（水利工程专业论文）人工岛岸滩稳定性研究.pdf

摘要 近年来，我国围海造地迅速发展，但传统顺岸式填海方式不利于我国宝贵的海洋滩 涂资源的科学、协调、可持续利用，对海洋生态环境的不利影响已越来越引起人们的重 视。科学适度用海是未来围海造地发展的方向，必须严格控制顺岸式填海方式，人工岛 将成为未来向海洋要地的主要方式。 与传统的依托现有海岸向海推进的围涂造地方式相比，人工岛建设需更加重视海洋 水文、海洋动力变化、人工岛与海洋环境的相互影响、海岸地貌演变等多因素。 本文首先调研人工岛现状及发展趋势，了解当前岸滩演变分析预测方法，在此基础 上，以具代表性的某在建人工岛为实例，通过海岸地貌、潮流数值模拟、物理模型试验 等技术手段阐述人工岛岸滩稳定性的分析方法，得出分析结论，为人工岛设计提供依据。 某人工岛用于滩海石油勘探与开发，海洋环境保护要求严格，工程海域属粉砂质海 床，浅滩、深槽、沙脊交错分布，海域地形条件复杂，岸滩稳定存在变化的可能性，而 且对曹妃甸深槽的影响也必须重视。因此，必须合理进行平面布置，充分利用现有地形 水文条件，注重生态和环境的保护，尽量减少对海域、潮流的影响，达到最优。 本文在分析前已有资料的基础上，对工程海域海洋动力地貌及岸滩稳定性进行初步 分析，从宏观上掌握工程区域海洋动力地貌基本特征、冲淤变化、泥沙运动规律、自然 状况下岸滩稳定性，并预测工程建设后可能引起的变化。 建立工程区潮流计算数学模型，计算工程建设前后对周边流场及局部流场的影响。 模型基本方程为任意曲线坐标系下二维潮流运动基本方程，采用有限差分法，计算网格 为交错网格，运用d s i 法( d o u b l e s w e e p i m p l i c i tm e t h o d ) 求解。对计算区域内滩地干 湿过程，采用水位判别法处理，较好地模拟复杂滩地的干湿过程。 开展物理模型试验研究，通过现场资料分析、定床潮流物模试验、波浪潮流整体动 床物模试验、波浪动床物模试验等多种研究方法和试验手段，研究人工岛的稳定性。 本文研究成果为工程设计提供了科学依据，特别是对人工岛平面布置、护岛潜堤长 度及张角、登陆点前沿水流变化等方面进行了验证，并提出了优化方案。 与一般人工岛采用1 2 种研究手段相比，本文采用了海岸地貌演变、数学模型试验、 物理模型试验等当前岸滩演变研究领域较先进的的技术手段，各研究方法独立进行、交 叉运用、相互佐证，研究结论更加可靠。 由于模型场地的限制以及选沙的需要，整体物理模型往往需要做成变态，但为满足 波浪相似条件，模型应做成正态。为解决这一矛盾，本文在定床潮流物模试验、波浪潮 i 流整体动床物模试验时，根据试验内容的不同采用不同的模型比尺，较好地模拟了现场 水流、波浪对人工岛岸滩稳定性影响。 本文研究成果已成功应用于某人工岛建设，所采用的研究方法可供类似人工岛工程 建设时借鉴。 i i a b s t r a c t t h el a n dr e c l a m a t i o na c t i v i t i e si nc h i n ah a v eb e e nk c p td e v e l o p i n gr a p i d l yi nr e c e n t y e a r s h o w e v e r ，t h et r a d i t i o n a la l o n g s h o r er e c l a m a t i o nm a n n e ri s n o tc o n d u c i v et ot h e s c i e n t i f i c 。i m m o n i o n sa n ds u s t a i n a b l eu t i l i z a t i o no fp r e c i o u st i d a lf l a tr e s o u r c e si nc h i n a , a n d i t sa d v e r s ee f f e c t so nm a r i n ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n th a v eb e e nm o r ea n dm o r er e c o g n i z e d t h es c i e n t i f i ca n da p p r o p r i a t eu t i l i z a t i o no fs e ar e s o u r c e sw i l lt h u sb et h ed e v e l o p i n gt r e n do f l a n dr e c l a m a t i o n , 嬲s t r i c t e rc o n t r o lw i l lb ee x e r t e dt ot h ew a yo fa l o n g s h o r er e c l a m a t i o n m e a n w h i l e ，b u i l d i n ga r t i f i c i a li s l a n di sg o i n gt ob et h ep r i m a r ym a n n e rt or e c l a i ml a n df r