海洋工程應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展前景

張明慧　鄭艷娜

(大連海洋大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧大連　116023)

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海洋工程應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展前景

張明慧鄭艷娜

(大連海洋大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧大連116023)

摘要:從海洋工作平臺、海底工程、人工島、港口碼頭、海上風(fēng)電和跨海大橋六方面入手，介紹了國內(nèi)外各類海洋工程的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合海洋資源開發(fā)對海洋工程發(fā)展的需求，研究了各類海洋工程的未來發(fā)展方向，有利于海洋資源的合理開發(fā)與利用。

關(guān)鍵詞:海洋工程，海洋資源，工作平臺，人工島

0　引言

海洋工程一般指人類為開發(fā)和利用海洋資源，建設(shè)的各種工程設(shè)施及海上運(yùn)輸設(shè)施［1］。海洋工程是人類開發(fā)利用海洋資源過程中產(chǎn)生的一種特殊工程技術(shù)。由于海洋資源與陸地的稟賦環(huán)境差異巨大，開發(fā)利用難度較大，因此海洋工程就成為實現(xiàn)海洋資源開發(fā)與利用的必要手段和關(guān)鍵技術(shù)。同時海洋工程也是維護(hù)國家的海洋主權(quán)與獲得應(yīng)有的海洋權(quán)益的重要保障。因此，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，實現(xiàn)海洋強(qiáng)國，必須加強(qiáng)海洋資源開發(fā)所需的關(guān)鍵工程技術(shù)的研究與儲備。

1　海洋工程應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，許多國家都在大力發(fā)展海洋工程技術(shù)，以爭取海洋資源開發(fā)利用的主動權(quán)和優(yōu)先權(quán)。這些海洋工程按照工程的結(jié)構(gòu)和形式主要可以分為海洋工作平臺、人工島、海上風(fēng)電、跨海大橋、港口碼頭、海底工程等。

1．1海洋工作平臺

在開發(fā)利用大陸坡、領(lǐng)海，特別是深海的各類豐富的自然資源時，首先必須具有進(jìn)入海洋環(huán)境空間，駐留定位的能力。20世紀(jì)70年代以來，世界主要發(fā)達(dá)國家和一些發(fā)展中國家都在大力開發(fā)建設(shè)海洋工作平臺。張力腿式海洋工作平臺是目前世界上唯一能進(jìn)入1 000 m深水海域，且在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中能夠平穩(wěn)地定位于水面，從事海洋資源開采的永久性系泊深海工程構(gòu)筑物［2，3］。挪威國家石油公司正計劃建設(shè)無人采油平臺，這種無人采油平臺是在GULLFAKES B混凝土重力平臺上安裝遙控監(jiān)視器和控制程序，實現(xiàn)無人采油。英國正在研制一種300 m水深的無人操縱平臺，用于開發(fā)利用英格蘭毗鄰的北海水域深水中型油田。我國自20世紀(jì)60年代就因海洋石油勘探開采的需要開始研制海洋工作平臺，目前已在渤海、東海、南海等海域有上百座海洋石油工作平臺，并且已經(jīng)開始出口國外。

