科技动态▏天科院港口水工建筑技术国家工程实验室建设纪实
澜沧江—湄公河航道二期整治工程前期工作中国、缅甸、老挝、泰国四国审查会议
10月23日，港珠澳大桥正式开通。交通运输部天津水运工程科学研究院（简称天科院）港口水工建筑技术国家工程实验室（简称港口水工实验室）积极参与大桥岛隧工程建设，从前期海床演变分析研究、人工岛及桥墩局部动床冲刷物理模型试验，到中后期钢圆筒施工期局部动床物理模型试验，沉管安放基槽回淤监测与分析预报研究工作，都付出了艰辛劳动与智慧结晶。
近日，港口水工实验室通过国家发展和改革委验收。据天科院副院长兼总工程师、实验室主任张华庆介绍，实验室围绕港口大型化、深水化、专业化码头建设和老码头安全运行需求，在港口航道防淤减淤、水下深厚软土地基处理、深水码头防波堤建造、老码头升级改造及安全评估等取得诸多技术突破，为港珠澳大桥岛隧工程、长江口深水航道等国家重大水运工程建设和天津港、黄骅港、上海洋山深水港等港口航道安全运营提供了科技支撑，服务交通运输行业创新、协调、绿色、开放、共享发展。
天科院院长、实验室管理委员会主任张华勤表示，港口水工实验室的成功建设，得益于国家发展和改革委、交通运输部等主管部门的指导和支持，得益于天津大学、中交第一航务工程勘察设计院、中交第一航务工程局、天津港（集团）有限公司等实验室共建单位的协作和配合。实验室组建了行业领先、专业结构合理的创新团队，建立了产学研用协同创新机制，实施科研领先工程和“走出去”战略。实验室开展了重大工程关键技术问题科技攻关和行业发展前瞻性问题研究，破解了复杂河口深水航道淤积、跨海通道隧道基槽回淤监测预报、大比尺波浪水槽试验模拟等重大关键技术问题，为“长江经济带”“一带一路”倡议和交通运输行业发展提供了支撑和保障。
为港珠澳大桥沉管安装预报泥沙淤积数据
海运业发展和港城关系协调需要技术突破
“港口是主要的货物集疏运枢纽，我国90%以上进出口物资要在沿海港口中转，进口原油、进口铁矿石95%以上由海运通过港口完成。”张华庆说，经过几十年的发展，我国港口建设技术总体上处于世界先进水平。港口水工实验室在水动力、泥沙、地基基础研究和港口建设等技术领域实力雄厚，技术出口至韩国、马来西亚等亚洲国家和南非、塞拉利昂等非洲国家。他指出：“国际海运业的发展和港城关系的协调，离岸深水港的建设和老旧码头更新改造及安全运营，都将提出新的技术要求。”
随着沿海港口的大规模建设，我国近岸建设深水港的优良港址越来越少，新建港口航道不得不选择在淤泥浅滩、水流条件复杂的大型河口、岛礁群等区域。近海区域滩涂资源丰富，但水深等自然条件较差，建设掩护条件良好、陆域广阔、运营安全的深水港较为困难，港口建设要面临航道淤积、水下深厚软粘土地基稳定性等问题。离岸深水港及深水防波堤建设，将会面临地质条件差、大风强浪造成施工条件恶劣，以及船舶通航和靠泊作业安全等问题。
随着国家对生态环境保护重视程度的提升，岸线成为重要的自然资源。为保护岸线、提高码头岸线使用率，对于老港区码头进行升级改造提高靠泊能力或恢复岸线开发旅游观光带，成为老港区发展和协调港城关系的重点。因此，对老港区码头改造和恢复岸线存在较大的技术需求。
