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第11章 声名卓著的海洋工程(3)

(4)悬浮式海底隧道。在意大利和西西里岛之间墨西拿海峡,计划建造一种悬浮式海底隧道。该隧道采用钢筋混凝土结构,管道截面宽42米、高24米,悬浮于水中30米深处,采用电脑计算机控制因车辆通行引起的隧道摆动。隧道的左右两侧为铁路,上下两层为汽车路。这种隧道比普通桥梁隧道造价低50%。

另外,丹麦和瑞典之间将建造3.4千米的海底隧道;土耳其也在筹建1条9千米的海底隧道;西班牙和摩洛哥已达成建造直布罗陀海峡隧道的协议,该工程将持续20年左右,计划建造3条平行的用于火车和汽车通行的隧道,每条隧道长47千米,有26千米在海底通过,预计耗资10亿美元。

21世纪初,日本拟建大阪湾海底交通走廊,将大阪湾沿岸城市连接起来。该项工程将耗资28万亿日元。计划在大阪湾海平面以下30~50米处建一隧道,把神户、大阪、土界市、关西国际机场、洲木市和津名市从海底连接起来。届时,从神户到关西国际机场只需16分钟,从神户到歌山只需23分钟。

2. 海上桥梁

在狭窄海域,架设海上桥梁,是人类开发利用海洋空间的又一项工程技术。目前,全世界已建成大型海上桥梁50多座,著名的跨海大桥有日本濑户内海大桥、博斯普鲁斯海峡大桥、美国金门海峡大桥,以及沙特阿拉伯和巴林之间跨海公路大桥等。

博斯普鲁斯海峡大桥,位于土耳其的伊斯坦布尔市,横跨欧亚两洲。该桥于1972年动工,1973年10月建成通车,全长1560米,中央跨度为1074米,每天可通近20万辆汽车。它的建成极大地促进了土耳其经济和贸易的发展,并对加强欧亚两洲交通和贸易具有重要意义。

未来的亚洲第一“东方大桥”

1999年6月1日,我国华东地区第一座特大型跨海大桥——朱家尖海峡大桥胜利建成通车。大桥跨跨越舟山与朱家尖岛之间的普沈水道。舟山群岛地区将有6座跨海大桥耸立在海上,沟通宁波与舟山本岛,途中经过黄蟒岛、金塘岛、册子岛、里钓山、富翅岛等岛屿。这6座跨海大桥分别是蛟门大桥、金塘水道大桥、西堠门大桥、岭港大桥、响礁门大桥和桃天门大桥,总长11000米。该计划还包括建设长达870米的隧道,总投资预计60亿元。

濑户内海大桥,是一座铁路和公路两用桥。1979年1月动工,1988年4月建成,共耗资100多万亿日元巨款。该桥横跨日本濑户内海,共连接5座小岛,全长37.3千米,海面部分长13.1千米,桥面离海面高度8.5米,是目前世界上最长的铁路、公路跨海大桥。大桥分上下两层,上层有4条汽车道路,可允许时速为100千米、载重43吨的大型载重汽车通过;下层是双线铁路,火车时速可达120千米,载重1400吨。火车通过这座大桥,从东京可直达北海道首府及四国岛。

西班牙专家最近建议,在直布罗陀海峡上修建一座长达27千米的跨海大桥。预计投资1万亿比塞塔(西班牙货币),用5年时间建成。该桥宽40米,有2条火车道和3条汽车道,桥离海面距离为100米。这座大桥的建成,将有力地促进欧非两大洲经济、贸易交往和发展。