o m s e ai nt h ef u t u r e c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lw a yo fr e c l a i m i n gl a n df r o mb e a c h e s ，b u i l d i n ga r t i f i c i a l i s l a n ds h o u l db eg i v e nw i t hm o r ea t t e n t i o nt ot h eo c e a nh y d r o l o g i c a la n dd y n a m i cc h a n g e s ， t h em u t u a li m p l i c a t i o nb e t w e e na r t i f i c i a li s l a n da n dm a r i n ee n v i r o n m e n t ，a n dt h eg e o m o r p h i c c h a n g eo fc o a s t a ll a n d f o r me t c t h i sp a p e r 丘r s t l ym a k e sa ni n v e s t i g a t i o na n dr e s e a r c ho nt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n d d e v e l o p i n gt r e n do fa r t i f i c i a li s l a n d a n di n t r o d u c e s 硒w e l lt h ec u r r e n t l ya p p l i e da n a l y s i sa n d p r e d i c t i o nm e t h o d sf o rb e a c he v o l u t i o n b yt a k i n gap r a c t i c a le x a m p l eo fat y p i c a la r t i f i c i a l i s l a n du n d e rc o n s t r u c t i o n , t h i sp a p e rf u r t h e re l a b o r a t e st h ea n a l y s i sm e t h o d so nb e a c hs t a b i l i t y o fa r t i f i c i a li s l a n db yv a r i o u st e c h n i c a lm e a l 1 s ，s u c h 嬲c o a s t a ll a n d f o r me v o l u t i o na n a l y s i s ， n u m e r i c a lt i d a ls i m u l a t i o n 硒w e l l 嬲p h y s i c a lm o d e lt e s te t c a n a l y t i c a lc o n c l u s i o n sa r e h e r e w i t hd r a w nf o rt h er e f e r e n c eo fa r t i f i c i a li s l a n dd e s i g n t h i sa f o r e s a i da r t i f i c i a li s l a n d ，u n d e rs t r i c tr e g u l a t i o n so fs e ae n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n , i s b u i l tf o rp e t r o l e u me x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n ta ts h a l l o ws e a t h ei s l a n di ss i t u a t e do ns i l t y s e a b e dw i t hi n t e r l a c e dd i s t r i b u t i o no fs h o a l s ，d e e pt r o u g h sa n ds a n dr i d g e s t h eu n d e r w a t e r t o p o g r a p h i cc o n d i t i o n sa r ec o m p l i c a t e da r o u n dt h es e aa r e a , w h i l eb e a c hi n s t a b i l i t ym a ya l s o h a p p e n i na d d i t i o n , t h ei m p a c to fb u i l d i i 玛t h i si s l a n do nc a o f e i d i a nt r o u g hs h