每經(jīng)記者 張蕊    每經(jīng)編輯 陳旭    

大橋中間的橋墩要承受50萬(wàn)噸的荷載，幾十年后的沉降量是多少？能否滿足建造條件？

港口防波堤在臺(tái)風(fēng)天氣能承受多大的臺(tái)風(fēng)浪？防浪建筑物應(yīng)該滿足什么樣的建造條件？海上風(fēng)電單樁應(yīng)該采取怎樣的防護(hù)措施……

今年是黨中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)實(shí)施《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》5周年。近日，《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱“天科院”）參加“交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)”主題采訪時(shí)，實(shí)地探訪了一批科研重大設(shè)施，也圍繞上述問(wèn)題向有關(guān)專家探尋答案。

探訪期間記者了解到，未來(lái)海底懸浮隧道有望解決深大海峽的跨海通行問(wèn)題；三峽水運(yùn)新通道的布置方案正在通過(guò)物理模型試驗(yàn)進(jìn)行精細(xì)化研究，預(yù)計(jì)新通道2025年具備正式開工條件。

波流共同作用下懸浮隧道整體水彈性試驗(yàn) 圖片來(lái)源：天科院

懸浮隧道已取得多項(xiàng)科研成果

在懸浮隧道試驗(yàn)水池旁，工作人員向記者介紹了目前海底懸浮隧道的科研進(jìn)展。

什么是懸浮隧道？懸浮隧道又稱阿基米德橋，是利用浮力原理懸浮在水中的一種大型交通結(jié)構(gòu)建筑物，是繼跨海大型橋以及海底沉管隧道后，又一種未來(lái)交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)中能夠?qū)崿F(xiàn)深海峽灣通行的交通方式。

之所以說(shuō)是面向“未來(lái)”，是因?yàn)閼腋∷淼赖母拍钜呀?jīng)提出40多年，但目前尚未有建成的先例。《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者在現(xiàn)場(chǎng)了解到，懸浮隧道的研究是一個(gè)世界級(jí)難題，它集合了海洋工程、橋隧工程、巖土工程、材料工程等幾大領(lǐng)域中最難的點(diǎn)。

記者了解到，目前懸浮隧道有三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題需要解決：第一個(gè)是復(fù)雜的海洋環(huán)境下如何保證隧道平穩(wěn)減少晃動(dòng)；第二個(gè)是在車輛和波流長(zhǎng)期循環(huán)荷載下如何保證結(jié)構(gòu)材料不發(fā)生疲勞破壞；第三個(gè)是能否在颶風(fēng)浪、海嘯、地震、意外撞擊作用下保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，不被摧毀。

天科院懸浮隧道研究實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人、研究員陽(yáng)志文對(duì)《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者表示，懸浮隧道適合在深水域、長(zhǎng)跨度的海峽中建設(shè)，而短跨、淺的地方可以建橋或沉管隧道，比如港珠澳大橋和深中通道。

以瓊州海峽為例，不管是傳統(tǒng)的建跨海大橋還是沉管隧道，難度都非常大。“海水太深，建橋就要建特別深的樁基，而深海樁基本身的安全性、穩(wěn)定性都存在問(wèn)題，還有被船撞的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)橋梁還要面臨大風(fēng)大霧影響。”陽(yáng)志文解釋，沉管隧道除了要面臨深海水壓的考驗(yàn)以外，施工和建設(shè)難度也很大，建設(shè)成本非常高。

懸浮隧道實(shí)驗(yàn)室 每經(jīng)記者 張蕊 攝

他舉例說(shuō)，港珠澳大橋有6.8公里的海底建設(shè)部分，其沉管接口精度要求是厘米級(jí)的，每一節(jié)沉管在海底承受的重量在8萬(wàn)噸左右，相當(dāng)于一艘航母的重量，這些沉管的預(yù)制、運(yùn)輸以及基礎(chǔ)處理的成本都非常高。

