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长江口深水航道治理工程概况

一、工程背景

长江是我国的黄金水道。干流流经七省二市,贯穿我国人口和产业最密集地区,是我国唯一贯穿东、中、西部的水路交通大通道。长江口(图1)三级分汊,四口入海,由于河口特有的水沙运动特点,在长江口形成了长达数十公里的“拦门沙”区段,滩顶自然水深仅5.56.0米(理论最低潮面,下同),成为通海航道的碍航段。

治理工程前,长江口北支已逐渐淤浅,只能通航小船;北港和南槽为6.0m水深的自然航道;北槽依靠疏浚,航道水深也只能维持在7.0m,吃水9.5m(相当于1.5万吨级)的船舶平均一天只能乘潮通过15艘左右。大型船舶需要在口外减载后才能乘潮进入长江口,而外贸集装箱则需要在香港和神户中转。已远远不能满足当时上海港及南京以下110多个万吨级以上泊位船舶的进出需求,严重阻碍了长江黄金水道效益的发挥和长三角乃至整个长江中下游流域经济的发展。

上世纪90年代,党的十四大提出 “以浦东开发开放为龙头,进一步开放长江沿岸城市,尽快把上海建成国际经济、金融、贸易中心,带动长江三角洲和整个长江流域地区经济的新飞跃”战略决策,为了尽早建成上海国际航运中心,充分发挥长江黄金水道的作用,完善沿海港口布局,为改革开放形势下以上海为龙头的长三角地区经济的迅猛发展创造良好的基础设施条件,打通拦门沙,建设长江口深水航道势在必行。

二、设计思想与治理方案

“治理长江口,打通拦门沙”是几代中国人的夙愿。1958年以来,一大批专家学者开展了大规模的现场测验,进行了多学科的、系统的长期研究,为治理长江口积累了大量宝贵数据资料和经验。

1992年国家计委将“长江口拦门沙航道演变规律与深水航道整治方案研究”列入国家“八五”科技攻关项目,取得重大突破,提出了长江口深水航道的整治方案及初步技术经济论证。19979月,长江口深水航道建设领导小组组织召开了《长江口深水航道治理工程汇报会》,国务院副总理邹家华和吴邦国亲自出席会议,我国水利交通领域德高望重的院士钱正英、严恺、窦国仁等一大批学者专家参与了研讨。尽管当时仍有不少专家对于“拦门沙河段能否有把握打通”、“在上游河段尚未整治的条件下先期治理北槽是否可行”以及“在分汊河段仅在其中一汊建整治工程有无重大风险”等重大技术问题存在疑虑,但经深入、热烈的讨论后,会议终于取得了共识。会议认为,长江口是可以认识、可以治理的,目前河势处于相对稳定时期,有利于采用科学合理的治理方案及时实施工程措施,在治理的实践中完成对长江口的认识。

长江口深水航道治理工程的治理思想是:抓住长江口总体河势相对稳定的有利时机,选择河道形态与建设条件最优的南港北槽进行治理。工程采用“整治+疏浚”的总体治理方案。即在北槽建设分流口及双导堤加长丁坝群的整治建筑物,发挥导流、挡沙、减淤的目的,为深水航道开挖和维护创造良好的条件;采用疏浚手段,实现航道的成槽及维护。

1  长江口深水航道治理工程平面位置图

分流口工程:主要作用是固定江亚南沙,使其不受冲刷而后退,从而稳定南港北槽河势,保持南、北槽有利的分流、分沙比。

南、北导堤工程:主要作用一是形成北槽优良河型,为修筑丁坝形成治导线提供依托;二是阻挡北槽两侧滩地泥沙在风浪作用下进入北槽航道,三是归集漫滩落潮水流和拦截江亚北槽的落潮分流,增强北槽的水流动力,并消除横沙东滩窜沟对北槽输沙带来的不利影响。

