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日本关西机场或将沉入大海添加时间:2018-09-12


2018年9月4日,受强台风“燕子”的影响,日本关西国际机场的跑道和停机坪等部分设施被淹、桥梁被油轮撞击后受损而不得不全面关闭,凸显出填海建造的机场在运行安全上面临的严峻挑战,引起公众的广泛关注。

关西国际机场填海机场共分为两个人工岛,各5km2,分别称为一期和二期人工岛,先后于1994年和2007年建成。此次被水淹的是关西国际机场一期人工岛。该填海机场最大的问题是建于水深较大,达18m,地下可塑软土厚度达数百米,水下地表淤泥的强度犹如豆腐脑一般的“险恶”位置上。在这一水深的海域,理论上最大波高可达约10m。在设计上挡浪墙高度允许越浪,在护岸周边设有渗透带,以便发生越浪后再回流入海。由于水深很大,人工岛从海底堆起的填料厚度达33m,可以说自建设之日起便沉降不止。在人工岛刚出水时陡然发现沉降速度和幅度远超过预期,于是紧急停工1年,又临时修改设计将高程再加高3m。可以说,这是救命的3m,不然在机场建成之日,便是机场报废之时。

正如人们所担心的,关西国际机场的沉降成为最致命的问题。截止到2015年12月,一期人工岛已记录到的机场累计沉降已达13.12m,其中,机场营运之后的沉降达3.30m。虽然人工岛下的软土层在持续压缩下已经历了长达20多年的土体变形,孔隙水基本消散完成,已远超经典土力学认为的孔隙水消散的时间,但至今仍以每年6cm速度继续下沉,丝毫没有减缓的迹象。以此趋势,若干年后关西国际机场一期人工岛的高程降至高潮位时的海面以下是极有可能的。而二期人工岛的下沉速度更快,每年的下沉速度达30cm。详见图1

(a)关西国际机场一期人工岛

(b)关西国际机场二期人工岛

图1 关西国际机场人工岛历年平均沉降量监测结果

关西国际机场一期人工岛地基沉降的直接后果之一是人工岛挡浪墙高度降低。实际上,早在2004年,便发生过因强台风的袭击海水越过挡浪墙涌入机场。为此,机场当局专门对挡浪墙重新进行了加高改造。

图2 挡浪墙改造

关西国际机场一期人工岛地基沉降的另一个直接后果地下的排水系统基本报废,不得不将自流的排水系统改为用水泵往外抽水。由于人工岛地下是透水的,所以必须在护岸后方打一圈30m深的止水墙,可谓工程浩大。这一改造项目自2001年开始施工,2005年完成,历时4年。采用机械排水,对电力依赖极大,一旦发生停电,即使会启动应急发电系统,排水效率也必然会受到影响。

(a)地下隔水墙设计断面

(b)排水系统彻底改造

(c)本次受灾即机场地面向海中直接排水的情景

图3 排水系统改造

此次发生的船舶撞桥事故是以前没有意识到的危险要素。这艘肇事船是为机场运送航油的油船,排水量2591t。该船刚在机场油品码头卸下航油,在机场东南方约2公里处的海面抛锚停泊,约20分钟后在台风和巨浪的作用下发生走锚,最后以船楼部位撞上引桥。可以设想,如果是舱船与桥体结构直接相撞,或冲向西北侧的油品码头,则极可能引起爆炸或起火,后果不堪设想。我个人认为这一一个典型的失误:此处海域海底为深厚淤泥,船锚的抓力很低,根本不适合抛锚。或许是台风来临没有及时撤走的缘故,很可能是想侥幸抢在台风到来之前卸完航油返航,而这是港口装船事故最常见的原因。

图4 油船走锚路线图

填海机场面临的另一个挑战是,由于地球变暖,海平面上升,联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)曾预计到2100年可能会上升18~59cm,有的权威机构甚至预测可能会比现在提高2m。如果真如预测的那样海平面持续上升下去,对已建成的填海机场无疑是____,而对于关西国际机场则更是雪上加霜。

