大桥中间的桥墩要承受50万吨的荷载，几十年后的沉降量是多少？能否满足建造条件？
港口防波堤在台风天气能承受多大的台风浪？防浪建筑物应该满足什么样的建造条件？海上风电单桩应该采取怎样的防护措施……
今年是党中央、国务院印发实施《交通强国建设纲要》5周年。近日，《每日经济新闻》记者在交通运输部天津水运工程科学研究院（以下简称“天科院”）参加“交通强国建设”主题采访时，实地探访了一批科研重大设施，也围绕上述问题向有关专家探寻答案。
探访期间记者了解到，未来海底悬浮隧道有望解决深大海峡的跨海通行问题；三峡水运新通道的布置方案正在通过物理模型试验进行精细化研究，预计新通道2025年具备正式开工条件。
波流共同作用下悬浮隧道整体水弹性试验 图片来源：天科院
悬浮隧道已取得多项科研成果
在悬浮隧道试验水池旁，工作人员向记者介绍了目前海底悬浮隧道的科研进展。
什么是悬浮隧道？悬浮隧道又称阿基米德桥，是利用浮力原理悬浮在水中的一种大型交通结构建筑物，是继跨海大型桥以及海底沉管隧道后，又一种未来交通强国建设中能够实现深海峡湾通行的交通方式。
之所以说是面向“未来”，是因为悬浮隧道的概念已经提出40多年，但目前尚未有建成的先例。《每日经济新闻》记者在现场了解到，悬浮隧道的研究是一个世界级难题，它集合了海洋工程、桥隧工程、岩土工程、材料工程等几大领域中最难的点。
记者了解到，目前悬浮隧道有三个关键技术难题需要解决：第一个是复杂的海洋环境下如何保证隧道平稳减少晃动；第二个是在车辆和波流长期循环荷载下如何保证结构材料不发生疲劳破坏；第三个是能否在飓风浪、海啸、地震、意外撞击作用下保证结构强度，不被摧毁。
天科院悬浮隧道研究实验室负责人、研究员阳志文对《每日经济新闻》记者表示，悬浮隧道适合在深水域、长跨度的海峡中建设，而短跨、浅的地方可以建桥或沉管隧道，比如港珠澳大桥和深中通道。
以琼州海峡为例，不管是传统的建跨海大桥还是沉管隧道，难度都非常大。“海水太深，建桥就要建特别深的桩基，而深海桩基本身的安全性、稳定性都存在问题，还有被船撞的风险，同时桥梁还要面临大风大雾影响。”阳志文解释，沉管隧道除了要面临深海水压的考验以外，施工和建设难度也很大，建设成本非常高。
悬浮隧道实验室 每经记者 张蕊 摄
他举例说，港珠澳大桥有6.8公里的海底建设部分，其沉管接口精度要求是厘米级的，每一节沉管在海底承受的重量在8万吨左右，相当于一艘航母的重量，这些沉管的预制、运输以及基础处理的成本都非常高。
但如果未来能够攻克海底悬浮隧道理论体系和关键技术，综合建设成本就有望下降。
记者在现场了解到，目前针对悬浮隧道，天科院的研究成果包括：明确了复杂悬浮隧道的工作原理、构建了较为完备试验系统与分析方法、建立了短跨悬浮隧道的总体设计方法，支撑了我国首套完整悬浮隧道设计与施工方案的提出。
后续的研究将聚焦于深大海峡超长跨悬浮隧道的设计与分析方法，形成具有我国海峡特色的设计理论与标准体系，有关的数值分析与试验研究工作正在有序进行中。
正对三峡新通道选址方案进行优化
在距离悬浮隧道模型不远的地方，就是三峡枢纽水运新通道整体物理模型。整个模型面积大约4500平方米，模型几何比尺为1：100，共模拟三峡大坝上下游河段约14.5公里。
三峡枢纽是目前世界上最大的水利枢纽工程，在航运方面，三峡枢纽的建设显著改善了宜昌至重庆660公里航道的通航条件，万吨级船队可直达重庆港。为了满足船舶过坝需要，三峡枢纽目前有双线五级船闸和升船机两类通航建筑物。
每经记者在现场了解到，三峡船闸自2003年运行以来，由于上游经济发展加上水运需求释放，在双重力量的带动下过闸量持续快速增长，到2011年货运量首次突破1亿吨，提前19年达到规划运量，目前2019年有效数据显示，年过闸量达到1.4亿吨，已经大大超出三峡升船机和船闸的通过能力。三峡枢纽过坝能力不足已成为重庆水运事业发展的瓶颈，对地区的综合运输产业发展和区域经济带来了不利影响。
