系泊式海洋工程設(shè)施的用海范圍界定

李晶 張彥昌 楊鯤 安永寧

摘要：為提高我國海洋工程項(xiàng)目用海的管理水平，進(jìn)一步完善現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范，文章分別以浮標(biāo)、浮式生產(chǎn)儲卸裝置、浮式風(fēng)力機(jī)和線形懸浮結(jié)構(gòu)物為例，探討系泊式海洋工程設(shè)施的用海范圍界定。研究結(jié)果表明：科學(xué)合理地界定系泊式海洋工程設(shè)施的用海范圍，須綜合考慮結(jié)構(gòu)物本身特點(diǎn)及其所在環(huán)境等因素，注重設(shè)置適當(dāng)?shù)陌踩嚯x，并簡明標(biāo)示相關(guān)結(jié)構(gòu)物的垂向用海范圍。

關(guān)鍵詞：海域管理;海洋工程;浮式結(jié)構(gòu);安全距離;宗海

中圖分類號：P285.7;P75????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A????文章編號：1005-9857（2019）04-0078-05

Definition of Sea Plot Range of

Mooring Marine Engineering Facilities

LI Jing1，2，ZHANG Yanchang1，2，YANG Kun1，2，AN Yongning1，2

（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，MOT，Tianjin 300456，China;

2.Tianjin Key Lab of Survey Technology for Water Transport Engineering，Tianjin 300456，China）

Abstract：In order to improve the management level of the use of sea in marine engineering in our country and further improve the existing relevant norms，this paper took buoys，floating production，and storage devices，floating wind turbines and linear suspension structures as examples to discuss the definition of the sea use scope of mooring marine engineering facilities.The results showed that the scientific and reasonable definition of the used sea area of mooring marine engineering facilities should take into account the characteristics of the structure itself and its environment，pay attention to setting appropriate safety distance，and simply indicate the vertical sea area scope of the relevant structures.

Key words：Sea area management，Marine engineering，F(xiàn)loating structure，Safe distance，Sea plot

0?引言

系泊式海洋工程設(shè)施是特殊的海洋工程結(jié)構(gòu)物，多以錨或樁等作為系泊物，通過懸鏈?zhǔn)交驈埦o式的系泊方式，將結(jié)構(gòu)物系留在其用海范圍內(nèi)[1]。近年來，隨著我國海洋工程裝備制造業(yè)的迅速發(fā)展，大型海洋工程結(jié)構(gòu)物都開始嘗試采用系泊式結(jié)構(gòu)[2-5]，為海域管理和使用帶來新課題。

我國現(xiàn)有《海籍調(diào)查規(guī)范》（HY/T 124—2009）對系泊式海洋工程設(shè)施的用海范圍沒有明確規(guī)定，僅給出單點(diǎn)系泊或多點(diǎn)伸展系泊的浮式生產(chǎn)儲卸裝置（FPSO）的用海范圍界定方法。根據(jù)《海域使用論證技術(shù)導(dǎo)則》（國海發(fā)〔2010〕22號）中對用海面積合理性的要求，項(xiàng)目用海范圍的界定須滿足項(xiàng)目本身的用海需求以及符合相關(guān)行業(yè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，同時須符合相關(guān)用海控制指標(biāo)，盡可能地減小用海面積。因此，科學(xué)合理地界定系泊式海洋工程設(shè)施的用海范圍，須綜合考慮水深條件、潮汐特征、結(jié)構(gòu)尺寸、水動力響應(yīng)和工程用途等多種因素[6]。本研究分別以浮標(biāo)、FPSO、浮式風(fēng)力機(jī)和線形懸浮結(jié)構(gòu)物為例，對此深入探討，為海域管理和使用提供參考。

1?浮標(biāo)

