美國人用160年完成的深水航道建設，中國只用了12年

長江口深水航道建設工程克服攔門沙和分汊河口難題，是世界上最大、最複雜的河口整治工程。

出品| 網易新聞學院

作者| 須臾千秋，清華大學土木系建築材料專業博士

遠洋航行的巨輪，吃水深度常常有幾米甚至十幾米，這放在有幾千米深的海洋里自然是穿梭自如，可是船終究要靠岸，一旦進入近海、江河、湖泊等近岸地區，這裡水深相當淺不說，並且還富於變化，這可怎麼辦？

　　人們想到了一個辦法，那就是開挖出可供船隻航行的、水深足夠的區域作為通航水域，這便是航道。

（一）長江口深水航道：世界上最大、最複雜的河口整治工程

　　在水中開挖出「道路」並不簡單，尤其是大型航道的修建，不僅工程量大，而且水下的環境時時受水流影響，不易控制，此外，航道的建設絕非一勞永逸，水流會不停地帶來泥沙，需要長期的監測和定時清理。

　　但是，考慮到航運的效率極高，所以航道的修建對於經濟的貢獻是巨大的。從1998年開始一直持續到今天的長江口深水航道工程，顯著地提升了長江的通航能力和通航效率，將長江打造為了中國重要的運輸大動脈，進而加快了整個長江中下游的發展步伐。

　　長江口深水航道的整治難度是史無前例的。

　　首先，凡是有一定含沙量的河流，在入海口處都會有「攔門沙」，河口的攔門沙並不是一成不變的，而是隨著江水的流動，不斷堆積與流失形成的動態平衡系統。這使得長江口的沙灘始終沖淤不定，水勢複雜多變。在這種環境下，傳統的清淤裝備和工藝都不適用，工程實施起來風險性極高，施工難度是空前的。

　　其次，作為世界上最大的河口，長江口的分汊河口更是給工程師們出了難題。河流是動態的，而施工還會改變這種動態。這麼長的河道整治，先修哪兒，修多長，都會帶來江水流量、流速的改變，進而影響後續的工作。

　　此外，航道的建設歷來是一項大工程。法國的塞納河整治到13.6米水深，耗時45年。美國的密西西比河航道整治到13.7米深，耗時160年。而中國人則要在12年內完成這樣的壯舉。

　　（長江口深水航道示意圖）

（二）3.2億立方米的基建性疏浚土，堆成土堆可以繞地球8圈

　　大江入海的通道從不通暢。每年，從上游奔流而下的4.8億噸泥沙在長江口淤積，形成了約60公里的渾濁淺灘。這些攔河沙將長江的入海口層層分叉，讓長江口呈現了四口入海的態勢。但即使是這四個入海口，也是「里外深，中間淺」，攔門沙極其頑固地阻塞著航道。

　　從1978年開始，中國每年都對長江口航道進行疏浚。但由於財力和技術都十分有限，只能將水深勉強維持在7米。

　　（常見的集裝箱船尺寸極大，甲板上的人只是幾個小像素點）

　　這意味著，2.5萬噸以上的海輪只能停在外海，無法通過長江口進入上海港。然而，國際通用的集裝箱船已經普遍達到了5-10萬噸，這意味著長江攔門沙將絕大多數的商船都攔在了國門之外，嚴重製約了國家的經濟發展。

　　1998年1月，長江口水道治理工程正式開始，主要工程分三期實施，計劃分階段將航道水深增深到8.5米、10米和12.5米。

　　然而，對於長江口這個特殊地點來說，將航道向下挖深5.5米談何容易？淤泥剛挖出，新的泥沙馬上隨江水湧進，周而復始，沒有窮盡。

　　清淤過程中，多學科科研人員聯合攻關，創建了考慮徑流、潮流、波浪和鹽水等多因素共同作用的全沙數學模型、航道回淤預測數學模型，開發了軟粘土地基在波浪重複荷載作用下軟化的加固處理技術等，藉此科學有序地完成清淤工作，到2010年3月，全長92.21公里、底寬350-400米的12.5米深水道全線貫通，從此，5萬噸級船舶可以全天候通航，20萬噸級巨輪也可以乘潮通航，長江的「江海聯運」真正得以實現。

　　有人統計過，從河口挖出的3.2億立方疏浚土如果按照1立方米的土堆依次排列，可整整繞地球8圈。

（三）工程量巨大，開發研製了多項創新技術和設備

　　前面已經提到，長江口深海航道建設是一項工程量巨大、建設難度極高的水運工程，任務實施過程中，多項技術和設備都是專門針對這一工程而研製出來的。

1、大堤：新開發半圓型沉箱防波堤解決工程量大、缺少石料問題

　　水無常形。在天然河流中，水與河道都在不停地改變，無論是深淺還是走向。為了穩定或改善河勢，人們會修建堤壩、護岸等建築物，使得航道固定下來。這樣的建築物被稱為河道整治建築物。

　　這些建築物是治理工程的關鍵，其中航道兩側固定航道的斜坡堤尤為重要。一般來說，在斜坡堤中，通常會採用大量的石塊來構成主體。既施工方便，又具有很強的適應能力和變形能力。但是，長江口航道工程量實在太過巨大，而周圍又缺少石料來源，拋石結構的成本無法承擔。

