海洋開(kāi)發(fā)與海洋工程技術(shù)

土木水利工程概論主要內(nèi)容一、前言海底礦產(chǎn)資源海洋空間資源海洋再生能源海水資源海洋生物資源海洋開(kāi)發(fā)的重要性我國(guó)擁有大陸海岸線(xiàn)總長(zhǎng)度18000多公里與6500多個(gè)面積在500平方米以上的島嶼。根據(jù)?聯(lián)合國(guó)海洋法公約?我國(guó)所管轄的海域有近300萬(wàn)平方公里〔相當(dāng)于我國(guó)陸地國(guó)土的1/3〕我國(guó)是一個(gè)開(kāi)展中國(guó)家，人口、資源和環(huán)境的壓力相當(dāng)沉重。中國(guó)要擺脫人均資源低下，在21世紀(jì)中葉進(jìn)入中等興旺國(guó)家水平的一個(gè)重要出路就是走向海洋。研究資料說(shuō)明，全球海洋蘊(yùn)藏的可采石油儲(chǔ)量約為1350億噸，天然氣儲(chǔ)量約為140萬(wàn)億立方米，約占世界油氣總資源量的45％。我國(guó)近海大陸架面積140萬(wàn)平方公里，經(jīng)過(guò)海洋石油地質(zhì)專(zhuān)家的多年研究，預(yù)測(cè)其地質(zhì)儲(chǔ)量約275億噸,天然氣儲(chǔ)量約41萬(wàn)億立方米。目前僅在大陸架80多萬(wàn)平方公里的海域范圍進(jìn)行了初步勘探，就找到了石油地質(zhì)儲(chǔ)量13億噸、天然氣2350億立方米?；炷林亓κ狡脚_(tái)鋼導(dǎo)管架樁基平臺(tái)平臺(tái)在導(dǎo)管架的頂部，高于作業(yè)海區(qū)的波高，并用鋼樁穿過(guò)導(dǎo)管固定于海底。1981年，美國(guó)在墨西哥灣水深312m的海域安裝的一座重59000t的平臺(tái)，整個(gè)平臺(tái)高達(dá)368m。平湖油氣田是我國(guó)東海海域第一個(gè)投入開(kāi)發(fā)的油氣田，位于上海市東南約400公里。自升式平臺(tái)自升式鉆井平臺(tái)在平臺(tái)與樁腿或樁腿沉墊之間有升降裝置可使它們作相對(duì)的上下移動(dòng)。常用的可分為齒輪齒條式和液壓插銷(xiāo)式。最大工作水深約為100m左右。自升式平臺(tái)多為拖航，也有可助航和自航的平臺(tái)。中油海5號(hào)、6號(hào)鉆井平臺(tái)中油海2號(hào)、7號(hào)鉆井平臺(tái)張力腿平臺(tái)張力腿平臺(tái)的特點(diǎn)是利用繃緊狀態(tài)下的錨索產(chǎn)生的拉力與平臺(tái)的剩余浮力相平衡的采油平臺(tái)。1994年投產(chǎn)的奧杰平臺(tái)，工作水深達(dá)587m，是目前世界上水深最深的一座張力腿平臺(tái)。與導(dǎo)管架平臺(tái)相比，導(dǎo)管架平臺(tái)的造價(jià)與水深關(guān)系大致呈指數(shù)關(guān)系增加，而張力腿平臺(tái)的造價(jià)隨水深的增加變化較小。由于每個(gè)張力腿都有很大的張力，張力腿平臺(tái)在波浪中的運(yùn)動(dòng)幅度遠(yuǎn)小于半潛式平臺(tái)，這對(duì)海上作業(yè)是十分有利的。系索塔式平臺(tái)系索塔式平臺(tái)由垂直的塔型結(jié)構(gòu)支承于海底，頂端的工作臺(tái)被托出水面以上，用多根鋼索向四周拉緊，使塔不宜傾斜并吸收風(fēng)浪向它襲擊的荷載。該類(lèi)平臺(tái)的作業(yè)水深在457～610m之間。半潛式平臺(tái)半潛式平臺(tái)由平臺(tái)本體、立柱和下體或浮箱組成，是大局部浮體沒(méi)于水面下的一種小水線(xiàn)面的移動(dòng)式石油工作平臺(tái)。