a l la l s ob e c o n s i d e r e d t h e r e f o r e ，t h ea r t i f i c i a li s l a n dh a st ob eb u i l tw i t ha p p r o p r i a t ep l a n el a y o u t ， m a k i n gf u l la d v a n t a g e s o ft h ee 妃s t i n g t o p o g r a p h i ca n dh y d r o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，p a y i n g a t t e n t i o nt oe c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n , a n dm i n i m i z i n gi t si m p a c to nw a t e r sa n d t i d a lc u r r e n tt oa no p t i m a ll e v e l b a s e do nt h ea n a l y s i so fa v a i l a b l ed a t a , t h i sp a p e rp r e s e n t sap r e l i m i n a r ya n a l y s i so n m a r i n ed y n a m i cg e o m o r p h o l o g ya n db e a c hs t a b i l i t yo ft h es e aa r e a , s h o w si nm a c r o s c o p i c v i e wt h eb a s i cf e a t u r e so fm a r i n ed y n a m i c g e o m o r p h o l o g y , e r o s i o na n ds e d i m e n t a t i o n c h a n g e s ，s e d i m e n tm o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s 嬲w e l la sb e a c hs t a b i l i t yu n d e rn a t u r ec o n d i t i o n s i i i 堑江太堂亟堂焦论塞 捅墓 a tt h ep l a n n e ds i t e ，a n dp r e d i c tt h ec h a n g e sw h i c hm a yh a p p e nw h e nt h ea r t i f i c i a li s l a n di s b u i l t t h i sp a p e rs e t su pc a l c u l a t i o nm a t h e m a t i cm o d e lf o rt i d a lc u r r e n t sa tt h ep r o j e c ts i t ea n d d e s c r i b e sb yc a l c u l a t i o nt h ei m p a c to nn e i g h b o r i n ga n dr e g i o n a lf l o wf i e l d sb e f o r ea n da f t e r t h ei s l a n di sb u i l t t h eb a s i cm o d e le q u a t i o ni st h eo n eo f2 dt i d a lc u r r e n tm o v e m e n tu n d e r a n yc u r v i l i n e a rc o o r d i n a t e s ，s o l v i n gb yf i n i t ed i f f e r e n t i a lm e t h o df i t ) m ) w i t hs t a g g e r i n g g r i d sa n dd o u b l e s w e e p i m p l i c i t ( d s i ) m e t h o d w a t e rl e v e ld i s t i n g u i s h i n gm e t h o di sa p p f i e d t oc a l c u l a t et h ee x p o s u r ea n di m m e r s i o np r o c e s so ft h eb e a c hw i t h i nc a l c u l a t i o ns c o p e ，a n d t h u sa g o o ds i m u l a t i o no ft h ep r o c e s s i sm a d e t h i sp a p e ra l s om a k e sas t u d yo np h y s i c a lm o d e