1．2水下/海底工程

水下/海底工程包括海底隧道、海底管道、海底電纜、海底/存儲實驗工程、深潛器等。目前，全世界已建成和計劃建設(shè)的海底隧道有20多條，著名的英法多佛爾海峽海底隧道，全長53 km，海底部分37 km，隧道由兩股火車隧道和一股工作隧道構(gòu)成，于1995年建成通車。日本的青函海底隧道是連接日本本州和北海道的一條海底隧道，1987年建成，隧道全長54 km，其中海底部分23 km。中國香港海底隧道包括中、東、西三條線路，分別于1972年、1989年和1997年建成，是連接香港島和九龍半島的重要交通樞紐。廈門翔安海底隧道連接廈門島與大陸，全長8．695 km，2010年4月正式通車，是我國完全自主設(shè)計、施工的第一條海底隧道，對于探索適合我國國情的海底隧道建造技術(shù)具有里程碑式的意義。海底管道工程是海洋底床及以下建設(shè)的各類管道工程的總稱，建設(shè)目的是為海底油、氣、水等物質(zhì)和能量的輸送提供通道。海底管道包括海底輸油管道、海底輸氣管道、海底輸水管道、海底油氣混輸管道、海底油水混輸管道、海底水氣混輸管道等。當(dāng)前，海底管道建設(shè)的主要作用是將海上油、氣田所開采的石油或天然氣通過海底管道輸送到陸地上的油、氣庫站，或者將大陸的淡水資源通道海底管道輸送到偏遠(yuǎn)海島。海底管道工程主要是隨著全球海洋油、氣資源的勘探開采而逐漸發(fā)展起來的，目前，海底管道主要分布在海洋油、氣田分布區(qū)域，我國油、氣管道主要有渤海油、氣海底管道，東海平湖油、氣通往上海的海底管道、南海北部至香港的海底輸氣管道等。海底輸水管道在我國主要集中分布于浙江舟山群島至大陸之間。

海底電纜工程是鋪設(shè)于海底底床上的各種電纜、光纜、通信線纜工程的總稱，當(dāng)前的海底電纜大多是以光纖為媒介傳輸電話和互聯(lián)網(wǎng)信號。全世界第一條海底電纜工程是1850年在英國和法國之間的英吉利海峽鋪設(shè)完成，中國的第一條海底電纜是在1888年完成。1993年建成的中國和日本之間的海底光纜工程，可同時開通7 560條電話電路。1997年在上海南匯建成的天下無難事光纜(FLAG)，連接全球20個國家，可開通12萬條電話電路。當(dāng)前，我國開始建設(shè)中美、亞歐兩條光纜，總通信能力將猛增到132萬路。

在海洋深潛工程方面，主要有海底實驗工程、深海潛水器、海底儲存工程等。深海潛水器是目前海洋深潛工程發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域，主要用途包括:

1)用于探測海底石油、天然氣、可燃冰以及其他礦產(chǎn)資源;

2)用于其他海底工程建造、檢測、維修、維護(hù)等;

3)用于海底考古、海底沉沒物件打撈;

4)用于海底科學(xué)考察、海底地質(zhì)、水文等環(huán)境調(diào)查與觀測等;

5)用于海底軍事探測及水下軍事基地建造［4，5］。

當(dāng)前，海洋深潛工程正朝著大型化、深水化、機(jī)動化和智能化方向發(fā)展［6］。載人深海潛水器的潛水深度不斷地增加。美國、日本、法國等等發(fā)達(dá)國家擁有多艘6 000 m級的載人潛水器。我國“蛟龍”號深海載人潛水器于2012年7月在太平洋馬里亞納海溝創(chuàng)造了下潛7 062 m的世界同類作業(yè)型潛水器的最大下潛深度紀(jì)錄，這使我國具備了載人抵達(dá)全球99．8%海洋深處探測作業(yè)能力。

1．3人工島

早期的人工島是浮動結(jié)構(gòu)，建于止水，或以木制、巨石等在淺水建造?，F(xiàn)在的人工島大多填海而成，人工島的大小不一，由擴(kuò)大現(xiàn)存的小島、建筑物或暗礁，或合并數(shù)個自然小島建造而成;有時是獨立填海而成的小島。日本是世界上最早建設(shè)海上人工島的國家，20世紀(jì)80年代竣工的神戶人工島標(biāo)志著日本海上人工島建設(shè)技術(shù)水平達(dá)到最高。海上城市是在海上人工島基礎(chǔ)上建設(shè)的集工業(yè)、商業(yè)、科研、居住、娛樂等人類社會活動為一體的城市設(shè)施綜合體［7］。近年來，我國人工島建設(shè)工程技術(shù)日趨成熟，已建成的人工島主要有海南島的鳳凰島、河北唐山市石油開采人工島，此外，福建廈門、江蘇啟動、山東龍口等地都在規(guī)劃修建規(guī)模較大的人工島。

