中国水运史上最大工程:清出的淤泥可以绕地球8圈

  出品|网易新闻

  作者|须臾千秋,清华大学土木工程博士

  远洋航行的巨轮,吃水深度常常有几米甚至十几米,这放在有几千米深的海洋里自然是穿梭自如,可是船终究要靠岸,一旦进入近海、江河、湖泊等近岸地区,这里水深相当浅不说,并且还富于变化,这可怎么办?

  人们想到了一个办法,那就是开挖出可供船只航行的、水深足够的区域作为通航水域,这便是航道。

中國水運史上最大工程:清出的淤泥可以繞地球8圈

  (一)长江口深水航道:世界上最大、最复杂的河口整治工程

  在水中开挖出“道路”并不简单,尤其是大型航道的修建,不仅工程量大,而且水下的环境时时受水流影响,不易控制,此外,航道的建设绝非一劳永逸,水流会不停地带来泥沙,需要长期的监测和定时清理。

  但是,考虑到航运的效率极高,所以航道的修建对于经济的贡献是巨大的。从1998年开始一直持续到今天的长江口深水航道工程,显著地提升了长江的通航能力和通航效率,将长江打造为了中国重要的运输大动脉,进而加快了整个长江中下游的发展步伐。

  长江口深水航道的整治难度是史无前例的。

  首先,凡是有一定含沙量的河流,在入海口处都会有“拦门沙”,河口的拦门沙并不是一成不变的,而是随着江水的流动,不断堆积与流失形成的动态平衡系统。这使得长江口的沙滩始终冲淤不定,水势复杂多变。在这种环境下,传统的清淤装备和工艺都不适用,工程实施起来风险性极高,施工难度是空前的。

  其次,作为世界上最大的河口,长江口的分汊河口更是给工程师们出了难题。河流是动态的,而施工还会改变这种动态。这么长的河道整治,先修哪儿,修多长,都会带来江水流量、流速的改变,进而影响后续的工作。

  此外,航道的建设历来是一项大工程。英国的塞纳河整治到13.6米水深,耗时45年。美国的密西西比河航道整治到13.7米深,耗时160年。而中国人则要在12年内完成这样的壮举。

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  (长江口深水航道示意图)

  (二)3.2亿立方米的基建性疏浚土,堆成土堆可以绕地球8

  大江入海的通道从不通畅。每年,从上游奔流而下的4.8亿吨泥沙在长江口淤积,形成了约60公里的浑浊浅滩。这些拦河沙将长江的入海口层层分叉,让长江口呈现了四口入海的态势。但即使是这四个入海口,也是“里外深,中间浅”,拦门沙极其顽固地阻塞着航道。

  从1978年开始,中国每年都对长江口航道进行疏浚。但由于财力和技术都十分有限,只能将水深勉强维持在7米。

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  (常见的集装箱船尺寸极大,甲板上的人只是几个小像素点)

  这意味着,2.5万吨以上的海轮只能停在外海,无法通过长江口进入上海港。然而,国际通用的集装箱船已经普遍达到了5-10万吨,这意味着长江拦门沙将绝大多数的商船都拦在了国门之外,严重制约了国家的经济发展。

  1998年1月,长江口水道治理工程正式开始,主要工程分三期实施,计划分阶段将航道水深增深到8.5米、10米和12.5米。

  然而,对于长江口这个特殊地点来说,将航道向下挖深5.5米谈何容易?淤泥刚挖出,新的泥沙马上随江水涌进,周而复始,没有穷尽。

  清淤过程中,多学科科研人员联合攻关,创建了考虑径流、潮流、波浪和盐水等多因素共同作用的全沙数学模型、航道回淤预测数学模型,开发了软粘土地基在波浪重复荷载作用下软化的加固处理技术等,借此科学有序地完成清淤工作,到2010年3月,全长92.21公里、底宽350-400米的12.5米深水道全线贯通,从此,5万吨级船舶可以全天候通航,20万吨级巨轮也可以乘潮通航,长江的“江海联运”真正得以实现。

  有人统计过,从河口挖出的3.2亿立方疏浚土如果按照1立方米的土堆依次排列,可整整绕地球8圈。

  (三)工程量巨大,开发研制了多项创新技术和设备

  前面已经提到,长江口深海航道建设是一项工程量巨大、建设难度极高的水运工程,任务实施过程中,多项技术和设备都是专门针对这一工程而研制出来的。

  1、大堤:新开发半圆型沉箱防波堤解决工程量大、缺少石料问题

  水无常形。在天然河流中,水与河道都在不停地改变,无论是深浅还是走向。为了稳定或改善河势,人们会修建堤坝、护岸等建筑物,使得航道固定下来。这样的建筑物被称为河道整治建筑物。

  这些建筑物是治理工程的关键,其中航道两侧固定航道的斜坡堤尤为重要。一般来说,在斜坡堤中,通常会采用大量的石块来构成主体。既施工方便,又具有很强的适应能力和变形能力。但是,长江口航道工程量实在太过巨大,而周围又缺少石料来源,抛石结构的成本无法承担。

