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中交集团:点亮巨轮航行的灯塔
發布時間: 2013-04-25 來源: 国资委网站 【字體: 阅读: 61

——离岸深水港建设关键技术研究与工程应用项目创新发展纪实之二

不论是老树新花的天津港,还是堪称世界工程之最的洋山港、港珠澳大桥,抑或南亚咽喉的瓜达尔港,苏伊士河畔的塞得港……

离岸深水港建设技术为中国水运交通建设事业注入的推动力量,今天已然体现在一座座烙有“中国”印记的水工精品之中。

正如交通运输部副部长高宏峰指出,“交通运输行业的科技创新,主要是应用型和集成型创新。当前国家提出创新发展和转型发展,交通运输行业光靠‘拿来主义’不行,需要鼓励基础学科和应用基础研究领域的原始创新”。

而前后历时10年、集中国水运工程建设之大成的“离岸深水港”科研项目,不仅通过一系列富于独创性的应用手段将离岸深水建港安全、经济地变成现实,更从自然规律的最高层面,填补了人类对于海洋工程自然环境认识的若干重要空白,为深海中巨轮的航行和停泊,点亮了一个又一个辉煌的灯塔。

寻找一个最优组合:波浪、地基与港工结构物

“建筑的稳定,来自于上层结构物自重与下面地基承载力之间的平衡。”田俊峰博士告诉记者,港口也遵循同样的原理,但多了波浪的因素。而问题恰恰在于它的介入。

“对近岸条件下水流、土质以及港口结构物之间的关系规律,国内外认识已很成熟,但在深海情况下这三者的关系还有待探索,是一个全新的未知领域。”项目总负责人、中国交通建设股份有限公司总工程师孙子宇说。在他看来,中国的基础建设水平要实现质变,首先需要在基础理论方面取得突破。中国水上交通建设者若要实现把港口造到任何水域的梦想,就必须对未知的深海,进行一次全新的认知。

面对风险,固然可以采用置换、加固深海原有地基之类的“简单”办法,但代价高昂,有违经济性的要求。而违背自然规律、靠以往浅水经验的盲目尝试,只能处处碰壁。长江口深水航道整治工程试验段大圆筒初期稳定性不佳,可为明证。

作为项目技术总负责人,谢世楞院士带领一航院、天津港集团、南京水利科学研究院、天津大学,通过技术攻关,在国际首次提出了软黏土在波浪循环荷载作用下动力软化判别标准,成功地在离心机上模拟了动态波浪对结构的作用,揭示了波浪荷载作用下箱筒型基础防波堤的位移特性、破坏模式及影响因素。

“简单说,防波堤等结构体出现地基过大的沉降现象,是因为上面太重,还是波浪的动荷载太大?以前没人知道。我们的研究,就是在地基承载力和抗滑稳定之间找到一个平衡点。”子课题主要完成人之一、中交第一航务工程勘察设计院副总工程师李元音说。

找到了对付巨浪和泥沙的方法,谢世楞院士团队再接再厉,又依托天津港新型的插入式箱筒型基础防波堤结构,开展了设计理论和方法的创新,中交第一航务工程局据此开发了箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工艺,研制了施工设备,形成了国家一级施工工法。

针对传统重力式码头结构自重大,在深水条件下波浪荷载大、工期长、费用高等问题,全国水运工程勘察设计大师、中交水运规划设计院院长张志明联合大连理工大学、大连港集团,进行了离岸深水港重力式复合结构关键技术研究,研发了上部为桩基透空结构、下部为重力实体结构的新型重力式复合结构,该种结构可大幅消减波浪力,便于快速施工。

广义极限平衡法:一个破解岩土工程领域百年理论难题的岩土力学定理

如果不是介绍,人们很难把眼前这位皮肤黝黑、一口浓重天津方言的老者,与破解岩土工程领域百年理论难题的中交天津港湾工程研究院黄传志教授联系到一起。然而,正是他提出的全新地基极限分析理论与方法——广义极限平衡法,堪称用中国的定理弥补了一项世界的缺陷,为岩土力学科学的发展做出了重大贡献。

田俊峰向记者介绍,此前国内外使用的计算地基承载力方法存在缺陷,无法具体考虑到地基中不同土质承载力的差异,只能根据经验取一个均值代入计算,结果经常出现较大偏差,带来工程的安全性问题。黄传志教授通过数十年工程实践和悉心研究发现,岩土极限平衡理论中隐含一个重要的定理:符合工程极限状态设计原则的应力状态必满足屈服函数的极值条件,并据此建立了广义极限平衡法,使工程设计计算更科学、更完善,其结果也更可靠,适用范围更广。

