海洋岩土工程

第1章引言 　　1.1历史回顾 　　1947年，在距离美国路易斯安那州海岸18英里1英里≈1.6千米。、水深仅6 m的海域，历史上**座海上石油平台“Superior”建成（图1-1）。今天，全世界分布着7000多个海上平台，应用水深已经超过2000 m。在20世纪70年代初，深水开发仅仅意味着水深50～100 m，且大多数海上平台所处水深不足50 m。如今，“深水”和“超深水”一般指500 m和1500 m左右的水深。 　　图1-1**个海上石油平台——Superior：1947年，路易斯安那州海岸（Leffler et al.，2003） 　　多年来，墨西哥湾的早期经验主导着海洋岩土设计。墨西哥湾海底以软黏土为主，因此常采用打入式桩基础。然而，全球各地等海域的地质条件各不相同，由此发展出各种新的海洋基础形式。 　　在挪威政府强调本土投入的强力政策支持下，挪威工程师率先在北海发展了混凝土重力式基础，因为北海高强度的黏土和密砂能够为浅基础提供足够的承载力。 　　特定海床条件（如钙质土）或环境条件（如加拿大海域的冰荷载）促进了新概念基础或平台类型［如钙质土中的灌注桩、波弗特（Beaufort）海中的沙岛］的提出。 　　由于靠近大陆的油气资源逐渐枯竭，新开发项目距陆地越来越远，从而逐步进入深水。深水油气开发中发展了多种柔性结构（如拉索塔式平台）以及由受拉构件和锚系泊的浮式结构（如张力腿平台和浮式生产单元）。其中*具影响力的锚当属负压安装的深水桶形基础，例如图1-2所示的在墨西哥湾Na Kika场区中的应用（Newlin，2003a）。 　　图1-2墨西哥湾Na Kika开发区域，水深2000 m（Newlin，2003a） 　　随着海洋开发逐渐远离陆地，需要在开采场地建设储存设施（主要储存液体）并由油轮定期运走，或者通过长距离管线输运。利用海底管线将邻近场区连成网络有很高的经济价值，因为石油和天然气可通过管线输送至中心设施进行加工或输出，这种趋势导致生产管线和外输管线越来越长，管线设计越来越影响新项目的经济效益。 　　深水资源开发的一个显著特征是加剧地质灾害威胁，包括天然气水合物分解、海床内气体迁移、大陆架边缘的海底滑坡、陡峭坡体（如墨西哥湾的Sigsbee陡坡，图1-3）等。 　　图1-3墨西哥湾Sigsbee陡坡（Jeanjean et al.，2005） 　　1.2海洋工程的特点 　　海洋环境中的岩土工程有以下显著特点： 　　（1）现场勘察费用极其昂贵，调动和租用合适船只的费用经常高达数百万美元； 　　（2）海底沉积物条件特殊，对碳酸盐土和珊瑚尤其如此； 　　（3）外部荷载大，环境荷载比重高，弯矩荷载相对于结构自重较大； 　　（4）施工过程中一般不可修改设计，否则将导致成本急剧上升； 　　（5）虽然地基基础刚度对结构动力响应很重要，但设计重点更多集中在承载力或极限状态，而不是变形。 　　基础施工成本昂贵，还要承受相对较高的环境荷载，导致地基尺寸较大。例如，进入海床200 m，直径2～3 m的桩基。 　　一个典型的海上油田开发可能覆盖很广的区域（可达数十平方千米），包含若干个固定式结构或锚泊位置，还有连接油井的生产管线、连接岸上或地方干线的外输管线等。因此，现场勘察往往需覆盖很大区域，尽管区域中的大部分位置只需测试浅地层。 　　海洋结构可分为固定式结构和浮式结构，某些基础类型可服务这两类结构形式。例如，桩基础既可用于支撑导管架平台，也可作为张力腿式平台或其他类型浮式结构的锚泊基础。地基基础和锚泊系统需要适应水深的增加，大量科研投入必不可少，用于验证新的基础类型和锚泊系统。