丁坝工程:主要作用是形成合理的治导线,使治导线范围内的流场分布有利于深水航道的成槽和维护。

疏浚工程:主要作用是通过疏浚成槽,开挖及维护深水航道。

按照“一次规划,分期建设,分期见效”的原则,长江口深水航道治理工程分三期实施。一期工程设计通航水深8.5m,二期工程通航水深10.0m,三期工程通航水深12.5m,底宽350400m,可满足第三、四代集装箱船(实载吃水11.5m)全天候进出长江口,第五、六代集装箱船和10万吨级散货船及油轮乘潮进出长江口的需要。

三、工程实施与管理

199711月,国家计委正式批准了一期工程可行性研究报告,12月,批准了一期工程开工报告。1998127日,长江口深水航道治理一期工程正式开工。

为了有效组织工程建设,工程开工之初,按照专业、精干、高效的原则,由交通部、上海市人民政府和江苏省人民政府组建了长江口航道建设有限公司,作为项目法人,负责工程的建设和管理;2005年报请国务院同意后,改制为交通部长江口航道管理局,负责长江入海口河段航道的规划、管理、建设、维护和科研工作。

工程实施过程中,管理局择优选择国内一流的科研、设计、施工、监理单位和材料供应商参与工程建设,严格执行了项目法人制、招标投标制、合同管理制和建设监理制;坚持管理的科学化、制度化、标准化和信息化。根据工程的特点,始终坚持“以确保整治效果和建筑物稳定为目标,以现场监测成果为依据,以科研试验为手段,适时优化设计施工方案”,把现场监测、试验研究、设计和施工管理有机地结合起来,总结形成了一套动态管理的基本程序,实施了科学严格的动态管理。管理局还对施工和营运期的水质、生态环境、渔业资源等环境保护工作给予了高度重视,始终贯彻“保护生态就是保护人类自己”这一理念,注重节能减排、污染防治、节约资源、文明施工,做到工程建设与自然和谐相处,全力将该工程打造成为生态工程。围绕工程建设,在局党委领导下,通过党建联建、文明工地创建和立功竞赛活动等形式,极大地促进了工程建设。

工程实施过程中,先后遇到了一期工程中,工程下游段出现局部严重淤浅;二期工程中出现的地基土在波浪作用下软化;三期工程初期航道回淤规律改变,淤积严重且分布集中,致使实现12.5米航道水深的目标遇到严峻挑战等重大工程技术难题。在交通运输部的大力支持和直接领导下,管理局组织科研、设计和施工单位开展技术攻关,通过科学研究,经部批准,及时对设计方案作了重大调整,最终成功地解决了这些重大技术难题,经受住了长江口一次次台风巨浪的考验,实现了航道治理目标,并确保了工程质量优良。

长江口深水航道治理一期工程19981月开工,20003月实现了8.5米目标水深并试通航,20029月顺利通过了国家竣工验收;二期工程20024月开工,20053月实现10米水深航道全面贯通,200511月通过国家竣工验收;三期工程20069月开工,2010312.5水深航道全面贯通,20115月通过国家竣工验收。201118日,12.5米深水航道已上延至江苏太仓。一~三期工程共兴建整治建筑物169.165km;完成基建疏浚工程量3.2亿m3,建成水深12.5m,总长92.9公里、底宽350/400米(其中外航道底宽为400m)的双向航道。迄今为止,一期工程8.5米,二期工程10米,三期工程12.5米的通航水深均保持了100%的通航深度保证率。

四、工程特点与创新

1、工程建设规模巨大

长江口深水航道治理工程历时13年,完成建设各类整治建筑物堤坝总长约170公里,疏浚工程量超过3亿立方米。按每一方土纵向堆放,疏浚土总方量可以围绕地球8圈。如此巨大规模的水运工程不仅在我国历史上是空前的,在世界上也是罕见的。

1  长江口深水航道治理工程主要建设内容一览表

实施阶段

一期工程

二期工程

三期工程

合计

计划

实际

计划

实际

计划

实际

计划

实际

南线堤(km

1.6

1.6

 

 

 

 

1.6

1.6

堵堤(km

0.73

0.73

 

 

 

 

 

0.73

潜堤(km

3.2

3.2

 

 

 

 

3.2

3.2

南导堤(km

20

30

18.077

18.077

 

 

48.077

48.077

北导堤(km

16.5

27.89

21.31

21.31

 