据了解，使用年限超过30年的高桩码头在船舶撞击、作业荷载、海水侵蚀等条件作用下，基桩、横梁、面板等构件会存在损伤情况，影响结构安全运营。板桩码头的钢板桩及锚定结构锈蚀问题、重力式码头基床遭到水流冲刷基础稳定性问题等，都会影响码头安全运营。这就需要定期对结构物及地基基础进行检测、分析评估其安全性，对不安全情况采取加固措施，或对使用条件予以限制，以保证其安全运行。
10月10日，中央财经委员会第三次会议提出，要实施海岸带保护修复工程，建设生态海堤，提升抵御台风、风暴潮等海洋灾害能力。“海岸带资源丰富且生态环境敏感脆弱，既是高生产力地区，又是生态保护的重点区域。”天科院科技处处长赵洪波认为，协调海岸带开发与保护的关系，将是重要的科研方向。随着海洋强国建设的推进实施，我国将推进岛礁开发建设。岛礁地形复杂，波浪与防护工程研究是水工建筑领域一个崭新的课题。
随着我国经济的发展和对外投资的增加，我国参与建设的海外工程越来越多，阿联酋、意大利、斯里兰卡等国的港口建设都可见到中国人的身影。“印度洋风浪与太平洋风浪特征大不相同，建设斯里兰卡、孟加拉等国港口及其防波堤，要面临涌浪、长周期波等技术难题。”天科院海洋水动力中心主任陈汉宝研究员表示，随着“一带一路”倡议的推进实施，海外水运工程建设的诸多技术难题需要解决。
“港口航道建设诸多难题的解决，需要科研、设计、施工、使用单位紧密结合。”张华勤认为，港口水工实验室集科研、设计、施工、运营管理等单位于一体，通过开展科技研发解决港口水运工程建设技术问题，通过科技成果转化，为我国及海外水运工程建设和发展提供技术支持和保障。
港口水工建筑物全寿命周期健康监测运维平台
大比尺波浪水槽和土工离心机支撑科技创新
走进天科院临港基地，远远就看见一条长龙横卧在实验场上，这是国之重器、港口水工实验室核心设施之一——大比尺波浪试验水槽。
近年来，我国在远海珊瑚礁周围建设了码头、灯塔、通信、气象等基础设施。“珊瑚礁与周边深海水深差明显，距离珊瑚礁几百米左右，水深能够增大到数百米甚至上千米。”大比尺波浪水槽实验室副主任陈松贵博士说，这种地形上的波浪力量很强，必须建立坚固的防波堤。技术人员利用大比尺波浪水槽，通过水槽物理模型实验，掌握了岛礁波浪运动规律。
不仅如此，大比尺波浪水槽还可以模拟多种工程。据陈松贵介绍，大比尺波浪水槽自投入运行以来，完成新型双箱浮式防波堤结构稳定和消浪效果原型试验、恶劣水文条件下港口水工结构的破坏机理和设计参数优化研究、岛缘陡变地形与极浅水波浪冲击作用机理研究等10余项国家级省部级科研课题，引领了大比尺物理模型试验技术发展。
“港口水工实验室的另一个核心设施，是500g·t土工离心机。”天科院岩土中心副主任张宇亭博士说，该土工离心机目前是国内最大的，具有模型比尺大、实验精度高等特点，且配置国际先进的数据采集系统、开展动力离心模型试验的振动台以及3自由度加旋转的4轴机械手。
据介绍，土工离心模型试验作为一种可再现原型特性的试验方法，是目前最有效的研究岩土材料在复杂静、动应力下物理力学性能的手段，可以模拟建筑物在未来运行中可能发生的形变，助力解决我国水运工程领域的岩土工程问题。
张宇亭举例说，琼州海峡水深接近200米，建设海峡隧道存在施工安全风险，既有理论也面临诸多新问题和挑战。为此，天科院通过土工离心模型试验，研究高水压条件下开挖面稳定机理和合理支护压力设定标准，为琼州海峡隧道建设论证提供理论支撑。此外，土工离心机还可以为老旧码头安全运行提供保障。据了解，技术人员利用土工离心机，建立带缺陷桩高桩码头前承台等模型，研究桩身弯矩、结构位移等，并为老码头安全运营提供保障。
