——離岸深水港建設關(guān)鍵技術(shù)研究與工程應用項目創(chuàng)新發(fā)展紀實之二
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爾港，蘇伊士河畔的塞得港……
離岸深水港建設技術(shù)為中國水運交通建設事業(yè)注入的推動力量，今天已然體現(xiàn)在一座座烙有“中國”印記的水工精品之中。
正如交通運輸部副部長高宏峰指出，“交通運輸行業(yè)的科技創(chuàng)新，主要是應用型和集成型創(chuàng)新。當前國家提出創(chuàng)新發(fā)展和轉(zhuǎn)型發(fā)展，交通運輸行業(yè)光靠‘拿來主義’不行，需要鼓勵基礎學科和應用基礎研究領(lǐng)域的原始創(chuàng)新”。
而前后歷時10年、集中國水運工程建設之大成的“離岸深水港”科研項目，不僅通過一系列富于獨創(chuàng)性的應用手段將離岸深水建港安全、經(jīng)濟地變成現(xiàn)實，更從自然規(guī)律的最高層面，填補了人類對于海洋工程自然環(huán)境認識的若干重要空白，為深海中巨輪的航行和停泊，點亮了一個又一個輝煌的燈塔。
尋找一個最優(yōu)組合：波浪、地基與港工結(jié)構(gòu)物
“建筑的穩(wěn)定，來自于上層結(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。而問題恰恰在于它的介入。
“對近岸條件下水流、土質(zhì)以及港口結(jié)構(gòu)物之間的關(guān)系規(guī)律，國內(nèi)外認識已很成熟，但在深海情況下這三者的關(guān)系還有待探索，是一個全新的未知領(lǐng)域。”項目總負責人、中國交通建設股份有限公司總工程師孫子宇說。在他看來，中國的基礎建設水平要實現(xiàn)質(zhì)變，首先需要在基礎理論方面取得突破。中國水上交通建設者若要實現(xiàn)把港口造到任何水域的夢想，就必須對未知的深海，進行一次全新的認知。
面對風險，固然可以采用置換、加固深海原有地基之類的“簡單”辦法，但代價高昂，有違經(jīng)濟性的要求。而違背自然規(guī)律、靠以往淺水經(jīng)驗的盲目嘗試，只能處處碰壁。長江口深水航道整治工程試驗段大圓筒初期穩(wěn)定性不佳，可為明證。
作為項目技術(shù)總負責人，謝世楞院士帶領(lǐng)一航院、天津港集團、南京水利科學研究院、天津大學，通過技術(shù)攻關(guān)，在國際首次提出了軟黏土在波浪循環(huán)荷載作用下動力軟化判別標準，成功地在離心機上模擬了動態(tài)波浪對結(jié)構(gòu)的作用，揭示了波浪荷載作用下箱筒型基礎防波堤的位移特性、破壞模式及影響因素。
“簡單說，防波堤等結(jié)構(gòu)體出現(xiàn)地基過大的沉降現(xiàn)象，是因為上面太重，還是波浪的動荷載太大？以前沒人知道。我們的研究，就是在地基承載力和抗滑穩(wěn)定之間找到一個平衡點。”子課題主要完成人之一、中交第一航務工程勘察設計院副總工程師李元音說。
找到了對付巨浪和泥沙的方法，謝世楞院士團隊再接再厲，又依托天津港新型的插入式箱筒型基礎防波堤結(jié)構(gòu)，開展了設計理論和方法的創(chuàng)新，中交第一航務工程局據(jù)此開發(fā)了箱筒型基礎結(jié)構(gòu)氣浮拖運與負壓下沉工藝，研制了施工設備，形成了國家一級施工工法。
針對傳統(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、費用高等問題，全國水運工程勘察設計大師、中交水運規(guī)劃設計院院長張志明聯(lián)合大連理工大學、大連港集團，進行了離岸深水港重力式復合結(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)、下部為重力實體結(jié)構(gòu)的新型重力式復合結(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：一個破解巖土工程領(lǐng)域百年理論難題的巖土力學定理
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，堪稱用中國的定理彌補了一項世界的缺陷，為巖土力學科學的發(fā)展做出了重大貢獻。