大連新船重工有限責(zé)任公司開(kāi)發(fā)的國(guó)際上最先進(jìn)的第五代半潛式鉆井平臺(tái)，其工作水深3000米，可在風(fēng)速41米/秒、浪高32米的惡劣氣候海況下進(jìn)行石油開(kāi)采。浮式生產(chǎn)系統(tǒng)〔FPSO〕FPSO〔Floatingproduction,storageandoffloadingsystems〕具有鉆井、修井、采油、生活、動(dòng)力等多種功能，而且又可作為穿梭油輪，它采用先進(jìn)的內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊裝置，實(shí)現(xiàn)了一條船開(kāi)發(fā)一個(gè)海上大型油田。海底采油生產(chǎn)系統(tǒng)把整個(gè)采油裝置、油氣別離裝置、儲(chǔ)油裝置等完全置于水下的海底采油裝置。我國(guó)的南海流花油田采用了這種海底采油裝置，其水下作業(yè)全部由水下作業(yè)機(jī)器人承擔(dān)，在浮式生產(chǎn)平臺(tái)上用多功能液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下井口系統(tǒng)的遙控。我國(guó)海洋石油產(chǎn)業(yè)中國(guó)海洋石油總公司1990年原油年產(chǎn)量100萬(wàn)噸；1996年原油年產(chǎn)量躍上千萬(wàn)噸大臺(tái)階為1500萬(wàn)噸；2000年原油年產(chǎn)量1600萬(wàn)噸；2005年方案原油年產(chǎn)量4000萬(wàn)噸〔油當(dāng)量〕，其中渤海2000萬(wàn)噸。實(shí)現(xiàn)海上天然氣年產(chǎn)100億方。十五期間投入1200億元人民幣，建造50個(gè)平臺(tái)。2021年實(shí)現(xiàn)海上天然氣探明儲(chǔ)量1萬(wàn)億方，建成天然氣年生產(chǎn)能力300億方〔目前海上氣田年生產(chǎn)能力50億方〕。秦皇島32－6油田東距塘沽100公里，石油地質(zhì)儲(chǔ)量1.7億噸。南堡35－2油田位于唐山京唐港以南20公里，石油地質(zhì)儲(chǔ)量1.1億噸。蓬萊19－3整裝油田位于山東龍口海岸以北約70公里處，地質(zhì)儲(chǔ)量近3億噸。海上人工島目前，世界上已有數(shù)十個(gè)海上人工島，這是為適應(yīng)海洋開(kāi)發(fā)、海上居住、海上旅游等需要而建造的海島或海上建筑物。根據(jù)建造方法有填海式、樁基式和浮動(dòng)式。根據(jù)用途分類(lèi)，又有海上城市和海上工廠，以及海上采油、海上旅游、海防基地之分。日本神戶(hù)人工島日本的神戶(hù)人工島，是目前世界上已建成的最大的海上城市。它位于神戶(hù)市以南3km，水深12m的海面上。1966年開(kāi)工建設(shè)，用了15年的時(shí)間將8000萬(wàn)立方米的土石填入海中，建成東西長(zhǎng)3km、南北寬2km，總面積為436萬(wàn)平方米的海上城市。專(zhuān)門(mén)建有一座長(zhǎng)300m、寬14m的雙層大橋通向神戶(hù)市新港。這座海上城市設(shè)施齊全，擁有較齊全的現(xiàn)代化公建設(shè)施。擁有6000套公寓和住宅，可供6500戶(hù)、2萬(wàn)多人居住。不幸的是1995年1月17日，日本發(fā)生了里氏7級(jí)的阪神大地震。該人工城市的集裝箱碼頭的深水岸壁和港區(qū)的大型裝卸設(shè)施都遭到嚴(yán)重的破壞。