1．4港口碼頭

隨著全球范圍的海洋貿(mào)易、航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，港口碼頭工程是最早的海洋工程之一，也是目前最重要的海洋工程之一。港口碼頭按照建設(shè)用途可以分為集裝箱碼頭、煤炭碼頭、石油碼頭、礦石碼頭、散糧碼頭等。目前，全球港口碼頭有數(shù)萬個之多，比較著名的主要港口有荷蘭的陸特丹港、新加坡港、阿聯(lián)酋的迪拜港、韓國的釜山港、我國的上海港、深圳港、香港港等。隨著近年來我國海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，目前，我國萬噸級以上的沿海碼頭有近500座，10萬t級以上的碼頭有50多座，2009年全球貨物吞吐量前十名的海港我國已占8座，成為全球主要的海港分布區(qū)。

1．5海上風(fēng)電

隨著世界范圍內(nèi)能源、環(huán)境問題的日益突出，海上風(fēng)電工程成為近年來出現(xiàn)的一類新型海洋工程。歐洲是海上風(fēng)電發(fā)展最快的地區(qū)，有8個海上風(fēng)電場，主要分布在西班牙、英國、丹麥、瑞典和德國，總裝機(jī)容量577 MW。目前，我國海上風(fēng)電工程已在上海、浙江、江蘇、山東和福建等多個省市開始建設(shè)和規(guī)劃，總裝機(jī)容量超過1 000萬kW，其中上海東海大橋風(fēng)電示范項目已于2010年成功運(yùn)營，同時已經(jīng)啟動了海上風(fēng)能觀測項目。

1．6跨海大橋

跨海大橋是建設(shè)在海洋水體表面以上的橋梁工程，主要用于貫通海灣、海峽、大陸與海島之間的交通運(yùn)輸。全球著名的跨海大橋有美國的切薩皮克灣隧道大橋，該橋融合了人工島、沉管隧道和大橋三種形式，是世界橋梁建設(shè)工程歷史上的里程碑;連接日本本州島岡山縣和四國島香山縣的瀨戶內(nèi)海大橋，由兩座斜拉橋、三座吊橋和三座桁架橋組成，是目前世界上最大的跨海大橋;連接我國上海浦東新區(qū)蘆潮港和浙江嵊泗縣小洋山島之間的東海大橋，2005年建成通車，全長32．5 km，是目前世界上最長的跨海大橋。另外，我國的跨海大橋還有1974年建成的澳門跨海大橋、1996年建成的彭湖跨海大橋、2007年建成的杭州灣跨海大橋、2008年建成的青島跨海大橋和2010年建成的平潭跨海大橋。目前，我國正在建設(shè)橫跨珠江口的珠港澳跨海大橋。

2　海洋工程發(fā)展展望

地球表面70%的區(qū)域為海洋，海洋區(qū)域蘊(yùn)藏著十分豐富的自然資源，為推動人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)能源儲藏區(qū)。隨著人類海洋工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，海洋工程將會與核工程技術(shù)、航天工程技術(shù)一樣，逐步形成龐大的科研、工程技術(shù)、生產(chǎn)實用綜合體，成為在今后工程技術(shù)領(lǐng)域一個舉足輕重的新興產(chǎn)業(yè)［8］。

2．1海上平臺發(fā)展展望

隨著信息化、工業(yè)化、智能化技術(shù)的不斷進(jìn)步，針對海洋資源開采的海上平臺將向大型化、自動化、專用化方向發(fā)展，同時國際海事組織(MO)對海上平臺的安全、環(huán)保等方面的要求也越來越嚴(yán)格。目前，海上平臺建設(shè)掀起了研究超大型浮式構(gòu)筑物(VLFS)的熱潮［9］。超大型浮式構(gòu)筑物(VLFS)不同于目前百米尺度的海上平臺工程，它的尺度在千米以上，具有綜合性、多用途的功能特征。超大型海洋浮式構(gòu)筑物在開發(fā)過程中需要解決一系列海上平臺工程的理論問題和施工技術(shù)問題，包括:選型和概念設(shè)計、動力特性預(yù)報、設(shè)計和建造、耐久性和可維性、事故載荷與風(fēng)險評估以及生態(tài)與環(huán)境影響等。

