第1章我国近岸工程实践概况
1.1近岸工程实践历程与趋势
1.1.1近岸码头工程
近岸码头作为关键的交通基础设施，在海洋运输、渔业活动及沿海地区的经济发展中扮演着至关重要的角色。经过多年努力，我国港口的现代化程度有了很大提高，尤其是沿海主要港口的现代化水平已经接近发达国家的先进港口的水平，局部已处于世界先进水平。目前，我国港口总体规模和总吞吐量均已居世界*位(季则舟等，2016)。随着京唐港10万吨级遮帘式和20万吨级分离卸荷式深水板粧码头泊位的建设和投入运行，我国板粧码头设计和建造水平已经步入世界先进行列。但上述深水板粧码头泊位均建设在地基条件较好的砂质海岸，在条件较差的淤泥质地基上仍然只能建设中小型泊位（蔡正银，2020)。然而，我国港口建设经过几十年的快速发展之后，优良的岸线资源接近开发完毕，剩余的、可供建港的岸线绝大部分为天然水深条件、地质条件较差的岸线，如辽东湾、渤海湾、莱州湾、苏北海岸，以及浙江省和福建省沿岸等海底表面有淤泥层分布的岸线。特别是江苏沿海地区，受内陆河流入海影响，分布有约640km的淤泥质海岸，其中位于苏北海岸的江苏连云港160km的岸线具有淤泥质海岸典型的特征。根据2008年《连云港港总体规划》，连云港港以连云港区为中心，逐步形成“一体两翼”的总体格局，其中，“南翼”徐圩港区26.8km的岸线，地处我国东部典型的淤泥质海岸分布区域，受第四纪更新世以来海进海退的影响，海面下分布有9～12m深的淤泥。目前，淤泥质港区一般采用高粧码头型式，但这种码头型式存在着构件繁多、施工工期长、工程造价高及浪费岸线等问题，尤其对于防波堤环抱式港池，高粧码头栈桥浪费宝贵岸线资源的缺点更加凸显。相比之下，板粧码头结构型式不仅可以降低工程造价，同时又能与后方的货物堆场连成一体，可以*大限度的利用水域面积，所以探索淤泥质地区深水板粧码头的建设技术有较强的现实意义。
板粧码头是我国三大码头结构型式之一，相比同级别的重力式和高粧承台式码头结构，板粧码头结构具有结构简单、造价经济、施工迅速等优势，在粉砂质海岸得到了广泛应用（刘永绣，2005)。三种典型码头结构如图1.1.1所示。我国先后成功研发了“半遮帘式”“全遮帘式”“分离卸荷式”“带肋板的分离卸荷
式”等多种板粧码头结构型式，从而使板粧码头在粉砂质地区海岸的建设水平提升至20万吨级，积累了宝贵的工程经验，取得了丰硕的研究成果（蔡正银等，2015)。然而，板粧结构在软土地区海岸中的侧向受力与变形极大，受力机制十分复杂，导致软土地区中板粧码头的设计理论和计算方法至今仍不成熟，板粧码头结构在软土地区的建设水平一直停滞不前。为促进板粧码头在软土地区海岸的发展，必须攻克港池挖深和码头面附加荷载所导致的前墙侧向土压力急剧增大的技术瓶颈。水泥加固地基侧向减载技术是减小软土地基中板粧码头结构侧向土压力的有效途径之一。
图1.1.1三种典型码头结构
1.1.2近岸防波堤工程
防波堤是为了阻断波浪的冲击、维护港池、维持水面平稳以保护港口免受坏天气影响、以便船舶安全停泊和作业的水工建筑物。防波堤还能起到防止港池淤积和波浪冲蚀岸线的作用，是人工掩护的沿海港口的重要组成部分。它们通常采用土石抛填或钢筋混凝土砌筑而成，由于对工程区域选址有一定要求，地基通常不需处理或可采用简单的处理。
近年来，随着我国航运事业的发展和港口经济的繁荣，很多港口的港区已趋饱和，必须开辟新港区。同时，自然条件优越的港址通常已被开发，不得不面对深水区域、大波浪荷载和软弱地基等严峻复杂的自然条件。要在这种严峻复杂的自然条件下建造传统的防波堤，必然需要进行大规模的地基加固处理，费用将会较高。
传统的防波堤有三大类，分别为斜坡式、直立式和混合式，在这些方面已经有丰富的工程经验。随着人类的活动范围日益向深水拓展，传统型式防波堤的造价过于昂贵，防波堤的设计理念有了巨大的进步，主要趋势为：提出改进的结构型式，降低结构自重，降低结构经受的波浪荷载，引进新的施工工法以加快建设速度，降低工程造价。
在我国的天津港、长江口、连云港等海域的近陆处海底，表面基本上是一层厚度几米到几十米的淤泥层。该层土的物理力学指标较差，承载能力低，灵敏度高。要在这种严峻复杂的自然条件下建造传统的防波堤，需要对地基进行大规模的加固处理，如打设砂粧、换填或抛石等。这些处理方法费用高、工程量大，并且山石开采的限制导致了原材料供应不足。因此，基床式基础的轻型重力式防波堤应运而生。但对于结构的稳定性，抗滑要求结构重，地基承载力要求结构轻，这是两种相反的要求。因此，在天津港南、北防波堤延伸工程中的较深水域采用了一种新型的防波堤结构型式——桶式基础防波堤，如图1.1.2所示。
图1.1.2桶式基础防波堤
1.1.3近岸海上风电工程