lt e s ta n dr e s e a r c h e so ns t a b i l i t yo ft h e a r t i f i c i a li s l a n db ym e a n so fv a r i o u ss t u d ya n dt e s tm e t h o d s ，s u c ha si n - s i t us i t ec o n d i t i o n s a n a l y s i s ，f i x e db e dt i d a lm o d e lt e s t ，m o v a b l eb e dw a v ea n dt i d em o d e lt e s t ，a n dm o v a b l eb e d w a v em o d e lt e s te t c t h es t u d yr e s u k so ft h i sp a p e rp r o v i d e ss c i e n t i f i cb a s i s f o re n g i n e e r i n gd e s i g n , e s p e c i a l l yd e m o n s t r a t i n gt h ev a l i d i t yo ft h ep l a n el a y o u to fa r t i f i c i a li s l a n d ，t h el e n g t ha n d f i e l da n g l eo fs u b m e r g e dp r o t e c t i n gd i k e ，a n df l o wc h a n g e si nf r o n to fl a n d i n gp o i n te t c o p t i m i z i n gs o l u t i o n sa r ea l s op r o p o s e d c o m p a r e dw i t ht h en o r m a la p p l i c a t i o no fo n eo rt w os t u d ym e a n st oa r t i f i c i a li s l a n d ， m a n ym o r ea d v a n c e dt e c h n i c a lm e a n si nt h ef i e l do fb e a c he v o l u t i o ns t u d ya r eu s e di nt h i s p a p e r , s u c ha sc o a s t a lg e o m o r p h o l o g ye v o l u t i o n , m a t h e m a t i cm o d e lt e s ta n dp h y s i c a lm o d e l t e s te t c e a c hm e t h o di si n d e p e n d e n tb u ta p p l i e di n t e r a c t i v e l ya n dt e s t i f i e se a c ho t h e r t h e s t u d yr e s u l t sa r em o r er e l i a b l e c o n s i d e r i n gt h e l i m i t a t i o no fm o d e lt e s tf i e l da n dt h e n c c do fs a n ds e l e c t i o n , t h e i n t e g r a t e dp h y s i c a lm o d e ln e e d st ob cd i s t o r t e dn o r m a l l y h o w e v e r , t h em o d e ls h o u l db e u n d i s t o r t e di no r d e rt os a t i s f ys i m i l a rw a v ec o n d i t i o n s f o rs o l v i n gt h i sc o n f l i c t ，t h i sp a p e r t a k e sd i f f e r e n tm o d e ls c a l ei na c c o r d a n c ew i t hd i f f e r e n tt e s ti t e m sd u r i n gc o n d u c t i n gt h ef i x e d b e dp h y s i c a lt i d em o d e lt e s ta sw e l la sm o v a b l eb e dp h y s i c a lw a v ea n dt i d em o d e lt e s t ，w h i c h g i v e sag o o ds i m u l a t i o no fc u r r e n ta n dw a v ei m p a c to nb e a c hs t a