根据黄传志教授的广义极限平衡理论,中交天津港湾工程研究院李树奇院长组织开发了“港口工程地基计算系统2008版”,通过了交通运输部的鉴定和天津市软件评测中心测评,已在我国水运工程设计施工中全面推广应用。李树奇院长等发明的“具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术方法”已经在多项工程中应用,验证了黄传志教授的广义极限平衡理论的正确性。

突破建港“禁区”:揭示粉沙质海岸和岛群地区泥沙运动规律

我国华东、华北海岸线上散落分布的大量粉沙质海岸,长期以来是港口建设的空白点,过去教科书上都是所谓的建港“禁区”。“2003年在黄骅港,我们曾吃了巨亏,挖好的深水航道一夜之间被淤平,泥沙迅速板结成‘铁板沙’,船舶困在港内,煤炭运不出去,业主非常焦急。”时任交通部天津水运工程科学研究所所长、现任交通运输部科技司司长赵冲久说。

这是由于当时没有认识到粉沙质海岸“泥沙骤淤”的产生机理,误把黄骅的粉沙质海岸当作天津港的淤泥质海岸来对待,没有采取相应的防沙减淤措施所致。

经赵冲久和天科所杨华主任等人的潜心研究发现,岸滩物质的中值粒径介于0.03—0.1mm的海岸应单独界定为粉沙质海岸。其在大风浪天气下,具有特殊的近底高浓度含沙水体层的泥沙运动现象。

赵冲久、杨华等认为,粉沙质海岸的泥沙特别容易起动和沉降,波浪一旦减弱,泥沙就会沉淀淤积,造成航道骤淤。在揭示了骤淤机理的基础上,他们在世界上首次创立了粉沙质泥沙运动的“三层模式理论”,开发了相应的计算模型,与神华黄骅港务公司、中交一航院、中交水规院研究确定了黄骅港最终建成双堤环抱式布置的防沙堤措施。

建设洋山深水港是我国建设上海国际航运中心的重要战略决策。而在远离大陆、强潮流、高含沙海域,依托大小洋山岛礁群地形建设深水港,会不会因这封堵汊道、填海成陆而改变海域原本的边界条件,造成泥沙大量淤积?在洋山同盛港口建设公司、中交三航院的支持下,针对岛群中建港水动力关键技术问题,赵冲久与杨华等人研究出一种淤积计算方法,用“封堵汊道、归顺水流、减少淤积、安全靠泊”16字基本原则有效地指导了洋山港选址和建筑物布局,是国内外建港史上独创。

保障港口安全:优化总体设计

离岸开敞海域的风、浪、流等动力条件较强,尤其是船舶的系泊和港口水陆域安全一直是港口工程界的突出难题。子课题负责人、全国水运工程勘察设计大师、中交水运规划设计院院长张志明与大连港集团、大连理工大学联合完成了离岸深水港码头泊稳条件关键技术研究,解决了多因素下码头泊稳计算和作业标准问题,提出适合我国港口情况的以船舶6个运动量表示的作业标准,有效指导了船舶安全装卸作业,提高了码头作业的安全性和装卸效率。提出的码头长度优化设计方法,可缩短码头长度20%—30%,节省了宝贵的岸线资源。

在唐山港口实业集团的支持配合下,南京水利科学研究院左其华副院长、张金善主任等人主持完成了风暴潮对港口水陆域及航道安全影响,提出了风暴潮增水和波高的二维复合分布模式和风暴潮作用下平均越浪量和浮托力计算公式,为确定港口陆域合理高程提供了科学的依据。

“船舶大型化的发展,导致航道越来越宽、越深,我们按照以往传统方法去设计这个航道,是否安全需要进行科学的论断。”子课题负责人、全国工程勘察设计大师、中交水运规划设计院总工程师吴澎说,“我们联合武汉理工大学、大连海事大学,通过开展船舶操纵模拟试验和实船观测,并对比国外的设计方法和研究成果,发现了传统设计方法中的一些问题,完善了深水航道设计主要参数的确定方法,保证了大型船舶的航行安全。还与大连理工大学联合开展了港口航道通过能力分析研究,提出了基于港口服务水平体系指标的航道通过能力分析方法,为深水航道合理确定建设规模,提高运营效率奠定理论基础。”

(本文章摘自4月16日《科技日报》)