 

49.2

49.2

护滩丁坝及促淤潜堤(km

0.5

0.5

8.087

8.087

 

 

8.587

8.587

长兴潜堤(km

 

 

 

 

1.84

1.84

1.84

1.84

南坝田挡沙堤(km

 

 

 

 

 

21.22

 

21.22

数量(座)

6

10

18

14

 

11

 

19

总长(km

9.17

11.19

20.51

18.90

 

4.621

 

34.711

航道疏浚长度(km

44.8

46.13

59.77

59.5

92.2

92.2

92.2

92.2

疏浚量(万方)

 

4386

 

5921

 

21849

 

32156

航道长度(km

51.77

51.77

73.45

74.471

92.2

92.2

92.2

92.2

2、治理的难度极大

一是治理可行性的研究难。长江口丰水多沙、潮量巨大、潮流与径流交互作用、多级分汊、滩潮交错、河势易变。在上游河势尚未得到完全控制的情况下,如何认识河口整体河势及分析各入海汊道的稳定性,论证先期整治拦门沙河段的可行性,是治理工程首先需要解决的关键技术难题。与世界著名的美国密西西比河航道治理工程相比,长江口拦门沙的长度是其4倍,潮差是其5倍,且密西西比河口泥沙以流域来沙为主,而长江口是径潮流双向输沙。可见长江口深水航道治理工程的难度和规模均超过了密西西比河口。

二是制定总体治理方案难。在无国内外可借鉴经验的条件下,如何根据长江口水文、泥沙的特点及运动规律,拦门沙形成及河床冲淤变化规律等,科学地确定拦门沙河段的治理原则,提出科学合理的总体治理方案,也是必须创造性研究解决的重大技术难题。

三是试验研究技术难。长江口受径流、潮流、波浪和盐水等多种因素共同作用,水体含沙量分布和变化规律复杂,航槽淤积与流场、悬沙和底沙的复杂运动密切相关。工程治理方案研究和航道回淤量预测要求必须开发领先于世界水平的物理模型和数学模型试验技术,理论创新和技术创新的难度极大。因此,工程实践的效果很难通过前期研究作出准确预测。

四是工程设计施工难。长江口江面开阔,施工区域远离陆域,常年受风、浪、流的影响,年水上可作业天数仅140180天;整治建筑物的地基条件复杂,在二期工程浪更大、地基更软弱的组合条件下,还出现了地基土“软化”这一世界级的技术难题,水运工程中传统的堤坝类结构型式和施工工艺均不能全面适应长江口的自然条件。航槽回淤强度变化规律极其复杂,且高强度的疏浚工程必须全过程在按不断提高的水深标准保证船舶通航的条件下施工。由此可见,工程设计施工的难度在我国水运工程中堪称前所未有。

五是工程管理难。受上述困难因素的影响,对长江口深水航道治理工程管理的难度也是空前巨大的,特别是在对长江口水文泥沙及河势变化规律的认识尚不够充分的条件下,在长江

2  动态管理的基本程序

口深水航道治理工程的建设的全过程中,必须对河势和建筑物周边地形的变化及水文、泥沙进行严密、科学、实时的检测,并把现场监测、试验研究、设计和施工方案的及时优化和调整有机地结合起来,实施科学的动态管理。(前页图2

3、工程创新成果

长江口深水航道治理工程是多学科技术成果的综合体现,是广大科技工作者和工程建设者集体智慧和心血的结晶。广大科技工作者和工程建设者刻苦攻关、群策群力、狠抓工程技术创新,在航道治理思路、工程结构型式、工艺技术装备、工程建设管理等领域取得了一系列创新成果。

在航道治理思路方面,科研人员经长期、多学科的联合攻关研究,在基本掌握了长江口水、沙运动及河床演变的基本规律的基础上,创造性地提出了可以选择北槽先期进行工程治理的科学论断,制定了“中水位整治、稳定分流口、采用宽间距双导堤加长丁坝群,结合疏浚工程”的总体治理方案。通过一~三期工程的实践,我们又对不同河段底沙和悬沙运动对航道回淤影响的不同;影响拦门沙河段泥沙淤积的动力条件的复杂性;如何深入认识汊道分流条件与河槽地形的变化等规律性的认识有了突破性的提高。

