——超长通航隧洞和船舶升降系统将成为解决山区河流通航“痛点”技术范本
生活在不沿江不沿海的贵州的你,站在思林枢纽大坝之上,想象着重达一千吨的轮船排在乌江上,浩浩荡荡地驶入一条长可达到2.6公里、宽可达16米的江上隧洞中。千吨级船舶宛若游龙,在黔贵大地的崇山峻岭间穿梭自如,承载着大宗货物驶向远方……
彼时,乌江航道的两岸村落已成为人口密集、产业发达的新兴城镇,随处可见的是依水而起的美丽乡村,因水而兴、以水兴城、港城互动的景色呈现在乌江沿岸。这样的美好愿景未来十年内或将成为眼前的真实,专门解决山区峡谷河流通航问题的研究日前在贵州已正式立项。
贵州省航务管理局科技信息科科长、高级工程师王诚解读了关键技术五个课题的基本情况。
在本研究项目中的第二个课题——“峡谷河流两坝间回水变动段高通航标准航道建设技术研究”中,面对乌江梯级水库群提出了联合调度技术的要求,目的在于把梯级水利枢纽联合调度好,尽量减少发电损失,并在保障流域防洪安全的前提下,兼顾梯级水利枢纽的发电效益和航运效益,在二者之中找到“最优解”。课题研究将实现与原有运行方式相比,船舶造成的发电量损失将减少5%～10%。
其中最要考虑到的就是在枢纽发电和通航互相协调、互相适应。举例来说,如果船舶在借助升船机过坝过程中,电站突然下泄流量,会导致枢纽下游水位急剧上升,船舶顷刻之间发生意外。因此,梯级水库群的联合优化调度不仅是一个多目标优化的问题,更是规避船舶通行风险的重要手段。
科研项目研发 计划5年完成
贵州水运历史悠久,对地方经济发展、社会进步、民族融合等均发挥过重要作用。改革开放以来,船舶运输迅速发展,航运呈现出欣欣向荣的景象。国家实施西部大开发后,贵州得天独厚的水利资源成为国家“西电东送”战略开发的重点,乌江等河流相继建成了多座水电站,形成了“高峡出平湖”的壮丽景观。但由于历史原因,水电站没有同步建设通航设施,导致乌江曾一度断航。
近年来,随着水运上升为国家战略,省委省政府高度重视水运发展,出台了《关于加快贵州水运发展的意见》,率先在全国实施水运建设三年会战,建成了一批标志性工程,其中乌江思林、沙沱500吨级通航设施以及构皮滩翻坝运输系统的建成,让乌江断航13年后在2016年底实现复航,为贵州融入长江经济带奠定了坚实的基础。
乌江复航后,目前的四级航道最大能通过500吨标船。这意味着乌江一年的通行量只有400来万吨,对沿线老百姓与众多运输企业而言,依旧是杯水车薪,供小于求。随着乌江沿线货物运输需求快速增长,预计5年后航道通过能力将趋于饱和,2025年预测运量与现有通过能力缺口将达到1倍以上。
2016年以来,我省一直思考着将四级航道升级至三级航道,使乌江通行船舶标准能够从500吨级提升至1000吨级,从而实现乌江干线通过能力从目前的400万吨/年提升至1800万吨/年,以降低区域交通运输系统成本,提高经济社会效益。
现实是,如果要完成乌江航道的提等升级,必须依靠一些现代技术手段,才能够让提等升级的梦想照进现实。完成一系列技术攻关是实现乌江提等升级的关键,“峡谷河流超高水头梯级水运通道开发关键技术研究及应用”便应运而生。
2018年8月31日,贵州省科技厅组织专家对科技重大专项《峡谷河流超高水头梯级水运通道开发关键技术研究及应用》进行了立项论证,9月18日,此项目讨论通过并成功立项省科技重大专项,规划五年完成。这套专门解决高山峡谷地区河流通航问题的关键技术专项研究,不仅将解决我省乌江航道提等升级,使千吨级船舶也能顺利通达,也将成为我国中西部省份筑有高坝的断航河流如何实现船舶畅通无阻,成为同类型山区航道通航“痛点”解决的技术范本。
这一立项堪称贵州水运历史上第一个重大科技专项,也是贵州交通科研项目在省内获得资助金额最大的项目,得到了省科技厅的鼎力支持。贵州省科技厅对该项目资助750万,10家参与单位自筹1500万,共计投入2250万元。项目研发的技术团队也堪称贵州水运史上阵容最大、规格最高的矩阵,人员从院士、博士到技术人员等逾200人。
千吨级高效能船舶可以实现三个“低”
“一艘1000吨级轮船相当于20辆货车一次性的运量”。对于船舶运输与车辆运输的差异,王诚作了一个非常具体的比较。