与此同时，美国石油协会（American Petroleum Insitute，API）和国际标准化组织（International Standards Organisation，ISO）也制定了相关设计规范和推荐做法。虽然这些规范不可避免地落后于新研究进展，但工业界一直努力跟上研究进展，通过专家组成的技术委员会不断更新设计规范。美国船级社、挪威船级社和劳式船级社等第三方监管机构也在校验科研发展的新设计方法、协调整个行业发展等方面发挥了重要作用。 　　1.3固定式结构的基础 　　导管架平台或固定钢板结构是**批海上结构形式。墨西哥湾的设计经验以及正常或弱超固结黏土地基条件共同决定了基础形式多为打入桩。*初使用的是木桩，但木桩很快就被易于施工的钢管桩取代。对于简单的平台设计，钢管桩一般布置在导管架的边角处（图1-4）。打桩时可使用蒸汽锤，蒸汽锤与桩头之间通过送桩传递荷载。近年来，水下液压锤更常用，液压锤可直接放到桩套上。 　　图1-4运输中的中等尺寸导管架结构 　　欧洲北海早期开采区典型的地层条件为经历冰川作用的超固结黏土（剪切强度一般为100～700 kPa）与密砂互层。这样的地质条件允许采用直接坐落在海床上的混凝土重力式平台，平台基础仅需短裙边进入浅部土层。近期建造的平台，如Gullfaks C（图1-5）和Troll平台，位于更深水域（200～300 m）的较软沉积物上，基础需要带有长裙边，长度为20～30 m，通过造成负压（降低基础内部压力，实现与周围静水的压力差）将裙边贯入海床中。 　　钢制裙式基础是多种基础类型的统称，例如板式基础、桶形基础、用于锚泊单个构件的吸力罐或吸力沉箱。实践证明，裙式基础用途非常广泛，能够承受压力、拉力或水平载荷，并可使用相对轻型的施工船安装。在北海地区，除了重力式结构外，导管架搭配吸力沉箱基础的结构形式也已应用成功。 　　图1-5Gullfaks C平台混凝土重力式结构示意图 　　小型平台可以采用简单的三脚架式基础（通过中心管柱支撑平台）或单桩基础。混合结构（如混凝土基础上的钢结构）以及一些打破传统模式的结构也越来越常见，例如在移动钻井平台（即自升式平台）底部永久性或临时性地安装钢质或混凝土平板基础。 　　自升式平台（图1-6）作为一种可移动钻井平台，由三根或四根独立的桩腿支撑，每根桩腿底部装配桩靴基础，桩靴是一种扁圆锥形基础，底面中心有一个突出的尖端。平台的船体部分升到海面之上的一定作业高度，桩靴可能需要贯入海床以下数倍的自身直径。 　　图1-6自升式移动钻井平台 　　桩基础、浅基础和桩靴基础将分别在第5章、第6章、第8章作详细介绍。 　　1.4柔性和浮式设施的锚泊系统 　　当水深大于200 m时，隔水套管具有足够的柔性，因此可以使用移动或浮式平台。在不超过500 m的中等水深，由于传统平台占地面积很大，顺应塔平台更具吸引力。顺应塔平台上部具有较大的质量和浮力，对环境荷载的反应较迟缓。典型的周期为10～15 s的波浪会在顺应塔结构响应前通过结构。顺应塔结构的适用水深通常大于300 m，这是由于较浅的水深条件将导致顺应塔结构的刚度增加，从而使其无法工作。 　　Ronalds（2005）综述了不同形式的浮式系统——包括浮式生产储油船（Floating Production Storage and Offloading vessels，FPSO）、半潜式平台、张力腿平台（含迷你型张力腿平台）和单柱式平台——的特点与选择时需要考虑的因素。所有浮式系统都需要系泊和安装到海床中的某种类型的锚。