——離岸深水港建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與工程應(yīng)用項(xiàng)目創(chuàng)新發(fā)展紀(jì)實(shí)之二

不論是老樹新花的天津港，還是堪稱世界工程之最的洋山港、港珠澳大橋，抑或南亞咽喉的瓜達(dá)爾港，蘇伊士河畔的塞得港……

離岸深水港建設(shè)技術(shù)為中國(guó)水運(yùn)交通建設(shè)事業(yè)注入的推動(dòng)力量，今天已然體現(xiàn)在一座座烙有“中國(guó)”印記的水工精品之中。

正如交通運(yùn)輸部副部長(zhǎng)高宏峰指出，“交通運(yùn)輸行業(yè)的科技創(chuàng)新，主要是應(yīng)用型和集成型創(chuàng)新。當(dāng)前國(guó)家提出創(chuàng)新發(fā)展和轉(zhuǎn)型發(fā)展，交通運(yùn)輸行業(yè)光靠‘拿來(lái)主義’不行，需要鼓勵(lì)基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的原始創(chuàng)新”。

而前后歷時(shí)10年、集中國(guó)水運(yùn)工程建設(shè)之大成的“離岸深水港”科研項(xiàng)目，不僅通過(guò)一系列富于獨(dú)創(chuàng)性的應(yīng)用手段將離岸深水建港安全、經(jīng)濟(jì)地變成現(xiàn)實(shí)，更從自然規(guī)律的最高層面，填補(bǔ)了人類對(duì)于海洋工程自然環(huán)境認(rèn)識(shí)的若干重要空白，為深海中巨輪的航行和停泊，點(diǎn)亮了一個(gè)又一個(gè)輝煌的燈塔。

尋找一個(gè)最優(yōu)組合：波浪、地基與港工結(jié)構(gòu)物

“建筑的穩(wěn)定，來(lái)自于上層結(jié)構(gòu)物自重與下面地基承載力之間的平衡。”田俊峰博士告訴記者，港口也遵循同樣的原理，但多了波浪的因素。而問(wèn)題恰恰在于它的介入。

“對(duì)近岸條件下水流、土質(zhì)以及港口結(jié)構(gòu)物之間的關(guān)系規(guī)律，國(guó)內(nèi)外認(rèn)識(shí)已很成熟，但在深海情況下這三者的關(guān)系還有待探索，是一個(gè)全新的未知領(lǐng)域。”項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人、中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司總工程師孫子宇說(shuō)。在他看來(lái)，中國(guó)的基礎(chǔ)建設(shè)水平要實(shí)現(xiàn)質(zhì)變，首先需要在基礎(chǔ)理論方面取得突破。中國(guó)水上交通建設(shè)者若要實(shí)現(xiàn)把港口造到任何水域的夢(mèng)想，就必須對(duì)未知的深海，進(jìn)行一次全新的認(rèn)知。

面對(duì)風(fēng)險(xiǎn)，固然可以采用置換、加固深海原有地基之類的“簡(jiǎn)單”辦法，但代價(jià)高昂，有違經(jīng)濟(jì)性的要求。而違背自然規(guī)律、靠以往淺水經(jīng)驗(yàn)的盲目嘗試，只能處處碰壁。長(zhǎng)江口深水航道整治工程試驗(yàn)段大圓筒初期穩(wěn)定性不佳，可為明證。

作為項(xiàng)目技術(shù)總負(fù)責(zé)人，謝世楞院士帶領(lǐng)一航院、天津港集團(tuán)、南京水利科學(xué)研究院、天津大學(xué)，通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，在國(guó)際首次提出了軟黏土在波浪循環(huán)荷載作用下動(dòng)力軟化判別標(biāo)準(zhǔn)，成功地在離心機(jī)上模擬了動(dòng)態(tài)波浪對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，揭示了波浪荷載作用下箱筒型基礎(chǔ)防波堤的位移特性、破壞模式及影響因素。

“簡(jiǎn)單說(shuō)，防波堤等結(jié)構(gòu)體出現(xiàn)地基過(guò)大的沉降現(xiàn)象，是因?yàn)樯厦嫣?，還是波浪的動(dòng)荷載太大？以前沒人知道。我們的研究，就是在地基承載力和抗滑穩(wěn)定之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。”子課題主要完成人之一、中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院副總工程師李元音說(shuō)。