b i l i t yo ft h ea r t i f i c i a li s l a n d t h es t u d yr e s u l t so ft h i sp a p e rh a v eb e e ns u c c e s s f u h ya p p l i e dt ot h ec o n s t r u c t i o no ft h e s a i da r t i f i c i a li s l a n d ，w h i l et h es t u d ym e t h o d su t i l i z e di nt h i sp a p e rc o u l db et a k e na sr e f e r e n c e f o rt h eb u i l d i n go fs i m i l a ra r t i f i c i a li s l a n d s i v 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 问题的提出 人类建设人工岛的历史悠久，特别是二十世纪以来，随着工业化发展，日本、美 国、西欧等发达国家建设一系列人工岛，世界现代化的人工岛建设始于2 0 世纪6 0 年 代【l 】，起初主要用于钻采海底油气。2 0 世纪7 0 年代中期，美国需要在其东海岸建设深 水散货港，因现有航道增深拓宽存在困难，开展了建设人工岛综合性港口的研究。日 本1 9 8 1 年建成神户港大型人工岛，历时1 5 年，耗资约2 3 亿美元。进入二十一世纪， 韩国、中国、中东、东南亚等发展中国家和地区也开展了大规模的造岛运动。随着人 类对海洋环境日益重视，人工岛越来越成为围海造地的重要发展方向之一。 1 、港口方面：随着港口深水化发展趋势，越来越多的港口需要建设人工半岛或人 工岛，形成港口陆域，如洋山港、江苏洋口港。 2 、城市方面：陆上土地资源有限，迫切需要向海洋扩展空间，用于城市建设、机 场建设、开发旅游业务，如香港机场、澳门机场、迪拜的d e i r a 棕榈苑、j u m e i r a h 棕 榈苑、j e b e la i i 棕榈苑和滨水苑，巴林的d u r r a ta 1b a h r a i n 和巴林金融港，卡塔 尔的珍珠苑，多哈的新多哈国际机场，沙特阿拉伯的f n a r 城【2 】。 3 、海上油气勘探开发：建设人工岛实现海油陆采与常规钢平台海油海采相比，具 有明显比较优势，如冀东南堡油田、胜利油田、辽河油田、大港油田、美国长滩油田、 挪威等。 近年来，我国围海造地迅速发展，但传统顺岸式填海方式岸线利用粗放，对海洋 生态环境的不利影响较大，不利于我国宝贵的海洋滩涂资源的科学、协调、可持续利 用。科学适度用海是未来围海造地发展的方向，必须严格控制顺岸式填海，以建人工 岛式和突堤式围填海为主，有利于增加海岸线长度、海域面积及景观价值，全面提升 围填海造地的社会经济和环境效益，实现科学合理用海。 与传统的依托现有海岸向海推进的围涂造地方式比较，人工岛建设需更加重视海 洋水文、海洋动力变化，更加关注人工岛与海洋环境的相互影响、海岸地貌演变等因 素。 本文通过分析人工岛特点、当前冲淤演变研究技术，采用当前海岸岸滩研究领域 较为领先的海岸地貌、潮流数值模拟、物理模型试验等技术手段对人工岛岸滩稳定性 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 进行深入研究，研究成果已在某人工岛建设中得到成功应用，研究方法可为类似人工 岛建设提供参考。 1 2 研究现状 人工岛是指为了一定的目的和用途，在海中人工建造的岛屿。一般而言，狭义的 人工岛指在海中填筑而成的陆地，而广义的人工岛则包括桩式和漂浮式等能在海域中 形成一定使用场地的各种海上建筑物n 1 。 沿海工业用地日益紧张，沿海人口拥挤，环境保护意识不断加强，人类生活空间 正变得越来越小，世界沿海城市越来越迫切建造人工岛，不断向海洋拓展生活空间。 纵观国内外人工岛的发展历程，大致经历了以下三个阶段： 第一阶段：沿岸围海造地，围垦内河或海湾的沿岸浅滩，主要为解决工业厂区、 居民住房用地或农业用地紧张等问题。如我国在长江、珠江沿岸，渤海湾、东海、黄 海、南海沿海等地区实施了大量的围海造地工程。此为人工岛发展的雏形阶段。 第二阶段：沿岸人工岛。沿岸人工岛建造在离岸不远的浅水区，通常与大陆采用 桥梁或堤坝等联系，它们的用途与第一阶段相比明显增强。如日本神户市的港岛、横 滨市的扇岛、大阪湾的凤凰岛工程，阿联酋的棕榈岛等项目，我国洋山深水港区工程、 曹妃甸港区。这个阶段的人工岛在建造技术和功能设计上日趋完善，并逐步走向成熟。 第三阶段：离岸海上人工岛。离岸人工岛通常建造在离岸2 - - - - , 1 5 k i n 处，建造点的 水深2 0 , - , 5 0 m ，与大陆的交通通常依靠海上交通和直升机航空联系，目的是利用远岸 海洋空间，这种人工岛主要应用于建发电厂、石油开采或独立的综合性工业基地。 人工岛岸滩稳定性研究主要是分析工程后或施工过程中人工岛附近海域地形的 冲淤变化，论证工程方案的技术可行性并提出优化方案。工程泥沙运动是极为复杂的 自然现象，涉及海岸动力、泥沙因素( 包括泥沙来源和泥沙特性) 和工程条件。