田俊峰向記者介紹，此前國內(nèi)外使用的計算地基承載力方法存在缺陷，無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)驗取一個均值代入計算，結(jié)果經(jīng)常出現(xiàn)較大偏差，帶來工程的安全性問題。黃傳志教授通過數(shù)十年工程實踐和悉心研究發(fā)現(xiàn)，巖土極限平衡理論中隱含一個重要的定理：符合工程極限狀態(tài)設計原則的應力狀態(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，使工程設計計算更科學、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組織開發(fā)了“港口工程地基計算系統(tǒng)2008版”，通過了交通運輸部的鑒定和天津市軟件評測中心測評，已在我國水運工程設計施工中全面推廣應用。李樹奇院長等發(fā)明的“具有水下無線傳輸系統(tǒng)的海上構(gòu)筑物自動監(jiān)測技術(shù)方法”已經(jīng)在多項工程中應用，驗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)泥沙運動規(guī)律
我國華東、華北海岸線上散落分布的大量粉沙質(zhì)海岸，長期以來是港口建設的空白點，過去教科書上都是所謂的建港“禁區(qū)”。“2003年在黃驊港，我們曾吃了巨虧，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)，煤炭運不出去，業(yè)主非常焦急。”時任交通部天津水運工程科學研究所所長、現(xiàn)任交通運輸部科技司司長趙沖久說。
這是由于當時沒有認識到粉沙質(zhì)海岸“泥沙驟淤”的產(chǎn)生機理，誤把黃驊的粉沙質(zhì)海岸當作天津港的淤泥質(zhì)海岸來對待，沒有采取相應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的海岸應單獨界定為粉沙質(zhì)海岸。其在大風浪天氣下，具有特殊的近底高濃度含沙水體層的泥沙運動現(xiàn)象。
趙沖久、楊華等認為，粉沙質(zhì)海岸的泥沙特別容易起動和沉降，波浪一旦減弱，泥沙就會沉淀淤積，造成航道驟淤。在揭示了驟淤機理的基礎上，他們在世界上首次創(chuàng)立了粉沙質(zhì)泥沙運動的“三層模式理論”，開發(fā)了相應的計算模型，與神華黃驊港務公司、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。
建設洋山深水港是我國建設上海國際航運中心的重要戰(zhàn)略決策。而在遠離大陸、強潮流、高含沙海域，依托大小洋山島礁群地形建設深水港，會不會因這封堵汊道、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公司、中交三航院的支持下，針對島群中建港水動力關(guān)鍵技術(shù)問題，趙沖久與楊華等人研究出一種淤積計算方法，用“封堵汊道、歸順水流、減少淤積、安全靠泊”16字基本原則有效地指導了洋山港選址和建筑物布局，是國內(nèi)外建港史上獨創(chuàng)。
保障港口安全：優(yōu)化總體設計
離岸開敞海域的風、浪、流等動力條件較強，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。子課題負責人、全國水運工程勘察設計大師、中交水運規(guī)劃設計院院長張志明與大連港集團、大連理工大學聯(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)計算和作業(yè)標準問題，提出適合我國港口情況的以船舶6個運動量表示的作業(yè)標準，有效指導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。提出的碼頭長度優(yōu)化設計方法，可縮短碼頭長度20%—30%，節(jié)省了寶貴的岸線資源。
在唐山港口實業(yè)集團的支持配合下，南京水利科學研究院左其華副院長、張金善主任等人主持完成了風暴潮對港口水陸域及航道安全影響，提出了風暴潮增水和波高的二維復合分布模式和風暴潮作用下平均越浪量和浮托力計算公式，為確定港口陸域合理高程提供了科學的依據(jù)。
“船舶大型化的發(fā)展，導致航道越來越寬、越深，我們按照以往傳統(tǒng)方法去設計這個航道，是否安全需要進行科學的論斷。”子課題負責人、全國工程勘察設計大師、中交水運規(guī)劃設計院總工程師吳澎說，“我們聯(lián)合武漢理工大學、大連海事大學，通過開展船舶操縱模擬試驗和實船觀測，并對比國外的設計方法和研究成果，發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)設計方法中的一些問題，完善了深水航道設計主要參數(shù)的確定方法，保證了大型船舶的航行安全。還與大連理工大學聯(lián)合開展了港口航道通過能力分析研究，提出了基于港口服務水平體系指標的航道通過能力分析方法，為深水航道合理確定建設規(guī)模，提高運營效率奠定理論基礎。”
（本文章摘自4月16日《科技日報》）