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第10章 声名卓著的海洋工程(2)

随着自动控制技术和深潜技术的发展,近年出现了新型采油技术——海底采油平台装置。它是把整个采油装置、油气分离装置和储油系统都安装于水下,组成海底采油系统。这种采油系统是1960年由美国研制成功的。它通过采油装置和许多汇集油气的管道把海底多口生产井采出来的石油集中到海底储油罐或采油平台中。开采操作则由在船上或陆上的遥控装置进行控制。由于这种采油系统可以避免风浪对油气生产作业的影响,而且建造成本低、建成时间短,很适用于开采深海油气田和边际油气田,所以很有发展前途。目前,海底油气生产系统已能在300米水深作业,正在开发研制400~752米,甚至1000米水深的海底采油平台。

海堤——最早的海洋工程

在河口、海岸地区,为了防止大潮的高潮和风暴潮的泛滥及其伴随风浪的侵袭造成土地淹没,在沿岸原有地面上修筑的一种专门用来挡水的建筑物称为海堤。中国江苏长江以南和浙江一带也称为海塘。海堤也是围海工程的重要工程设施。

誉为我国古代

在我国沿海的江苏、上海、浙江地区,有这样一条蜿蜒数千米的海堤。它北起江苏的连云港,南至浙江的苍南县,像一座钢铁长城镇守着这一带的海岸,防御着海水倒灌、海浪越顶,护卫着堤内广阔的滩涂和万千生灵。正因为它规模宏大,历史悠久,人们常把这千里海堤与万里长城大运河一起誉为中国古代的三大工程。

古老而简单的海堤

1. 防护标准

海堤工程首先要确定其级别或防护标准,而防护标准应根据具体保护岸段的需求,综合地考虑工程规模与投资,保护岸段的重要性与实际经济效益来确定。保护岸段常涉及多种产业或行业,今后将会更多地进行综合开发,而目前不同产业或行业多有各自的防护标准。

工程的分级标准要通过设计重现期体现,主要是工程建筑物设计潮位、设计波高的重现期问题。

(1)设计潮位。根据实测资料进行频率分析,一般需具有20年以上的潮位极值资料。频率分析的分布线型,海岸地区常采用耿贝尔分布,河口地区常采用皮尔逊分布模式可参见有关水文学专业书籍。

(2)设计波要素。与重现期标准相应的波要素值,需根据多年实测波浪年极值资料,进行波候分析,即中、长期频率分析确定。一般要求具有15年以上资料,常采用年有效波高赫兹的极值进行频率分析,寻求其长期分布,分布模式多采用皮尔逊Ⅲ型分布。

2. 结构型式

根据沿海岸段保护与划定陆上开发区的需求修建海堤,在平面布置上应使海堤堤线平顺,并尽可能避开强风、波浪和水流的正面袭击,必要时堤线可布置成折线或弧线。海堤的断面结构型式及其尺度的确定与当地的水深、海岸动力因素、地基特性、建筑材料来源和施工条件等有关。海堤断面可以分成斜坡堤和陡墙堤两种主要形式,以及两者结合的混成堤型式。

(1)斜坡堤。这是最常用的断面型式,主要为梯形断面,内外都用单一斜坡,外坡比内坡较平坦。为了节省土方,也有将外坡改成折坡,高潮位以上保留较坦坡度有利于消减波浪作用,高潮位以下改用陡坡。在地基较软弱、波浪作用较强情况下,临海一侧的外坡也常采用平均高水位处加设平台(戗台),有利于削减波浪能量、降低地基荷载,也便于施工与管理,平台上、下也可采用不同坡度,上坡可较陡使波浪爬高减小,降低堤顶高程。

斜坡堤堤身一般用当地土料填筑或吹填,外坡直接承受波浪、水流作用,需采用人工护面以保障堤身安全。护面常用块石(干砌或浆砌)、混凝土块(或板)等结构型式,护面下设置碎石垫层,防止堤身沙石被吸出,故称为反滤层。内坡有用草皮防护。在水浅、浪小、地高岸段,外坡也可采用植物护坡。

