仲伟东 中国船舶及海洋工程设计研究院 研究员

传说中的填海造陆究竟是怎么一回事?

造就 TALK · 2018-12-18 · 17:11:37

造就第394位讲者 仲伟东

      中国船舶及海洋工程设计研究院 研究员

人类逐水而居,而大海似乎包含了我们对于美好生活的终极幻想——“面朝大海,春暖花开”。

近些年,中国大力开展海洋工程的建设、港口建设、石油开采等等,我们对于海洋的开发也不会仅限于此。那么,未来的海洋生活是怎样的?当下中国海洋装备的研发和使用是什么情况?

本期讲者仲伟东将为我们讲述中国海洋工程以及海洋工程装备的发展。 

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大家好,我是来自中国船舶与海洋工程设计研究院的仲伟东,是一名船舶设计师。

最近可能大家听得多的一艘中国的挖泥船,叫做“天鲲”号。这艘船是我们对标国际先进标准进行自主研发的一艘现代化的疏浚装备,我的工作主要是跟这些疏浚装备密切相关。

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那么首先给大家介绍一下,什么叫做疏浚?

疏浚这个词听起来很陌生,感觉离我们很远,其实它与我们的生活密切相关。疏浚就是疏导浚通的意思,从字面上来看,是一个和水、土打交道的行业。

我们人类面水而居,自古就有很多跟水利打交道的工程。我们中华民族就是伴着大禹治水的故事而来。我们也有像京杭大运河这种伟大的历史工程建设。

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洋山深水港

我今天要介绍的疏浚工程有哪些呢?这张照片是我们的洋山港,洋山港建在上海的东南部,在大小洋山岛屿之间造了这样的一片陆地。

这片陆地的面积大概相当于一千个足球场那么大,使得上海的港口的吞吐量从一个小港变成了世界第一大港。

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滴水湖

这是临港新城的一个地方,像一滴美丽的湖水滴到了大海当中,叫做滴水湖。

它是一个人工建造的湖泊,面积大概相当于杭州西湖,疏浚它的土方量大概相当于15座金茂大厦的规模。

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棕榈岛

国外也有很多这种疏浚工程,比如迪拜,可能我们很多人旅游到过这里,它有一个人工填海的岛屿叫棕榈岛,就像一片棕榈树叶铺展在海中,非常美丽。

世界上这么多的疏浚工程都是用来干什么的呢?

荷兰是一个大部分陆地在海平面以下的国家。为了自己人民的生存安全,他们不断地和海水作斗争,经过800多年的发展,他们的疏浚业已经达到了世界上最强的状态。

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当然,疏浚工程很多都是用在工业化发展上的,像日本,陆地面积非常小,沿海的城市很多土地都是靠疏浚、填海造陆而形成的。

还有一些城市、国家的发展,都是依托填海造陆的工程来完成,像美国,像我们的香港、澳门,像新加坡,都是通过填海造陆来扩充他们的生存空间,来扩充它城市化的规模。

疏浚与大众生活有什么关系?

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疏浚最初的设想,是用来挖掘水中的泥土,保证航运的畅通。

长江是我们国内一条重要的航运航线,而长江的泥沙含量是非常高的,在世界上居第四位。每年有将近6000万方的泥沙沉淀在江底,在长江航道上形成了很多碍航点,这些碍航点会阻碍我们的船舶向上游行进。

国家在这方面做了重大决定——整治长江河道,用六年的时间,大概到今年的5月份完成了从南京向下游到入海口12.5米深水航道的疏浚工程,从而保障了我们水运的畅通。

保障航道畅通跟我们日常生活的关系可能还是觉得有点远,其实更多的是疏浚我们的港口,保证我们能高效地通过港口来提供能源供应。

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通程号

在去年年底的时候,华北地区燃气供应告急,我们国家就迫切急需疏浚天津的南港航道,把这条航道打通,保障我们的天然气船能够停靠在天津港,来供应华北地区。

这条挖泥船叫“通程”号,是我们中国的第一艘超大型耙吸挖泥船,方量是18000方。通过这条船一个月的抢修,保障了华北地区老百姓过冬取暖所需要的能源,解了燃眉之急。

“无中生有”,港珠澳大桥、洋山深水港的填海造陆工程

其实我们更关心的可能是它挖出来的土怎么办?

挖出来的土有很多的用途。港珠澳大桥是由桥梁和隧道两大部分组成的,隧道部分就用到了我们的挖泥船。

隧道建设开挖基槽是需要挖泥船的。精确的定点、定位,在珠江底部开一个沟槽来保证隧道沉管的下放。

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隧道和桥梁连接,隧道和陆地连接,还有几个人工岛的建设,我们以港珠澳大桥东人工岛为例,介绍一下一种典型的建岛过程。

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人工岛的建设其实没有我们想象得那么复杂,在挖泥船疏浚好一块区域以后,我们把一个个圆筒型的钢桩插到水下,把它进行连接,里边再灌注泥沙。

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连接处通过连接片把它们连在一起,最终形成一个岛屿的形状。

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接下来,将它里边的水抽空排掉,然后灌注下面的岩石或者是一些硬质的底质,在灌注的过程中不断地排水,不断地放入一些泥沙,然后把它填充成岛。

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成岛以后,再进行整平工作,最后我们灌注混凝土把它建成这样美丽的一个岛屿。