浮標(biāo)是根部錨定在海床固定位置、上部浮于海面的多用途裝置，可用于航行指示、海洋要素觀測和海上位置標(biāo)示等，基本形狀包括罐形、錐形、球形、柱形和桿形等，受風(fēng)、浪、潮的影響會產(chǎn)生一定范圍的漂移。其中，航標(biāo)用于標(biāo)示航道方向和界限，一般沿航道兩側(cè)均勻布設(shè)，是航道的附屬設(shè)施，不宜單獨(dú)申請用海，其用海范圍一般與航道的用海范圍統(tǒng)一界定;而用于海洋要素觀測等的浮標(biāo)通常獨(dú)立存在，不是附屬設(shè)施，須逐個界定用海范圍。隨著海上風(fēng)電場的迅速發(fā)展，浮標(biāo)式激光雷達(dá)測風(fēng)系統(tǒng)已廣泛建設(shè)，本研究以該系統(tǒng)為例，探討浮標(biāo)的用海范圍界定。

浮標(biāo)式激光雷達(dá)測風(fēng)系統(tǒng)主要由3個部分組成，即錨塊、浮標(biāo)以及連接錨塊和浮標(biāo)的錨鏈。本研究浮標(biāo)所在位置的水深約為13 m（1985國家高程基準(zhǔn)），錨鏈長度為水深的3倍即約為39 m;在正常情況下，錨鏈的2/3平鋪于海床上，其余懸浮于水體（圖1）。浮標(biāo)的整體高度約為9.0 m，水線以下部分約為4.7 m（圖2），浮筒直徑約為2.6 m。

浮標(biāo)式激光雷達(dá)測風(fēng)系統(tǒng)的用海范圍應(yīng)綜合考慮水深、潮汐、海流、波浪和系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素，將極端低水位條件下系泊鏈被斜向拉直時的浮標(biāo)位置視為浮標(biāo)可達(dá)的最大位移，即以系泊點(diǎn)為圓心、以浮標(biāo)位置為半徑所得的圓形區(qū)域;由于浮標(biāo)會隨海流和波浪運(yùn)動而漂移，將此圓形區(qū)域界定為其用海范圍是合理的（圖3）。

根據(jù)圖3，浮標(biāo)用海范圍半徑可表示為：

R=L′+r=[L2-（H-h/2）2]1/2+r（1）

式中：L為錨鏈長度;H為換算至理論最低潮面的水深，由于浮標(biāo)所在海域的理論最低潮面在1985國家高程基準(zhǔn)以下2.4 m處，H=13.0-2.4=10.6（m）;h/2為浮標(biāo)水線處至與錨鏈連接處的高度，h/2=9.0-4.3-3.2=1.5（m）;r為浮筒半徑;L′為錨鏈拉直狀態(tài)下在水平面的投影距離。

經(jīng)計(jì)算，浮標(biāo)用海范圍半徑約為39.2 m，用海方式為開放式。此外，當(dāng)錨鏈長度和浮標(biāo)高度一定時，水深越淺，用海面積越大。因此，對于浮標(biāo)類海洋工程設(shè)施，應(yīng)首先確定浮標(biāo)所在海域的極端低水位，以此確定浮標(biāo)的最大可能活動范圍，從而正確界定其用海范圍，避免與相鄰項(xiàng)目的用海范圍出現(xiàn)重疊，進(jìn)一步保障設(shè)施的安全性。

2?FPSO

自20世紀(jì)80年代后期，F(xiàn)PSO被廣泛應(yīng)用于我國海上石油開發(fā)，是海洋工程設(shè)施的重要組成部分。有些FPSO具備自航能力，有些則采用單點(diǎn)系泊或多點(diǎn)伸展系泊模式在海面上固定?！逗＜{(diào)查規(guī)范》規(guī)定，單點(diǎn)系泊式FPSO的用海范圍界定方法為：以系泊點(diǎn)為圓心、以儲油輪長度為半徑所圍成的圓形區(qū)域（圖4（a））;多點(diǎn)伸展系泊式FPSO的用海范圍界定方法為：以儲油輪垂直投影的外切矩形外擴(kuò)0.5倍儲油輪長度所圍成的矩形區(qū)域（圖4（b））。

由于FPSO對安全性的要求很高，在界定其用海范圍時，有必要設(shè)置一定的安全距離。在實(shí)際生產(chǎn)活動中，F(xiàn)PSO管理方對安全極為重視，其安防系統(tǒng)可監(jiān)視FPSO周邊1 km內(nèi)的各類船舶，并對非法闖入安全范圍的船舶給予警示或攔截。而《海籍調(diào)查規(guī)范》對單點(diǎn)系泊式FPSO的用海范圍界定沒有包含安全距離，這與FPSO的用海性質(zhì)、重要程度、風(fēng)險等級和安全防護(hù)等不匹配，在未來修編中應(yīng)加以重視和改進(jìn)。

