探秘“大徑流”

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探秘“大徑流”

發布日期：2015-08-17來源：網絡來源編輯：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團隊為此進行了探索與攻關。“大徑流”也成為了島隧工程在經歷深水深槽、基槽回淤難題后，遇到的又一大挑戰。

　　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者順利完成第17節沉管精準對接; 6月27日，第18節沉管安裝圓滿成功，在短短一個月內，建設者不可思議地完成了兩節沉管安裝，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，工程建設超過一半。

　　在45天內，中交建設者們接連完成了3節沉管的浮運安裝，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域。

　　港珠澳大橋近6公里長的海底隧道由33節沉管在海底連接而成，每節標準沉管長180米，重約8萬噸，相當于一艘中型航空母艦，需要歷經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，這是大橋建設最難的環節之一。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、大橋管理局的協調下，從5月15日至年底，內伶仃海域采砂作業再次暫停。對于中交港珠澳大橋島隧建設團隊來說，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，根據多年徑流資料顯示，每年的5至6月，也就是農歷五月初五端午節前后，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，但據經驗判斷，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”對施工作業區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，煉就了中交建設團隊嚴謹的工作態度和風險防控意識，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，一個很不起眼的現象，背后都可能隱藏著深奧的原因，對沉管安裝產生巨大影響。

　　第17節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境?必須進行深入監測，掌握阻流對沉管浮運安裝的影響。

　　經過實測，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次沉管安裝流場規律，超越了前16次沉管安裝所熟知的經驗范圍，必須重新評估安裝的可能性。

　　國內對于“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理部決定開展“龍舟水”專題攻關研究。

　　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，面對汛期季節變化莫測的海況，大多數謹慎的工程師都會選擇放棄，等待更為樂觀的海洋環境作業窗口，但時間、社會環境等因素迫使中交建設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測、取樣，研究、分析，對于建設團隊來說，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雜，沉管浮運安裝很可能要面臨多項作業條件超出臨界值的風險挑戰” ，島隧項目總經理、總工程師林鳴道出了所有人的擔憂，“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境預報中心運用大型計算機建立了流場、徑流的氣象數學模型，對海況、天氣條件有了一定的認識，但疊加大徑流參數以后，模型輸出的數據就完全改變了，根本不能吻合現場的實測結果，沒有了大數據的支撐，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小時的精準實測數據來推測浮運安裝當天的實際狀況，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。“技術線路上行得通” 。建設團隊經過細致討論，認為方案可行。

　　在項目總部組織下，國內數十位知名的水工專家、海洋環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律，項目總部與國家海洋預報中心在施工海域投放多組測速儀，對海水流速、潮位、溫鹽等關鍵數據進行不間斷實測。

　　珠江流域河網密布，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雜，而北江降水對施工海域影響最為敏感。技術監控組快速建立降雨監測預報體系，經過近一個星期的實際監測和廣東地區氣象預報分析，國家海洋預報中心的技術團隊預判，浮運安裝窗口期徑流量將下降到每秒1 . 5萬立方米以內，并認為，在此條件下浮運安裝是可行的。技術團隊逐一分析前16次沉管浮運安裝的上千組實測海況數據，研究安裝過程轉向區、系泊區等關鍵區域頂風、防浪、抗流的工程可承受“邊際” ，反復分析徑流對接窗口，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。雖然經過多次實操模擬推演，全面梳理施工風險，形成了科學的應對措施，建設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。

　　在第17節沉管出塢前的最后5小時，最后一組實測數據終于傳至現場，項目總部組織召開現場決策會，細致分析第17節沉管出塢、浮運、安裝等各工序時段的流速、流向、風力、天氣等環境因素，通過詳實的實測數據、科學的比對分析，現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，建設團隊將會遇到許多突發難題。“河口羽” ，即使對于有過多年工程建設經驗的工程師來說，都顯得陌生，這也給建設團隊實現第17節沉管浮運安裝帶來了預想不到的新挑戰。

　　 “河口羽”在海洋科學類專業領域，被稱為河口羽狀鋒。汛期時，大江大河帶來了大量淡水，入海口會出現海水分層現象，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、流速是有規律的;現在上面多了一層飄忽不定的淡水，沉管航行就猶如“溜冰” 。沉管安裝技術保障組的監測表明，在整個拖航過程中始終有側流伴隨，這是以前從來沒有的現象。面對變化多端的海流，建設團隊決定在整個13公里的海上拖航中全程增加拖輪抵抗側流，這是17次管節浮運以來第一次如此規模的拖輪投入。盡管如此，在整個浮運過程，航跡線依然產生了很大“漂移” ，姿態控制難度大大增加。

　　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”出來的橫流側向襲擊沉管，強度超出了技術團隊的預期。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，沉管一旦出現橫向移動，將撞向近在咫尺的山體，后果不堪設想。現場決策組果斷決策，在沉管兩側緊急增加橫向纜繩，管艏已經完成編隊的拖輪提供動力增援，保證了沉管穩定。經過分析，這是一股短時間的橫流，持續不會太長。經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和12艘大馬力拖輪的拖帶下，第17節沉管終于頂著湍急的海流駛向施工海域。

　　經過只有200多米寬的沉管預制廠支航道，沉管浮運編隊要避免擱淺風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，技術監控團隊專門派遣一條船舶在此海域實時監測側向流速，等待流速在每秒0 . 3米左右時讓沉管安全經過。而飄忽不定的“河口羽”現象讓流速測量儀“失準”了，當沉管浮運編隊經過時，實際側流達到了每秒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流壓力。所幸的是，正如建設團隊的前期預測，刮起的西風恰好抵消了一部分側流，最終在12艘拖輪全速運轉外加西風的共同抵抗下，大流速被控制住，沉管緊貼航道的邊緣得以安全“過關” 。

　　暗礁是船舶海上航行的“天敵” ，不僅會導致水流方向急速轉變，更有可能造成觸礁沉沒。馬友石暗礁位于伶仃航道左側，距離第17節沉管安裝現場僅僅1 . 1公里，是珠江流域最為復雜的海域。“這是洪季船舶事故最為多發的海域，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定航行區域，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、水動力也由強變弱，沉管逐步回到了受控狀態，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節沉管沉放過程中，建設團隊及時進行了4次壓載水調整，保證了沉管負浮力的可控和姿態的穩定。

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

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

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

　　海底隧道建設已過半，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，中交建設者已經完成了19個賽程。穿越在已經貫通的3公里長的海底隧道，那些艱難的“魔鬼賽程”依然歷歷在目：第一節沉管安裝時96小時連續鏖戰，第10節沉管安裝遇到深水深槽難關，第15節沉管安裝遭遇基槽回淤難題，第17節沉管遇到了“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，中交建設者始終堅守“每一節都是第一節”和“如履薄冰、如臨深淵”的工作態度，服務超級工程建設。

　　如果說大海是一個浩瀚無邊的大舞臺，沉管舞動的姿態并沒有抒情旋律的舞曲相伴，有的是對海洋深處未知領域的不懈探索和挑戰，以及數百人的浮運安裝團隊、幾十艘船舶，在伶仃洋上組建的“海上戰隊”對世界彰顯的強大生命張力。