据初步监测,在过去的100年里,我国海平面上升了115mm。尤其是近30年来,我国沿海海平面平均上升速度达到2.6mm/年,高于全球海平面1.7mm/年的上升速度。其中,渤海、黄海、东海、南海沿海海平面平均上升速度分别为2.5mm/年、2.8mm/年、2.8mm/年、2.5mm/年。预计在未来30年,我国沿海海平面可能将比2010年升高80~130mm。海平面的这一增长趋势,不能不引起我们高度警惕。

决定机场人工岛地面高程的另一个关键因素是风暴潮问题。在我国历史上,风暴潮灾造成的生命财产损失触目惊心。据史料记载,1782年,强温带风暴潮曾使山东7个县受害。1895年4月28和29日,渤海湾发生风暴潮,几乎毁掉了大沽口全部建筑物,整个地区变成一片“泽国”,死亡2000余人。1922年8月2日,强台风风暴潮袭击了汕头地区,造成特大风暴潮灾。上述史实表明,我国沿海从南至北皆可能发生风暴潮。据不完全统计,从汉代至公元1946年的2000年间,我国沿海共发生特大潮灾576次,一次潮灾的死亡人数少则成百上千,多则上万乃至十万之众。据初步统计,自1949至今,我国发生增水超过1m的台风风暴潮达269次,其中风暴潮位超过2m的49次,超过3m的10次,造成特大潮灾14次,严重潮灾33次。在潮灾面前,对于犹如大海中一片叶舟的机场人工岛,仅需一次,即可能面临____。

我们不会忘记,为抵御海潮侵袭,日本福岛第一核电站中三号和四号核反应堆临海一侧曾建设了一座比海平面高出14m的巨大防波堤。2011年,日本福岛大地震引起了水位高达10m的海啸,其间很可能出现了瞬间水位增高的情况,使得防波堤最终未起到堪称生命线的防护作用,核电站还是被海水淹没,引发的核泄露震惊世界。

另外,波浪的叠加效应也是此次灾难的元凶之一。填海机场距岸边约5KM,波浪的反射形成涌浪,出现局部增水,岸流加速,仔细分析肇事油船的移动线路会发现可能与此不无关系。

应该承认,在波浪与结构物相互作用方面,其理论分析、数值模拟、物模试验和原型观测等已较为成熟,在工程中有着广泛的应用和大量实践经验。但是,对于外海波浪的非线性特性、海啸形成机理、模拟技术的可靠性等还处于研究阶段,尚无充分的工程实践验证,具有消浪、改善海啸受力的护岸结构设计技术还缺少深入研究。以减少护岸越浪量,减小护岸结构波浪反射,降低海底冲刷、结构受力,提高护岸结构安全度,寻求改善海啸受力防护结构型式,降低海啸对建筑物的破坏程度,以及损毁后易于修复等为目标的新型消浪护岸结构研究还较少;解析强非线性波浪与护岸结构作用机理,以及外海长周期波浪和海啸与结构物相互作用研究技术难度还较大;由于冲刷机理十分复杂,适合外海自然条件的护岸防冲护底结构研究还不够成熟等等。

确定机场人工岛地面高程是建设中最敏感,最困难的内容之一。人工岛四面被海水包围,潮汐和海浪是威胁最大的不安全因素。如果人工岛地面的高程过低,一旦出现风暴潮引起海水涌入,机场将极易被淹没。因而从安全角度出发,人工岛地面的高程显然应越高越好。但是,虽然抬高填海机场的地面高程可以减少地基沉降的风险,但地面每提高1米,为此需增加的填料将以千万方计,投资将以10亿元计,而且因荷载加大,地基沉降也将加剧,会引发连锁反应,因而是一个两难的抉择。工程实践和理论计算都表明,在海水浮力的作用下,浸在水下的填料对海底土体的变形影响并不明显,而当填料高出水面时,荷载便会陡然增加,地基变形明显增大。在以上诸多利弊的抉择中,最难以判断的是若干年后地基的沉降到底会是多少?到底要为此预留有多大的裕量?迄今为止,人类对土体工程性质的了解还很少,所谓各种各样的公式计算、计算机仿真甚至物模实验等其实基本上离不开经验判断,涉及到海洋软土分析则更是如此。关西国际机场人工岛地基沉降的结果告诉我们,实践中可能发生的情况远比理论分析得到的结果更为严重,机理也更为复杂。