(2)陡墙堤。以往采用较多的传统断面型式临海一侧用块石修筑成陡墙或直墙,墙后堆填沙或沙土,内坡与斜坡堤同。墙体要求在波浪作用下保持稳定,有时也可用混凝土方块砌筑或用沉箱建造。为防止水流、波浪淘刷堤脚,常在海堤坡脚处抛石、抛混凝土块或修筑块石棱体等。在软土地基上修建海堤,还需进行软基加固处理。

斜坡堤消浪性能较好,对地基沉陷变形适应性强,施工简便,但断面大,施工土方量和占地面积都较大。陡墙堤则占地面积小、工程量较小,但墙身地基应力集中,沉陷量大,要求具有较坚实的地基,此外,堤身受到的波压力也较大,墙前波浪底流速也大,易造成墙脚被淘刷而损坏且维护难度大。

(3)混成堤。为了取长补短,发挥斜坡堤和陡墙的优点,采用兼有两种断面型式的混成。混成堤可以有两种方式,主要是临海一侧结构型式不同,内侧是相似的。一种是下部为陡墙,平均高潮位以上为斜坡,在陡墙前增设一镇压层,防止墙前地基被挤壅高和波浪淘刷。一种是下部为较陡斜坡,上部为陡墙。混成堤适用于堤前水深较大的岸段。

3.稳定分析

局部土坡和整体地基的稳定分析对海堤断面尺度的合理性可作出重要判断,对海堤工程的安全程度评估是有指导意义的。根据多年工程实践经验,建筑物常伴随地基、局部地或整体,沿某一圆弧状滑动面失稳位移,造成破坏。

4. 软基处理

海堤施工中,软土地基常是技术难题,事故较多。软黏土或淤泥层常厚达数米至20米以上,压缩性高、透水率差、承载力低。有的软基堆土极限高度仅1~4米。除了在施工时须控制填筑高度和进度外,应采取必要的软基加固措施。

常用的措施有压载平台和排水砂井。前者在海堤一侧或两侧,从坡脚向外铺设土石压载层,改善地基应力分布,防止地基滑动,故又称镇压层加固。铺设宽度与厚度宜结合稳定分析进行。后者在海堤填筑前,对基础用打钢管或喷高压水后灌砂(钢管抽出),形成“砂椿(井)群”,有利于地基排水固结和提高强度。近10余年来大量推广塑料排水板新技术,由于施工简便、效果好、质量易保证,具有良好的发展前景。

1. 护岸

护岸是在原有的海岸岸坡上采取人工加固的工程措施,用来防御波浪、水流的侵袭和淘刷及地下水作用,维持岸线稳定。护岸建筑形式与海堤相似,按其外坡形式可分斜坡式护岸、陡墙式护岸(包括直立式)和由两者混合的护岸。斜坡式护岸的护面结构及护面范围与斜坡堤相同,坡顶为陆地面。地面高程不能满足防浪要求时,在坡顶增设防浪墙。陡墙式护面常采用块石砌筑的重力墙、钢筋混凝土扶壁式结构、板桩岸壁等。外侧受有波浪、水流作用,内侧还要承受土压力和地下水压力作用。墙上设排水孔。护岸的坡脚加固与海堤相同。沿海城镇护岸以陡墙式或直墙式结构为多。护岸工程要确保岸线稳定,综合考虑城市交通、环境绿化、防汛抢险、旅游疗养等需要,对于有船舶系泊要求的规划专用线要从码头结构形式考虑。

2. 保滩工程

保滩工程是保持海岸、河口地区滩涂的稳定,防止滩涂泥沙被波浪、水流淘刷的工程。海岸岸滩泥沙受风浪掀动并随水流输移,使滩面发生剥蚀。保滩工程还能促使泥沙在滩涂落淤,有利于保护海堤、护岸。保滩工程包括丁坝、顺坝、护坡等工程设施和种植植物及铺抛人工沙滩措施等。