相关数据表明,乌江千吨级航道运量,相当于1条标准干线铁路,或2条四车道高速公路的运量,建设成本却只有同样长度普通铁路的一半,高速公路的四分之一。乌江通行船舶标准从500吨级标船升级为1000吨,具有极大潜力。
断航多年的乌江,即便是复航以后依旧无法实现上下通达,主要有两大“痛点”:一是通航枢纽的升船机尺寸限制了船舶的船型,导致船舶无法做大。而低吨位的船舶又无法满足需求,使得水路运输长距离、大运量、低能耗的比较优势无法凸显。二是两座梯级枢纽间回水变动段的存在,水流条件复杂,对船舶外形、功率、航道相互影响的考虑因素提出了更高要求,只有相互耦合参数达到最优,才能既节能、又提升船舶通过效率,保证通行安全。
另外,船舶在通航隧洞内,栈桥内行驶,水流、构筑物轮廓、尺寸与船舶相互影响,相互关联,需要设计出最优的船型与最优的构筑物轮廓、尺寸,使船舶高效、安全通行。解决以上多属性复杂通航环境的船型优化后,还需要绿色高效,因此本项目将研发新一代乌江千吨级绿色高能效标准船型,有效降低船舶的造价、能源消耗和运输成本。
超大断面通航隧洞千吨级船穿梭自如
据介绍,通航隧洞目前在国内已建成的仅有我省境内构皮滩通航隧洞,其纵向长度约300米,可容纳500吨级船舶。笔者了解到,乌江提等升级工程将在沙沱、思林、构皮滩枢纽各建设1个通航隧洞,其中以思林枢纽的通航隧洞长度最长,为2574米,洞宽16米,高25米(这个高度相当于8层楼),断面面积将达到500平方米,隧洞的设计与施工技术是本次立项需要攻克的重大难题。隧洞有多大?举例来说,一个普通三车道的公路隧道断面面积约为200平方米。再举一例,目前我国建成的最大公路隧道——拱北隧洞,其开挖断面为338.6平方米,这也明显小于乌江即将开建的通航隧洞。
在思林枢纽拟建设的通航隧洞,在断面面积与长度方面,都创下世界江上隧洞之最,这意味着此前可以参考的数据被全部推翻,其设计与施工既无先例可循,也超出了现有技术规范的适用范围。超大断面隧洞围岩的变形失稳预测模型及支护结构、围岩关键支护参数确定、施工工法及安全控制等关键技术问题都是行业内的世界级难题,要实现船舶在处于高山岩溶区的乌江隧洞里通行无阻,通航隧洞的设计与施工还有诸多技术难题亟待攻克。
本次研究项目的课题之四“高山峡谷岩溶区超大断面通航隧洞设计与施工关键技术研究”,将借鉴公路、铁路和水工隧道的相关设计规范,结合乌江实地调研,通过模型实验,建立同比例航船模型,并利用操纵仿真对隧洞内水位波动、水位阻力、船舶姿态等进行测量,提出指导乌江1000吨级航道中超大断面通航隧洞的设计与施工指南,解决设计施工中遇到的技术难题。
据透露,通航隧洞的研究将由交通运输部天津水运工程科学研究所与中南大学共同开展,思林隧洞船模型将于2019年设计成型并投入实验,相关研究成果将用于实体性施工建设。
本次立项不仅将解决贵州山区河流通航不畅达的“肠梗阻”问题,也将为船闸通航能力日渐饱和、因坝体存在而亟待建立水运新通道的长江三峡提供参考。
生态航道建设理念保水生物生存繁衍
实施乌江航道提等扩能工程可提升乌江航道等级和通航条件,更有利于充分开发乌江水运潜力,充分发挥和放大水路运输的绿色生态效应。但航运的筑坝、炸礁、护岸护滩、疏浚等工程或多或少会影响到局部水环境,对水生物栖息环境造成破坏,不利于河流生态系统结构的完整和功能的稳定。
为消除或减轻航道建设工程对乌江自然河流生态的干扰和胁迫,降低对乌江河流生物栖息环境的影响,本次项目的课题二——“峡谷河流两坝间回水变动段高通航标准航道建设技术研究”,提出航运—生态保护协同的山区河流航道建设技术研究。
生态航道建设将自然生态的理念引入到传统航道工程规划、设计施工、运营、维护和管理的全过程。这一科研项目除施工中不破坏水质、陆生环境外,更多考虑的是对水生物环境的保护,有效地规避混凝土材料对水生、陆生环境造成的损害。
“在航道工程结构进行布局时,我们首先要减少对水生物‘三场一通道’(产卵场、索饵场、越冬场、洄游通道)的干扰,同时还考虑采用块石等自然型材料或近自然型材料,而非混凝土等化工材料。”交通运输部天津水运工程科学研究所总工马殿光告诉笔者,生态航道建设一方面是要求工程布局结构耐久且稳定,能满足航运需求,另一方面是要形成有利于水生物生存发展的水上环境,保护水生物的多样性,确保水生物的生存繁衍。