在人 工岛工程中，一般是通过定性分析，找出影响泥沙运动的主要因素，然后针对主要影 响因素进行重点研究，研究方法主要有以下三种。 现场观测：在拟建工程海域进行较长时期的气象、水文、泥沙等观测，开展地质 勘察、地质取样、海底地形测量等工作。通过分析实测资料，找出影响工程泥沙运动 的主要因素。必要时，进行试挖试验、岸滩冲淤观测、小型试点工程等现场试验。 室内试验：根据需要解决的工程泥沙问题和现场资料分析，利用现代计算机技术 进行潮流、泥沙数值模拟，或进行定床、动床物理模型试验等室内研究工作。 2 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 理论研究：通过研究泥沙运动现象揭示内在规律，对复杂的泥沙运动问题进行适 当简化和概化，寻求便于实际工程中使用的理论表达方式，比如：刘家驹泥沙淤积公 式。理论研究公式般用于简单工程，同时对于复杂工程的现场观测和室内试验也具 有重要的指导意义。 比利时的c h a r lie r t 等人开展了用于城市垃圾处理的人工岛对海洋环境影响的研 究口1 ，j e t r o 于2 0 0 2 年研究了在巴拿马运河太平洋入口处建设人工岛的可行性，该人 工岛采用巴拿马运河扩建开挖土方填筑而成h ，b a y y i n a hs a l a h u d d i n 于2 0 0 6 年研究 了迪拜棕榈树岛对波斯湾海洋环境的影响，分析了建设人工岛对海洋生物、海洋泥沙 运动的影响，并就人工岛建设与当地海洋环境保护法规的符合性进行了评估口1 。 国内的林元军、吴家鸣等利用数值模拟方法，对人工岛工程建设对海洋环境影 响进行了预测与评估，并对现有数值方法的特点进行了讨论与分析嘲。岳娜娜等运 用冲淤数值模拟方法，模拟了建设于砂质海岸外的海阳人工岛建成后，在各向大风 条件下海底地形的蚀淤变化，人工岛建设对砂质海岸可能产生的影响h 1 。韩西军等采 用物模实验对江苏l n g 接卸站人工岛周围的冲刷情况进行了模拟，试验以现场天然 沙为实验床质，采用不规则波与潮流相结合的方式，实验研究了波浪、潮流在不同 组合情况下人工岛周围海底地形的冲淤变化，得出冲淤分布强度，对防冲刷措施进 行了研究阻1 。陈可锋、陆培东等通过整体潮流泥沙物理模型研究了西太阳沙人工岛 工程对滩槽演变趋势的影响和工程区滩冲槽淤的短期波动，探讨了如东人工岛工程 建设后，岛周围水动力和泥砂冲淤的变化规律，提出了相应的防冲措施阳1 。 1 3 存在的主要问题 目前，人类对人工岛的建设热情空前高涨，每年都有大量的人工岛投入建设， 而且人工岛的规模越来越大，所处水深的记录也不断被刷新。为满足使用要求，人 工岛建设于恶劣的海洋环境中也不可避免，因此，人工岛岸滩稳定性问题越来越引 起建设者的高度重视，人工岛的防冲淤措施费用在人工岛建设费用中也占据了较大 比重。但由于人工岛岸滩稳定性涉及的气象、水文、泥沙等因素非常复杂，而且各 因素又存在不确定性，因此，目前为止，尚没有统一的理论公式可用于人工岛的岸 滩稳定性计算，都必须根据工程的具体条件开展数值模拟或物理模型试验研究。但 一般人工岛由于受研究费用或时间的限制，往往只能开展1 2 种研究。而不论是数 值模拟，还是物理模型试验，其结果还受到计算者或试验者的知识、经验的影响， 3 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 受现场资料缺陷的影响，因此，采取单一的研究手段往往难以得到令人信服的、符 合工程要求的结论。因此，研究处于复杂条件下的重要人工岛的岸滩稳定性时，必 须采用多种研究方法，各方法独立进行、交叉运用、相互佐证。 1 4 本文的主要研究工作 首先调研国内外人工岛发展历程，了解当前岸滩稳定性分析预测方法，在此基础 上，以具有代表性的某在建人工岛为实例，通过利用海岸地貌、潮流数值模拟、物理 模型试验等技术手段研究人工岛岸滩稳定性。主要研究工作如下： l 、收集分析与人工岛岸滩稳定性密切相关的水文、泥沙、气象等自然条件资料。 通过对工程海域现场实测风、波浪、潮汐、含沙量、底质及地形等资料分析，揭示工 程区附近海岸动力条件、海床演变和水文泥沙运动规律，为开展深入研究提供基础资 料。 2 、从海岸地貌学的角度，对人工岛海床稳定性进行分析。首先研究人工岛地质 地貌特征、泥沙来源及运动形式，然后根据历史地形资料及附近已有研究成果，分析 海岸与海床演变情况及主导因素，进而对人工岛附近较大范围海域( 特别是需重点关 注区域) 的海床稳定性进行定性分析，并对工程所处局部区域的海床稳定性及人工岛 建设后的变化趋势进行定性评价。 3 、运用潮流数值模拟技术，计算人工岛工程建设前后海域流场的变化情况，研 究人工岛的建设对附近较大范围海域( 特别是需重点关注区域) 潮流的影响；计算人 工岛局部流场，提出工程平面布置优化方案，并对人工岛局部海床稳定性进行评价， 为人工岛防护设计、海洋环境评价等提供依据。 4 、运用物理模型试验技术，针对人工岛稳定性开展定床、动床物模试验。通过 潮流整体物理模型试验，研究在潮流作用下，人工岛建成后岛周围及附近海域岸滩水 流变化情况，研究附近取沙对人工岛的影响；通过波浪、潮流共同作用下，动床整体 物理模型试验，研究人工岛建成后岛周围岸滩地形冲淤情况：通过大尺度动床物理模 型试验，研究不同条件波浪作用下人工岛岸滩冲刷范围和冲刷深度，对人工岛稳定性 进行评估，为防冲措施设计提供依据。 