海洋工程应用现状及其发展前景

张明慧　郑艳娜

(大连海洋大学土木工程学院，辽宁大连　116023)



海洋工程应用现状及其发展前景

张明慧郑艳娜

(大连海洋大学土木工程学院，辽宁大连116023)

摘要:从海洋工作平台、海底工程、人工岛、港口码头、海上风电和跨海大桥六方面入手，介绍了国内外各类海洋工程的应用现状，结合海洋资源开发对海洋工程发展的需求，研究了各类海洋工程的未来发展方向，有利于海洋资源的合理开发与利用。

关键词:海洋工程，海洋资源，工作平台，人工岛

0　引言

海洋工程一般指人类为开发和利用海洋资源，建设的各种工程设施及海上运输设施［1］。海洋工程是人类开发利用海洋资源过程中产生的一种特殊工程技术。由于海洋资源与陆地的禀赋环境差异巨大，开发利用难度较大，因此海洋工程就成为实现海洋资源开发与利用的必要手段和关键技术。同时海洋工程也是维护国家的海洋主权与获得应有的海洋权益的重要保障。因此，发展海洋经济，实现海洋强国，必须加强海洋资源开发所需的关键工程技术的研究与储备。

1　海洋工程应用现状

当前，许多国家都在大力发展海洋工程技术，以争取海洋资源开发利用的主动权和优先权。这些海洋工程按照工程的结构和形式主要可以分为海洋工作平台、人工岛、海上风电、跨海大桥、港口码头、海底工程等。

1．1海洋工作平台

在开发利用大陆坡、领海，特别是深海的各类丰富的自然资源时，首先必须具有进入海洋环境空间，驻留定位的能力。20世纪70年代以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都在大力开发建设海洋工作平台。张力腿式海洋工作平台是目前世界上唯一能进入1 000 m深水海域，且在复杂多变的海洋环境中能够平稳地定位于水面，从事海洋资源开采的永久性系泊深海工程构筑物［2，3］。挪威国家石油公司正计划建设无人采油平台，这种无人采油平台是在GULLFAKES B混凝土重力平台上安装遥控监视器和控制程序，实现无人采油。英国正在研制一种300 m水深的无人操纵平台，用于开发利用英格兰毗邻的北海水域深水中型油田。我国自20世纪60年代就因海洋石油勘探开采的需要开始研制海洋工作平台，目前已在渤海、东海、南海等海域有上百座海洋石油工作平台，并且已经开始出口国外。

1．2水下/海底工程

水下/海底工程包括海底隧道、海底管道、海底电缆、海底/存储实验工程、深潜器等。目前，全世界已建成和计划建设的海底隧道有20多条，著名的英法多佛尔海峡海底隧道，全长53 km，海底部分37 km，隧道由两股火车隧道和一股工作隧道构成，于1995年建成通车。日本的青函海底隧道是连接日本本州和北海道的一条海底隧道，1987年建成，隧道全长54 km，其中海底部分23 km。中国香港海底隧道包括中、东、西三条线路，分别于1972年、1989年和1997年建成，是连接香港岛和九龙半岛的重要交通枢纽。厦门翔安海底隧道连接厦门岛与大陆，全长8．695 km，2010年4月正式通车，是我国完全自主设计、施工的第一条海底隧道，对于探索适合我国国情的海底隧道建造技术具有里程碑式的意义。海底管道工程是海洋底床及以下建设的各类管道工程的总称，建设目的是为海底油、气、水等物质和能量的输送提供通道。海底管道包括海底输油管道、海底输气管道、海底输水管道、海底油气混输管道、海底油水混输管道、海底水气混输管道等。当前，海底管道建设的主要作用是将海上油、气田所开采的石油或天然气通过海底管道输送到陆地上的油、气库站，或者将大陆的淡水资源通道海底管道输送到偏远海岛。海底管道工程主要是随着全球海洋油、气资源的勘探开采而逐渐发展起来的，目前，海底管道主要分布在海洋油、气田分布区域，我国油、气管道主要有渤海油、气海底管道，东海平湖油、气通往上海的海底管道、南海北部至香港的海底输气管道等。海底输水管道在我国主要集中分布于浙江舟山群岛至大陆之间。