此外，半潛式平臺、SPAR平臺和張力腿平臺等浮式海洋石油平臺都可參照FPSO界定用海范圍。

3?浮式風(fēng)力機(jī)

海上風(fēng)力機(jī)的固定形式眾多，包括單樁基礎(chǔ)、群樁基礎(chǔ)、重力基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)和負(fù)壓桶形基礎(chǔ)等[7]。由于固定基礎(chǔ)無法承載超過5 MW的大型風(fēng)力機(jī)，且固定基礎(chǔ)的造價隨水深的增加大幅提高，目前各國紛紛研究浮式風(fēng)力機(jī)技術(shù)[8]。2001年以來，日本、挪威、荷蘭和美國等陸續(xù)展開對浮式風(fēng)力機(jī)的研發(fā)并成功組建樣機(jī)，其規(guī)?；a(chǎn)將在不久成為現(xiàn)實(shí)。

浮式風(fēng)力機(jī)的系泊方式主要分為懸鏈線式、TLP式和鉸鏈?zhǔn)絒9]，其本質(zhì)都是風(fēng)力機(jī)在海面上處于動態(tài)固定狀態(tài)。其中，懸鏈線式的外形是懸垂?fàn)畹南挡淳€，一般由錨鏈和鋼纜2個部分組成，錨鏈于海底水平相接;TLP式即張力腿式，由張緊的彈性材料拉近系泊;鉸鏈?zhǔn)酵ㄟ^鉸接構(gòu)件，對結(jié)構(gòu)3個自由度上的平動運(yùn)動加以約束。

為合理界定浮式風(fēng)力機(jī)的用海范圍，首先應(yīng)明確其是單點(diǎn)系泊還是多點(diǎn)系泊，然后參考FPSO的用海范圍界定方法，并設(shè)置一定的安全距離（50 m或0.5倍風(fēng)力機(jī)寬度），且最終界定的用海范圍應(yīng)包括所有錨系物的點(diǎn)位。本研究以日本國家海事研究所研發(fā)的格子型浮橋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例[10]，浮橋長度約為187 m、寬度約為60 m，采用傳統(tǒng)的懸鏈線式多點(diǎn)錨泊系統(tǒng)（圖5）。

參考多點(diǎn)伸展系泊式FPSO的用海范圍界定方法，即以浮橋垂直投影的外切矩形外擴(kuò)0.5倍浮橋長度所圍成的矩形區(qū)域（圖6）。用途為海上風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目風(fēng)機(jī)塔架，用海方式為透水構(gòu)筑物。

4?線形懸浮結(jié)構(gòu)物

線形懸浮結(jié)構(gòu)物是新型的海底構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)形式，其重要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)物主體既不漂浮于海面，也不座沉于海底，而是懸浮于海面以下一定深度，并隨潮汐運(yùn)動或海水密度變化引起的浮力變化而上下浮動，主要包括懸浮管道和懸浮隧道等。

4.1?懸浮管道

海底管道是通過密閉的管道在海底連續(xù)輸送油氣和水等的設(shè)施，一般埋置于海床以下一定深度，以保證其安全性。而懸浮管道通過浮標(biāo)確保管道全程處于中性浮力狀態(tài)，并長期懸浮于海面以下一定深度。

世界首條懸浮管道是敷設(shè)于地中海的從土耳其南部的梅爾辛省延伸至塞浦路斯島的輸水管道，長度約為80 km，由巨大的浮標(biāo)支撐懸浮于海面以下約250 m處;共使用132個浮標(biāo)，每個浮標(biāo)裝滿特殊的化學(xué)膠料使其負(fù)重下沉，確保管道和浮標(biāo)達(dá)到250 m的中性浮力（圖7）。