在工程建设管理方面,依据河势变化,实施科学的动态管理;通过“带案”招标和开展方案竞赛等方式,为设计单位搭建创新平台,诞生了一批新型结构型式;采取激励措施,促使施工企业自主创新,为本工程开发研制了成批专用设备;结合本工程实际,制定和完善了7项专项技术标准,实现了对工程安全、质量、工期和投资的有效控制。

在整治建筑物结构型式和设计方法上,自主开发了长管砂肋和砼联锁块两种压载材料的护底软体排;首次提出了“根据建筑物整体稳定性要求,按照冲刷坑最大冲深和位置确定软体排宽度”的设计原则;开发了充沙半圆体结构和半圆型沉箱结构两种新型半圆型结构型式,首创了空心方体斜坡堤结构型式;并创造性地提出了解决波浪作用下地基土“软化”的工程措施。55%的整治建筑物采用了新型结构。

在整治建筑物工程施工技术上,在国内水运工程中首次应用GPS技术在长江口广阔水域实现了三维测量控制,并实现了采用GPS与测深仪结合的无验潮水深测量;研制开发了6大类27艘(台)新型专用作业船机,并相应开发了一批新工艺。

20065月,《长江口深水航道治理工程成套技术》成果通过了包括钱正英、潘家铮等九位院士在内的专家组鉴定。鉴定意见认为:长江口深水航道治理工程的成套技术,是一、二期工程成功建设的重要保障,是我国河口治理和水运事业的伟大创举,是世界上巨型复杂河口航道治理的成功范例。该项科技成果总体上居于国际领先水平。

长江口深水航道治理第一、第二期工程连续两次获得詹天佑大奖和国家优质工程金质奖;形成的大型河口治理成套技术成果,获得了“2007年度国家科技进步一等奖”。成套技术的创新成果多达74项,其中较重大创新有39项。74项中属于原始创新49项,集成创新19项,引进、消化、吸收后再创新6项。已获得发明专利2项,获实用新型专利12项。其中的大量具体成果已迅速在洋山深水港、黄骅港外航道等一大批重大工程中推广应用,受到日本、荷兰、德国、俄罗斯、美国等国际同行及国内水利、土木等相关行业的高度评价。美国土木工程师协会(ASCE)海岸工程专业委员会委员罗伯特·戴姆教授认为“对于其他国家类似工程,本工程疏浚航道和整治建筑物的技术是很好的范例。”日本学士院会员堀川清司教授认为“在长江口十分复杂的流场条件下,确保航道水深很不容易。作为中国国家项目能最终实现12.5米水深的稳定航道,深感工程壮观、伟大。”三期工程实践中又在减淤工程措施研究思路、回淤量预测数值模拟技术、疏浚施工工艺和管理手段等方面取得了新的突破。三期工程交工验收组专家一致表示,长江口三期治理工程12.5米水深目标的实现,表明我国在大型河口治理的研究和工程技术水平上又有了新的突破,已处于世界领先水平。

五、工程投资和社会经济效益

1、工程投资

长江口深水航道治理工程总投资为155.767亿元,较1996年国家计委、交通部、上海市、江苏省联合上报的《关于实施长江口深水航道治理工程的请示》中提出的“动态投资153亿元”增加2.767亿元。投资增加的主要原因是,在三期工程实施过程中,由于航道淤积总量较预期大幅增加,导致基建期和一年试通航维护期疏浚工程量大幅超出原批准的设计总量,三期工程投资从47.3529亿元调整为69.047亿元,实际下达总概算68.471亿元,到竣工验收时,完成67.807亿元。

2  长江口深水航道治理工程分期投资情况 (单位:亿元)