(1)丁坝。丁坝与岸线成丁字形相交,由坝根、坝头、坝身三部分组成。坝根与海岸或滩肩连接。坝身向外延伸,将水流挑离岸边,拦截沿岸漂沙,使之落淤。丁坝对波浪也有一定的掩护作用。丁坝平面布置有与水流正交、上挑和下挑三种。下挑丁坝与水流流向交角小,坝头冲刷较轻。上挑丁坝挑流作用较明显,但坝头冲刷也严重。从减少坝头冲刷,丁坝以迎向潮流速较小的方向为宜。从加速坝田淤积的角度出发,则丁坝迎向含沙量的潮流方向为宜。具体布置应根据当地潮流和含沙量等情况决定。丁坝多布置成坝群。丁坝的间距一般为1~3倍坝长,平顺岸段还可稍加大。丁坝常用的结构形式有砌石坝或堆石坝、钢筋混凝土沉箱坝、拦栅坝、网坝等,工程中应用较多的是砌石坝。在滩面高于汛期低水位时,为了节省石方量,丁坝坝身可用土填筑,外层干砌块石也可降低造价。

(2)顺坝。顺坝是在波浪作用为主的地区,特别是主波向垂直于岸线时,丁坝保滩护岸不起作用时采用,这时离岸一定距离与岸线大致平行的顺坝(亦称离岸堤)效果较好。顺坝能消减波浪并促使浪沙在坝后淤积。顺坝沿岸滩有连续布置和间断布置两种形式。顺坝较长时,内侧可设格堤,间距为顺坝至岸距离的2~5倍,以免沿顺坝产生水流冲刷已淤积的泥沙。

不设格堤的顺坝最好采用两端封闭的形式。在斜向波作用下,产生沿岸输沙时常采用丁坝、顺坝结合T形布置,以阻拦沿岸输沙。采用连续布置顺坝,工程量大,沿顺坝留有口门,形成间断布置。为防止泥沙流入,口门宽度不宜过大。根据顺坝顶高程不同,将顺坝分有出水顺坝和潜顺坝两种。出水顺坝坝顶高程一般在平均高潮位以上。潜顺坝坝顶高程略低于平均潮位。出水顺坝消浪效果好,能防止波浪侵蚀堤岸,但坝身也承受较强的波浪作用,对结构稳定要求高。潜顺堤在高潮时淹没,防浪效果差。

(3)护坦与护坎。保滩工程中有时需采用一些应急的局部工程设施,直接防止滩涂继续剥蚀和演变恶化。侵蚀性海岸常形成阶梯状滩地并分层剥蚀演变,向岸推进与接近时将危及岸坡安全。浙江慈溪海滩局部出现高滩与低滩两级分层,且高滩不断剥蚀,后退迅速,两滩间高差达1~3米或更多。采用护坎防止高滩前沿坡面淘刷,干砌块石,1∶3坡,厚0.5米,下铺石砖垫层0.4米厚,坡脚在低滩延伸2米,坡顶在高滩延伸6.5米。为了防止高滩滩面剥蚀,在护坎后方常继续延伸采用护坦或坦水,需1.5~2倍波长范围,视滩面淘刷情况而定。

江苏大丰一东台潮滩宽达10千米左右,潮沟发育很有特点,潮差大,挡潮闸集中排水,形成闸下水道与主要潮汐通道西洋连通。西洋涨潮流向南,在柯氏力影响下水流偏西,西洋偏北向浪,闸下水道排水向东,在柯氏力影响下水流偏南,三种动力都使闸下水道南岸侵蚀,使主槽不断南摆,平均每年达100米,主槽向南弯曲,南岸形成陡坎,高差达3米以上,继续侵蚀将危及垦区堤防。在500米左右长岸段的险工区,采用双排桩抛石护坎措施取得成效。但护坎仅是应急抢险用,在闸下水道北部采取裁弯工程措施后,主槽北移,才从根本上消除险情。

(4)人工沙滩与植物防护。采用丁坝与顺坝等保滩工程时可以在掩护岸段取得稳定与淤涨的良好效果,但是,也常对相邻或周边滩涂带来影响,甚至发生侵蚀。而人工沙滩或植物防护对相应岸段既可以发挥保滩作用,又不会对周邻环境产生不良影响。这是与环境相适应,且常常是改善环境质量,创造新海洋资源的一类保滩措施,也是综合治理与开发密切结合的措施,日益得到海洋国家的重视与欢迎。