海底电缆工程是铺设于海底底床上的各种电缆、光缆、通信线缆工程的总称，当前的海底电缆大多是以光纤为媒介传输电话和互联网信号。全世界第一条海底电缆工程是1850年在英国和法国之间的英吉利海峡铺设完成，中国的第一条海底电缆是在1888年完成。1993年建成的中国和日本之间的海底光缆工程，可同时开通7 560条电话电路。1997年在上海南汇建成的天下无难事光缆(FLAG)，连接全球20个国家，可开通12万条电话电路。当前，我国开始建设中美、亚欧两条光缆，总通信能力将猛增到132万路。

在海洋深潜工程方面，主要有海底实验工程、深海潜水器、海底储存工程等。深海潜水器是目前海洋深潜工程发展最为迅速的领域，主要用途包括:

1)用于探测海底石油、天然气、可燃冰以及其他矿产资源;

2)用于其他海底工程建造、检测、维修、维护等;

3)用于海底考古、海底沉没物件打捞;

4)用于海底科学考察、海底地质、水文等环境调查与观测等;

5)用于海底军事探测及水下军事基地建造［4，5］。

当前，海洋深潜工程正朝着大型化、深水化、机动化和智能化方向发展［6］。载人深海潜水器的潜水深度不断地增加。美国、日本、法国等等发达国家拥有多艘6 000 m级的载人潜水器。我国“蛟龙”号深海载人潜水器于2012年7月在太平洋马里亚纳海沟创造了下潜7 062 m的世界同类作业型潜水器的最大下潜深度纪录，这使我国具备了载人抵达全球99．8%海洋深处探测作业能力。

1．3人工岛

早期的人工岛是浮动结构，建于止水，或以木制、巨石等在浅水建造。现在的人工岛大多填海而成，人工岛的大小不一，由扩大现存的小岛、建筑物或暗礁，或合并数个自然小岛建造而成;有时是独立填海而成的小岛。日本是世界上最早建设海上人工岛的国家，20世纪80年代竣工的神户人工岛标志着日本海上人工岛建设技术水平达到最高。海上城市是在海上人工岛基础上建设的集工业、商业、科研、居住、娱乐等人类社会活动为一体的城市设施综合体［7］。近年来，我国人工岛建设工程技术日趋成熟，已建成的人工岛主要有海南岛的凤凰岛、河北唐山市石油开采人工岛，此外，福建厦门、江苏启动、山东龙口等地都在规划修建规模较大的人工岛。

1．4港口码头

随着全球范围的海洋贸易、航运业的发展，港口码头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。港口码头按照建设用途可以分为集装箱码头、煤炭码头、石油码头、矿石码头、散粮码头等。目前，全球港口码头有数万个之多，比较著名的主要港口有荷兰的陆特丹港、新加坡港、阿联酋的迪拜港、韩国的釜山港、我国的上海港、深圳港、香港港等。随着近年来我国海洋经济的快速发展，目前，我国万吨级以上的沿海码头有近500座，10万t级以上的码头有50多座，2009年全球货物吞吐量前十名的海港我国已占8座，成为全球主要的海港分布区。

1．5海上风电

随着世界范围内能源、环境问题的日益突出，海上风电工程成为近年来出现的一类新型海洋工程。欧洲是海上风电发展最快的地区，有8个海上风电场，主要分布在西班牙、英国、丹麦、瑞典和德国，总装机容量577 MW。目前，我国海上风电工程已在上海、浙江、江苏、山东和福建等多个省市开始建设和规划，总装机容量超过1 000万kW，其中上海东海大桥风电示范项目已于2010年成功运营，同时已经启动了海上风能观测项目。

1．6跨海大桥

跨海大桥是建设在海洋水体表面以上的桥梁工程，主要用于贯通海湾、海峡、大陆与海岛之间的交通运输。全球著名的跨海大桥有美国的切萨皮克湾隧道大桥，该桥融合了人工岛、沉管隧道和大桥三种形式，是世界桥梁建设工程历史上的里程碑;连接日本本州岛冈山县和四国岛香山县的濑户内海大桥，由两座斜拉桥、三座吊桥和三座桁架桥组成，是目前世界上最大的跨海大桥;连接我国上海浦东新区芦潮港和浙江嵊泗县小洋山岛之间的东海大桥，2005年建成通车，全长32．5 km，是目前世界上最长的跨海大桥。另外，我国的跨海大桥还有1974年建成的澳门跨海大桥、1996年建成的彭湖跨海大桥、2007年建成的杭州湾跨海大桥、2008年建成的青岛跨海大桥和2010年建成的平潭跨海大桥。目前，我国正在建设横跨珠江口的珠港澳跨海大桥。

