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从本质安全入手 做实做强水运基础设施养护

——访交通运输部天津水运工程科学研究院院长张华勤

2021-07-12 14:36:40 来源:中国交通新闻网 作者:​记者 李雨青

经过70多年发展,我国已成为名副其实的交通大国,正迈向加快建设交通强国的新征程。新形势下,“建养并重”逐渐成为行业共识,交通基础设施养护工作更加受到各方重视。

伴随着经济社会快速发展,我国水运基础设施建设也呈现了快速发展态势。截至2020年年底,全国港口生产用码头泊位22142个,万吨级及以上泊位2592个。全国内河航道通航里程12.77万公里,比上年末增加387公里;三级及以上航道里程1.44万公里,占总里程比重为11.3%,提高了0.4个百分点。《国家综合立体交通网规划纲要》提出,到2035年,我国“四纵四横两网”国家高等级航道合计将达到2.5万公里。这为我国水运基础设施的养护、管理提供了广阔空间。

新发展阶段,规模庞大的水运基础设施领域面临哪些养护难题?对水运基础设施养护高质量发展提出哪些新要求?日前,记者专访了交通运输部天津水运工程科学研究院(简称天科院)院长张华勤。

冲破“卡脖子”技术制约

记者:当前,我国水运基础设施养护领域面临哪些问题?接下来,应该从哪些方面着力解决这些问题?

张华勤:水运基础设施是我国经济社会发展的战略资源和重要支撑,但在经历长期高速发展之后,目前,我国水运基础设施养护主要面临三方面问题:一是大量水运基础设施迈入“老龄化”,由于海洋环境、堆场超载、船舶撞击、超期服役等因素影响,带来众多安全隐患;二是受频发的全球极端天气影响,设施服役环境加速恶化;三是水运基础设施现有维护水平无法满足高质量发展的新要求。

按照《交通强国建设纲要》和《国家综合立体交通网规划纲要》的要求,提升并夯实水运基础设施养护水平和能力任重道远,特别是涉及水运基础设施养护的一些关键技术和“卡脖子”难题急需解决。

水运基础设施养护的关键核心技术应当从检测监测、结构试验、安全评估和修复加固4个环节进行梳理。

目前,水运基础设施的检测监测多以直观可见部位、人工巡检、定期检测的方式来完成,存在不能及时检测的问题。此外,由于历史积累不足等原因,高端检测设备严重依赖进口的局面尚未得到根本改观。如何解决隐蔽部位无损检测技术和实时动态监测技术,如何尽快实现高端检测设备国产化及核心技术自主可控,是该领域的“卡脖子”问题。

对此,天科院近年来做了相关探索,如首次开展了高桩码头健康监测研究,首次开展航道整治建筑物安全监测,并针对软基上重力式码头地基承载力检测首次开展了原型加载试验研究。

传感器的高精度、长寿命技术也需突破。由于海洋环境复杂多变、条件恶劣,对传感设备的耐久性、精确度带来严峻挑战。目前我国相关核心元件还不能够实现自主研发。可喜的是,国家已充分意识和重视到这个问题,在国产设备的准确性、稳定性、可靠性和耐用性方面,已经凝练了国家层面的重大科研专项,并列入“十四五”智能传感器国家重点研发计划。

在试验技术方面,首要问题是精密加载试验设备国产化程度低。水运工程养护需要的结构加载试验设备、地基参数试验设备磨损大、用时长,在使用寿命和测试精度等方面要求高,和国外发达国家有一定差距,尤其是在水下振动台等关键技术领域,国外技术产品市场占有率高,在一定程度上存在“卡脖子”问题。其次,国产稳定性采控设施相对缺乏,需要增加具有自主知识产权的稳定性强的采控系统及数据分析系统。

另外,鉴于原型试验技术难度高、资金投入大,目前水工结构试验以室内小比尺试验为主,全国范围内开展的原型试验很少,缺乏全面反映现场实际情况的一手数据资料。对此,天科院开展了高桩码头承载力原型加载试验、重力式码头原型加载试验。

