海洋灾害对海洋工程的影响

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1、海洋灾害对海洋工程的影响建筑学院 2008级 船舶与海洋工程3班 刘志龙 3008205282 摘要海洋中的灾害、海水和海洋生物都会对海洋结构物产生直接和间 接的破坏作用，本文主要探究不同因素对海洋结构的不同影响方式， 并总结了各种灾害和破坏形式的特点，以便于进一步帮助对海洋结构 物的设计和研究工作。关键词海洋灾害 海水 海洋生物 结构破坏 影响施工 腐蚀正文自上世纪六十年代以来，随着对海洋资源的开发，特别是对海洋 石油资源的调查与开发及海底工程与滨岸工程的建设，越来越多地遇 到海洋灾害事件对海洋工程与滨岸工程带来的灾难与危害。在海上施 工过程中，环境因素经常导致灾难事件的发生，对建设的破坏、

2、生命 的毁灭及经济上的重大损失都十分惊人。1929年，加拿大岸外GRANT浅滩地震（M=7.2级）引发的滑坡 与浊流，将位于其附近的LAURENTIAM峡谷南面横跨大西洋的海底电 缆折断了数百公里。1964年，美国阿拉斯加“Goog Friday”地震，引发威廉王子海峡 三角洲大滑坡，大部分海岸及其码头、仓库等建筑塌入海中，至少有 一亿多立方米的滨岸陆地完全沉入海中。1975年3月20日，墨西哥湾内的一个自升式平台钻到高压浅层 气发生井喷，接着平台开始倾斜、起火燃烧，然后倾覆、沉没。1982 年 9 月在墨西哥海湾，飓风触发海底滑坡，使两座当时世 界上工作水深最大的采油平台翻倒。1983年 1

3、1 月，我国地矿部“勘探二号”自升式钻探平台，在浙 江温州东部海域进行石门潭一井施工时，在插桩压载过程中，因地层 的不均匀沉陷，其中一条桩腿在几秒钟内突然陷7 米多，导致平台急 速倾斜 13，几乎倾覆。2004年12月26日，印尼苏门答腊亚齐大地震（M=9级）引发 的印度洋大海啸，震惊世界，其造成的人员伤亡及经济损失均达到了 海洋地质灾害之最，至今人们仍记忆犹新，“谈虎色变”。本文对影响海洋工程结构安全的海洋灾害进行了分类研究和总 结。我国浅海陆架地处西太平洋边缘, 纵跨温带、亚热带和热带, 是 世界上最广阔陆架之一。水文气象条件复杂多变, 特别是南风北冰, 以及由它们引起的大浪、海流与风暴潮

4、, 均为海洋结构物带来灾害。 海洋自然环境发生异常或激烈变化，导致在海上或海岸发生的灾害称 为海洋灾害，分为气象灾害、水文灾害和地质灾害。气象灾害是由大 气的强烈扰动，如热带气旋、温带气旋等和海洋水体本身的扰动或状 态骤变引起的灾害，风暴潮灾害、海浪灾害，海冰灾害、海雾灾害等； 海洋水文灾害主要指灾害性海浪，包括台风浪和寒潮大浪，浪高超过 6米；地质灾害是由海底地壳运动和特殊地质构造引发的灾害，如海 底地震、火山爆发及其伴生之海底滑坡、地裂缝等。另外，由于海洋 结构物广泛使用钢铁材料, 由于海水是一种强电解质溶液, 使钢铁 及其他金属材料受到严重腐蚀, 大大影响着钢质构筑物的使用寿命。 随着各

5、种各样的海洋工程建设的兴起，海洋灾害已成为海洋工程建设 中必须解决的科学问题。一、海洋气象和水文灾害对海洋结构物的影响1. 对海洋结构物的直接破坏。（1）剧烈的直接冲击破坏 所谓直接冲击破坏是指海洋中的狂 风、巨浪、海冰等对海洋结构物瞬间施加超过设计极限的荷载，直接 导致结构物材料产生不可逆的强度破坏或者整体平衡的丧失。由于海洋大气运动剧烈，风速较大，地形平坦开阔，具有足够的 风距，而且海上建筑物多为独立结构，无遮蔽，无防风设施，因此极 易遭受大风袭击。风载荷产生的巨大的倾覆力矩，会导致结构整体翻 倒。例如，1984 年6 月大港油田4 部 TJ41 型石油井架连底座一起 被大风刮倒。风暴潮和