2　海洋工程发展展望

地球表面70%的区域为海洋，海洋区域蕴藏着十分丰富的自然资源，为推动人类社会可持续发展的重要物质能源储藏区。随着人类海洋工程技术的不断进步，海洋工程将会与核工程技术、航天工程技术一样，逐步形成庞大的科研、工程技术、生产实用综合体，成为在今后工程技术领域一个举足轻重的新兴产业［8］。

2．1海上平台发展展望

随着信息化、工业化、智能化技术的不断进步，针对海洋资源开采的海上平台将向大型化、自动化、专用化方向发展，同时国际海事组织(MO)对海上平台的安全、环保等方面的要求也越来越严格。目前，海上平台建设掀起了研究超大型浮式构筑物(VLFS)的热潮［9］。超大型浮式构筑物(VLFS)不同于目前百米尺度的海上平台工程，它的尺度在千米以上，具有综合性、多用途的功能特征。超大型海洋浮式构筑物在开发过程中需要解决一系列海上平台工程的理论问题和施工技术问题，包括:选型和概念设计、动力特性预报、设计和建造、耐久性和可维性、事故载荷与风险评估以及生态与环境影响等。

2．2海底/水下工程发展展望

随着通信业务量的加大和光纤技术水平的不断提高，海底电缆正向超通量、耐久性方面发展，海底电缆工程随着全球深潜工程技术的不断完善向深海、超深海域延伸。海底隧道建设随着隧道掘进机的发明和技术不断更新与自动化程度的提高而在世界范围内广泛实施。为了探测海底隧道钻探前方的地质结构，超前钻探技术已成为探测掌子面前方复杂情况最可靠的方法，同时有压力舱(土压平衡)盾构技术的发展也为深层作业提供了重要的基础保障。这些海底隧道工程技术的不断改进与完善将使未来的海底隧道向超长度、超容积方向发展。

目前，世界主要沿海国家对水下工程装备的需求日益增大，在深海工程领域的研究建设投资不断增加［10，11］。总的来说，海底/水下工程装备的发展趋势主要表现为以下特点:

1)构件逐渐向标准化、模块化发展;

2)耐高压的深海潜水工程发展极为迅速;

3)海洋水下工程的智能化提高，能够自动检查排除故障，恢复作业能力;

4)海洋水下工程远程操控能力提高，能够远距离操控海洋水下工程运作。

2．3人工岛建设展望

进入21世纪，人工岛建设已由以前的海上油气、矿产开采平台向亲海、旅游休闲型的海上城市方向发展。人工岛建设规模也由以前的小型、单一人工岛向大型化、岛群化方向发展。在人工岛平面设计上多采用工程内部大水道分割的格局;在岸线形态上，大多采用曲折的岸线走向。这种人工岛工程的空间规划，虽然会增加人工岛建设成本，但可提高海洋资源利用效率，提升区域资源、环境和社会协调发展能力:第一，提升了人工岛临岸亲水效果，体现了海洋价值;第二，有效增加了海岸线长度;第三，减少人工岛建设对海洋环境的影响;第四，减缓用海矛盾和冲突。阿联酋迪拜棕榈岛是未来世界人工岛建设的一个新示范。目前，我国江苏启动规划建设的太阳岛、山东龙口规划建设的人工岛群都体现了这种人工岛建设的新趋势。

2．4港口码头发展展望

港口在区域社会经济发展中的枢纽作用和产业集聚、经济辐射带动作用日显重要。港口码头建设将向大型化、专业化的方向发展，大型集装箱码头、大型原油码头、大型天然气码头、大型煤炭与矿石码头等专业码头共同构成超大型港口群。整合港口资源，优化港口布局，调整泊位结构，是我国港口码头发展的重要方向。通过发展重点完善沿海港口集装箱运输系统、大宗散货运输系统，促进异地港口间的物资流动与合作，形成分工合理、竞争有序、优势互补的港口企业群体。港口发展在带动临港产业发展的过程中势必会对所在城市带来交通、生活、环境、安全等诸多影响，这些都是未来港口建设中必须解决的问题［11］。