找到了對(duì)付巨浪和泥沙的方法，謝世楞院士團(tuán)隊(duì)再接再厲，又依托天津港新型的插入式箱筒型基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)，開展了設(shè)計(jì)理論和方法的創(chuàng)新，中交第一航務(wù)工程局據(jù)此開發(fā)了箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)氣浮拖運(yùn)與負(fù)壓下沉工藝，研制了施工設(shè)備，形成了國(guó)家一級(jí)施工工法。

針對(duì)傳統(tǒng)重力式碼頭結(jié)構(gòu)自重大，在深水條件下波浪荷載大、工期長(zhǎng)、費(fèi)用高等問(wèn)題，全國(guó)水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)大師、中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院院長(zhǎng)張志明聯(lián)合大連理工大學(xué)、大連港集團(tuán)，進(jìn)行了離岸深水港重力式復(fù)合結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究，研發(fā)了上部為樁基透空結(jié)構(gòu)、下部為重力實(shí)體結(jié)構(gòu)的新型重力式復(fù)合結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)可大幅消減波浪力，便于快速施工。

廣義極限平衡法：一個(gè)破解巖土工程領(lǐng)域百年理論難題的巖土力學(xué)定理

如果不是介紹，人們很難把眼前這位皮膚黝黑、一口濃重天津方言的老者，與破解巖土工程領(lǐng)域百年理論難題的中交天津港灣工程研究院黃傳志教授聯(lián)系到一起。然而，正是他提出的全新地基極限分析理論與方法——廣義極限平衡法，堪稱用中國(guó)的定理彌補(bǔ)了一項(xiàng)世界的缺陷，為巖土力學(xué)科學(xué)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。

田俊峰向記者介紹，此前國(guó)內(nèi)外使用的計(jì)算地基承載力方法存在缺陷，無(wú)法具體考慮到地基中不同土質(zhì)承載力的差異，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取一個(gè)均值代入計(jì)算，結(jié)果經(jīng)常出現(xiàn)較大偏差，帶來(lái)工程的安全性問(wèn)題。黃傳志教授通過(guò)數(shù)十年工程實(shí)踐和悉心研究發(fā)現(xiàn)，巖土極限平衡理論中隱含一個(gè)重要的定理：符合工程極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則的應(yīng)力狀態(tài)必滿足屈服函數(shù)的極值條件，并據(jù)此建立了廣義極限平衡法，使工程設(shè)計(jì)計(jì)算更科學(xué)、更完善，其結(jié)果也更可靠，適用范圍更廣。

根據(jù)黃傳志教授的廣義極限平衡理論，中交天津港灣工程研究院李樹奇院長(zhǎng)組織開發(fā)了“港口工程地基計(jì)算系統(tǒng)2008版”，通過(guò)了交通運(yùn)輸部的鑒定和天津市軟件評(píng)測(cè)中心測(cè)評(píng)，已在我國(guó)水運(yùn)工程設(shè)計(jì)施工中全面推廣應(yīng)用。李樹奇院長(zhǎng)等發(fā)明的“具有水下無(wú)線傳輸系統(tǒng)的海上構(gòu)筑物自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)方法”已經(jīng)在多項(xiàng)工程中應(yīng)用，驗(yàn)證了黃傳志教授的廣義極限平衡理論的正確性。

突破建港“禁區(qū)”：揭示粉沙質(zhì)海岸和島群地區(qū)泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律

我國(guó)華東、華北海岸線上散落分布的大量粉沙質(zhì)海岸，長(zhǎng)期以來(lái)是港口建設(shè)的空白點(diǎn)，過(guò)去教科書上都是所謂的建港“禁區(qū)”。“2003年在黃驊港，我們?cè)粤司尢?，挖好的深水航道一夜之間被淤平，泥沙迅速板結(jié)成‘鐵板沙’，船舶困在港內(nèi)，煤炭運(yùn)不出去，業(yè)主非常焦急。”時(shí)任交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所所長(zhǎng)、現(xiàn)任交通運(yùn)輸部科技司司長(zhǎng)趙沖久說(shuō)。

這是由于當(dāng)時(shí)沒有認(rèn)識(shí)到粉沙質(zhì)海岸“泥沙驟淤”的產(chǎn)生機(jī)理，誤把黃驊的粉沙質(zhì)海岸當(dāng)作天津港的淤泥質(zhì)海岸來(lái)對(duì)待，沒有采取相應(yīng)的防沙減淤措施所致。

