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探秘“大徑流”

發(fā)布日期：2015-08-17來源：網(wǎng)絡(luò)來源編輯：靳明偉

[摘要]

　　文/黃育波

　　編者按：每年4至9月，是珠江流域的汛期，今年珠江流域最大徑流量達到了每秒4萬立方米，遠超歷史同期，如何在汛期“大徑流”條件下，完成海底沉管隧道的精準對接?中交港珠澳大橋島隧項目建設(shè)團隊為此進行了探索與攻關(guān)。“大徑流”也成為了島隧工程在經(jīng)歷深水深槽、基槽回淤難題后，遇到的又一大挑戰(zhàn)。

　　珠江流域年徑流量3300多億立方米，居全國江河水系的第二位，僅次于長江，是黃河年徑流量的7倍，淮河的10倍，且徑流每年分配在汛期的徑流量占年徑流量的80 %左右。

　　今年珠江流域雨水特別多，最大徑流量達到每秒4萬立方米，遠超歷史同期，對于中交建設(shè)團隊來說，如何在大徑流條件下，將8萬噸的超級沉管在海底進行厘米級精準對接，無疑又是一個全新的難題。

　　 2015年6月10日，中交港珠澳大橋島隧工程建設(shè)者順利完成第17節(jié)沉管精準對接; 6月27日，第18節(jié)沉管安裝圓滿成功，在短短一個月內(nèi)，建設(shè)者不可思議地完成了兩節(jié)沉管安裝，加上7月25日完成安裝的第19個沉管，海底隧道已延伸至3285米，工程建設(shè)超過一半。

　　在45天內(nèi)，中交建設(shè)者們接連完成了3節(jié)沉管的浮運安裝，工程順利推進的背后有著異同尋常的探索和付出，看似平靜的海面隱藏著許多我們從未觸及的認知領(lǐng)域。

　　港珠澳大橋近6公里長的海底隧道由33節(jié)沉管在海底連接而成，每節(jié)標(biāo)準沉管長180米，重約8萬噸，相當(dāng)于一艘中型航空母艦，需要歷經(jīng)13公里的海上“夢幻之旅” ，下沉至40多米深的海底進行無人對接，這是大橋建設(shè)最難的環(huán)節(jié)之一。每個月只有兩個時間段，伶仃洋海域的洋流速度符合沉管安放的要求，因此每一個“黃金窗口”對于建設(shè)團隊來說都顯得尤為珍貴。

　　在交通運輸部、廣東省政府、大橋管理局的協(xié)調(diào)下，從5月15日至年底，內(nèi)伶仃海域采砂作業(yè)再次暫停。對于中交港珠澳大橋島隧建設(shè)團隊來說，搶抓機遇緊湊展開沉管安裝，不僅是工期的需要，而且是對政府、社會各界高度支持的最好回報。

　　然而，深水深槽、基槽回淤難關(guān)剛剛落下帷幕，珠江口的大水又來了。

　　 “龍舟水”

　　珠江流域是河川徑流量特別豐富的典型雨型河，根據(jù)多年徑流資料顯示，每年的5至6月，也就是農(nóng)歷五月初五端午節(jié)前后，珠江流域豐水期每日最大徑流量約每秒3萬立方米，民間將這樣的較大降水過程稱為“龍舟水” 。按照實際觀測，今年這個時段最大徑流量每秒比歷史同期增加了1萬立方米，但據(jù)經(jīng)驗判斷，對于寬度達30至40公里的浩瀚珠江口，每秒的海水流速僅增加了0 . 04至0 . 05米。

　　 “龍舟水”對施工作業(yè)區(qū)域的流速影響是不是真的如此微乎其微呢?這五年來的磨練，煉就了中交建設(shè)團隊嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和風(fēng)險防控意識，也讓他們越來越明白如何與自然和諧相處。他們非常清楚：珠江口海洋環(huán)境任何細微改變對沉管浮運安裝都不是小事，一個很不起眼的現(xiàn)象，背后都可能隱藏著深奧的原因，對沉管安裝產(chǎn)生巨大影響。

　　第17節(jié)沉管有三分之二的長度進入龍鼓西天然水道，這個600至700米寬的天然水道有怎樣的海流環(huán)境?必須進行深入監(jiān)測，掌握阻流對沉管浮運安裝的影響。