  因此,工程中采用了当时最新开发的新型防波堤结构。这种结构的下部是抛石基床,上部则是半圆形的混凝土预制壳。这种壳体堤坝重量轻,节省材料。运输时可以浮在水面上,轻松运输就位;到现场之后引水灌入,让壳体沉下。这种堤巧妙地利用了曲形表面,能够有效地消除海浪,抗波性能极好。

  利用这种新型堤坝,工程有效地节约了资金并缩短了工期,同时还将工程质量提高了。

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  (半圆体堤,表面布孔也有助于消除波浪)

  2、定位和测量:大胆启用GPS卫星解决水上大范围测量控制难题

  任何土木工程的实施都需要精确的定位和测量。对于普通的建筑,工程师们只需要在陆地上架设测量仪器就可以进行精准定位,但航道工程距离陆地有5公里远,根本无法使用常规的测量手段进行工程测量。

  在1998年,GPS定位还是个新鲜事,在国内的使用更是少之又少。上海航道局与同济大学测量系合作,经过两个多月的科研攻关,成功地运用了GPS卫星定位系统,建立了航道工程的控制网。这项科研成果一举解决了远离陆地的水上大范围测量控制的难题,为21世纪大型航道修建工程积累了宝贵的技术财富。

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  (长江口深水航道一期工程GPS控制网,图片来自《长江口深水航道治理整治建筑物施工与关键技术研究》. 曹根祥)

  除了建筑物工程的测量外,GPS也被用于进行水下地形的测量,服务于航道的疏浚工作。

  由同济大学支持开发的水下三维坐标测量技术,运用GPS,结合常规方法同步采集的测深数据进行分析处理后,CAD可以自动绘制水下地形图,整个过程完全自动化,无需人工干预。在长江口航道项目中,大胆尝试的工程师们开始尝到了信息技术为工程带来的便利。

  3、工程设备:研制专用船机设备克服工程量巨大难题

  讨论长江口航道工程,任何时候都离不开工程量的问题,许多本来简单的工程面对如此巨大的工程量都变得困难起来。要克服如此巨大的工程量,靠落后设备和人海战术必然是要失败的。因此在开工之前,工程方面就开始研制各项工程所需的专用船机设备。

  由于海上工程量巨大,并且可以借助水的浮力进行运输和操作,因此相比起陆地上几吨、几十吨的工程设备,海洋工程专用的船机设备基本都是上千吨的巨无霸。

  首先是软体排铺设船。所谓“软体”,是大面积的、相互柔性联结的混凝土块。它们铺设在土堤上,既能固定土堤的形状,防止被水冲散;同时又有较强的变形能力,不容易破碎、失效。

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  (混凝土软体排的铺设)

  在长江口航道工程中,项目部共投入使用了5艘专用软体排铺设备,排水量高达1500-3000吨。它们每天共可铺排三万平方米的混凝土软体排,相当于4个足球场的面积。

  航道的修筑还离不开最基本的抛石。石料能稳稳地压住航道,防止水流的冲击变形。工程采用的抛石机也是个巨无霸。它每天能抛石1500立方米,全自动化操作。

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  (工程使用的长专5号抛石船,长72米,宽25.4米,吃水3.5米,排水量超过5000吨)

  为了吊装堤坝所用的动辄数百吨重的水泥块体,工程专门研制了专用的各种吊具

  据统计,仅一期工程需要安装的大型水泥块体就达到了2800个。考虑到长江口恶劣的环境,减少潜水员危险的水下作业,工程研发出了多种自动生钩、脱钩的液压吊具。这些吊具的吊装能力达到200吨,可以独自吊起整块坝体。

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  (200吨自动化液压吊具)

  有了这些大型自动化机械的助力,长江口航道的建设没有使用危险性大、效率低下的“人海战术”,而是实现了以机械化为主,不用“蛮力”,而是发挥人的智力。这在二十多年前的当时是一种非常具有开创性的施工思想,也给后来的工程留下了机械化施工的宝贵经验。

  此外,长江口是一个对生态十分敏感的水域,有着独特的生态系统,一旦遭到严重破坏,恢复起来必将是艰难而漫长的过程。

  施工中通过环境影响评价、航道疏浚工程抛泥区选划、在工程实施中对施工和营运期的水质、生态环境、渔业资源进行监测,并且承担和资助了长江口的水生生态系统修复工程,工程中使用的半圆型沉箱防波堤的中空结构和孔洞也可以很好地为各种水生生物提供庇护和生存空间。这一系列都保证了深水航道工程实施对生态的影响尽量减到最小。

  结语

  时至今日,长江口航道工程仍在不断地向上游延伸,这意味着在不远的将来,大型航船可以更多地利用长江这一天然水道,直接运输货物到上游的苏州,南京甚至更远,运输成本将会一降再降。长江这条孕育文明的大江,正在中国工程师们的智慧中迸发新的活力。

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  编辑| 史文慧

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