就评估而言,虽然水运基础设施的评估规范体系已较为完善,但评估技术还有待改进;现有规范侧重于推广性和操作简便性,其技术和理论性有待进一步提升,特别是在整体评估和时变模型方面,还需要进一步完善。

针对安全评估,有4个基础理论需要加快突破:一是土体本构理论及其应用技术,二是波浪结构地基耦合作用,三是基于整体层次的安全评估方法,四是基于模型的安全状态预测推演。这些问题已凝练到“十四五”交通基础设施国家重点研发计划,韧性技术和长寿命技术已列为交通强国试点任务。

此外,我国安全评估软件对国外依赖性强,主流有限元数值分析商业软件均为国外产品,在结构和地基耦合领域对国外软件有极强的依赖性。目前没有专用结构安全评估计算分析软件,从业人员只能采用水工结构设计计算软件,针对受损结构的安全评估结果高度依赖于个人经验。

从水运基础设施加固处理技术的角度出发,目前主要有构件耐久性修复、构件局部加大截面加固、地基与岸坡加固3种。该领域“卡脖子”关键技术的突破方向主要有3个方面:一是在新材料领域,结构损伤的应急修复材料与处理技术是目前影响加快修复的重要方面,针对码头混凝土构件局部开裂、轻度受损情况,研发新型高性能材料,确保在不影响或少影响码头泊位正常运营的前提下,实现结构损伤的应急修复;二是在新工艺领域,不同于工程建设时期,水运基础设施加固设计与施工往往面临作业面狭小、施工条件苛刻、船机调用费高等特点,需要研究限定条件下的结构地基综合提升新工艺;三是在新装备领域,要研发小型化、便捷化、智能化新装备。

锚定安全智慧绿色发展目标

记者:着眼不断适应和满足新发展阶段新要求,您认为水运基础设施养护行业应从哪几方面入手?

张华勤:新发展阶段对水运基础设施养护提出了新要求,未来,行业需从提升本质安全、发展智慧水运、推动绿色发展等方面,做实、做强交通基础设施养护,为构建新发展格局当好先行。

着重提升水运基础设施本质安全水平。围绕水运基础设施安全性能提升,突破安全性能劣化规律与演化机理、新一代检测评估与延寿加固方法、风险识别与智能预警等技术,构建全寿命周期内检测、诊断、加固、改造全系列技术支撑体系,完善交通基础设施质量安全技术标准规范,推进精品建造和精细管理,增强设施耐久性和可靠性,持续加大基础设施安全防护投入,打造百年品质工程。

大力发展水运基础设施的智慧养护。推动传统水运基础设施向数字化、模块化、智能化转型发展,推进水运基础设施结构健康监测系统建设,实现全寿命周期内运行状况实时监控。推进交通基础设施长期性能观测网建设,试点开展长期性能观测,加强基础设施运行状态监测和运行规律分析,支撑水运一流设施建设与维护。构建水运交通基础设施大数据中心,推动5G、区块链等新一代信息技术深度融合,打造具备感知、互联、分析、预测、控制等能力的一体化平台,打造融合高效的智慧交通基础设施,推进大数据资源赋能养护行业科学发展。

加快推动水运基础设施绿色养护。积极响应国家碳中和愿景,将绿色低碳发展理念贯穿于水运交通基础设施规划、设计、施工、运营和养护全过程,立足技术创新,致力于集约节约、生态环保新技术、新材料和新工艺研发。在新建工程或既有设施设备升级改造中,大力推广应用节能减排新技术、新工艺,推动水运基础设施与环境共生发展的良性循环,引导行业绿色发展。

加强产学研用的协同创新。聚焦交通基础设施养护共性关键技术,深化产学研用各创新主体之间的交流合作,强化基础研究,促进技术完善,提升应用实效,努力构建科技研发和成果转化深度融合的创新环境,为全面提升交通基础设施维养水平提供科技支撑。

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