日本最近又提出了在东京湾口、纪淡海峡、伊势湾口、丰予海峡、旱崎海峡和长岛海峡,建5座海峡大桥的新构想。

近年来,我国跨海大桥的建设取得显著成绩,较著名的有辽宁海城跨海大桥、厦门大桥和女沽山大桥。其中厦门大桥总投资1.4亿元人民币,1987年动工,1991年5月建成通车。该桥由47对矩形桥墩撑起,横贯高崎、集美之间,全长6599米、宽23.5米,双向4车道,日通车2.5万辆,可抗8度地震和12级强风暴,是目前我国最长的公路桥,也是我国第一座海峡大桥。该桥是我国首次采用海上大直径嵌岩钻孔灌注桩施工法及应用滑移式钢模架设备,它所选用的预应力系统材料具有国际先进水平。

防波堤——海港兴盛的前提

为了适应海洋的环境,有时还需改造与改善局部海洋“小环境”,形成海港工作条件,发挥海港功能,常采用防波堤、码头、修造船设施等三种主要水工或海工建筑物。防波堤就是为防御波浪入侵掩护港口水域的必要设施,有时也能防御泥沙或冰凌入侵,减轻其对海港造成的危害或影响。防波堤常成为兴建和发展海港的前提与关键,防波堤的建造技术一直是国际海岸工程界重视的研究课题。

在港口海域的外围防御波浪的防波堤,其本身首先要承受波浪的强烈作用,建筑物的造价是十分昂贵的,随着港口水深的增加,还要成倍地提高。近数十年来国内外研究成果多,技术进展很快,中国也处于国际先进行列。

我国沿海的渔港

据2002年我国全国沿海渔港普查结果显示,我国的沿海渔港共有1484个,其中一级渔港82个,二级渔港148个,三级渔港81个,未评级的渔港(含自然港湾)有1173个。全国渔港水域总面积为18亿平方米,可容纳50吨及以下船舶61万艘,50吨以上船舶22万艘。

防波堤的类型应根据所在海域的工程水文和工程地质条件来确定,并须满足强度和稳定性方面的要求。防波堤的结构一般可分为重型和轻型两类:前者是传统和常用的防波堤型式,包括斜坡堤、直墙堤和混成堤等,后者是20世纪后半期才发展起来的,根据波能集中于水体表层的特点,结合工程的特殊需要而研究出来的各种轻型防波堤,如透空堤、浮堤、喷气堤和射水堤等。

1.斜坡堤

重型防波堤都是依靠堤身的实体与自重来抗御波浪,故也称为重力式结构。斜坡堤与斜坡式海堤相类似,断面多呈梯形,以抛石形成,能较好地适应软弱地基的变形,但承受的波浪荷载比海堤要大得多,外海一侧堤坡直接承波浪的强烈作用并须消减来波的能量。波浪在斜坡上常发生破碎,给坡面带来正向和反向波压力、上爬和回落的往复水流等持续影响,故堤坡在波动幅度范围内需采用大块石以防止波浪破坏。波浪破碎后,部分水体沿堤坡继续向上爬升,堤顶标高常根据其上爬高度和容许漫越堤顶水量来确定。天然开采的大块石,其重量有一定限制,且大块石的数量也是较有限的,难于采用,用于铺抛作堤外坡护面时常不能抵御较大波浪的袭击。工程上现常采用预制混凝土方块和各种人工异形块体,作为护面。应用最多的异形块体是四脚锥体、工字体、四脚空心方块等。由于异形块体护面糙率及渗透性大,消浪效果好;块体间有较好的嵌固作用,稳定性好,所需稳定重量小;护面上波浪爬高小,所需堤顶标高低,堤身断面也小。斜坡堤内侧堤坡护面应与港内波浪相适应,一般较小,有时要考虑外海一侧越浪水流的影响。