　　因此，工程中採用了當時最新開發的新型防波堤結構。這種結構的下部是拋石基床，上部則是半圓形的混凝土預製殼。這種殼體堤壩重量輕，節省材料。運輸時可以浮在水面上，輕鬆運輸就位；到現場之後引水灌入，讓殼體沉下。這種堤巧妙地利用了曲形表面，能夠有效地消除海浪，抗波性能極好。

　　利用這種新型堤壩，工程有效地節約了資金並縮短了工期，同時還將工程質量提高了。

　　（半圓體堤，表面布孔也有助於消除波浪）

2、定位和測量：大膽啟用GPS衛星解決水上大範圍測量控制難題

　　任何土木工程的實施都需要精確的定位和測量。對於普通的建築，工程師們只需要在陸地上架設測量儀器就可以進行精準定位。但航道工程距離陸地有5公里遠，根本無法使用常規的測量手段進行工程測量。在1998年，GPS定位還是個新鮮事，在國內的使用更是少之又少。上海航道局與同濟大學測量系合作，經過兩個多月的科研攻關，成功地運用了GPS衛星定位系統，建立了航道工程的控制網。這項科研成果一舉解決了遠離陸地的水上大範圍測量控制的難題，為21世紀大型航道修建工程積累了寶貴的技術財富。

　　（長江口深水航道一期工程GPS控制網，圖片來自《長江口深水航道治理整治建築物施工與關鍵技術研究》. 曹根祥）

　　除了建築物工程的測量外，GPS也被用於進行水下地形的測量，服務於航道的疏浚工作。由同濟大學支持開發的水下三維坐標測量技術，運用GPS，結合常規方法同步採集的測深數據進行分析處理後，CAD可以自動繪製水下地形圖，整個過程完全自動化，無需人工干預。在長江口航道項目中，大膽嘗試的工程師們開始嘗到了信息技術為工程帶來的便利。

3、工程設備：研製專用船機設備克服工程量巨大難題

　　討論長江口航道工程，任何時候都離不開工程量的問題。許多本來簡單的工程面對如此巨大的工程量都變得困難起來。要克服如此巨大的工程量，靠落後設備和人海戰術必然是要失敗的。因此在開工之前，工程方面就開始研製各項工程所需的專用船機設備。

　　由於海上工程量巨大，並且可以藉助水的浮力進行運輸和操作，因此相比起陸地上幾噸、幾十噸的工程設備，海洋工程專用的船機設備基本都是上千噸的巨無霸。

　　首先是軟體排鋪設船。所謂「軟體」，是大面積的、相互柔性聯結的混凝土塊。它們鋪設在土堤上，既能固定土堤的形狀，防止被水衝散；同時又有較強的變形能力，不容易破碎、失效。

　　（混凝土軟體排的鋪設）

　　在長江口航道工程中，項目部共投入使用了5艘專用軟體排鋪設備，排水量高達1500-3000噸。它們每天共可鋪排三萬平方米的混凝土軟體排，相當於4個足球場的面積。

　　航道的修築還離不開最基本的拋石。石料能穩穩地壓住航道，防止水流的衝擊變形。工程採用的拋石機也是個巨無霸。它每天能拋石1500立方米，全自動化操作。

　　（工程使用的長專5號拋石船，長72米，寬25.4米，吃水3.5米，排水量超過5000噸）

　　為了吊裝堤壩所用的動輒數百噸重的水泥塊體，工程專門研製了專用的各種吊具。據統計，僅一期工程需要安裝的大型水泥塊體就達到了2800個。考慮到長江口惡劣的環境，減少潛水員危險的水下作業，工程研發出了多種自動生鉤、脫鉤的液壓吊具。這些吊具的吊裝能力達到200噸，可以獨自吊起整塊壩體。

　　（200噸自動化液壓吊具）

　　有了這些大型自動化機械的助力，長江口航道的建設沒有使用危險性大、效率低下的「人海戰術」，而是實現了以機械化為主。不用「蠻力」，而是發揮人的智力。這在19年前的當時是一種非常具有開創性的施工思想，也給後來的工程留下了機械化施工的寶貴經驗。

　　此外，長江口是一個對生態十分敏感的水域，有著獨特的生態系統，一旦遭到嚴重破壞，恢復起來必將是艱難而漫長的過程。施工中通過環境影響評價、航道疏浚工程拋泥區選劃、在工程實施中對施工和營運期的水質、生態環境、漁業資源進行監測，並且承擔和資助了長江口的水生生態系統修復工程，工程中使用的半圓型沉箱防波堤的中空結構和孔洞也可以很好地為各種水生生物提供庇護和生存空間。這一系列都保證了深水航道工程實施對生態的影響盡量減到最小。

結語

　　時至今日，長江口航道工程仍在不斷地向上游延伸。這意味著在不遠的將來，大型航船可以更多地利用長江這一天然水道，直接運輸貨物到上游的蘇州，南京甚至更遠，運輸成本將會一降再降。長江這條孕育文明的大江，正在中國工程師們的智慧中迸發新的活力。

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編輯| 史文慧