进入21世纪以来，国际海洋运输船舶向大型化、专业化发展，但我国自然条件优良且适合建港的岸线绝大部分已被开发利用，大型专业化深水码头面临无处可建的困境。交通运输部“十一五”重大科技专项“离岸深水港建设关键技术研究”，通过开敞海域、岛群或人工岛建港等离岸深水港建设，破解资源环境制约，解决了外海恶劣自然条件下建设大型离岸深水港口的世界性难题，使我国具备了在外海建设港口和陆域基地的实力。近日，记者采访了“离岸深水港建设关键技术研究”项目负责人孙子宇——中国交通建设集团副总裁、总工程师，就项目取得的创新成果进行探讨。
记者：离岸深水港项目荣获了2013年度国家科技进步一等奖，是交通运输行业近年来取得最高科技奖项，可否介绍一下项目当时的立项背景？
孙子宇：为破解大型专业化深水码头无处可建的难题，2006 年，国务院颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006-2020）将离岸深水港与跨海湾通道、大型桥梁和隧道、大型海洋工程技术与装备及深海油气管线等交通基础设施建设关键技术及装备列为优先发展的主题项目。同时，交通运输部也将离岸深水港建设技术研究列入了《公路水路交通“十一五”科技发展规划》。
对于这一重大科技项目，众多科研单位表现了浓厚的兴趣，但是，为这一涉及面大、应用广、配套投入大的重大科技项目，选择一个合适的牵头单位并不容易。交通运输部协调多个科研单位后，确定由中国交建作为课题牵头单位。2006年12月，交通运输部科技司与中国交建正式签订了“十一五”重大科技攻关专项“离岸深水港建设关键技术研究”任务书。由交通运输部组织，中国交建牵头，院士领衔，联合行业内28 家科研、设计、施工、建设单位的247 名科技人员，开始了产、学、研、用联合攻关。该项目成为建国以来我国水运工程最大的技术开发项目。
记者：离岸深水港对于许多人来讲是一个陌生的概念，它的具体定义是什么？我国哪些港口可以算是离岸深水港？
孙子宇：离岸深水港中“深水”是目的，“离岸”是为达到深水的一种方法或手段。离岸深水港可建设于开敞海域、岛群或人工岛之中，也可建设长导堤，将码头延伸于深水区中，或通过建设长航道，来实现近岸港口的浅水深用。根据船舶大型化发展的趋势，离岸深水港的水深在15~20m以上。离岸深水港建设与传统在近岸建港不同，其水动力、地基等条件更为严峻，施工条件恶劣、环保要求高，自然就有更多的关键技术问题需要研究解决。
建设于开敞海域是指通过在海上建设靠系船墩，将码头建设在没有掩护的开敞海域，如大连港原油码头、LNG码头等；建设于岛群或人工岛之上是指将港口建设在外海深水的岛群上，或通过填海建设人工岛，并在其上建设港口，如洋山深水港；建设长导堤将码头延伸于深水区是指通过建设从岸边伸向深水区的长导堤，并在导堤上建设深水码头泊位，如青岛港的董家口码头等；建设长航道实现近岸港口的浅水深用是指通过建设可通航大型船舶的深水长航道，在近岸建设深水泊位，实现了岸线的浅水深用，如天津港、黄骅港等。
记者：国家提出要创新发展和转型发展，交通运输部也鼓励基础学科和应用技术研究领域的原始创新，离岸深水港项目的原始创新成果主要有哪些？
孙子宇：基础设施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，通过自主创新，形成关键核心技术。本项目取得的原始创新成果主要有三项：
一是提出软黏土动力软化规律及判别标准。深水建港面临的一个普遍难题是软粘土地基。在长江口深水航道一个试验工程中，巨大的混凝土半圆体在安放就位后，大家都觉得应该很坚固，但大浪来袭，一夜之间被拍入海底1~2m，最终发现就是软粘土动力软化造成的。项目中的“波浪-防波堤-地基相互作用问题研究”课题就重点解决了这一问题。在对软粘土动力软化问题开展系统研究之后，谢世楞院士和他的团队揭示了软粘土在波浪动荷载作用下的软化机理，并提出了判别软粘土动力软化的标准，这是世界海上软黏土地基结构设计理论的跨越。
二是提出土体广义极限平衡理论。中交天津港湾工程研究院教授级高级工程师黄传志提出的全新地基极限分析理论与方法——广义极限平衡法，堪称用中国的定理袮补了一项世界的缺陷，破解了岩土力学领域百年理论难题。在此之前，对于复杂的地质结构，世界土力学界只有靠引进假定条件才能计算建筑物地基的极限承载力，但这样获得的地基承载力并不精确，带来一定的工程安全性问题。黄传志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。根据这一理论，可以让世界各国的设计师、建筑师们面对任何复杂的地质条件，快速而精确地计算出地基极限承载力，为一座座码头、桥梁、大厦的设计安全奠定了坚实的理论基础。