2.直墙堤

虽然也依靠堤身自重来抵御波浪,直墙堤与斜坡堤完全不同,墙身为一整体,并形成垂直墙面迎浪来保持自身稳定。直墙堤也不同于陡墙式海堤,墙体为矩形断面,由混凝土重力墙构成,荷载集中,适合于较坚实的地基,外海一侧直墙面改变墙前波浪状态,减缓波浪袭击。波浪在直墙前发生反射,形成立波(驻波),墙面处波动幅度增长,比原始波高大1倍略多,直墙承受侧向立波压力和底部浮托力。墙顶标高根据墙面壅水高度和容许越浪量来确定,墙身的稳定重量和墙宽应与波浪荷载相适应。直墙结构常采用钢筋混凝土沉箱或巨型混凝土方块垒筑而成;由于荷载较大而集中,直墙底须铺设抛石基床,改善应力分布,基岩地基时可不用基床;直墙顶需现场浇筑上部结构,具有防浪功能,便于顶面使用。直墙前立波具有较大底流速,抛石基床前还须铺抛护底块石层。碎石基床厚度须根据地基承载力和实际地形来确定,基床外侧墙脚处面上常安放护肩方块或块体以防止波浪淘刷危及墙身安全。直墙内侧可兼用作码头,停靠船舶。

3.混成堤

斜坡堤适用于软弱地基,但水深大时堤身断面庞大;而直墙堤适用于较大水深,但荷载集中要求基础坚实。混成堤属于两者之间,兼有两者的长处,既适应地基差的条件,又能用于水深大、波浪强的海域。混成堤由上部直墙和较高突基床混合组成,下部突基床同斜坡堤断面相似,故称为混成堤。突基床很低时为直墙堤,突基床很高时成为斜坡堤。突基床从低升高,直墙前波浪形态变化显著,从立波到破碎立波、到破波、到破后波、到波浪上爬水流。中等高度基床时墙前发生破碎立波,墙面会出现比立波更大的壅高,最大波动幅度达原始波高的3倍左右。较高基床时,基床顶水深等于0.8~1.7倍波高的条件下,墙前将出现破波,墙上破波压强增大,最大破波压强可达立波压强的2倍以上,且最大压强作用点高于静水位,这不利于墙身的稳定。更高基床时,波浪将破碎在基床顶上,墙上承受较小的破后波压力。基床继续升高将使波浪破碎在基床斜坡上,墙上只承受波浪破碎后形成的上爬水流作用,其压强更小。破波作用是混成堤的主要问题与难点,发生破波的条件复杂,影响因素多,而基床的高低又直接影响工程造价,故在实际应用中须慎重选择基床高度和考虑直墙须承受破波荷载。

4.轻型防波堤

根据波浪能量集中在水体表层的特点,离水面3倍波高的深度范围内就包含了能量的90%以上,把消减波能的措施或装置也集中在水体表层,离水面一定深度范围可望取得最佳效果,这是完全合理的。近数十年内探索新型防波堤的研究取得不少成果与进展,其主要特点与常用的重型防波堤完全不同,都是属于轻型防波堤的范畴,其中透空堤和浮堤实际应用的可行性较大,而喷气堤和射水堤仍处于继续探索中。

海底管道

海底管道是海洋石油开发不可缺少的工程。海上油气田的油、气、水,当输送量达到一定程度时,采用海底管道输送是一种安全、经济、可靠的方式。投产以后,可以不受气候和天气的影响,连续不断地一直运行下去,是海上油气田的大动脉和生命线。当然,海里铺设管道,比在陆地铺设管道要复杂得多,费用也高得多,有投资高、风险大、效率高、技术复杂的特点。

实际使用的海底管道,是一个系统工程,包括铺在海底的管道部分、管道立管部分及附属构件部分。

按输送的介质的不同,海底管道分为输油管道、输气管道、输水管道、油气混输管道和输送液化石油气、液化天然气,以及输送煤浆、矿物浆海底管道。

海底管道按其作用分为两类。一类是涉及海洋石油开发用海底管道,包括油田内平台间的管道,各油田间的管道和油田登陆管道。另一类是海上通往卸油终端的管道。终端有卸油码头或单点系泊转油站。