4 浙江大学硕士学位论文第2 章人工岛布置及自然条件 第2 章人工岛布置及自然条件 2 1 人工岛类型及形态 2 1 1 人工岛类型 人工岛可按使用功能和结构类型进行分类。 就使用功能而言，人工岛可作为港区、工业基地、钻采和储存石油设施、机场、居 住以及军事设施。 就结构类型而言，人工岛可分为固定式和漂浮式。填筑式人工岛是最为常见的固定 式人工岛，此外，还有桩式和重力式。而漂浮式又可分为浮体式和半潜式。 本文所述人工岛主要限于海岸工程中常用的填筑式人工岛，大部分填筑式人工岛的 建造水深在2 0 m 以内。 2 1 2 人工岛形状和布置 人工岛的位置一般取决于使用功能。如钻采石油的人工岛，其位置取决于海底的油 藏地质构造。此外，人工岛的选址还应尽可能选择有利的地形、地貌、地质等自然环境 条件。 人工岛的形状可设置为圆形、方形、矩形、梯形或不规则形状，应与波浪、水流等 海洋环境条件相适应，防止岛周围的局部冲刷，确保岛体安全，尽量减少对现有岸滩的 不利影响。 2 1 3 结构型式 填筑式人工岛周围护岸( 或称岛壁) 的结构型式主要有：斜坡式、直立式、混合式 三种。而斜坡式又可分为由砂砾组成的缓坡型( 或称岸滩型) 和由大块石或各种混凝土 消浪块体作护面的陡坡型二种。 人工岛的岛壁结构与一般的码头或防波堤的并无根本性的差别，但由于人工岛的所 处的环境比码头和防波堤更恶劣，更易受风、浪、潮、流等自然条件的影响，因此，通 常选择结构整体性、预制装配程度高、海上工作量少的结构型式。 2 1 4 人工岛周围冲淤形态 在波浪作用下，人工岛周围海底的局部冲淤分布主要受绕射波高的影响，绕射波高 大处冲刷，绕射波高小处则淤积，如图2 - i 。 5 浙江大学硕士学位论文 第2 章人工岛布置及自然条件 2 1 5 人工岛对海岸变形的影响 当人工岛离岸较近时，人工岛对海岸变形的影响如图2 2 所示，这种影响与岛式防 波堤的情况类似。当波浪自图示方向传向海岸时，由于岛式防波堤后掩护区内的绕射波 高较小，左侧来的沿岸输沙将在掩护区内沉积。而在岛堤掩护区以外的下游侧，泥沙来 源不足，破波和沿岸流将侵蚀下游侧海岸，岸线冲刷。 破疣力i i , l c = = = = ；= = = 冒 盘 胜 图2 - 1 波、流作用下圆形人工岛冲淤示意图 图2 2 岛堤对海岸冲淤影响示意图 2 2 工程总体布置 为满足滩海原油勘探开发需要，在唐山市南堡滩海建设人工岛一座，距曹妃甸甸头 约2 2 k i n ，距离已建1 号人工岛7 k i n ，已建2 号人工岛6 k m 。人工岛选址根据地下油藏 确定，位于水下沙脊东侧尾端，往北依次为潮沟和浅滩，人工岛位置滩面高程约为一4 5 一5 5 m ，地势较为平坦，海底地形坡度1 左右。工程位置见图2 3 。 6 浙江大学硕士学位论文 第2 章人工岛布置匣自拣自擀 图2 - 3 人工岛位置 人工岛呈近似椭圆布置，东西两侧为圆弧连接，长轴和短轴分别为4 9 5 m 和2 9 8 m ， 面积1 3 3 3 万m 2 ，长轴走向1 1 7 。2 9 7 。，与水流流向基本一致。人工岛北侧布置一登 陆点码头，走向与人工岛长边一致，码头前平均水深一4 2 m ，距离人工岛北侧岸线9 9 m 。 人工岛4 角点布置护岛潜堤，对水流和波浪均有一定的掩护作用。人工岛岸线采用扭王 字块体护坡，岛周边海床采用软体排护底，南侧还布置了长平护。见图2 _ 4 。 人工岛设计使用年限为5 0 年，防洪标准设计重现期为1 0 0 年1 级堤防。滩海结构 物安全等级为i 级，人工岛围堤按港口工程1 级水工建筑物。 7 浙江大学碰学位论女第2 章 工岛布i 及自然条件 一 图2 4 人工岛效果图 23 气象 该工程区域地处中高纬度，属季风气候区，冬寒夏暖，四季分明。 2 3 1 气温 该地区多年年平均气温为1 2 6 c ，而多年月平均最高气温为2 61 ( 8 月) ，月平均 最低气温值为一25 c ( 1 爿) 。渤海湾多年来记录到的极端最高温度是4 3 7 ，极端最低 温度一2 85 。 2 3 2 降水 该区的多年平均年降水量为6 4 69 m ，最大年降水量为8 2 1 6 蛳。最小的年降水量 4 7 2 2 m m 。 本区年降水量分布不均，主要集中在夏季( 7 、8 月份) ，约占全年降水量的6 43 ， 冬季( 1 、2 月份) 降水量最少，仅占全年降水量的11 。 2 3 3 风 本区全年以s 、n w 、s w 、e 风为主，风频率分别为为1 0 、9 、9 、9 ，s e 、s s e 、 w s w 、w 向次之，为7 。历年各向风频率玫瑰图见图2 5 。 8 浙江大学硕士学位论文 第2 章人工岛布置及自然条件 s 图2 - 5 历年各向风频率玫瑰图 该海域平均风速较小，为4 1m s 。e s e 向风速较大，最大风速1 9 4m s 。各月最 大风速以6 月份最大，风速为1 9 4 m s ，出现在2 0 0 4 年6 月1 6 日，受气旋影响产生。 各向最大风速见表2 - 1 。 