港珠澳大桥的人工岛是在珠江口靠近外海的区域,我们国家还有一些重大的工程,比如说上海洋山港的建设。这个港口则完全是在外海进行建设的。

上海本身是长江冲积出来的一个港口城市,港口的天然条件不是特别的好。为了促进经济的发展,江海直达以及发挥上海辐射整个东亚的作用。

经过多次的论证,在大、小洋山岛的位置准备建这样一个人工的码头。通过人工码头,再经过东海大桥就可以和陆地连接在一起,形成一条交通线就可以盘活整个区域。

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洋山是处于长江入海口的一个偏僻位置,可以躲避一定的泥沙淤积。我们就制定了整个洋山深水港的建港的原则——

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包括需要封堵一些汊道,然后把水流归顺。通过卫星遥感技术、长期水文观测技术来知道它的流向、水文地质情况,然后规划了这样一个岛屿以后,再来进行施工建设。

这样可以减少泥沙淤积,保障航行安全。

填海造陆利器——挖泥船

那么疏浚船舶到底是怎样工作的呢?疏浚作业船主要有两大类,一类叫做耙吸挖泥船,一类叫做绞吸挖泥船。

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耙吸挖泥船

我们先简单认识一下耙吸挖泥船,它将两只耙臂像手臂一样地伸在海底,比如通途号,最大的深度可以挖到90米,将泥沙从海底通过泥泵及耙臂上的一套水下泵把泥沙吸到泥舱里。

这艘船一个小时可以疏浚两万方的泥土,航行到指定的区域以后,可以通过吹填管线的连接方式,把它送到我们需要填海造陆或者造岛的区域。

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天鲲号

我们开篇说到的“天鲲号”,属于自航式绞吸挖泥船。它工作时先将两根钢桩插到水下,将船牢牢固定在需要施工的水域,然后将艏部的一套三缆定位系统和艏部的铰刀头进行配合,可以实现精准的水下挖掘。

这条船的挖掘效率非常高,像这艘船,每小时可以挖掘6000方的泥土,这些泥土相当于——如果是假设一米深的深度——一个足球场的量级。然后通过长距离的管系输送,把它输送到需要吹填的岛屿之上。

填海建岛到底需要哪些能力呢?

前面我们说过了,“通途号”的挖深可以达到90米,所以水深是在填海建岛中一个很重要的因素,只有水深足够,我们才能够到更远的地方去取海沙,找到填海建岛的原材料,这是我们保证建岛的基础条件。

当然,建造的过程高不高效,规模效应能不能体现出来,就需要有大规模的挖泥船队来进行疏浚,来进行填海造岛。

我们在整个疏浚的过程中也关注着环保的要求,争取把环保的影响降到最低。

在2000年之前,我们的大型挖泥船主要是通过欧洲进口,主要的原因是我们缺少核心设备,国外进行了一些技术封锁,所以我们只能整船进口,花重金从国外去引进这些装备。

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新海龙号

像这张照片,是2002年从荷兰整船引进的新海龙号,这艘船的方量是一万多方,它的施工效率和能力都是非常高的。在当时,算是现代化挖泥装备里比较先进的一艘,这艘船也是洋山港建设中的核心主力装备。

国家很快就意识到了这个问题,我们的经济发展需要这样大型的装备来支撑。在国家政策和各大航道局的支持之下,国内的各大科研院所开始研究这些疏浚船的整船设计技术、核心装备的设计技术。

刚才说到的那几项专项装备,在设计过程中都一一进行数学建模和模型试验。

我们也研发了很多耐磨材料,都是用来满足整个疏浚装备系统的发展的。

我们已经在很多领域取得了突破,所以在2000年以后,国内建造了大量的大型耙吸挖泥船、绞吸挖泥船,并且这个规模已经做到了世界最大!

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这几张照片其实是我职业生涯里所参与的一些项目,包括了我国自主研发设计的最大型两万方耙吸挖泥船“通途”,也包括我们长江口航道专用的一些船型。在疏浚和填海造陆的各项工程里发挥了决定性作用。

其实我们还要意识到,我们与疏浚强国之间还有很大的差距,虽然我们的规模达到了世界领先水平,但是我们技术的发展还有很多的路要走。

我们要从原来的高速度发展向高质量发展去迈进。我们要攻克的问题包括技术储备不足、创新能力不足、关键设备研发、设备可靠性以及基础研究和智能化等。

这些才能提高我们整个疏浚装备在国际行业中的地位。挖泥船只是海洋工程的一个缩影,我们的海洋工程也是走过了一条从无到有的路。

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海洋是一个巨大的宝库,人类对它的认识和开发还远远没有达到很深的程度。像波浪能、潮汐能等等,有很多的科学团队都在开展这方面的前沿科学研究,努力将这些清洁能源转化为我们生活所需要的电能。

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人类未来能不能实现在海上生活?这是我们团队做过的一些设想,它利用了很多清洁能源,集成在一个“奇幻星球”里边,将来有可能会实现在上面的生活、工作、居住甚至消费娱乐等等。

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面对大海,我们确实还有很多的路要走,我们不能固步自封,希望我们能够自强不息、坚定勇敢地走下去。

谢谢大家。


文字:王锐

校对:其奇

  • 技术
  • 海洋
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