大橋中間的橋墩要承受50萬噸的荷載，幾十年后的沉降量是多少？能否滿足建造條件？
港口防波堤在臺風(fēng)天氣能承受多大的臺風(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)該采取怎樣的防護措施……
今年是黨中央、國務(wù)院印發(fā)實施《交通強國建設(shè)綱要》5周年。近日，《每日經(jīng)濟新聞》記者在交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究院（以下簡稱“天科院”）參加“交通強國建設(shè)”主題采訪時，實地探訪了一批科研重大設(shè)施，也圍繞上述問題向有關(guān)專家探尋答案。
探訪期間記者了解到，未來海底懸浮隧道有望解決深大海峽的跨海通行問題；三峽水運新通道的布置方案正在通過物理模型試驗進行精細化研究，預(yù)計新通道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 圖片來源：天科院
懸浮隧道已取得多項科研成果
在懸浮隧道試驗水池旁，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，又一種未來交通強國建設(shè)中能夠?qū)崿F(xiàn)深海峽灣通行的交通方式。
之所以說是面向“未來”，是因為懸浮隧道的概念已經(jīng)提出40多年，但目前尚未有建成的先例�！睹咳战�(jīng)濟新聞》記者在現(xiàn)場了解到，懸浮隧道的研究是一個世界級難題，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。
記者了解到，目前懸浮隧道有三個關(guān)鍵技術(shù)難題需要解決：第一個是復(fù)雜的海洋環(huán)境下如何保證隧道平穩(wěn)減少晃動；第二個是在車輛和波流長期循環(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)強度，不被摧毀。
天科院懸浮隧道研究實驗室負責(zé)人、研究員陽志文對《每日經(jīng)濟新聞》記者表示，懸浮隧道適合在深水域、長跨度的海峽中建設(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�！昂Ｋ�，建橋就要建特別深的樁基，而深海樁基本身的安全性、穩(wěn)定性都存在問題，還有被船撞的風(fēng)險，同時橋梁還要面臨大風(fēng)大霧影響�！标栔疚慕忉專凉芩淼莱艘媾R深海水壓的考驗以外，施工和建設(shè)難度也很大，建設(shè)成本非常高。
懸浮隧道實驗室 每經(jīng)記者 張蕊 攝
他舉例說，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的，每一節(jié)沉管在海底承受的重量在8萬噸左右，相當(dāng)于一艘航母的重量，這些沉管的預(yù)制、運輸以及基礎(chǔ)處理的成本都非常高。
但如果未來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)場了解到，目前針對懸浮隧道，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)建了較為完備試驗系統(tǒng)與分析方法、建立了短跨懸浮隧道的總體設(shè)計方法，支撐了我國首套完整懸浮隧道設(shè)計與施工方案的提出。
后續(xù)的研究將聚焦于深大海峽超長跨懸浮隧道的設(shè)計與分析方法，形成具有我國海峽特色的設(shè)計理論與標(biāo)準(zhǔn)體系，有關(guān)的數(shù)值分析與試驗研究工作正在有序進行中。
正對三峽新通道選址方案進行優(yōu)化
在距離懸浮隧道模型不遠的地方，就是三峽樞紐水運新通道整體物理模型。整個模型面積大約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，萬噸級船隊可直達重慶港。為了滿足船舶過壩需要，三峽樞紐目前有雙線五級船閘和升船機兩類通航建筑物。
每經(jīng)記者在現(xiàn)場了解到，三峽船閘自2003年運行以來，由于上游經(jīng)濟發(fā)展加上水運需求釋放，在雙重力量的帶動下過閘量持續(xù)快速增長，到2011年貨運量首次突破1億噸，提前19年達到規(guī)劃運量，目前2019年有效數(shù)據(jù)顯示，年過閘量達到1.4億噸，已經(jīng)大大超出三峽升船機和船閘的通過能力。三峽樞紐過壩能力不足已成為重慶水運事業(yè)發(fā)展的瓶頸，對地區(qū)的綜合運輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展和區(qū)域經(jīng)濟帶來了不利影響。
