探秘“大径流”

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探秘“大径流”

发布日期：2015-08-17来源：网络来源编辑：靳明伟

[摘要]

　　文/黄育波

　　编者按：每年4至9月，是珠江流域的汛期，今年珠江流域最大径流量达到了每秒4万立方米，远超历史同期，如何在汛期“大径流”条件下，完成海底沉管隧道的精准对接?中交港珠澳大桥岛隧项目建设团队为此进行了探索与攻关。“大径流”也成为了岛隧工程在经历深水深槽、基槽回淤难题后，遇到的又一大挑战。

　　珠江流域年径流量3300多亿立方米，居全国江河水系的第二位，仅次于长江，是黄河年径流量的7倍，淮河的10倍，且径流每年分配在汛期的径流量占年径流量的80 %左右。

　　今年珠江流域雨水特别多，最大径流量达到每秒4万立方米，远超历史同期，对于中交建设团队来说，如何在大径流条件下，将8万吨的超级沉管在海底进行厘米级精准对接，无疑又是一个全新的难题。

　　 2015年6月10日，中交港珠澳大桥岛隧工程建设者顺利完成第17节沉管精准对接; 6月27日，第18节沉管安装圆满成功，在短短一个月内，建设者不可思议地完成了两节沉管安装，加上7月25日完成安装的第19个沉管，海底隧道已延伸至3285米，工程建设超过一半。

　　在45天内，中交建设者们接连完成了3节沉管的浮运安装，工程顺利推进的背后有着异同寻常的探索和付出，看似平静的海面隐藏着许多我们从未触及的认知领域。

　　港珠澳大桥近6公里长的海底隧道由33节沉管在海底连接而成，每节标准沉管长180米，重约8万吨，相当于一艘中型航空母舰，需要历经13公里的海上“梦幻之旅” ，下沉至40多米深的海底进行无人对接，这是大桥建设最难的环节之一。每个月只有两个时间段，伶仃洋海域的洋流速度符合沉管安放的要求，因此每一个“黄金窗口”对于建设团队来说都显得尤为珍贵。

　　在交通运输部、广东省政府、大桥管理局的协调下，从5月15日至年底，内伶仃海域采砂作业再次暂停。对于中交港珠澳大桥岛隧建设团队来说，抢抓机遇紧凑展开沉管安装，不仅是工期的需要，而且是对政府、社会各界高度支持的最好回报。

　　然而，深水深槽、基槽回淤难关刚刚落下帷幕，珠江口的大水又来了。

　　 “龙舟水”

　　珠江流域是河川径流量特别丰富的典型雨型河，根据多年径流资料显示，每年的5至6月，也就是农历五月初五端午节前后，珠江流域丰水期每日最大径流量约每秒3万立方米，民间将这样的较大降水过程称为“龙舟水” 。按照实际观测，今年这个时段最大径流量每秒比历史同期增加了1万立方米，但据经验判断，对于宽度达30至40公里的浩瀚珠江口，每秒的海水流速仅增加了0 . 04至0 . 05米。

　　 “龙舟水”对施工作业区域的流速影响是不是真的如此微乎其微呢?这五年来的磨练，炼就了中交建设团队严谨的工作态度和风险防控意识，也让他们越来越明白如何与自然和谐相处。他们非常清楚：珠江口海洋环境任何细微改变对沉管浮运安装都不是小事，一个很不起眼的现象，背后都可能隐藏着深奥的原因，对沉管安装产生巨大影响。

　　第17节沉管有三分之二的长度进入龙鼓西天然水道，这个600至700米宽的天然水道有怎样的海流环境?必须进行深入监测，掌握阻流对沉管浮运安装的影响。

　　经过实测，令人意想不到的是“龙舟水”使得潮差量值增加了0 . 2到0 . 3米，海面表层10米的平均流速竟然增加了每秒0 . 5米以上。这样一来，就彻底改变了前16次沉管安装流场规律，超越了前16次沉管安装所熟知的经验范围，必须重新评估安装的可能性。

　　国内对于“龙舟水”的观测资料不多，了解的深度远达不到研究沉管浮运安装的可能性，而距离安装窗口也只有不到20天。团队中出现了两种声音：一种是放弃此次浮运安装窗口;一种是抢抓时间，迅速完成第17节沉管安装。

　　 “政府能下决定停止采砂180多天非常不容易，社会各方面的支援更是难得，加上紧张的工期，我们必须努力争取安装窗口” ，中交港珠澳大桥岛隧工程项目总经理部决定开展“龙舟水”专题攻关研究。

　　如果决定了在大径流条件实施浮运安装，那几乎等于“开弓没有回头箭” 。究竟能不能进行浮运安装?对“龙舟水”的认识是否存在盲点?是否有隐藏着未知的安全风险?种种疑虑必须在短短的20多天里找到答案，并做出最佳决策。