可以说,人工岛地基的沉降是不可避免的,其沉降量也常常会超出我们的预测,但这并不一定对飞机跑道结构的功能给出否定的结论。对于机场跑道而言,最为致命的问题莫过于出现过大的差异沉降。这一情况在地下有基岩的地质条件下最为常见。

此外,从安全角度,挡浪墙应有足够的高度,但因此会构成高高的“围墙”,成为飞机跑道远端的刚性障碍,不利于飞机起降安全,如果为防止海水入侵建设足够高大的挡浪墙,则又会成为飞机起降的障碍,这是一个现实的多目标问题。2013年7月6日,韩亚航空公司的波音777型客机在美国___国际机场降落时机尾折断,引发飞机起火,3人死亡,180人受伤。事故原因是由于飞机下降的高度过低,其主轮和尾翼碰到了凸起的挡浪墙上,巨大的撞击力导致机尾折断,余下的飞机主体失控冲出了跑道(图5)。

(a)飞机下降角度偏小,尾翼撞击凸起的岸壁后解体

(b)飞机正常入场角度

(c)飞机主体冲出跑道后起火燃烧

(d)折断的机尾

(e)跑道两侧均设有挡浪墙

(f)失去尾翼的飞机主体滑入土面区

图5 飞机在___国际机场滑出跑道(2013年7月6日)

对于香港国际机场。陆上交通的脆弱性一直是运行的最大问题之一。2015年10月23日,通往机场及大屿山唯一的陆路交通要道汲水门大桥发生船舶撞桥事故,造成机场铁路停运,青马交通封闭,机场自启用以来首次“____”,成为交通隔绝的孤岛。这次事故使交通瘫痪2h,大批前往机场的旅客受到影响,有91个航班因大部分旅客未及时赶到而不得不延时起飞。据事后调查,肇事船是一艘无动力矩形平底趸船,由一艘拖船拖行通过汲水门大桥(限制高度41m),因趸船吊臂没有收下而直接撞到桥梁。汲水门大桥长430m,是公铁两用双层斜拉式桥梁。经检查,发现桥身两侧和底部共有6条钢条组件被撞断,均朝同一方向弯曲,其中内侧中间2条长约10m钢梁跌落海中,另有2条光纤被刮断,触动了警报系统。幸运的是,趸船吊臂超高不大,仅刮到桥梁底部非受力连接梁,因而未造成桥身结构性损毁,紧急维修后很快重新恢复通车(图6)。虽然这一事故并不严重,但由此暴露出机场交通如此不堪一击,给我们以深刻警醒。

图6 检测汲水门大桥损坏情况

迄今为止,世界上已相继建设了多个填海机场,以孤岛形式完全填海建造并运营的机场日本长崎机场、日本关西国际机场、中国澳门国际机场、中国香港国际机场、日本北九州机场、日本神户机场、日本中部国际机场7座(以建设时间为序)。整体或部分坐落在水深较浅的浅滩上沿岸边建设的填海机场更多,如新加坡樟宜机场、法国尼斯国际机场、日本东京羽田国际机场、韩国仁川国际机场、中国上海浦东国际机场、中国深圳宝安国际机场二期(以建设时间为序)等几十座。无论我们承认与否,将机场从陆地移到海岸区甚至海上的初衷,主要是出于对土地资源紧缺的一种无奈,人类利用海洋资源建设机场确实有效缓解了陆地建设用地紧缺的矛盾。填海建设机场可以远离城市居住区,对城市环境的噪声影响明显减少,使得以往十分尖锐的社会问题得以回避,改善了城市居住环境,也节约了城市土地资源,因而受到沿海国家和城市的青睐,成为___新机场选址的一种潮流。

(作者系大连海事大学教授)