大橋中間的橋墩要承受50萬噸的荷載，幾十年後的沉降量是多少？能否滿足建造條件？
港口防波堤在颱風天氣能承受多大的颱風浪？防浪建築物應該滿足什麼樣的建造條件？海上風電單樁應該採取怎樣的防護措施……
今年是黨中央、國務院印發實施《交通強國建設綱要》5周年。近日，《每日經濟新聞》記者在交通運輸部天津水運工程科學研究院（以下簡稱「天科院」）參加「交通強國建設」主題採訪時，實地探訪了一批科研重大設施，也圍繞上述問題向有關專家探尋答案。
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。
什麼是懸浮隧道？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構建築物，是繼跨海大型橋以及海底沉管隧道後，又一種未來交通強國建設中能夠實現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提出40多年，但目前尚未有建成的先例。《每日經濟新聞》記者在現場了解到，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、岩土工程、材料工程等幾大領域中最難的點。
記者了解到，目前懸浮隧道有三個關鍵技術難題需要解決：第一個是複雜的海洋環境下如何保證隧道平穩減少晃動；第二個是在車輛和波流長期循環荷載下如何保證結構材料不發生疲勞破壞；第三個是能否在颶風浪、海嘯、地震、意外撞擊作用下保證結構強度，不被摧毀。
天科院懸浮隧道研究實驗室負責人、研究員陽志文對《每日經濟新聞》記者表示，懸浮隧道適合在深水域、長跨度的海峽中建設，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，不管是傳統的建跨海大橋還是沉管隧道，難度都非常大。「海水太深，建橋就要建特別深的樁基，而深海樁基本身的安全性、穩定性都存在問題，還有被船撞的風險，同時橋樑還要面臨大風大霧影響。」陽志文解釋，沉管隧道除了要面臨深海水壓的考驗以外，施工和建設難度也很大，建設成本非常高。
懸浮隧道實驗室 每經記者 張蕊 攝
他舉例說，港珠澳大橋有6.8公里的海底建設部分，其沉管接口精度要求是厘米級的，每一節沉管在海底承受的重量在8萬噸左右，相當於一艘航母的重量，這些沉管的預製、運輸以及基礎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鍵技術，綜合建設成本就有望下降。
記者在現場了解到，目前針對懸浮隧道，天科院的研究成果包括：明確了複雜懸浮隧道的工作原理、構建了較為完備試驗系統與分析方法、建立了短跨懸浮隧道的總體設計方法，支撐了我國首套完整懸浮隧道設計與施工方案的提出。
後續的研究將聚焦於深大海峽超長跨懸浮隧道的設計與分析方法，形成具有我國海峽特色的設計理論與標準體系，有關的數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遊河段約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築物。
每經記者在現場了解到，三峽船閘自2003年運行以來，由於上游經濟發展加上水運需求釋放，在雙重力量的帶動下過閘量持續快速增長，到2011年貨運量首次突破1億噸，提前19年達到規劃運量，目前2019年有效數據顯示，年過閘量達到1.4億噸，已經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發展的瓶頸，對地區的綜合運輸產業發展和區域經濟帶來了不利影響。
天科院內河港航研究中心負責人、研究員張明進介紹，近年來，船閘管理部門儘管採取了多種積極措施挖掘現有船閘潛力，但現有挖潛最多只能達到1.7億~1.8億噸左右的能力。而根據相關單位的最新研究成果，到2035年，預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 每經記者 張蕊 攝
「水運通道建設關鍵技術研究」是天科院承接的另一項交通強國建設試點任務。記者了解到，三峽樞紐是全球規模最大和技術難度最高的樞紐，天科院全面參與了樞紐建設過程中的關鍵技術研究，為船閘的高效運行提供技術支撐，目前正在開展三峽水運新通道的相關研究工作。
張明進表示，新通道的位置選址在現有五級船閘的左側。「目前，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有船閘和升船機的相互影響等關鍵技術問題。」
採訪期間，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入船閘。張明進介紹說，在此過程中，除了觀測船舶的航行狀態外，還需要模型上布置的眾多儀器設備進行水位、流速等水流條件測量，同時還要利用無人機來捕捉現場試驗的流場情況等。
智慧化融入每一項試點任務
在調研中，令記者印象極為深刻的是科研設施的智慧化水平。
天科院院長戴明新對《每日經濟新聞》記者表示，該院大部分實驗室都是面向實際應用、面向具體工程的。「因為我們服務於行業，行業本身正致力於發展新質生產力，比如行業基礎設施的數字化轉型，綠色化、智慧化發展，行業的發展需要技術支撐，我們也正在布局。」
天科院副院長馮小香向記者介紹，在水運基礎設施的綠色智慧安全發展領域，天科院布置了三項交通強國試點任務，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。
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，四周環繞著一圈電子螢幕，顯示著船舶前後及航道兩岸的實景。
船舶仿真模擬器正進行惡劣天氣下的仿真模擬試驗 每經記者 張蕊 攝
馮小香告訴《每日經濟新聞》記者，目前螢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，比如建築物、工程結構、河道內的地形等都是根據拍攝實景按比例製作成的真實3D影像。該船舶仿真模擬器可以模擬內河、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，在夜航或者複雜通航環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，需要通過反覆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複雜通航工況下航行狀態進行模擬，看船舶能否順利通過研究河段。
天科院通航保障中心負責人、研究員馬殿光告訴記者，國外其他機構也有船舶仿真模擬器，但天科院的模擬器是基於真實風浪流來對通航環境進行模擬，能夠精確反映通航船舶在通航環境中的航行狀態。比如風的模擬，能夠達到10米尺度高精度模擬，風速風向精度也是國際先進水平，水流流速誤差小於0.1米/秒，這樣模擬出來的場景就非常接近將來工程建完後的真實情況。
「不僅如此，我們在螢幕上看到兩側還有其他一些船舶。」他指著螢幕上對面駛過來的兩艘船說道，「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。我們在真實通航環境以及高精度預報的通航環境中，能夠同時進行11艘區域通航模擬，目前國內只有我們能做到，這也是這個模擬器的特點之一。」
每日經濟新聞