　　 “犯忌”的决策

　　在珠江流域的洪季进行如此复杂的外海沉管浮运安装无疑是一种“冒险的尝试” ，通常情况下，面对汛期季节变化莫测的海况，大多数谨慎的工程师都会选择放弃，等待更为乐观的海洋环境作业窗口，但时间、社会环境等因素迫使中交建设团队尽可能去抓住哪怕只有一丝的机会。即使开展了多方位的监测、取样，研究、分析，对于建设团队来说，这也算是一次“犯忌”的决策。

　　 “汛期大径流条件下，施工海域海况变化复杂，沉管浮运安装很可能要面临多项作业条件超出临界值的风险挑战” ，岛隧项目总经理、总工程师林鸣道出了所有人的担忧，“在这种水文条件下进行沉管浮运安装还是第一次，尚无经验可循。 ”

　　但有一点是非常明确的，那就是海面表层流速对沉管浮运安装的影响肯定是“重量级”的。早在两年前，项目总部就在国家海洋环境预报中心运用大型计算机建立了流场、径流的气象数学模型，对海况、天气条件有了一定的认识，但叠加大径流参数以后，模型输出的数据就完全改变了，根本不能吻合现场的实测结果，没有了大数据的支撑，还有没有其他认知的途径呢?

　　林鸣的脑子突然有了一个想法：“边际分析法” 。能否通过“实测法”来提供临近预报，与以往沉管浮运安装最差的情况进行类比，为最终的决策提供支撑。也就是用沉管浮运安装前72小时的精准实测数据来推测浮运安装当天的实际状况，将最后决策放在了安装前的24个小时，看看是否在实际最大承受能力之内。“技术线路上行得通” 。建设团队经过细致讨论，认为方案可行。

　　在项目总部组织下，国内数十位知名的水工专家、海洋环境专家与安装团队共同分析径流变化的影响，制定浮运安装计划。为摸清大径流对施工影响的规律，项目总部与国家海洋预报中心在施工海域投放多组测速仪，对海水流速、潮位、温盐等关键数据进行不间断实测。

　　珠江流域河网密布，水道纵横，雨量充沛，流域面积超过45万平方公里，入海径流影响因素极其复杂，而北江降水对施工海域影响最为敏感。技术监控组快速建立降雨监测预报体系，经过近一个星期的实际监测和广东地区气象预报分析，国家海洋预报中心的技术团队预判，浮运安装窗口期径流量将下降到每秒1 . 5万立方米以内，并认为，在此条件下浮运安装是可行的。技术团队逐一分析前16次沉管浮运安装的上千组实测海况数据，研究安装过程转向区、系泊区等关键区域顶风、防浪、抗流的工程可承受“边际” ，反复分析径流对接窗口，得出的最大承受能力是径流量恰巧在每秒1 . 5万立方米左右。虽然经过多次实操模拟推演，全面梳理施工风险，形成了科学的应对措施，建设团队依然感到忐忑不安，究竟能否如期浮运安装牵动着每一根神经。

　　在第17节沉管出坞前的最后5小时，最后一组实测数据终于传至现场，项目总部组织召开现场决策会，细致分析第17节沉管出坞、浮运、安装等各工序时段的流速、流向、风力、天气等环境因素，通过详实的实测数据、科学的比对分析，现场决策组最终确定了浮运安装实施计划。

　　 “河口羽”

　　在实际浮运安装过程中，建设团队将会遇到许多突发难题。“河口羽” ，即使对于有过多年工程建设经验的工程师来说，都显得陌生，这也给建设团队实现第17节沉管浮运安装带来了预想不到的新挑战。

　　 “河口羽”在海洋科学类专业领域，被称为河口羽状锋。汛期时，大江大河带来了大量淡水，入海口会出现海水分层现象，淡水仿佛一层羽毛漂在咸水上，流向飘忽不定。

　　以往拖航的时候，海水的流向、流速是有规律的;现在上面多了一层飘忽不定的淡水，沉管航行就犹如“溜冰” 。沉管安装技术保障组的监测表明，在整个拖航过程中始终有侧流伴随，这是以前从来没有的现象。面对变化多端的海流，建设团队决定在整个13公里的海上拖航中全程增加拖轮抵抗侧流，这是17次管节浮运以来第一次如此规模的拖轮投入。尽管如此，在整个浮运过程，航迹线依然产生了很大“漂移” ，姿态控制难度大大增加。