不少侵蚀海岸的沙滩是由于沙源改变或截断而形成的,采用人工填沙的措施,恢复原有沙滩或形成稳定的新沙滩,称为人工沙滩方法。人工填沙后调整局部滩地水深条件,且提供足够可活动的沙体,波浪、水流的强度减弱和能量损耗,滩沙与动力达到新的平衡。人工沙滩还可以同建造海滨浴场、发挥旅游业结合起来。近10~20年来逐渐成为海岸防护一种应用较多的方法,美国最早采用,人工海滩岸段已达数百千米,填沙量达500~1000立方米;以后又推广到欧洲、日本。人工沙滩方法一般要考虑到邻近地区拥有大量廉价沙源,要考虑到形成沙滩不能一劳永逸,需每年维护。人工沙滩如能结合海上疏浚工程吹填效益更为显著。

人工沙滩与动力环境平衡,其平衡剖面应根据防护岸段的波浪、水流以及泥沙等运动特征和技术经济的合理性来确定。缺乏实测资料时,须根据邻近岸段较稳定的沙滩剖面特征尺度来选取。

在沿海岸滩上较大范围种植红树林、芦苇、大米草等植物,可以显著地消波缓流促淤,积极地保滩护岸,称为植物防护。红树林适于亚热带、热带种植,中国福建、两广和海南、台湾都很有发展前景;大米草可以扩展到温带种植,江苏以南海岸都生长良好;芦苇适应范围很宽,北方辽宁一带也种得很多,江苏、上海、浙江甚为普遍,但限于较高滩涂以上才能播种。防护岸滩的植物多是很好的经济作物,综合利用效益十分显著,为沿海地区广泛重视。

海底隧道和海上桥梁

1. 海底隧道

海底隧道是为解决横跨海峡、海湾之间的交通,又不妨碍船舶通航,而建在海底之下供人员及车辆通行的地下建筑物。目前,全世界建成和计划建造的海底隧道共计20多条,主要分布在日本、美国和西欧,较著名的海底隧道有青函海底隧道、英吉利海底隧道、日韩海底隧道、墨西拿海峡的悬浮式海底隧道。

(1)青函海底隧道。这是当今世界上最早建成的海底隧道,全长达53.85千米,其中在海底有23.3千米。主隧道直径11米、高9米,铺设2条铁路,另有2条用于后勤供应的辅助隧道。青函海底隧道自1964年正式开工,到1987年通车时,共挖出沙石1.01×107立方米,用去钢材1.68×105吨,水泥2.9×105吨,总投资37亿美元,每千米造价7000万美元,人称“世纪性的大工程”。隧道建成之后,使北海道与本州之间的交通不再受恶劣气候的影响,大大缩短了日本首都东京到北海道首府札晃的乘车时间,由16小时 50分钟缩短到5小时 40分钟。

(2)英吉利海底隧道。这是一条连接英国和欧洲大陆的海底隧道。该工程于1987年11月开工,1994年5月正式建成通车,1994年11月14日“欧洲之星”高速火车正式投入商业运行。该隧道由2条直径各为7.6米的火车隧道和1条直径为4.8米的服务隧道组成,全长53千米,其中38千米在海底40米深的岩层中穿行,13千米为两岸坡道,耗资96亿美元。竣工后,从伦敦到巴黎间的行程由5小时缩短为3小时,每年客流量为8430万人次,货运量为1.32×107吨。

英吉利海底隧道堪称20世纪的最大工程,它的建成使英伦三岛与欧洲大陆分割的历史成为过去,这极大地促进英法两国的经济发展。

(3)日韩海底隧道。这条隧道位于日本九州西部壹岐岛与对马岛之间,全长250千米,隧道高4.5米、宽5米,在海底80~300米深处通过,1985年开工,预计造价200亿美元。由于隧道通过的海域地质情况复杂,给隧道的开凿带来一定困难,所以该项技术堪称为当代最高的海洋工程技术。

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