表2 - 1历年各向最大风速 风向 nn n en e e n ee e s e s es s e 最大风速 ( m s ) 1 6 11 4 51 1 41 3 01 6 91 9 41 7 11 2 6 风向ss s ws ww s w ww n w n wn n w 最大风速 1 2 61 4 41 3 51 1 6 1 5 1 1 3 o 1 5 41 2 7 ( m s ) 据1 9 9 6 - - 2 0 0 4 年观测资料统计大风日数，大风日数是指当天只要出现一次以上该 级以上大风，当日便称为大风日。大于等于6 级风的日数每年约1 6 0 8 天。春季出现大 于等于6 级风的日数最多，平均3 5 月之和为5 2 1 天，其中4 月份最多，平均为1 8 6 天，l l 、1 2 月份最少，分别为1 0 4 和1 0 2 天。 大于等于8 级风的日数每年约2 6 8 天。春季及秋季出现8 级大风的天数较多，夏 季和冬季较少。春秋季出现大风偏多的原因是由于气旋的影响。 2 3 4 雾 渤海周边平均雾日为5 一1 5 天，海峡地区可达3 0 天。雾一年四季都可能发生，以秋 冬季( 1 1 3 月) 最多，且大都出现在早晨。 9 浙江大学硕士学位论文 第2 章人工岛布置及自然条件 2 3 5 热带气旋 热带气旋是该海区夏季的主要灾害性天气系统。热带气旋按其中心附近的平均最大 风力可分为台风、强热带风暴、热带风暴、热带低压。由于该区纬度较高，热带气旋到 了本区已是减弱了的热带风暴或热带低压。这类气旋平均每年进入渤海的为2 6 个，其 中夏季最多1 5 个，春秋季各为约5 个，冬季约为1 个，当气旋进入渤海海域时，常常 导致该海区大风、暴雨、增水等灾害，有时风力也能高达9 级以上，气旋在渤海一般移 动速度较快，持续时间较短，往往突然产生恶劣的海况，对作业产生灾害性影响，尤应 引起注意。 据近百年的台风资料统计，台风在渤海平均每3 8 年出现一次，也有一年出现两次 的记载。台风移至渤海，一般强度都明显减弱，有时也有入渤海后加深加强的情况，如 1 9 7 2 年3 号台风过境时，风速达到3 0 m s 以上。 2 3 6 寒潮 寒潮是来自西伯利亚的冷空气侵袭，寒潮经过渤海时，伴随地面的冷高压活动，冷 高压前有一冷锋，冷锋过境则出现大风和急剧降温，可使海面产生7 级乃至9 级以上偏 北风，过程降温大于1 0 。c 。该海区出现伴有偏北大风的冷空气活动一般出现在1 0 月中 旬至次年4 月，此期间每7 - 1 4 天即出现一次，冷锋过境时，海面风速一般在6 级以上， 持续时间一般1 - - 2 天，个别长达3 天。强寒潮每年平均出现2 一- 3 次。冷空气寒潮大风 过境是该海区产生大浪的主要天气系统。 2 3 7 风暴潮 由大风和大气压力剧变使海面产生短时间的异常升高现象称为“风暴潮 ，也称“风 暴增水 或“气象海啸”，渤海湾沿岸是风暴潮严重的地区之一，据不完全统计，解放 前的4 0 0 年间曾发生较大的风暴潮3 0 余次，其中以1 8 9 5 年4 月2 8 日- - - , 2 9 日的潮灾最 甚，激烈的风暴伴随着6 m 多高的海溢，使渤海湾沿岸变为泽围。 产生风暴潮的天气主要有三种类型：第一类为变型场强冷锋型，多发生在春秋，这 种风暴潮的最大增水率可达5 0 a m h ，最大增水3 3 米，最高水位可达6 2 米，形成强 烈的风暴潮；第二类是冷高压前部冷锋型，多发生在冬季，也见于春秋，造成渤海湾和 莱州湾增水；第三类为台风型，台风进入渤海时形成巨浪，使迎风岸水体堆积，引起水 位急剧上升，造成严重的灾害。前边曾提到过，台风很少进入渤海，所以在测区发生台 风型风暴潮的几率很低，引起渤海湾风暴潮的主要是前二种天气类型，但对北上的台风 造成风暴潮的危害却不可忽视，因为台风型风暴潮强度大，往往造成更大的危害。如1 9 9 2 1 0 浙江大学硕士学位论文第2 章人工岛布置及自然条件 年8 月3 1 日- - 9 月1 日台风北上，加上正遇天文大潮，使渤海发生了很大的风暴潮，造 成很大的经济损失，塘沽验潮站水位达到5 8 米，比正常潮位高1 5 米。 应当指出的是向岸风增水，而背岸风减水，增减水交替出现，即大增之后必然是大 减，反之大减之后伴随着大增。另外在天气急剧变化时则往往出现短时期的此增彼减。 应当注意，减水也会给海上运输及海上施工带来危害。根据多年的统计资料，渤海特大 风暴潮发生的几率大约是每十年1 次。 2 4 水文、泥沙 2 4 1 潮汐特征与水位特征值 该工程区附近海域的潮汐，主要受黄河口外半日潮旋转潮波、秦皇岛以北外海半日 潮旋转潮波和渤海海峡日潮旋转潮波三个潮波系统的影响，为不规则半日潮。在多数情 况下每个潮汐日有两次高潮和两次低潮，日潮不等现象较明显。 工程海域水位特征值如下： 设计高水位： 3 1 9 m设计低水位：0 1 7 m 平均高潮位： 2 7 m 平均低潮位：0 7 5 m 5 0 年一遇高潮位：4 5 7 m5 0 年一遇低潮位：- i 4 0 m 1 0 0 年一遇高潮位：4 7 1 m1 0 0 年一遇低潮位：一1 5 5 m 2 4 2 波浪 1 波浪观测资料分析 据1 9 9 9 年4 月 - - - 1 9 9 9 年1 1 月冀东油田海域的波浪观测资料( 测波点位于1 1 8 。3 0 5 e ，3 8 。5 4 9 n ) ，该区波浪主要为风浪。常浪向为