2．2海底/水下工程發(fā)展展望

隨著通信業(yè)務(wù)量的加大和光纖技術(shù)水平的不斷提高，海底電纜正向超通量、耐久性方面發(fā)展，海底電纜工程隨著全球深潛工程技術(shù)的不斷完善向深海、超深海域延伸。海底隧道建設(shè)隨著隧道掘進(jìn)機(jī)的發(fā)明和技術(shù)不斷更新與自動化程度的提高而在世界范圍內(nèi)廣泛實施。為了探測海底隧道鉆探前方的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，超前鉆探技術(shù)已成為探測掌子面前方復(fù)雜情況最可靠的方法，同時有壓力艙(土壓平衡)盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展也為深層作業(yè)提供了重要的基礎(chǔ)保障。這些海底隧道工程技術(shù)的不斷改進(jìn)與完善將使未來的海底隧道向超長度、超容積方向發(fā)展。

目前，世界主要沿海國家對水下工程裝備的需求日益增大，在深海工程領(lǐng)域的研究建設(shè)投資不斷增加［10，11］?？偟膩碚f，海底/水下工程裝備的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為以下特點:

1)構(gòu)件逐漸向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展;

2)耐高壓的深海潛水工程發(fā)展極為迅速;

3)海洋水下工程的智能化提高，能夠自動檢查排除故障，恢復(fù)作業(yè)能力;

4)海洋水下工程遠(yuǎn)程操控能力提高，能夠遠(yuǎn)距離操控海洋水下工程運(yùn)作。

2．3人工島建設(shè)展望

進(jìn)入21世紀(jì)，人工島建設(shè)已由以前的海上油氣、礦產(chǎn)開采平臺向親海、旅游休閑型的海上城市方向發(fā)展。人工島建設(shè)規(guī)模也由以前的小型、單一人工島向大型化、島群化方向發(fā)展。在人工島平面設(shè)計上多采用工程內(nèi)部大水道分割的格局;在岸線形態(tài)上，大多采用曲折的岸線走向。這種人工島工程的空間規(guī)劃，雖然會增加人工島建設(shè)成本，但可提高海洋資源利用效率，提升區(qū)域資源、環(huán)境和社會協(xié)調(diào)發(fā)展能力:第一，提升了人工島臨岸親水效果，體現(xiàn)了海洋價值;第二，有效增加了海岸線長度;第三，減少人工島建設(shè)對海洋環(huán)境的影響;第四，減緩用海矛盾和沖突。阿聯(lián)酋迪拜棕櫚島是未來世界人工島建設(shè)的一個新示范。目前，我國江蘇啟動規(guī)劃建設(shè)的太陽島、山東龍口規(guī)劃建設(shè)的人工島群都體現(xiàn)了這種人工島建設(shè)的新趨勢。

2．4港口碼頭發(fā)展展望

港口在區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的樞紐作用和產(chǎn)業(yè)集聚、經(jīng)濟(jì)輻射帶動作用日顯重要。港口碼頭建設(shè)將向大型化、專業(yè)化的方向發(fā)展，大型集裝箱碼頭、大型原油碼頭、大型天然氣碼頭、大型煤炭與礦石碼頭等專業(yè)碼頭共同構(gòu)成超大型港口群。整合港口資源，優(yōu)化港口布局，調(diào)整泊位結(jié)構(gòu)，是我國港口碼頭發(fā)展的重要方向。通過發(fā)展重點完善沿海港口集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)、大宗散貨運(yùn)輸系統(tǒng)，促進(jìn)異地港口間的物資流動與合作，形成分工合理、競爭有序、優(yōu)勢互補(bǔ)的港口企業(yè)群體。港口發(fā)展在帶動臨港產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中勢必會對所在城市帶來交通、生活、環(huán)境、安全等諸多影響，這些都是未來港口建設(shè)中必須解決的問題［11］。