三是提出深水抛石整平技术。海底的地基上需经过抛石、整平才能形成基床，传统工艺是由人工潜水来整平，但在深海，这样做的经济、安全成本太高。为此，深水抛石整平船的设计和建造，实现了重力式结构水下抛石基床整平的抛石、整平、检测一体化机械化施工，填补了该领域技术空白。其中发明的“万向可伸缩物料输送管和可控料位物料自流分配仓”，实现了定点定量抛石；设计开发的“压力传感器静态验潮测深方案”完全满足了规范对基床顶面高程偏差的测控要求；研制的工作母船和整平机之间的软连接结构，克服了整平船水深适用范围小的问题。该整平船成功应用于青岛港董家口港区40万吨级矿石码头等多项工程，累计整平面积6万平米以上，比传统工艺提高工效2.5倍以上，降低成本40%以上。
记者：孙总，您谈了这么多创新成果之后，能否介绍一下典型工程应用情况？
孙子宇：项目成果已在国内大连港、天津港、青岛港、洋山港、广州港等沿海港口建设中全面应用，支撑和引领了我国“十一五”以来的离岸深水港建设。还延伸推广到港珠澳大桥、国防工程、岛屿开发等基础设施建设中，为提高我国综合交通运输服务能力，提高海洋资源开发水平，扩大海洋权益维护范围做出重大贡献。这里我简要介绍一下项目成果在洋山港和天津港的应用情况。
（1）洋山深水港
洋山深水港址所在的多岛礁多汊道海域，水深、潮流强、流态紊乱、含沙量高，采用何种港区形态布置形式是工程最为关键的技术问题。它直接影响到港区水域的冲淤变化、水深维持、船舶操纵安全、营运管理便利以及港区集疏运交通等问题。
项目中的“岛群中建港水动力关键技术问题研究”课题主要从与港口有关的水文、泥沙和波浪条件出发，以洋山深水港为依托工程，以港口调研资料分析为基础，全面论述岛群海域泥沙环境、泥沙淤积机理、淤积计算和物理模型的研究成果，总结岛群港口选址及建筑物布置的基本原则。研究提出的“封堵汊道，平顺水流，安全靠泊，减小淤积”的总体布置原则，为洋山深水港后续工程建设提供科学依据。
在洋山深水港工作船码头中，采用高置换率挤密砂桩对基床下方的淤泥质软土进行地基加固处理后，达到了重力式码头地基承载力要求，经工后检测和码头营运使用证明该工法可快速获得所需的承载力，工程综合费用低，工期短，对海洋环境污染小，是目前最有效的水下软土地基加固手段。
（2）天津港
箱筒型基础结构是适用于软土地基的一种港口与海岸工程结构型式，该基础结构可充分利用周边软土的粘聚力和摩擦阻力来保证结构的抗滑和抗倾稳定性，利用插入埋深来提高基底的承载力和整体稳定性。项目中的“离岸深水港波浪－防波堤－地基相互作用问题研究”课题研制了在离心机土工模型上施加周期性不对称动荷载的加载装置，成功地模拟了波浪对箱筒型基础结构的作用，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，建立了三维非线性有限元数值模型。据此，首次提出了数值极限分析方法及简化设计计算公式，并得到了离心模型试验和首次进行的实体工程原位观测的验证。天津港北防波堤延伸工程采用了箱筒型基础结构，经计算分析，取消了箱筒型基础两侧的砂桩，合计节省工程费用四千多万元。
根据箱筒型基础结构的特点，确定了箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉及调平纠偏等工艺参数，研制了施工设备，形成了“箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉”国家一级施工工法。该施工技术已在天津港防波堤工程中累计施工一万米以上，并创造了24小时完成一组结构施工的纪录。
为验证箱筒型基础结构设计施工的可靠性，采用了项目发明的“具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术方法”，实现了监测数据的水下自动采集、存储和无线传输，验证了设计理论和施工工艺的安全、经济。
在天津临港工业区围海吹填工程中，采用项中研发的“海上超长排距大口径管道泥浆清洁输送技术”，设计吹填总方量一千八百多万方，最远施工排距达八公里以上，实现了疏浚土的环保循环利用。
（交通部西部交通建设科技项目管理中心）
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