海上機(jī)場(chǎng)填海式：就是把大量土石填入淺海，在人工島上建設(shè)機(jī)場(chǎng)。日本在大阪灣東南離岸5km的泉州外海建成的關(guān)西國(guó)際機(jī)場(chǎng)，是一座現(xiàn)代化的大型填海式機(jī)場(chǎng)。一期工程于1987年1月開(kāi)工，修建了面積為511萬(wàn)平方米的機(jī)場(chǎng)人工島。飛機(jī)跑道長(zhǎng)度為3500m。人工島與海岸間的大橋全長(zhǎng)3.75km，公路與鐵路并用。該機(jī)場(chǎng)每年可運(yùn)送旅客3070萬(wàn)人次，貨運(yùn)量達(dá)139萬(wàn)噸。樁基式：即把鋼管打入海底，機(jī)場(chǎng)本體坐落在鋼管樁墩上，美國(guó)紐約拉瓜迪亞機(jī)場(chǎng)就是在水深13米的海中打入3072根樁，建成的世界上第一個(gè)樁基式海上機(jī)場(chǎng)。浮式：它是將巨大鋼制箱體焊接在許多鋼制浮體上。箱體高出海面局部作為機(jī)場(chǎng)，浮體半潛于水中，以支持上部重量，整個(gè)機(jī)場(chǎng)用索鏈錨系于海上。珠海國(guó)際機(jī)場(chǎng)香港新國(guó)際機(jī)場(chǎng)香港大嶼山赤蹋角新國(guó)際機(jī)場(chǎng)是世界上最新建造的最大的海上機(jī)場(chǎng)。新機(jī)場(chǎng)占地l275公頃，四分之三是填海而成，需要l.8億立方米的填海材料。連接新機(jī)場(chǎng)與港九的青馬大橋，跨海距離l377米，橋墩高達(dá)196米。海上浮式試驗(yàn)機(jī)場(chǎng)1999年8月4日在日本神奈川縣橫須賀港海面建立了一個(gè)海上漂浮機(jī)場(chǎng)。這個(gè)海上漂浮機(jī)場(chǎng)是1995年開(kāi)始研制的，目前已開(kāi)展到由6塊長(zhǎng)380m、寬60m厚3m的巨型鋼鐵漂浮箱型結(jié)構(gòu)組成，有一條1000多米長(zhǎng)，最寬處達(dá)120m的起降跑道。該機(jī)場(chǎng)用于進(jìn)行飛機(jī)起降試驗(yàn)，成功后將其撤除。海底隧道是為解決橫跨海峽、海灣之間的交通，又不阻礙船舶通航，而建在海底之下供人員及車(chē)輛通行的地下建筑物。世界上已建成許多海底隧道，也有一些正在研究中。目前，全世界建成和方案建造的海底隧道共計(jì)20多條，主要分布在日本、美國(guó)和西歐，較著名的海底隧道有青函海底隧道、英吉利海底隧道、日韓海底隧道、港九海底隧道等。“盾構(gòu)法〞首先在海峽〔江河〕兩岸開(kāi)掘三個(gè)互相平行的隧道洞口，然后用盾式掘進(jìn)機(jī)在水下深層挖掘。盾構(gòu)的外殼是圓筒形的金屬結(jié)構(gòu)，各種施工設(shè)備就是在它的保護(hù)下進(jìn)行工作的。這種施工方法，由于海底深層的挖掘工程量很大，因而工期長(zhǎng)、造價(jià)高。英吉利海峽隧道就是采用這種方法?！俺凉芊è暿菍渡项A(yù)制的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)沉管，兩端用臨時(shí)封板密封，分段運(yùn)至隧道位置的水面上，然后向沉管內(nèi)灌水以增加重量，再借助起吊裝置，將沉管準(zhǔn)確地沉放于預(yù)先挖好的水下溝槽內(nèi)。沉管之間的接頭，由橡膠墊和密封圈組成內(nèi)外兩道止水帶，以防水的侵入。青函海底隧道英法海底隧道英法隧道橫貫多佛爾海峽，從英國(guó)的?？怂雇ǖ椒▏?guó)的桑加特。