6、台风都会带来巨浪灾害。浪高超过 6米的波浪称为巨浪 波浪对结构的影响体现在两方面。首先，巨大的波浪载荷会造成结构 的大变形和强度破坏，还会导致结构整体失稳。另外波浪运动会导致 结构产生较大的位移，如浮式海洋平台剧烈的升沉运动会导致立管的 损坏。波高和波长异常的海洋畸形波对结构破坏性巨大，又加之其具 有的极大的随机性，是严重影响结构安全的灾害。海冰对结构物的影响也十分巨大。漂浮在海洋上的巨大冰块和冰 山，它们受风和流作用而产生运动，其推力与冰块的大小和流速有关。 海冰胀压力可以使冰中的船只和结构物变形而受损；此外，当冻结在 海上建筑物的海冰，受潮汐升降引起的竖向力，往往会造成建筑物基 础的破坏。

7、海冰运动时的推力和撞击力都是巨大的。我国 1969 年渤 海特大冰封期间，流冰摧毁了由15 根 22厘米厚锰钢板制作的直径 085米、长 41 米、打入海底 28 米深的空心圆筒桩柱全钢结构的“海 二井”石油平台，另一个重500 吨的“海一井”平台支座拉筋全部被 海冰割断。（2）循环荷载的疲劳破坏 海洋结构物在水流和海浪的交变 载荷作用下产生裂纹和断裂的现象称为疲劳破坏。结构长期在交变应 力工作，即使最大工作应力小于静载荷下的屈服极限，但在长期工作 后也会产生裂纹或断裂。断裂是突然的，无任何先兆。（3）振动破坏 海洋载荷多为动力载荷，会导致结构的动力 响应，产生振动。例如，水流会影响管道施工时

8、的安全和管道投产后 的稳定性。管道在水下承受多种作用力，尤其是水流的作用力，其中 包括水平推力和上举力。当管道裸露铺设在起伏不平的海床上，水流 流过管道的悬空段时,管道容易产生振动,甚至导致断裂。当波浪的频 率与结构的自振频率接近时会产生共振现象，使结构遭受毁灭性的破 坏。（4）间接威胁 海雾和风浪不仅会直接破坏结构物，还是结构 物的安全的潜在威胁。当船舶停靠平台进行作业和补给时，海雾和风 浪会影响船舶的航行和锚泊，极易使船舶与平台设施发生碰撞，酿成 灾难。另外，风浪会改变海底的地形，影响海洋工程的基础安全，严 重时会导致滑桩，甚至倾覆。2. 严重影响海上施工作业海洋气象是海上施工作业的最大限

9、制，其中风和波浪的影响最大 一般施工和作业的环境都有风速和波高要求，一般的施工设备都有自 身的工作极限和自存极限。若遭遇台风、风暴潮、海冰，当风速和波 高达到设备工作极限时，施工和作业被迫停止；当风速和波高到达设 备自存极限时，海洋工程设备要被迫撤离到安全区域进行躲避。这大 大增加了施工和作业成本，延长了工期，严重制约着海洋开发的经济 性。1979年 11月 25 日，“渤海二号”自升式平台在拖航中遭遇9 级 大风，甲板大量上浪导致翻沉，造成72 人死亡。二、海洋地质灾害对海洋结构物的影响海洋工程不仅受到来自空、天、海的气象灾害的影响，同时还要 考虑相当复杂的地质因素。海洋灾害地质因素，可分为

10、一是存在于海底表面的，诸如：各种 活动的水下沙丘、沙波、潮流沙脊群、强烈的海底侵蚀与堆积、各种 淘谷地貌等；二是存在于海底以下浅地层中的，诸如：古河道、古湖 泊、浅断层及活动性断层、浅层高压气、泥丘、力学性质极不均衡的 地质体等；三是存在于海底深层的，如地震引发的海啸、海底滑坡等 等。1. 海底表面地质因素影响各种活动的水下沙丘、沙波、潮流沙脊群、强烈的海底侵蚀与堆 积、淘谷地貌等海底地表地质因素，严重影响了海洋工程的施工和结 构安全。以海底侵蚀为例，自升式平台和固定式平台的桩腿直插海底， 桩腿迎流一侧的底部泥沙易被水流携走造成侵蚀。长时间的侵蚀会导 致一侧桩腿的地基基础减弱，产生的不均匀沉降