天科院內(nèi)河港航研究中心負責(zé)人、研究員張明進介紹，近年來，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)計三峽船閘通過貨物需求將達到2.2億噸以上。在這樣的背景下，研究三峽水運新通道顯得極為迫切。
三峽樞紐水運新通道整體物理模型 每經(jīng)記者 張蕊 攝
“水運通道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究”是天科院承接的另一項交通強國建設(shè)試點任務(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)過程中的關(guān)鍵技術(shù)研究，為船閘的高效運行提供技術(shù)支撐，目前正在開展三峽水運新通道的相關(guān)研究工作。
張明進表示，新通道的位置選址在現(xiàn)有五級船閘的左側(cè)�！澳壳�，我們這個模型主要研究新通道船閘線路布置、船閘進水方式、通航條件以及新通道船閘與現(xiàn)有船閘和升船機的相互影響等關(guān)鍵技術(shù)問題�！�
采訪期間，模型試驗人員啟動了一艘萬噸級的船舶模型，可以見到船舶正緩緩向前駛?cè)氪l。張明進介紹說，在此過程中，除了觀測船舶的航行狀態(tài)外，還需要模型上布置的眾多儀器設(shè)備進行水位、流速等水流條件測量，同時還要利用無人機來捕捉現(xiàn)場試驗的流場情況等。
智慧化融入每一項試點任務(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。
天科院院長戴明新對《每日經(jīng)濟新聞》記者表示，該院大部分實驗室都是面向?qū)嶋H應(yīng)用、面向具體工程的。“因為我們服務(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�！�
天科院副院長馮小香向記者介紹，在水運基礎(chǔ)設(shè)施的綠色智慧安全發(fā)展領(lǐng)域，天科院布置了三項交通強國試點任務(wù)，雖然沒有單獨把“智慧”拿出來，但是智慧化融入了每一個任務(wù)。
走過一部螺旋狀樓梯，記者一行來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景。
船舶仿真模擬器正進行惡劣天氣下的仿真模擬試驗 每經(jīng)記者 張蕊 攝
馮小香告訴《每日經(jīng)濟新聞》記者，目前屏幕上顯示的是在三峽水運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)拍攝實景按比例制作成的真實3D影像。該船舶仿真模擬器可以模擬內(nèi)河、沿海等水運工程里的所有場景。比如模擬在渤海灣的30萬噸級、40萬噸級超大型船舶，在夜航或者復(fù)雜通航環(huán)境下能不能安全進出港。
馮小香提到，船舶能否順利進出三峽水運新通道的引航道，能否順利待閘，需要通過反復(fù)的船舶仿真模擬試驗來進行模擬和研究。主要是對船舶不同極端或復(fù)雜通航工況下航行狀態(tài)進行模擬，看船舶能否順利通過研究河段。
天科院通航保障中心負責(zé)人、研究員馬殿光告訴記者，國外其他機構(gòu)也有船舶仿真模擬器，但天科院的模擬器是基于真實風(fēng)浪流來對通航環(huán)境進行模擬，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，能夠達到10米尺度高精度模擬，風(fēng)速風(fēng)向精度也是國際先進水平，水流流速誤差小于0.1米/秒，這樣模擬出來的場景就非常接近將來工程建完后的真實情況。
“不僅如此，我們在屏幕上看到兩側(cè)還有其他一些船舶�！彼钢聊簧蠈γ骜傔^來的兩艘船說道，“這兩艘船會跟我們這艘船交會，這兩艘船的行駛軌跡目前正在另外兩個實驗室內(nèi)由資深船長進行實時操控，所以它是一個真實的會遇模擬。我們在真實通航環(huán)境以及高精度預(yù)報的通航環(huán)境中，能夠同時進行11艘區(qū)域通航模擬，目前國內(nèi)只有我們能做到，這也是這個模擬器的特點之一�！�
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