　　經(jīng)過實測，令人意想不到的是“龍舟水”使得潮差量值增加了0 . 2到0 . 3米，海面表層10米的平均流速竟然增加了每秒0 . 5米以上。這樣一來，就徹底改變了前16次沉管安裝流場規(guī)律，超越了前16次沉管安裝所熟知的經(jīng)驗范圍，必須重新評估安裝的可能性。

　　國內(nèi)對于“龍舟水”的觀測資料不多，了解的深度遠達不到研究沉管浮運安裝的可能性，而距離安裝窗口也只有不到20天。團隊中出現(xiàn)了兩種聲音：一種是放棄此次浮運安裝窗口;一種是搶抓時間，迅速完成第17節(jié)沉管安裝。

　　 “政府能下決定停止采砂180多天非常不容易，社會各方面的支援更是難得，加上緊張的工期，我們必須努力爭取安裝窗口” ，中交港珠澳大橋島隧工程項目總經(jīng)理部決定開展“龍舟水”專題攻關(guān)研究。

　　如果決定了在大徑流條件實施浮運安裝，那幾乎等于“開弓沒有回頭箭” 。究竟能不能進行浮運安裝?對“龍舟水”的認識是否存在盲點?是否有隱藏著未知的安全風(fēng)險?種種疑慮必須在短短的20多天里找到答案，并做出最佳決策。

　　 “犯忌”的決策

　　在珠江流域的洪季進行如此復(fù)雜的外海沉管浮運安裝無疑是一種“冒險的嘗試” ，通常情況下，面對汛期季節(jié)變化莫測的海況，大多數(shù)謹慎的工程師都會選擇放棄，等待更為樂觀的海洋環(huán)境作業(yè)窗口，但時間、社會環(huán)境等因素迫使中交建設(shè)團隊盡可能去抓住哪怕只有一絲的機會。即使開展了多方位的監(jiān)測、取樣，研究、分析，對于建設(shè)團隊來說，這也算是一次“犯忌”的決策。

　　 “汛期大徑流條件下，施工海域海況變化復(fù)雜，沉管浮運安裝很可能要面臨多項作業(yè)條件超出臨界值的風(fēng)險挑戰(zhàn)” ，島隧項目總經(jīng)理、總工程師林鳴道出了所有人的擔(dān)憂，“在這種水文條件下進行沉管浮運安裝還是第一次，尚無經(jīng)驗可循。 ”

　　但有一點是非常明確的，那就是海面表層流速對沉管浮運安裝的影響肯定是“重量級”的。早在兩年前，項目總部就在國家海洋環(huán)境預(yù)報中心運用大型計算機建立了流場、徑流的氣象數(shù)學(xué)模型，對海況、天氣條件有了一定的認識，但疊加大徑流參數(shù)以后，模型輸出的數(shù)據(jù)就完全改變了，根本不能吻合現(xiàn)場的實測結(jié)果，沒有了大數(shù)據(jù)的支撐，還有沒有其他認知的途徑呢?

　　林鳴的腦子突然有了一個想法：“邊際分析法” 。能否通過“實測法”來提供臨近預(yù)報，與以往沉管浮運安裝最差的情況進行類比，為最終的決策提供支撐。也就是用沉管浮運安裝前72小時的精準實測數(shù)據(jù)來推測浮運安裝當(dāng)天的實際狀況，將最后決策放在了安裝前的24個小時，看看是否在實際最大承受能力之內(nèi)。“技術(shù)線路上行得通” 。建設(shè)團隊經(jīng)過細致討論，認為方案可行。

　　在項目總部組織下，國內(nèi)數(shù)十位知名的水工專家、海洋環(huán)境專家與安裝團隊共同分析徑流變化的影響，制定浮運安裝計劃。為摸清大徑流對施工影響的規(guī)律，項目總部與國家海洋預(yù)報中心在施工海域投放多組測速儀，對海水流速、潮位、溫鹽等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行不間斷實測。

　　珠江流域河網(wǎng)密布，水道縱橫，雨量充沛，流域面積超過45萬平方公里，入海徑流影響因素極其復(fù)雜，而北江降水對施工海域影響最為敏感。技術(shù)監(jiān)控組快速建立降雨監(jiān)測預(yù)報體系，經(jīng)過近一個星期的實際監(jiān)測和廣東地區(qū)氣象預(yù)報分析，國家海洋預(yù)報中心的技術(shù)團隊預(yù)判，浮運安裝窗口期徑流量將下降到每秒1 . 5萬立方米以內(nèi)，并認為，在此條件下浮運安裝是可行的。技術(shù)團隊逐一分析前16次沉管浮運安裝的上千組實測海況數(shù)據(jù)，研究安裝過程轉(zhuǎn)向區(qū)、系泊區(qū)等關(guān)鍵區(qū)域頂風(fēng)、防浪、抗流的工程可承受“邊際” ，反復(fù)分析徑流對接窗口，得出的最大承受能力是徑流量恰巧在每秒1 . 5萬立方米左右。雖然經(jīng)過多次實操模擬推演，全面梳理施工風(fēng)險，形成了科學(xué)的應(yīng)對措施，建設(shè)團隊依然感到忐忑不安，究竟能否如期浮運安裝牽動著每一根神經(jīng)。