11、使平台发生倾斜，严 重时翻倒。2. 海底以下浅地层影响古河道、不平坦的海底、活动断层等会导致着底式平台的滑桩和 移位，钻进时，钻穿高压浅层气将导致严重的井喷和爆炸。1974年在 莺歌海盆地作业的一条自升式钻井平台，在水深75m处海底插桩时， 由于地层承受力不均，以致使平台倾斜位移。1980年8月，一台自升 式平台在珠江口盆地作业时，遇上了上硬下软的所谓“鸡蛋壳”地层， 钻井突然下陷，造成钻井移位。1985年10月6日晚，挪威一座半潜式 钻井平台发生了浅层气井喷，可燃性气体涌向钻井平台并着火、爆炸， 引发巨大灾难，平台很快便被损毁。3. 深层地质因素影响地震对海洋平台作用分为两个方面。一是对结构

12、产生直接的载荷 地震产生地震惯性力、动水压力以及位移，引起海洋平台上部模块的 强度、稳定性和平衡破坏。二是地壳运动，极易引发海底崩塌、海底 滑坡，导致海洋工程的地基发生破坏，引起平台的下沉、滑移和倾倒 事故。三、海水和海洋生物的腐蚀影响进行海洋建设与开发大多采用钢结构。钢铁材料长期处于海水中 会发生生锈、蚀孔、断裂等现象，形成巨大危害。据1970年到 1981 年统计，约有 8%的海洋平台出现过事故，其中大多数是因腐蚀造成 的。我国 1999 年最新统计，腐蚀所造成的经济损失高达2800 亿元， 大致为国民产生总值的 4%，其中海洋腐蚀损失占三分之一。海水不仅是天然强电解质溶液，更是一个含有悬

13、浮泥沙、溶解的 气体、生物以及有机物的复杂体系。影响海水腐蚀的有化学因素、物 理因素和生物因素等三类，而且其影响常常是相互关联的。海洋中的腐蚀主要包含了海水的电化学腐蚀和生物腐蚀。海洋环 境中存在着多种动物、植物和微生物，与海水腐蚀关系较大的是附着 生物。海生物对腐蚀的影响很复杂，但仍会造成以下几种腐蚀破坏： 海生物的附着并非完整均匀，内外形成氧浓差电池；局部改变了海水 介质的成分，造成富氧或酸性环境等；附着生物穿透或剥落破坏金属 表面的保护层和涂层。在海底缺氧的条件下，厌氧细菌，主要是硫酸 盐还原菌是导致金属腐蚀的主要原因。四、海洋灾害对海洋工程影响特点分析从以上各种灾害和影响中我们可以看出

14、一下几个特点：1. 灾害发生频繁，随机性强。由于海洋灾害引起的海上工程事故每年上千起，由于海洋气象和 地质构造的复杂性和人类探索的局限，灾害发生的随机性较大，难以 预测。2. 灾害种类繁多，作用机理复杂。海洋的复杂性使得任何一种因素都有可能导致巨大的灾难。目前 已知的灾害就有数十种之多，其作用原理涉及物理、力学、化学、生 物、气象、地质等诸多学科，各种因素的叠加组合作用使得灾害研究 相当复杂和困难。3. 影响严重，损失巨大。海洋工程结构复杂，造价昂贵，施工和作业成本高，又远离陆地， 一旦发生事故，救援和救护的能力有限。所以一般的海上事故发生后 破坏速度极快，而且结果多数都是毁灭性的，人员、经济损失极其巨 大，人类的控制手段极其有限。结语：人类对海洋的探索虽然有相当长的历史，但是目前海洋仍 有许多未知的领域等待我们进行多学科的综合性探索，这些探索的成 果将成为我们开发海洋的法宝。