我國(guó)大陸第一條大斷面海底隧道——廈門(mén)翔安隧道已于2005年4月30日正式開(kāi)工，預(yù)計(jì)2021年建成。工程全長(zhǎng)9km，跨海主體工程長(zhǎng)約6km，隧道最深在海平面下約70m。該隧道是我國(guó)第一條由國(guó)內(nèi)專(zhuān)家自行設(shè)計(jì)的海底隧道，將為我國(guó)的海底隧道設(shè)計(jì)和建造積累珍貴經(jīng)驗(yàn)。第二條海底隧道——青島膠州灣灣口海底隧道也于2006年底正式開(kāi)工，全長(zhǎng)6.17km，其中海域段長(zhǎng)3.3km。許多越水隧道成功地建成運(yùn)行的事實(shí)使得人們的觀念發(fā)生了變化，人們已意識(shí)到“遇水疊橋〞不再是唯一的選擇，在許多情況下以水下溝通兩岸比建橋更為優(yōu)越。與橋梁方案相比，采用隧道越海(江)的主要優(yōu)點(diǎn)有：全天候運(yùn)營(yíng)；對(duì)航運(yùn)、航空無(wú)干擾；隧道線(xiàn)路短，可快速過(guò)海(江)，且兩岸拆遷少；保持原有生態(tài)和自然環(huán)境不變；抗地震能力好；防戰(zhàn)能力強(qiáng)；多用途，易維護(hù)，造價(jià)相對(duì)降低。沉管隧道的開(kāi)展沉管隧道：簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是在水底預(yù)先開(kāi)挖好基槽，把在陸上其他地點(diǎn)預(yù)制的適當(dāng)長(zhǎng)度的管體，浮運(yùn)到基槽的上方，順序地沉放在基槽內(nèi)，用水力壓接法或其他方法將其連為一體，并回填基槽保護(hù)沉管，鋪裝隧道內(nèi)部，從而形成一個(gè)完整的水下通道。挖槽預(yù)制浮運(yùn)沉放回填建成據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界上已建成一百多座沉管水下隧道，僅美國(guó)就有30余座，日本和荷蘭均已建成20余座。世界各國(guó)已建成的沉管隧道數(shù)量：沉管隧道在我國(guó)的開(kāi)展：沉管隧道在我國(guó)的開(kāi)展起步較晚，我國(guó)的香港、臺(tái)灣和大陸先后建成幾座沉管隧道，如：香港九龍地鐵隧道、西區(qū)地鐵隧道、西區(qū)公路隧道；廣州珠江沉管隧道(1992年,大陸第一座越江隧道)；寧波甬江(1995年)和常洪沉管隧道(2002年)；上海外環(huán)線(xiàn)沉管隧道(2003年，越江隧道，規(guī)模世界第二、亞洲第一)。沉管隧道、挖孔(或盾構(gòu))隧道及橋梁的長(zhǎng)度比較：長(zhǎng)度：L沉管<L盾構(gòu)<L橋梁影響工程量、工期、造價(jià)沉管比重小，對(duì)基底地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)；沉管管節(jié)在干塢中采用工廠化方法預(yù)制，可使結(jié)構(gòu)本身具有良好的自防水性，且管節(jié)長(zhǎng)度大，接頭數(shù)少，所以沉管隧道可以做到滴水不漏；沉管施工水上工期短，大局部作業(yè)可交叉進(jìn)行，有利于縮短工期；沉管斷面形狀選擇自由度大，斷面利用率高，可以做到一管多用。長(zhǎng)江口越江工程：為開(kāi)發(fā)長(zhǎng)江口崇明、長(zhǎng)興、橫沙三島，規(guī)劃修建由橋隧組成的長(zhǎng)江口越江工程，設(shè)想為東西兩條線(xiàn)，西線(xiàn)跨海工程，作為沿海南北交通大走廊，方案2021年完成；東線(xiàn)跨海工程，開(kāi)發(fā)崇明三島，并與浦東新區(qū)連接，建設(shè)大上海經(jīng)濟(jì)區(qū)，方案2021年完成。