2．5海上风电发展展望

将随着全球风电产业的发展和土地资源的日益稀缺，海上风电在可预见的未来将持续发展壮大。目前，美国、加拿大、欧洲都规划了规模庞大的海上风电项目。我国也在江苏沿海滩涂规划了浅水滩涂风电区域，在浙闽粤沿海规划了中深水海上风电区域。通过研究海上风电的发展，未来海上风电的发展趋势:随着海上风电项目的技术成熟，海上风电的水深逐渐增加，电场的总容量逐渐扩大。这对技术和环境都提出了更新的要求;5 MW级的风电机组具有125 m高度的体形庞大，其视觉及物理方面的影响力已经不适合于近海建造。在此趋势的推动下，欧洲海上风电场具有震撼力的阵形正被全球性地广泛沿袭，总计9 000 MW的机组正处于规划、开发的各个阶段。

2．6跨海大桥发展展望

随着区域间联系紧密程度的加深，跨海大桥设计已由以前的单通道、单出口向多通道、立体化、多出口方向发展。跨海大桥桥体设计向自然流体，形态优美，观景、造景等功能特征转化。跨海大桥也将日益成为带动区域经济的增长极，尤其是限制区域间联系的瓶颈区域，如我国的渤海海峡拟规划修建的蓬莱—长岛跨海大桥、海南岛与雷州半岛之间拟规划修建的琼海跨海大桥。

3　结语

在当前全球资源需求快速增长的情况下，海洋将成为沿海国家解决资源供给不足问题的新选择，成为具有战略意义的重要新兴开发领域［12］。在海洋工程装备技术的不断进步和各国对海洋工程技术的强烈需求推动下，包括海上平台工程、海底/水下工程、人工岛工程、港口码头、海上风电工程和跨海大桥工程在内的海洋工程总体发展趋势可归结为以下几点:

1)深远海工程需求增加，随着人类工程技术水平的提高，对深海、远海资源探测开发必需建设深远海工程做以辅助;

2)海洋工程逐渐向大型化发展，大型化的海洋工程可以提高工程运营的经济性、安全性和可靠性;

3)海洋工程建设更加注重环境保护，在全球环境保护呼声不断高涨的形势下，海洋工程装备制造也逐渐使用环保新材料，实现废弃物料的循环利用;

4)海洋工程更加智能化、自动化，随着通讯技术的高速发展，海洋工程建设将集成应用各类通讯高新技术，实现海洋工程的远程操控，智能作业，自我检测、维护与排除故障。

参考文献:

［1］沈曦．国外海洋工程高技术发展状态［J］．中国海洋平台，1996，11(1):1-42．

［2］李芬，邹早建．浮式海洋结构物研究现状及发展趋势［J］．武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2007，27(5):682-686．

［3］张帆，杨建民，李润培．Spar平台的发展趋势及其关键技术［J］．中国海洋平台，2005，20(2):6-11．

［4］王颖，韩光，张英香．深海海洋工程装备技术发展现状与趋势［J］．舰船科学技术，2010，32(10):108-124．

［5］Michael Smith，Steve Robertson．Deepwater expenditures to reach$20 billion/yr by 2010［DN/OL］．http://www．offshore-mag．com/Articles/Article-Display．cfm?Section= ARCHI＆ARTICLE_ID=24360＆VERSIN_NUM=2＆p=9．

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［8］陈雯，窦义粟．世界海洋工程发展现状分析［J］．中国水运，2007，7(8):199-200．

［9］The Design-Build Institute of America(DBIA):Large-Scale Seawater Desalination，2005．

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［11］陈伯真，汪广海．中国海洋工程的发展与展望［J］．钢结构，2000，47(1):54-57．

［12］Water Desalination Market［EB/OL］．http://waterindustry．

org/Water-Facts/de-sal-9．htm．

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

作者简介:张明慧(1978-)，女，讲师;郑艳娜(1978-)，女，副教授

收稿日期:2015-10-24

文章编号:1009-6825(2016)01-0253-03

中图分类号:U612

文献标识码:A