立管是海底管道系统一个重要组成部分,是海底管道与平台或其他生产设备之间的管路,其底部在海底的膨胀弯也属于立管的一部分。有的立管设在结构内部,受保护的条件好;有的设在结构外部,如导管架上设的立管,属外部立管,受环境荷载,如风浪、海冰的直接作用。在冰区的立管,需要特殊加强。现在,渤海通常采用的做法是在立管外加一层厚壁的抗冰护管。这是既经济又简单的做法。

海底管道铺设好之后,要长期在海里运行工作,管道的内外表面腐蚀,将严重影响使用寿命和生产安全,而且管道维修工作是极其困难的。因此,做好管道防腐工作显得异常重要。通常,管道防腐采用表层涂层和阴极保护联合作用的办法。涂层时要确定涂料种类和涂层厚度。阴极保护有两种办法,一是用牺牲阳极,一是外加电流。目前使用牺牲阳极的较多。阴极保护要根据保护电位、保护面积及保护时间来确定阳极块的大小、分布和保护电流的大小。

1. 海底管道施工

施工分两个环节,一是陆上预制管段并组装,二是海上铺设安装。在预制场对钢管进行外形、精度、质量检验合格后,焊接成适合铺设的管段长度。同时,在陆地做好防腐处理。海上铺设一般有铺管船法、海底拖管法和浮运法。

海底铺设的管道,基本都要埋设,因为管道在海底长期经受波浪、海流的作用,容易产生冲刷、淘空,对管道强度、稳定产生不利影响,另外,航运、抛锚、渔业生产也容易对裸露的管道造成破坏。因此,管道埋入海底以下安全性能好。管道埋设分为先挖沟和后挖沟。管道未放入海里之前,按预定路线把沟挖好,然后把管放入沟内叫先挖沟施工。管道放入海里后顺着管道挖沟叫后挖沟施工。挖沟的方法有专用挖沟设备挖沟和高压水冲挖沟、挖泥船挖沟和爆破挖沟等多种方法。目前国内海底管道埋入海底多数是1.5米左右。管道放入沟里后还要把沟回填,有的回填沙石、土料,有的靠海洋动力作用自然回填。

2. 国内外现状及今后发展方向

我国海底管道建设起步较晚,这和海洋油气开发起步晚也有关系。1973年,首次在山东黄岛铺设三条输油管道,水深12米,输送胜利油田原油。1985年,在渤海埕北油田铺设了1.6千米输油管道。随后,在渤海北部用铺管船铺设了20多条输油和输气管道。在渤海南部胜利油田浅海铺设了50多条输油和注水管道。近几年,在广东惠州及茂名,在南海、东海都铺设了多条管道。最近20多年,我国已铺设海底管道达2000千米。预计在今后几年内,在渤海及南海,还有不少海底管道要铺设。我国的海底管道建设,自起步后,20多年的发展速度还是快的。

世界上出现海底管道最早是在20世纪50年代。那时,海上油田离岸较近,为了解决海上储油和运输问题,为了不受海上风浪的影响,人们想到用海底管道这一工程措施,以缩短油田与大陆间的距离,方便生产操作。从那以后,在北海、墨西哥湾、马拉开波湖、波斯湾、库克湾等海域,都铺设了纵横交错的海底管道。而且铺设技术也得到很大提高。据1990~1995年的不完全统计,全世界已铺设21806千米管道,其中亚洲5579千米。据第十四届世界石油大会论文集报道,从北海通往比利时的海上天然气管道,直径1016毫米,沿途水深80米,两清管站间的距离为815千米,是世界之最。还报道,世界上最深的海底管道在墨西哥湾铺设,直径324毫米,水深达830米。目前,还在向更深的水域发展。

现在,海底管道建设在世界上正蓬勃发展着,在工艺技术、内力计算、环境条件、施工方式方法、检测手段、登陆问题、防腐方式、管道材料等方面不断涌现出新技术新方法,从而加速了海底管道的发展应用。

海底管道技术有现实意义的问题有以下方面:

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