　　在第17節(jié)沉管出塢前的最后5小時，最后一組實測數(shù)據(jù)終于傳至現(xiàn)場，項目總部組織召開現(xiàn)場決策會，細致分析第17節(jié)沉管出塢、浮運、安裝等各工序時段的流速、流向、風(fēng)力、天氣等環(huán)境因素，通過詳實的實測數(shù)據(jù)、科學(xué)的比對分析，現(xiàn)場決策組最終確定了浮運安裝實施計劃。

　　 “河口羽”

　　在實際浮運安裝過程中，建設(shè)團隊將會遇到許多突發(fā)難題。“河口羽” ，即使對于有過多年工程建設(shè)經(jīng)驗的工程師來說，都顯得陌生，這也給建設(shè)團隊實現(xiàn)第17節(jié)沉管浮運安裝帶來了預(yù)想不到的新挑戰(zhàn)。

　　 “河口羽”在海洋科學(xué)類專業(yè)領(lǐng)域，被稱為河口羽狀鋒。汛期時，大江大河帶來了大量淡水，入?？跁霈F(xiàn)海水分層現(xiàn)象，淡水仿佛一層羽毛漂在咸水上，流向飄忽不定。

　　以往拖航的時候，海水的流向、流速是有規(guī)律的;現(xiàn)在上面多了一層飄忽不定的淡水，沉管航行就猶如“溜冰” 。沉管安裝技術(shù)保障組的監(jiān)測表明，在整個拖航過程中始終有側(cè)流伴隨，這是以前從來沒有的現(xiàn)象。面對變化多端的海流，建設(shè)團隊決定在整個13公里的海上拖航中全程增加拖輪抵抗側(cè)流，這是17次管節(jié)浮運以來第一次如此規(guī)模的拖輪投入。盡管如此，在整個浮運過程，航跡線依然產(chǎn)生了很大“漂移” ，姿態(tài)控制難度大大增加。

　　就在塢口外不到幾百米處，沉管絞移編隊遭遇了意想不到的橫流困擾——一股突然從牛頭島和榕樹頭島之間水域“竄”出來的橫流側(cè)向襲擊沉管，強度超出了技術(shù)團隊的預(yù)期。沉管出塢纜系為縱向布置，隨著沉管逐步絞移出海，艉端的固定纜系與沉管幾乎成了直線，沉管的橫向控制力極為有限，同時航路狹窄，拖輪無法進入。如果“卡”在這個位置，沉管一旦出現(xiàn)橫向移動，將撞向近在咫尺的山體，后果不堪設(shè)想?，F(xiàn)場決策組果斷決策，在沉管兩側(cè)緊急增加橫向纜繩，管艏已經(jīng)完成編隊的拖輪提供動力增援，保證了沉管穩(wěn)定。經(jīng)過分析，這是一股短時間的橫流，持續(xù)不會太長。經(jīng)過近一個小時的艱難等待，夜晚10點半，橫流終于減弱，在10多艘海事警戒船的護衛(wèi)和12艘大馬力拖輪的拖帶下，第17節(jié)沉管終于頂著湍急的海流駛向施工海域。

　　經(jīng)過只有200多米寬的沉管預(yù)制廠支航道，沉管浮運編隊要避免擱淺風(fēng)險就必須讓沉管浮運的速度、方向可控。為保障沉管能夠安全通過，技術(shù)監(jiān)控團隊專門派遣一條船舶在此海域?qū)崟r監(jiān)測側(cè)向流速，等待流速在每秒0 . 3米左右時讓沉管安全經(jīng)過。而飄忽不定的“河口羽”現(xiàn)象讓流速測量儀“失準”了，當(dāng)沉管浮運編隊經(jīng)過時，實際側(cè)流達到了每秒0 . 5米，每秒增加0 . 2米，看似微不足道的流速增加卻讓拖航編隊必須抵抗超過一倍的側(cè)流壓力。所幸的是，正如建設(shè)團隊的前期預(yù)測，刮起的西風(fēng)恰好抵消了一部分側(cè)流，最終在12艘拖輪全速運轉(zhuǎn)外加西風(fēng)的共同抵抗下，大流速被控制住，沉管緊貼航道的邊緣得以安全“過關(guān)” 。