2．5海上風(fēng)電發(fā)展展望

將隨著全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和土地資源的日益稀缺，海上風(fēng)電在可預(yù)見的未來將持續(xù)發(fā)展壯大。目前，美國、加拿大、歐洲都規(guī)劃了規(guī)模龐大的海上風(fēng)電項目。我國也在江蘇沿海灘涂規(guī)劃了淺水灘涂風(fēng)電區(qū)域，在浙閩粵沿海規(guī)劃了中深水海上風(fēng)電區(qū)域。通過研究海上風(fēng)電的發(fā)展，未來海上風(fēng)電的發(fā)展趨勢:隨著海上風(fēng)電項目的技術(shù)成熟，海上風(fēng)電的水深逐漸增加，電場的總?cè)萘恐饾u擴(kuò)大。這對技術(shù)和環(huán)境都提出了更新的要求;5 MW級的風(fēng)電機(jī)組具有125 m高度的體形龐大，其視覺及物理方面的影響力已經(jīng)不適合于近海建造。在此趨勢的推動下，歐洲海上風(fēng)電場具有震撼力的陣形正被全球性地廣泛沿襲，總計9 000 MW的機(jī)組正處于規(guī)劃、開發(fā)的各個階段。

2．6跨海大橋發(fā)展展望

隨著區(qū)域間聯(lián)系緊密程度的加深，跨海大橋設(shè)計已由以前的單通道、單出口向多通道、立體化、多出口方向發(fā)展。跨海大橋橋體設(shè)計向自然流體，形態(tài)優(yōu)美，觀景、造景等功能特征轉(zhuǎn)化。跨海大橋也將日益成為帶動區(qū)域經(jīng)濟(jì)的增長極，尤其是限制區(qū)域間聯(lián)系的瓶頸區(qū)域，如我國的渤海海峽擬規(guī)劃修建的蓬萊—長島跨海大橋、海南島與雷州半島之間擬規(guī)劃修建的瓊海跨海大橋。

3　結(jié)語

在當(dāng)前全球資源需求快速增長的情況下，海洋將成為沿海國家解決資源供給不足問題的新選擇，成為具有戰(zhàn)略意義的重要新興開發(fā)領(lǐng)域［12］。在海洋工程裝備技術(shù)的不斷進(jìn)步和各國對海洋工程技術(shù)的強(qiáng)烈需求推動下，包括海上平臺工程、海底/水下工程、人工島工程、港口碼頭、海上風(fēng)電工程和跨海大橋工程在內(nèi)的海洋工程總體發(fā)展趨勢可歸結(jié)為以下幾點:

1)深遠(yuǎn)海工程需求增加，隨著人類工程技術(shù)水平的提高，對深海、遠(yuǎn)海資源探測開發(fā)必需建設(shè)深遠(yuǎn)海工程做以輔助;

2)海洋工程逐漸向大型化發(fā)展，大型化的海洋工程可以提高工程運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性;

3)海洋工程建設(shè)更加注重環(huán)境保護(hù)，在全球環(huán)境保護(hù)呼聲不斷高漲的形勢下，海洋工程裝備制造也逐漸使用環(huán)保新材料，實現(xiàn)廢棄物料的循環(huán)利用;

4)海洋工程更加智能化、自動化，隨著通訊技術(shù)的高速發(fā)展，海洋工程建設(shè)將集成應(yīng)用各類通訊高新技術(shù)，實現(xiàn)海洋工程的遠(yuǎn)程操控，智能作業(yè)，自我檢測、維護(hù)與排除故障。

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Ocean engineering application progression and prospect

Zhang MinghuiZheng Yanna
(College of Civil Engineering，Dalian Marine University，Dalian 116023，China)

Abstract:From the marine work platform，submarine engineering，artificial islands，port wharf，offshore wind power and cross-sea bridge six aspects，this paper introduced the application present situation of all kinds of marine engineering at home and abroad，combining with the development needs of marine resources development to marine engineering，researched the future development direction of all kinds of marine engineering，beneficial to the reasonable development and utilization of marine resources．

Key words:marine engineering，marine resource，working platform，artificial island

作者簡介:張明慧(1978-)，女，講師;鄭艷娜(1978-)，女，副教授

收稿日期:2015-10-24

文章編號:1009-6825(2016)01-0253-03

中圖分類號:U612

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A