天科院内河港航研究中心负责人、研究员张明进介绍，近年来，船闸管理部门尽管采取了多种积极措施挖掘现有船闸潜力，但现有挖潜最多只能达到1.7亿~1.8亿吨左右的能力。而根据相关单位的最新研究成果，到2035年，预计三峡船闸通过货物需求将达到2.2亿吨以上。在这样的背景下，研究三峡水运新通道显得极为迫切。
三峡枢纽水运新通道整体物理模型 每经记者 张蕊 摄
“水运通道建设关键技术研究”是天科院承接的另一项交通强国建设试点任务。记者了解到，三峡枢纽是全球规模最大和技术难度最高的枢纽，天科院全面参与了枢纽建设过程中的关键技术研究，为船闸的高效运行提供技术支撑，目前正在开展三峡水运新通道的相关研究工作。
张明进表示，新通道的位置选址在现有五级船闸的左侧。“目前，我们这个模型主要研究新通道船闸线路布置、船闸进水方式、通航条件以及新通道船闸与现有船闸和升船机的相互影响等关键技术问题。”
采访期间，模型试验人员启动了一艘万吨级的船舶模型，可以见到船舶正缓缓向前驶入船闸。张明进介绍说，在此过程中，除了观测船舶的航行状态外，还需要模型上布置的众多仪器设备进行水位、流速等水流条件测量，同时还要利用无人机来捕捉现场试验的流场情况等。
智慧化融入每一项试点任务
在调研中，令记者印象极为深刻的是科研设施的智慧化水平。
天科院院长戴明新对《每日经济新闻》记者表示，该院大部分实验室都是面向实际应用、面向具体工程的。“因为我们服务于行业，行业本身正致力于发展新质生产力，比如行业基础设施的数字化转型，绿色化、智慧化发展，行业的发展需要技术支撑，我们也正在布局。”
天科院副院长冯小香向记者介绍，在水运基础设施的绿色智慧安全发展领域，天科院布置了三项交通强国试点任务，虽然没有单独把“智慧”拿出来，但是智慧化融入了每一个任务。
走过一部螺旋状楼梯，记者一行来到了一座船舶操作模拟器。这是一座360度的模拟器，四周环绕着一圈电子屏幕，显示着船舶前后及航道两岸的实景。
船舶仿真模拟器正进行恶劣天气下的仿真模拟试验 每经记者 张蕊 摄
冯小香告诉《每日经济新闻》记者，目前屏幕上显示的是在三峡水运新航道上模拟船舶航行的画面，两岸的地形景观，比如建筑物、工程结构、河道内的地形等都是根据拍摄实景按比例制作成的真实3D影像。该船舶仿真模拟器可以模拟内河、沿海等水运工程里的所有场景。比如模拟在渤海湾的30万吨级、40万吨级超大型船舶，在夜航或者复杂通航环境下能不能安全进出港。
冯小香提到，船舶能否顺利进出三峡水运新通道的引航道，能否顺利待闸，需要通过反复的船舶仿真模拟试验来进行模拟和研究。主要是对船舶不同极端或复杂通航工况下航行状态进行模拟，看船舶能否顺利通过研究河段。
天科院通航保障中心负责人、研究员马殿光告诉记者，国外其他机构也有船舶仿真模拟器，但天科院的模拟器是基于真实风浪流来对通航环境进行模拟，能够精确反映通航船舶在通航环境中的航行状态。比如风的模拟，能够达到10米尺度高精度模拟，风速风向精度也是国际先进水平，水流流速误差小于0.1米/秒，这样模拟出来的场景就非常接近将来工程建完后的真实情况。
“不仅如此，我们在屏幕上看到两侧还有其他一些船舶。”他指着屏幕上对面驶过来的两艘船说道，“这两艘船会跟我们这艘船交会，这两艘船的行驶轨迹目前正在另外两个实验室内由资深船长进行实时操控，所以它是一个真实的会遇模拟。我们在真实通航环境以及高精度预报的通航环境中，能够同时进行11艘区域通航模拟，目前国内只有我们能做到，这也是这个模拟器的特点之一。”
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