但如果未來(lái)能夠攻克海底懸浮隧道理論體系和關(guān)鍵技術(shù)，綜合建設(shè)成本就有望下降。

記者在現(xiàn)場(chǎng)了解到，目前針對(duì)懸浮隧道，天科院的研究成果包括：明確了復(fù)雜懸浮隧道的工作原理、構(gòu)建了較為完備試驗(yàn)系統(tǒng)與分析方法、建立了短跨懸浮隧道的總體設(shè)計(jì)方法，支撐了我國(guó)首套完整懸浮隧道設(shè)計(jì)與施工方案的提出。

后續(xù)的研究將聚焦于深大海峽超長(zhǎng)跨懸浮隧道的設(shè)計(jì)與分析方法，形成具有我國(guó)海峽特色的設(shè)計(jì)理論與標(biāo)準(zhǔn)體系，有關(guān)的數(shù)值分析與試驗(yàn)研究工作正在有序進(jìn)行中。

正對(duì)三峽新通道選址方案進(jìn)行優(yōu)化

在距離懸浮隧道模型不遠(yuǎn)的地方，就是三峽樞紐水運(yùn)新通道整體物理模型。整個(gè)模型面積大約4500平方米，模型幾何比尺為1：100，共模擬三峽大壩上下游河段約14.5公里。

三峽樞紐是目前世界上最大的水利樞紐工程，在航運(yùn)方面，三峽樞紐的建設(shè)顯著改善了宜昌至重慶660公里航道的通航條件，萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)可直達(dá)重慶港。為了滿足船舶過(guò)壩需要，三峽樞紐目前有雙線五級(jí)船閘和升船機(jī)兩類通航建筑物。

每經(jīng)記者在現(xiàn)場(chǎng)了解到，三峽船閘自2003年運(yùn)行以來(lái)，由于上游經(jīng)濟(jì)發(fā)展加上水運(yùn)需求釋放，在雙重力量的帶動(dòng)下過(guò)閘量持續(xù)快速增長(zhǎng)，到2011年貨運(yùn)量首次突破1億噸，提前19年達(dá)到規(guī)劃運(yùn)量，目前2019年有效數(shù)據(jù)顯示，年過(guò)閘量達(dá)到1.4億噸，已經(jīng)大大超出三峽升船機(jī)和船閘的通過(guò)能力。三峽樞紐過(guò)壩能力不足已成為重慶水運(yùn)事業(yè)發(fā)展的瓶頸，對(duì)地區(qū)的綜合運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展和區(qū)域經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了不利影響。

天科院內(nèi)河港航研究中心負(fù)責(zé)人、研究員張明進(jìn)介紹，近年來(lái)，船閘管理部門盡管采取了多種積極措施挖掘現(xiàn)有船閘潛力，但現(xiàn)有挖潛最多只能達(dá)到1.7億~1.8億噸左右的能力。而根據(jù)相關(guān)單位的最新研究成果，到2035年，預(yù)計(jì)三峽船閘通過(guò)貨物需求將達(dá)到2.2億噸以上。在這樣的背景下，研究三峽水運(yùn)新通道顯得極為迫切。

三峽樞紐水運(yùn)新通道整體物理模型 每經(jīng)記者 張蕊 攝

“水運(yùn)通道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究”是天科院承接的另一項(xiàng)交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)試點(diǎn)任務(wù)。記者了解到，三峽樞紐是全球規(guī)模最大和技術(shù)難度最高的樞紐，天科院全面參與了樞紐建設(shè)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)研究，為船閘的高效運(yùn)行提供技術(shù)支撐，目前正在開展三峽水運(yùn)新通道的相關(guān)研究工作。

張明進(jìn)表示，新通道的位置選址在現(xiàn)有五級(jí)船閘的左側(cè)。“目前，我們這個(gè)模型主要研究新通道船閘線路布置、船閘進(jìn)水方式、通航條件以及新通道船閘與現(xiàn)有船閘和升船機(jī)的相互影響等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。”

采訪期間，模型試驗(yàn)人員啟動(dòng)了一艘萬(wàn)噸級(jí)的船舶模型，可以見到船舶正緩緩向前駛?cè)氪l。張明進(jìn)介紹說(shuō)，在此過(guò)程中，除了觀測(cè)船舶的航行狀態(tài)外，還需要模型上布置的眾多儀器設(shè)備進(jìn)行水位、流速等水流條件測(cè)量，同時(shí)還要利用無(wú)人機(jī)來(lái)捕捉現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的流場(chǎng)情況等。