　　暗礁是船舶海上航行的“天敵” ，不僅會導(dǎo)致水流方向急速轉(zhuǎn)變，更有可能造成觸礁沉沒。馬友石暗礁位于伶仃航道左側(cè)，距離第17節(jié)沉管安裝現(xiàn)場僅僅1 . 1公里，是珠江流域最為復(fù)雜的海域。“這是洪季船舶事故最為多發(fā)的海域，一不小心便有觸礁的危險” ，海事部門描述道。

　　凌晨3點多，沉管護航編隊航行至此，在大徑流和“分流層”的作用下，猛烈的紊流沖擊著沉管，使沉管與水流的夾角達到了60度左右，水動力成倍增加，幾乎不受控制的沉管完全偏出預(yù)定航行區(qū)域，這時，與馬友石暗礁最近的距離已不足200米，如果按照一節(jié)的航速前行，沉管不到400秒就將撞上暗礁!危急時刻，拖輪船長臨危不亂，迅速投入5艘備用拖輪，調(diào)整拖纜長度和角度，與海流“搏擊”了近2個小時，正在這個驚心動魄的時候，海流終于由漲到落、水動力也由強變?nèi)?，沉管逐步回到了受控狀態(tài)，沉管避免了與暗礁的碰撞。看著指揮艙顯示屏不那么完美的航行軌跡，建設(shè)者們對海流的力量仿佛也有了更深層的理解。

　　 跨越“半程”

　　受大徑流和“分層流”影響，海水密度表層和底層變化劇烈，第17節(jié)沉管沉放過程中，建設(shè)團隊及時進行了4次壓載水調(diào)整，保證了沉管負浮力的可控和姿態(tài)的穩(wěn)定。

　　為搶抓最佳沉放對接時間，建設(shè)團隊同步開展沉管系泊、拉合千斤頂安裝、管內(nèi)灌水作業(yè)。6月10日下午3點半，狹小的指揮艙內(nèi)， 50多人響起了熱烈的掌聲和喝彩聲，第17節(jié)沉管順利著床，完成水力壓接，與已安裝沉管精準對接。

　　在迎戰(zhàn)“大徑流”中，建設(shè)者經(jīng)歷了艱難的浮運航行，可并沒有太多可以喘息的時間，為了保障沉管預(yù)制廠不間斷生產(chǎn)，他們必須搶抓在6月底之前完成第18節(jié)沉管浮運安裝。

　　由于有了第17節(jié)沉管浮運安裝中攻克“大徑流”所積累的技術(shù)和經(jīng)驗，中交建設(shè)者在不到15天的時間演繹了第18節(jié)沉管浮運安裝的“速度與激情” ，并在7月底順利安裝第19節(jié)沉管，一再創(chuàng)造珠江口洪水季海底隧道精準對接的“奇跡” 。

　　海底隧道建設(shè)已過半，每一次的沉管浮運安裝就好比是一場13公里的海上馬拉松，兩年多的時間里，中交建設(shè)者已經(jīng)完成了19個賽程。穿越在已經(jīng)貫通的3公里長的海底隧道，那些艱難的“魔鬼賽程”依然歷歷在目：第一節(jié)沉管安裝時96小時連續(xù)鏖戰(zhàn)，第10節(jié)沉管安裝遇到深水深槽難關(guān)，第15節(jié)沉管安裝遭遇基槽回淤難題，第17節(jié)沉管遇到了“龍舟水”阻攔……從“深海初吻”到“跨越半程” ，在解開一個個世界級難題中，中交建設(shè)者始終堅守“每一節(jié)都是第一節(jié)”和“如履薄冰、如臨深淵”的工作態(tài)度，服務(wù)超級工程建設(shè)。

　　如果說大海是一個浩瀚無邊的大舞臺，沉管舞動的姿態(tài)并沒有抒情旋律的舞曲相伴，有的是對海洋深處未知領(lǐng)域的不懈探索和挑戰(zhàn)，以及數(shù)百人的浮運安裝團隊、幾十艘船舶，在伶仃洋上組建的“海上戰(zhàn)隊”對世界彰顯的強大生命張力。