土工离心机
航道减淤及泥沙淤积预报技术保障水运工程建设
港珠澳大桥如蜿蜒巨龙跨越伶仃洋，在交通史上写下浓墨重彩的华章。大桥岛隧工程可谓在大海深处“穿针”，需要面临海洋泥沙回淤这个世界性工程难题。港珠澳大桥岛隧工程从设计阶段就考虑珠江口海底泥沙回淤，但是E15沉管安装时，隧道基床泥沙淤积超过标准值，工程被迫中止。
天科院临危受命，成功分析导致基槽发生异常淤积的泥沙来源，并建立沉管基槽“回淤预警预测系统”，提前7天预报泥沙淤积精度达到厘米级，为E15至E33共19个管节的沉管安放提供保障。“我们的泥沙淤积预报，是及时的、准确的、成功的。”天科院海岸河口工程研究中心主任杨华研究员自豪地介绍，该技术方法将进一步研发创新，推广应用到深中通道的工程建设中。
与之相呼应，在长江口深水航道建设这个水运交通重大工程中，天科院也立下汗马功劳。据了解，在深水航道三期工程中，建设方投入超过二期工程两倍的疏浚力量，把北槽航道从10米疏浚到12.5米。开挖过程中回淤量比原先预测大得多，航道增深至12.5米后，回淤却使水深一度徘徊在10米上下，回淤研究成了头等难题。
杨华回忆，他们与建设者及科研同行共同攻关，利用港口水工实验室港口航道防淤减淤研发平台，开展现场观测、室内试验、理论分析及数值模拟，研究来水来沙条件变化、河床演变、水沙输移等因素对长江口深水航道回淤的影响。
经过不懈努力，他们分析了南港、圆圆沙和北槽航道回淤的主要泥沙来源、常态回淤时空分布的主因，指明近期宜采取拦截南导堤越堤泥沙、远期采取调整口门方位优化水流结构的减淤思路。天科院的研究成果，与其他众多团队研究成果一起，为南导堤加高工程的决策、实施以及未来长江口深水航道治理思路提供了强有力的技术支撑。最终，长江口巨轮畅行，东方大港化茧成蝶，百年梦想，一朝梦圆。
众所周知，我国沿海地区泥沙构成复杂，优良的建港条件相对较少。许多港口坐落在粉沙质、淤泥质、多沙河口等泥沙运动活跃的海岸沿线，港口航道防淤减淤问题突出。作为国家级重点实验室，港口水工实验室在防淤减淤技术方面，开展了一系列的工作。
港口水工实验室研究黄骅港、京唐港等粉沙质海岸泥沙运动规律及工程应用；依托连云港港30万吨级航道、天津港复式航道等港口工程，对淤泥质海岸泥沙运动开展系统研究。总结多项研究成果，港口水工实验室研发人员研发了大气、波浪、潮流和径流全动力过程泥沙数值模拟系统，成果成功应用于滨州港、东营港等粉沙质海岸港口和长江口、鸭绿江河口、辽河口等多沙河口航道工程中。
依托重大、重点工程项目，天科院港口水工实验室在港口航道防淤减淤技术上开拓创新，取得了一批重大科研成果，解决了一批重大、重点工程项目的泥沙问题，为水运业的发展提供了科技支撑。
大比尺波浪水槽
水运技术标准“走出去”助力
“一带一路”沿线港口建设
伴随中国“一带一路”倡议的落地，我国参与了越来越多的海外工程建设，这就需要科研人员掌握更多印度洋、太平洋、大西洋等海洋水动力特征。
“全球水动力要素分析系统的建立，是重要的一步。”天科院海外部主任刘海成博士说，依据该系统，技术人员可以快速分析深水海域的海洋多要素条件包括风、浪、流、温、盐，重点研究全球海域台风特征及海上丝路涉及的海洋特征。目前，该系统已应用于国外港口、滨海电站及岛桥等项目建设中。
