出,從2008年5月至2014年7月,在人工島的東南角島壁外有沖刷坑形成,且沖刷范圍逐漸增大。該沖溝已經侵蝕部分連鎖塊軟體排以及護底塊石,塌陷面積比較大。經過現場勘測,拍攝塌陷現場照片見圖5。塌陷位置最近距離島壁軸線54m,較2014年7月測圖塌陷范圍向島壁沒有變化,塌陷位置距離島壁外防護鋼板樁2.6m,塌陷處還保持有塊石覆蓋。根據最新測圖繪制東南角外沖刷坑地貌見圖6。2.5島壁外沖刷人工島西北角海底地形從島壁建成開始至今,沖刷成坑,坑的范圍緩慢擴大,逐漸向北側深水區域擴展。目前坑底最深水深-5m,較島壁建成前沖刷了5.6m。沖刷坑靠近島壁邊緣緊貼島壁外護底石塊邊緣。根據最新測圖繪制西北角外沖刷坑地貌見圖7。本區域目前雖然有沖深,但尚未危及結構安全的區域,應加強監測,適時采取工程措施進行維護。3人工島的預防和清潔3.1島壁沖淤防護通過對西太陽沙洲及人工島的沖淤情勢進行深入分析,確定維護工程實施原則如下:1)對于沖刷嚴重,危及結構安全區域,需及時采取工程維護措施;2)對于淤積區域和目前雖然有沖深,但尚未危及結構安全的區域,應加強監測,一旦發現沖淤區域會危及結構安全,應及時采取工程維護措施;3)對于已經實施防護工程,目前沖淤變化不大的區域,應加強監測。目前人工島東南角和東北角的沖刷已經危及島壁結構安全,應及時采取工程措施進行防護。維護方案重點關注沖刷范圍和所采取的結構措施。3.2護底結構防沖刷維護對于人工島東南角沖刷區域,該沖溝已經侵蝕部分連鎖塊軟體排以及護底塊石,塌陷面積比較大,低潮時在此塌陷區域上行走明顯能聽到在拋石護底下有流水的響聲,因此在進行防護之前,需進一步探明拋石護底下形成孔洞的范圍,為解決島壁沖刷問題提供依據。基于目前的情況,需對原設計斷面內已經塌陷的護底結構全部進行修復,原設計斷面護底結構外按現狀地形自然坡度放坡防護。最終確定防沖刷維護范圍為距島壁軸線90m范圍內恢復至原設計斷面,坡腳原護底之間拋填形成平臺;90m范圍外按1:6放坡至天然泥面。防沖刷維護范圍見圖8。距島壁軸線90m范圍內,護底結構底部被沖刷的區域,應先用級配碎石回填至原設計高程,然后按原設計要求修復護底結構。對于坡腳外側的沖坑,拋填形成高程4.0m的平臺進行防護,平臺堤心由袋裝級配碎石組成,外側依次拋填500mm厚的二片石和1800mm厚的200~300kg塊石。新拋填的平臺應與原護底結構順暢銜接。距島壁軸線90m外側的沖槽,在維護平臺外按1:6放坡至天然泥面,結構形式與平臺相同。防沖刷維護結構方案見圖9。2范圍:確定防護平臺范圍對于人工島東北角沖刷區域,坡腳外側的沖坑尚未淘刷侵蝕至護底結構,只需對坡腳外側的沖坑進行灘面防護。防沖刷維護范圍確定為距島壁軸線110m范圍內,坡腳和護底結構之間拋填形成平臺進行防護;110m范圍外按1:6放坡至天然泥面。防沖刷維護范圍見圖10。距島壁軸線110m范圍內,拋填形成防護平臺的高程為0.0m,其它結構型式與東南角相同。在靠近取水管線區域的防護結構應與取水管區域沖刷處理方案相結合并順暢銜接過渡。防沖刷維護結構方案見圖11。3.3帶挖機船拋填本項目防沖維護方案的施工內容均在海平面以下實施,施工全部依靠人工及船舶水上進行。袋裝級配碎石、二片石墊層、護底塊石等均為常規的拋理散料施工,可采用帶挖機的半艙駁裝石料定位,采用船上挖機將灌袋碎石和塊石直接拋到水下,潛水員指揮拋填位置并配合水下理平施工。拋填時勤測水深,以免超拋或漏拋。人工島北側風浪較大,為保證石料能準確打到沖坑內,應根據水下地形圖畫出要拋填石料的范圍,船上設專門測量人員和技術人員根據石料需拋填的范圍指揮挖機船拋填,避免石料拋到未沖刷的地方,造成浪費。根據之前LNG碼