伶仃洋跨海工程：規(guī)劃修建從廣珠高速公路經(jīng)澳琪島、伶仃島到香港的高速公路，該工程全長(zhǎng)50km。瓊州海峽跨海工程：為連接廣東和海南兩省，規(guī)劃修建直達(dá)三亞的公路主干線(xiàn)，瓊州海峽海面寬約50km，水深70m，前期工期2021年完成。臺(tái)灣海峽跨海工程：為連接福建和臺(tái)灣兩省，規(guī)劃修建橫向公路主干線(xiàn)，海峽寬140~250km，平均水深50m。四、海洋能資源開(kāi)發(fā)潮汐電站水庫(kù)建筑形式單庫(kù)單向型〔單效應(yīng)型〕單庫(kù)雙向型〔雙效應(yīng)型〕雙庫(kù)型潮汐發(fā)電站雙向水流發(fā)電的實(shí)現(xiàn)整流式水流通道燈泡型雙向貫流水輪機(jī)法國(guó)朗斯潮汐電站

1966年在法國(guó)西部圣馬洛港上游兩公里處的布里安太斯角和伯雷貝斯角之間建成的橫跨LaRance河口的朗斯潮汐電站，是世界上第一座現(xiàn)代化的大型商業(yè)用的潮汐發(fā)電站。這里大潮潮差10.9米，最大13.5米，平均潮差8.5米。電站大壩長(zhǎng)750米，高15米。水庫(kù)有效庫(kù)容1.84億立方米。共裝有24個(gè)單機(jī)容量1萬(wàn)千瓦的bulbturbines，總裝機(jī)容量24萬(wàn)千瓦，年發(fā)電量約6億度。該潮汐電站至今運(yùn)行良好。我國(guó)江廈潮汐電站

江廈潮汐電站我國(guó)的一座雙向發(fā)電的潮汐電站。電站座落在浙江南部樂(lè)清灣北端的江廈港，這里最大潮差8.39米，平均5.08米。港灣三面環(huán)山，開(kāi)口寬度686米，港灣面積5.3平方公里，灣口筑有一道高15.5米的粘土心墻堆石壩，形成了一座庫(kù)容490萬(wàn)立方米的港灣水庫(kù)。第一臺(tái)容量500千瓦的燈泡型雙向貫流式水發(fā)電機(jī)組已經(jīng)在1980年5月投入運(yùn)行，機(jī)組是我國(guó)自己設(shè)計(jì)制造的?，F(xiàn)在電站共安裝6臺(tái)容量為500千瓦的燈炮型雙向貫流式水輪機(jī)——發(fā)電機(jī)組，總?cè)萘繛?000千瓦，年發(fā)電1070萬(wàn)度。波能開(kāi)發(fā)裝置點(diǎn)頭鴨式波力發(fā)電裝置波動(dòng)筏式波力發(fā)電裝置氣柱振蕩式自整流空氣渦輪壓力-柔性膜式水平往復(fù)式挪威波力電站我國(guó)波浪能利用我國(guó)研制生產(chǎn)的用于航標(biāo)燈電源〔10瓦級(jí)〕的BD型波浪發(fā)電裝置已接近國(guó)際先進(jìn)水平，可與日本和英國(guó)的同類(lèi)產(chǎn)品相競(jìng)爭(zhēng)。1990年在廣東珠海市大萬(wàn)山島上建成了我國(guó)第一座多振蕩水柱式波力試驗(yàn)電站，電站首臺(tái)機(jī)組裝機(jī)容量3千瓦。在該電站原結(jié)構(gòu)的根底上，現(xiàn)已建成了一座20千瓦波浪發(fā)電裝置，于1996年2月試發(fā)電成功，用于向島上提供補(bǔ)充電源。我國(guó)在青島的Xiaomai島設(shè)計(jì)與建造了擺式波力發(fā)電裝置。該系統(tǒng)的效率為0.33，在0.9米平均波高和5.2秒平均周期時(shí)可到達(dá)8kW，考慮到當(dāng)?shù)夭r，年發(fā)電量為40萬(wàn)千瓦時(shí)。波能轉(zhuǎn)換的根底研究與應(yīng)用