經(jīng)趙沖久和天科所楊華主任等人的潛心研究發(fā)現(xiàn)，岸灘物質(zhì)的中值粒徑介于0.03—0.1mm的海岸應(yīng)單獨(dú)界定為粉沙質(zhì)海岸。其在大風(fēng)浪天氣下，具有特殊的近底高濃度含沙水體層的泥沙運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。

趙沖久、楊華等認(rèn)為，粉沙質(zhì)海岸的泥沙特別容易起動(dòng)和沉降，波浪一旦減弱，泥沙就會(huì)沉淀淤積，造成航道驟淤。在揭示了驟淤機(jī)理的基礎(chǔ)上，他們?cè)谑澜缟鲜状蝿?chuàng)立了粉沙質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)的“三層模式理論”，開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算模型，與神華黃驊港務(wù)公司、中交一航院、中交水規(guī)院研究確定了黃驊港最終建成雙堤環(huán)抱式布置的防沙堤措施。

建設(shè)洋山深水港是我國(guó)建設(shè)上海國(guó)際航運(yùn)中心的重要戰(zhàn)略決策。而在遠(yuǎn)離大陸、強(qiáng)潮流、高含沙海域，依托大小洋山島礁群地形建設(shè)深水港，會(huì)不會(huì)因這封堵汊道、填海成陸而改變海域原本的邊界條件，造成泥沙大量淤積？在洋山同盛港口建設(shè)公司、中交三航院的支持下，針對(duì)島群中建港水動(dòng)力關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，趙沖久與楊華等人研究出一種淤積計(jì)算方法，用“封堵汊道、歸順?biāo)鳌p少淤積、安全靠泊”16字基本原則有效地指導(dǎo)了洋山港選址和建筑物布局，是國(guó)內(nèi)外建港史上獨(dú)創(chuàng)。

保障港口安全：優(yōu)化總體設(shè)計(jì)

離岸開敞海域的風(fēng)、浪、流等動(dòng)力條件較強(qiáng)，尤其是船舶的系泊和港口水陸域安全一直是港口工程界的突出難題。子課題負(fù)責(zé)人、全國(guó)水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)大師、中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院院長(zhǎng)張志明與大連港集團(tuán)、大連理工大學(xué)聯(lián)合完成了離岸深水港碼頭泊穩(wěn)條件關(guān)鍵技術(shù)研究，解決了多因素下碼頭泊穩(wěn)計(jì)算和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，提出適合我國(guó)港口情況的以船舶6個(gè)運(yùn)動(dòng)量表示的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有效指導(dǎo)了船舶安全裝卸作業(yè)，提高了碼頭作業(yè)的安全性和裝卸效率。提出的碼頭長(zhǎng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可縮短碼頭長(zhǎng)度20%—30%，節(jié)省了寶貴的岸線資源。

在唐山港口實(shí)業(yè)集團(tuán)的支持配合下，南京水利科學(xué)研究院左其華副院長(zhǎng)、張金善主任等人主持完成了風(fēng)暴潮對(duì)港口水陸域及航道安全影響，提出了風(fēng)暴潮增水和波高的二維復(fù)合分布模式和風(fēng)暴潮作用下平均越浪量和浮托力計(jì)算公式，為確定港口陸域合理高程提供了科學(xué)的依據(jù)。

“船舶大型化的發(fā)展，導(dǎo)致航道越來(lái)越寬、越深，我們按照以往傳統(tǒng)方法去設(shè)計(jì)這個(gè)航道，是否安全需要進(jìn)行科學(xué)的論斷。”子課題負(fù)責(zé)人、全國(guó)工程勘察設(shè)計(jì)大師、中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院總工程師吳澎說(shuō)，“我們聯(lián)合武漢理工大學(xué)、大連海事大學(xué)，通過(guò)開展船舶操縱模擬試驗(yàn)和實(shí)船觀測(cè)，并對(duì)比國(guó)外的設(shè)計(jì)方法和研究成果，發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的一些問(wèn)題，完善了深水航道設(shè)計(jì)主要參數(shù)的確定方法，保證了大型船舶的航行安全。還與大連理工大學(xué)聯(lián)合開展了港口航道通過(guò)能力分析研究，提出了基于港口服務(wù)水平體系指標(biāo)的航道通過(guò)能力分析方法，為深水航道合理確定建設(shè)規(guī)模，提高運(yùn)營(yíng)效率奠定理論基礎(chǔ)。”

（本文章摘自4月16日《科技日?qǐng)?bào)》）