工程阶段

初步设计批准概算

初步设计调整概算

竣工决算

一期工程

32.6

31.7

30.8

二期工程

63.4

59.6

57.1

三期工程

47.4

69.0

67.8

2、社会经济效益

1)产生了巨大的直接经济效益

长江口通航水深从7米提高到12.5米,大大提高了航道的通过能力,改善了船舶安全航行的条件,提高了大型船舶的营运水平,带来了显著的社会经济效益。深水航道开通前,5万吨级以上船舶几乎无法进出长江口航道,而现在平均每天达到了17艘次;吃水大于10米的船舶,航道7米水深的时候平均每天不到1艘次,而现在平均超过了30艘次;尤其吃水12米以上的船舶增长最快,2012年达到了912艘次,相比12.5米深水航道开通前的2006年至2009年合计的17艘次,以及2006年以前0的记录可以说是爆发式增长。有关研究表明,长江口深水航道水深从7米增深到12.5米,船舶平均每航次可以多装载50110%,大大提高了船舶的营运水平。

据上海海事大学研究成果,以通过长江口深水航道的大宗散货、石油及制成品、集装箱等三大类货种的运输船舶做出的初步计算,因运输费、中转费和中转损失减少产生的直接经济效益,在航道通航水深8.5米和10米时分别达到43.8亿元/年和105.5亿元/年。12.5米深水航道正常通航以后,每年产生的直接经济效益可望达到177.6亿元/年。长江口深水航道治理工程实施以来,截至2011331日,已产生直接经济效益876.5亿元,是工程总投资的5.6倍。据部水运科学研究院和财政部财政科学研究所共同研究的成果显示,长江口深水航道带来航运效益2011年为77.26亿元,2012年为80.43亿元;港口效益2011年为10.95亿元,2012年为10.15亿元。

2)有力推动了上海国际航运中心建设

长江口深水航道建设,为长江口货物运输量的迅速增长提供了航道水深保证,促进了上海港及江苏沿江港口货物吞吐量的迅速增长,为上海国际航运中心建设发挥了重要的支撑作用。通过长江口的货运量由2000年的2.2亿吨,增加到2012年的10.2亿吨,年均增长率在27%以上。上海港的货物吞吐量由2000年的2亿吨,增长到2012年的7.36亿吨;集装箱吞吐量由2000年的561.2万标准箱,剧增到2012年的3253.9TEU(其中超过60%在长江口内港区完成),货物吞吐量和集装箱吞吐量均已稳居世界第一。同期,上海国际航运中心的北翼——江苏沿江港口的吞吐量显著增长,催生了南京、镇江、苏州、南通、江阴、泰州等6个亿吨级大港。

3)产生了显著的社会综合效益

长江口航道治理工程在有效促进港航发展、产生巨大的直接经济效益的同时,也产生了显著的社会效益。工程的实施以及12.5米深水航道向上延伸,拉动了长三角和长江流域经济的快速增长。据财政部财政科学研究所研究成果,2000-2010年,长江口深水航道治理工程共拉动我国GDP增长约8404.56亿元,年均拉动764.05亿元;促进了“上海国际航运中心建设”、“江苏沿江和沿海地区发展规划”等国家和地方区域经济战略的实施和调整;有力促进了综合运输体系的形成和完善,有力推动了节能减排和绿色经济发展,并形成了国土开发等方面的综合效益。

3、中国工程院对长江口深水航道治理工程的评价

为科学总结长江口深水航道治理工程建设管理、科技创新等方面的经验,客观评估工程的实施效果和综合效益,交通运输部委托中国工程院于201146月开展了对长江口深水航道治理工程的专项评估工作。中国工程院组成了包括12位院士在内的评估专家组,对长江口深水航道治理工程的工程效果及维护管理措施、社会经济效益和工程环境影响进行了分析评价,形成了综合评估报告,充分肯定了工程所取得的成绩。

中国工程院总结治理工程取得的五条经验是:

1、积累了复杂河口治理的经验;2、推动了港航建筑物设计理论的进步;3、提升了我国港航工程施工技术的水平;4、创新了大型港航工程项目管理的模式;5、促进了河口海岸工程领域的科学研究。

中国工程院对治理工程的主要评价结论是:

1、科学决策和动态管理是工程成功的关键;2、深水航道治理工程原定目标顺利实现;3、航道整治总体技术水平先进;4、工程经济社会效益显著;5、工程对生态和环境无显著的负面影响。

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