懸浮管道徹底改變海底管道的傳統(tǒng)敷設(shè)方式，其用海范圍的界定方法也隨之改變。懸浮管道可視作一端固支、另一端鉸支的簡支梁[11]，其水平運(yùn)動由海流主導(dǎo)，水平位移等同于管道允許最大撓度變形;垂直運(yùn)動由季節(jié)性海水密度變化引起的浮力變化主導(dǎo)，并在預(yù)定深度的一定范圍內(nèi)上下浮動;渦激振動[12]主要引起管道強(qiáng)度疲勞的變化，而對其漂移的影響較小，在界定用海范圍時可不予考慮。懸浮管道的撓度變形數(shù)據(jù)可從工程設(shè)計(jì)圖紙中讀出，再外放一定的安全距離（建議比海底管道傳統(tǒng)敷設(shè)方式的安全距離多10 m），即可界定懸浮管道的用海范圍，用海方式為海底電纜管道。

4.2?懸浮隧道

海底隧道是海底的交通運(yùn)輸設(shè)施，一般埋置于海床以下一定深度，兩端與海岸連接，再經(jīng)過引道與地面線路連通，通常采用掘進(jìn)法、盾構(gòu)法和沉管法等施工建設(shè)。海底隧道的建設(shè)難度巨大，尤其當(dāng)水深超過1 000 m時，依靠目前的技術(shù)水平無法實(shí)現(xiàn)。而懸浮隧道與海底無接觸，不受水深條件限制，尤其適合大水深環(huán)境。

目前懸浮隧道還未進(jìn)入建設(shè)應(yīng)用階段，對其結(jié)構(gòu)的設(shè)想大多傾向于浮體系泊懸掛式，即沉管被系泊懸掛在浮體（浮橋船）下方，沉管與浮體之間以鋼架連接（圖8）;挪威計(jì)劃建設(shè)的松恩峽灣懸浮隧道就將采用這種結(jié)構(gòu)，其建成后將成為世界首條懸浮隧道。

浮體系泊懸掛式懸浮隧道可視作兩端固支梁，其垂直運(yùn)動與潮汐運(yùn)動一致，水平運(yùn)動由海流、風(fēng)和波浪主導(dǎo)，水平位移受沉管允許最大撓度變形約束。懸浮隧道的撓度變形數(shù)據(jù)可從工程設(shè)計(jì)圖紙中讀出，再外放一定的安全距離（建議至少為1倍浮體長度），即可界定懸浮隧道的用海范圍，用海方式為海底隧道。

線形懸浮結(jié)構(gòu)物的水平位置和漂移范圍決定其用海范圍，但其垂直位置和漂移范圍不易在平面投影圖上直接體現(xiàn)。根據(jù)目前的海域管理需求和技術(shù)水平，沒有必要以三維圖件的形式圖示其空間位置，但該信息又很重要，直接關(guān)系到與其他用海方式的交叉和兼容等情況。本研究建議在宗海界址圖上將線形懸浮結(jié)構(gòu)物的垂直位置和漂移范圍以文字形式標(biāo)注，供海域管理者和使用者參考。

5?結(jié)語

在系泊式海洋工程設(shè)施中，浮標(biāo)和FPSO等浮式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用已十分廣泛;浮式風(fēng)力機(jī)的應(yīng)用較少，但其與FPSO有很多共同點(diǎn)，隨著海上風(fēng)電場的深入建設(shè)將逐漸增多;線形懸浮結(jié)構(gòu)物雖全球罕見，但可解決深水環(huán)境下的工程建設(shè)難題，發(fā)展?jié)摿薮?，?yīng)用前景廣闊。

系泊式海洋工程設(shè)施的用海范圍界定，須綜合考慮水深條件、潮汐特征、結(jié)構(gòu)尺寸、水動力響應(yīng)和工程用途等多種因素，同時根據(jù)設(shè)施的敏感性和重要性設(shè)置適當(dāng)?shù)陌踩嚯x，并簡明標(biāo)示其垂向用海范圍，從而加強(qiáng)海域管理和使用。對于實(shí)際用海項(xiàng)目的相關(guān)操作細(xì)節(jié)，海域管理者和使用者應(yīng)結(jié)合具體工程靈活應(yīng)對和積累經(jīng)驗(yàn)，盡快將用海范圍界定工作規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。

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