　　就在坞口外不到几百米处，沉管绞移编队遭遇了意想不到的横流困扰——一股突然从牛头岛和榕树头岛之间水域“窜”出来的横流侧向袭击沉管，强度超出了技术团队的预期。沉管出坞缆系为纵向布置，随着沉管逐步绞移出海，艉端的固定缆系与沉管几乎成了直线，沉管的横向控制力极为有限，同时航路狭窄，拖轮无法进入。如果“卡”在这个位置，沉管一旦出现横向移动，将撞向近在咫尺的山体，后果不堪设想。现场决策组果断决策，在沉管两侧紧急增加横向缆绳，管艏已经完成编队的拖轮提供动力增援，保证了沉管稳定。经过分析，这是一股短时间的横流，持续不会太长。经过近一个小时的艰难等待，夜晚10点半，横流终于减弱，在10多艘海事警戒船的护卫和12艘大马力拖轮的拖带下，第17节沉管终于顶着湍急的海流驶向施工海域。

　　经过只有200多米宽的沉管预制厂支航道，沉管浮运编队要避免搁浅风险就必须让沉管浮运的速度、方向可控。为保障沉管能够安全通过，技术监控团队专门派遣一条船舶在此海域实时监测侧向流速，等待流速在每秒0 . 3米左右时让沉管安全经过。而飘忽不定的“河口羽”现象让流速测量仪“失准”了，当沉管浮运编队经过时，实际侧流达到了每秒0 . 5米，每秒增加0 . 2米，看似微不足道的流速增加却让拖航编队必须抵抗超过一倍的侧流压力。所幸的是，正如建设团队的前期预测，刮起的西风恰好抵消了一部分侧流，最终在12艘拖轮全速运转外加西风的共同抵抗下，大流速被控制住，沉管紧贴航道的边缘得以安全“过关” 。

　　暗礁是船舶海上航行的“天敌” ，不仅会导致水流方向急速转变，更有可能造成触礁沉没。马友石暗礁位于伶仃航道左侧，距离第17节沉管安装现场仅仅1 . 1公里，是珠江流域最为复杂的海域。“这是洪季船舶事故最为多发的海域，一不小心便有触礁的危险” ，海事部门描述道。

　　凌晨3点多，沉管护航编队航行至此，在大径流和“分流层”的作用下，猛烈的紊流冲击着沉管，使沉管与水流的夹角达到了60度左右，水动力成倍增加，几乎不受控制的沉管完全偏出预定航行区域，这时，与马友石暗礁最近的距离已不足200米，如果按照一节的航速前行，沉管不到400秒就将撞上暗礁!危急时刻，拖轮船长临危不乱，迅速投入5艘备用拖轮，调整拖缆长度和角度，与海流“搏击”了近2个小时，正在这个惊心动魄的时候，海流终于由涨到落、水动力也由强变弱，沉管逐步回到了受控状态，沉管避免了与暗礁的碰撞。看着指挥舱显示屏不那么完美的航行轨迹，建设者们对海流的力量仿佛也有了更深层的理解。

　　 跨越“半程”

　　受大径流和“分层流”影响，海水密度表层和底层变化剧烈，第17节沉管沉放过程中，建设团队及时进行了4次压载水调整，保证了沉管负浮力的可控和姿态的稳定。

　　为抢抓最佳沉放对接时间，建设团队同步开展沉管系泊、拉合千斤顶安装、管内灌水作业。6月10日下午3点半，狭小的指挥舱内， 50多人响起了热烈的掌声和喝彩声，第17节沉管顺利着床，完成水力压接，与已安装沉管精准对接。

　　在迎战“大径流”中，建设者经历了艰难的浮运航行，可并没有太多可以喘息的时间，为了保障沉管预制厂不间断生产，他们必须抢抓在6月底之前完成第18节沉管浮运安装。

　　由于有了第17节沉管浮运安装中攻克“大径流”所积累的技术和经验，中交建设者在不到15天的时间演绎了第18节沉管浮运安装的“速度与激情” ，并在7月底顺利安装第19节沉管，一再创造珠江口洪水季海底隧道精准对接的“奇迹” 。

　　海底隧道建设已过半，每一次的沉管浮运安装就好比是一场13公里的海上马拉松，两年多的时间里，中交建设者已经完成了19个赛程。穿越在已经贯通的3公里长的海底隧道，那些艰难的“魔鬼赛程”依然历历在目：第一节沉管安装时96小时连续鏖战，第10节沉管安装遇到深水深槽难关，第15节沉管安装遭遇基槽回淤难题，第17节沉管遇到了“龙舟水”阻拦……从“深海初吻”到“跨越半程” ，在解开一个个世界级难题中，中交建设者始终坚守“每一节都是第一节”和“如履薄冰、如临深渊”的工作态度，服务超级工程建设。

　　如果说大海是一个浩瀚无边的大舞台，沉管舞动的姿态并没有抒情旋律的舞曲相伴，有的是对海洋深处未知领域的不懈探索和挑战，以及数百人的浮运安装团队、几十艘船舶，在伶仃洋上组建的“海上战队”对世界彰显的强大生命张力。