马殿光介绍道,将生态理念融入航道整治,并最终形成系统完整理论体系和技术“方法论”,在国内外并无先例。所以,此次乌江航运—生态保护协同的航道建设理论与技术方法研究,开创了我国山区河流航道建设生态保护之先河,对我国青海、四川等山区河流,甚至密西西比河等国外河流的航道整治都具有较强的借鉴意义。
多源风险防控未雨绸缪防微杜渐
风险防控是工程设计与建设中不可或缺的重要一环,课题五——“乌江复杂通航条件下航运设施多源风险识别及通航安全保障技术研究”,将研究船舶在航行期间,除了对山区河流碰撞、沉没等典型事故进行防控外,更多还要考虑对船舶在隧洞中运行时发生火灾或爆炸、油品等特殊物品的运输,回水变动区航道因水位变幅大、坡陡流急、连续急弯、河底暗礁等环境条件的约束,以及船舶借助升船机过坝过程中与水位对接时下游水位急剧下降等风险的把控,把防灾减灾做到周全。
目前,业界对于公路、铁路隧道的安全运营关注较多,研究成果也较为丰富,但关于船舶在通航隧洞内航行安全保障的研究仍是空白。许湘华说,针对船舶在长距离通航隧洞内的通行问题,立项还将考虑借鉴国外船舶拖曳系统,让船舶在隧洞内熄火,通过拖曳系统外力及水流浮力运行,尽可能规避船舶受有限空间、长距离、低照度、库区突风等复杂通航环境的影响而可能产生的诸多安全风险。
黄金水道复航 等级亟待提升
乌江古称“黔江”,发源于贵州省威宁自治县境内的乌蒙山东麓,横贯贵州中部,流至重庆涪陵汇入长江,干流全长1037公里,其中贵州境内802公里,贵州、重庆界河段72公里,重庆境内163公里。
乌江为贵州省第一大河,长江上游右岸最大支流,是国家规划的“两横一纵两网十八支线”内河高等级航道重要组成部分,也是贵州省“两主三辅”出省水运主通道的骨干,以及我省融入长江经济带的主要载体之一。
省航务管理局党委副书记、局长许湘华在接受记者采访时说到,乌江断航前,贵州公路、铁路运输尚不发达,曾经乌江轮船公司等船企,使用200吨的船舶,往上可运输粮食、化肥、五金建材等货物,往下可运输煤炭、木材等；乌江两岸居民逐水而居,沿江而行,乌江航运、客运一片繁忙,水运在当时起着相当重要的运输功能。
随着经济社会的发展,即使是复航后,乌江航道通航能力依旧难以满足市场需求,乌江现有运能缺口正在日益增大,急需未雨绸缪,修建乌江第二通道,进行航道提等升级。修建第二通道面临的最大困难就是原有大坝通航设施已占据有利位置,不可能再行改造,两岸悬崖绝壁,如何在峡谷山体中建设航道,成为交通部门亟待攻克的技术难题。
基于航道的提等升级,为破解山区已筑高坝河流断航难题,由贵州省航电开发投资公司牵头,贵州省航务管理局等9家单位联手,主要依托乌江提等扩能工程建设而开展的“峡谷河流超高水头梯级水运通道开发关键技术研究及应用”科研项目,经过两年时间调研、酝酿、研讨,最后通过一个月总结、提炼,应运而生的项目申请报告,获得评审专家一致好评。
项目共设5个研究课题,其中“峡谷河流枢纽通过能力提升及质量控制技术研究”主要解决枢纽提等问题；“峡谷河流两坝间回水变动段高通航标准航道建设技术研究”解决航道升级问题；“多目标协同下乌江千吨级标准船型和通航隧洞内船舶运行方式研究”,着力解决船舶及运行问题；“高山峡谷岩溶区超大断面通航隧洞设计与施工关键技术研究”,解决隧洞设计施工问题；“乌江复杂通航条件下航运设施多源风险识别及通航安全保障技术研究”,解决通航安全问题。
业界人士分析,该项目代表了目前我国山区河流水资源利用从建设、运营到管理的较高水平,峡谷河流水运通道建设及运营等关键问题的攻克,将在国际航运工程界,特别是峡谷河流通航领域创造广泛影响力。此外,乌江沿江400余公里的高等级航道流经沿河、印江、思南、石阡、瓮安、余庆等14个贫困县,两岸都是大山与村庄,对于带动当地经济发展、产业布局,助力交通+旅游融合发展,盘活沿线资源,具有重要意义。这一立项与乌江航道提等升级工程,或将让沉寂多年的航道、闲置多时的码头重新有了人气,焕发生机,恢复最初繁忙的景象。
贵州日报 聂 毅 刘介宏 王崇荣 鄂启科 报道