“孟加拉国吉大港海港建设，面临很多技术难题。”陈汉宝举例说，孟加拉湾海域地形独特，海洋洋流对海岸侵蚀明显，河口水流分叉多，泥沙运动更加复杂，防波堤、防沙堤建设更加困难。天科院凭借港口航道回淤研究成果、印度洋水动力分析成果及斯里兰卡防波堤建设经验，将助力孟加拉国吉大港海港建设。
不仅如此，天科院还为港口防灾减灾及安全运营提供技术支持。据了解，海上丝路涉及的我国南海、太平洋、北印度洋风暴灾害频发，严重影响沿岸城市的堤防、港口运营、人民生命财产安全。以孟加拉湾为例，该地区地势低平、海岸呈喇叭状，易受到海水入侵。这就需要研究海浪洋流运动规律及相互作用，进而为近岸涉海工程防灾减灾提供基础科学依据。
近年来，天科院港口水工实验室与水路绿色建设与灾害防治国际科技合作技术基地相配合，围绕“一带一路”海浪预报、风浪流耦合作用开展研究，并依托全球范围内的涉海工程项目，为工程建设论证及规划设计提供了可靠科研基础支撑。经过40多年发展，天科院已成为水运工程科研领域中国技术“走出去”的典范，犹如海上丝路的“定海神针”，为沿岸港口工程建设与发展带来和平与安宁。
瞄准悬浮隧道难题打造国际创新基地
“在交通强国建设征程中，我国将在特殊重大工程建设、交通通道能力提升等方面要攻克一批关键技术，这就需要充分发挥科技创新的支撑引领作用。”张华勤认为，当前和未来一个时期，交通运输水运基础设施建设和养护技术难度加大，建设、养护、管理和服务协调发展任务艰巨，这都提出了新的技术需求。
党的十九大报告提出“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”。“走向海洋是民族振兴、国家富强的必由之路。”张华勤表示，我国既是陆地大国，也是海洋大国，拥有广泛的海洋战略利益。目前，我国海洋事业总体上进入了历史上最好的发展时期，为我们建设海洋强国打下了坚实基础。助力建设海洋强国，港口水工实验室将加强应用技术研究，解决国家水运重大工程建设和“一带一路”沿线水运工程项目建设中遇到的难题。
目前，中交悬浮隧道工程技术研究组工作正稳步推进，天科院为悬浮隧道研究量身定制的试验水池也将启用，标志着悬浮隧道物理模型试验研究工作全面展开。据赵洪波介绍，天科院将参与8项核心专题工作，研发数值模拟技术和物理模型试验技术，构建悬浮隧道相关理论体系，为悬浮隧道的研发提供科学依据，提升重大工程技术领域的核心竞争力。
“悬浮隧道是未来一段时间的研究热点，代表着世界水工建筑领域的最高水平。”张华庆说，悬浮隧道是特大型跨海桥隧及海上构筑物的代表之一。未来，海上城市、海上机场等海上浮动建筑物，和悬浮隧道、海底隧道等海下建筑物会越来越多，而它们都要面临恶劣的水文泥沙环境。
港口水工实验室围绕提升特大型跨海桥隧、海上构筑物等工程建设的安全保障能力，重点研究精细化风浪流模拟预报技术，复杂环境中的水文、泥沙观测分析及灾害评估技术，深基槽泥沙淤积高精度预报技术和施工期相关保障技术等。
港口水工实验室致力于瞄准港口水工建筑技术世界前沿问题，加强基础性、前瞻性研究，引领科技前沿。港口水工实验室将进一步提升服务国家战略的能力，提高支撑交通运输行业发展的实力，引领国际港口工程领域技术发展，服务我国交通强国、海洋强国建设和国际港口工程建设技术发展。
文章来源：中国交通新闻网
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