智慧化融入每一項(xiàng)試點(diǎn)任務(wù)

在調(diào)研中，令記者印象極為深刻的是科研設(shè)施的智慧化水平。

天科院院長(zhǎng)戴明新對(duì)《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者表示，該院大部分實(shí)驗(yàn)室都是面向?qū)嶋H應(yīng)用、面向具體工程的。“因?yàn)槲覀兎?wù)于行業(yè)，行業(yè)本身正致力于發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力，比如行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，綠色化、智慧化發(fā)展，行業(yè)的發(fā)展需要技術(shù)支撐，我們也正在布局。”

天科院副院長(zhǎng)馮小香向記者介紹，在水運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施的綠色智慧安全發(fā)展領(lǐng)域，天科院布置了三項(xiàng)交通強(qiáng)國(guó)試點(diǎn)任務(wù)，雖然沒有單獨(dú)把“智慧”拿出來(lái)，但是智慧化融入了每一個(gè)任務(wù)。

走過(guò)一部螺旋狀樓梯，記者一行來(lái)到了一座船舶操作模擬器。這是一座360度的模擬器，四周環(huán)繞著一圈電子屏幕，顯示著船舶前后及航道兩岸的實(shí)景。

船舶仿真模擬器正進(jìn)行惡劣天氣下的仿真模擬試驗(yàn) 每經(jīng)記者 張蕊 攝

馮小香告訴《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者，目前屏幕上顯示的是在三峽水運(yùn)新航道上模擬船舶航行的畫面，兩岸的地形景觀，比如建筑物、工程結(jié)構(gòu)、河道內(nèi)的地形等都是根據(jù)拍攝實(shí)景按比例制作成的真實(shí)3D影像。該船舶仿真模擬器可以模擬內(nèi)河、沿海等水運(yùn)工程里的所有場(chǎng)景。比如模擬在渤海灣的30萬(wàn)噸級(jí)、40萬(wàn)噸級(jí)超大型船舶，在夜航或者復(fù)雜通航環(huán)境下能不能安全進(jìn)出港。

馮小香提到，船舶能否順利進(jìn)出三峽水運(yùn)新通道的引航道，能否順利待閘，需要通過(guò)反復(fù)的船舶仿真模擬試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行模擬和研究。主要是對(duì)船舶不同極端或復(fù)雜通航工況下航行狀態(tài)進(jìn)行模擬，看船舶能否順利通過(guò)研究河段。

天科院通航保障中心負(fù)責(zé)人、研究員馬殿光告訴記者，國(guó)外其他機(jī)構(gòu)也有船舶仿真模擬器，但天科院的模擬器是基于真實(shí)風(fēng)浪流來(lái)對(duì)通航環(huán)境進(jìn)行模擬，能夠精確反映通航船舶在通航環(huán)境中的航行狀態(tài)。比如風(fēng)的模擬，能夠達(dá)到10米尺度高精度模擬，風(fēng)速風(fēng)向精度也是國(guó)際先進(jìn)水平，水流流速誤差小于0.1米/秒，這樣模擬出來(lái)的場(chǎng)景就非常接近將來(lái)工程建完后的真實(shí)情況。

“不僅如此，我們?cè)谄聊簧峡吹絻蓚?cè)還有其他一些船舶。”他指著屏幕上對(duì)面駛過(guò)來(lái)的兩艘船說(shuō)道，“這兩艘船會(huì)跟我們這艘船交會(huì)，這兩艘船的行駛軌跡目前正在另外兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)由資深船長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)操控，所以它是一個(gè)真實(shí)的會(huì)遇模擬。我們?cè)谡鎸?shí)通航環(huán)境以及高精度預(yù)報(bào)的通航環(huán)境中，能夠同時(shí)進(jìn)行11艘區(qū)域通航模擬，目前國(guó)內(nèi)只有我們能做到，這也是這個(gè)模擬器的特點(diǎn)之一。”

封面圖片來(lái)源：每經(jīng)記者張蕊攝