为应对日益严峻的环境和气候问题，全球各国都在竭力寻找可再生资源和清洁能源，不仅有力地促进了全球可再生能源发展，也使大家对能源供应将逐步由化石能源向可再生能源转变形成共识。从能源发展的历程来看，从薪柴、煤炭、石油和天然气到低碳能源转变是历史的必然。其中风能，作为可再生能源和清洁能源的代表被越来越多的人关注，各国也都在竭力发展风力资源。将风力运用于发电技术源于1973年发生的石油危机，美国、英国、丹麦等发达国家为了寻求替代化石燃料的能源，投入大量的人力、物力研制现代风力发电机组，开启了风电发展的篇章。风电场按位置可分为陆地风电场和海上风电场。在欧洲，由于陆地面积有限，并且陆地风电场影响环境和美观遭到许多人抵制，而海岸线附近的海域风能资源丰富，可适合更大规模风电的开发。20世纪90年代中期，丹麦在海
上建立了2个示范风场并获得成功后，于2000年在哥本哈根湾建设了世界上**个商业化意义的海上风电场。之后，世界各国开始效仿丹麦的模式并逐渐考虑海上风电的商业化开发。海上风电有陆地风电无法比拟的优势，具有风速高、风切变低、湍流低、静风期短、产出高及使用寿命长等特点，并且海上风电场一般靠近经济发达地区，电力输送和消纳都有保障，不用担心弃风问题，同时交通运输方便，便于大功率、大直径风机的运送。但海上风力发电技术难度远远高于陆地风电，开发成本接近陆地风电场开发成本的三倍，同时海洋环境的复杂性和差异性导致海上风电从设计到施工都存在诸多不确定性，这也制约了它的发展。海上风力发电作为一项新技术，虽然面临了巨大的挑战，但在科技创新及节约能源方面又有很大机遇。由于海上风电的诸多优点，能很大程度地改变一些地方可再生能源的面貌，并且海上风能资源丰富稳定，可以大规模集中开发，对环境也几乎是零破坏，具有长远的经济效益，面对陆地资源越来越少的现实，往海洋甚至远海处发展成为必然，这也是解决能源危机比较好的途径之一。
海上风电*早起源于欧美一些发达国家，其海上风电场主要分布于丹麦、英国、德国、西班牙、美国、荷兰等。根据知名咨询公司贝特曼（BTM)的统计，2012年，全球海上风电新增装机容量为1131MW，累计装机容量达5117MW，2013年全球海上新增风电装机容量继续保持增长趋势。截至2013年底，欧洲共有11个国家开发海上风电，海上风电场已达69个，累计2080台海上风电机组并网，累计并网容量为6563MW。2014年，欧洲新增海上装机容量1483MW，占世界新增总量的87%。在政府的激励政策下丹麦大力发展风力发电，建立了**个海上风力发电场一埃伯尔措夫特风电场。在2005年前，丹麦计划兴建5个海上风电场，累计达750MW。截至2011年底，丹麦海上风力发电累计装机容量达到857.5MW，占当时欧洲累计装机容量的五分之一，到2012年其海上风力发电能力已达近1GW。到2025年，丹麦的风力发电量将占全国用电总需求的50%，即风电装机总量要达6GW。继丹麦之后，英国、荷兰、德国开始大力发展海上风电项目。英国由于地理位置*特，海上风域面积广阔，2010年拥有海上风电场20个，870台涡轮机，总装机容量超过3GW，海上风电的发展也一直处于全球领先地位。德国*座海上风电场“阿尔法？文图斯”建于2008年7月，2010年4月在北海正式并网发电，整个风电场现装有12台风能装置，每台装机容量为5MW，年发电量为22亿kW*h。除了欧洲，北美洲的美国逐渐认识到海上风电的重要性，两个风电项目“CapaWind”“BlockIsland”于2015年开始动工，2017年实现并网发电。亚洲的韩国将风能作为潜力巨大的替代能源和振兴韩国经济的重要能源补充。由此可见，国外一些发达国家都在大力发展风能来替代化石燃料，面对环境和能源问题，寻求可再生及清洁能源是解决危机的重要途径。
我国有3.2万km海岸线，其中大陆海岸线1.8万km，岛屿海岸线1.4万km，
可利用海域面积超过300万km2。根据2009年国家气候中心的评估结果，离岸50km范围内的可开发风能资源为7.58亿kW，是陆上实际可开发风能资源储量的3倍，其中近海海域风机装机容量可达1亿～2亿kW。今后还可以开发远海区域的风能，如此丰富的海上风能为我国海上风电开发提供了可能性。2007年，中国海洋石油总公司在距离陆地约70km的渤海湾建成我国**个海上风电站“绥中36-1”风电站。该风电站通过长约5km的海底电缆送至海上油田*立电网。2009年，我国东海大桥海上风电场示范项目*批3台机组正式并网发电，总装机容量为102MW，并于2010年开始全部并网发电，是继欧洲之后**个商业性的海上风电，为我国海上风电的发展拉开序幕。2009年9月，中国*批海上风电特许权项目招标工作由国家能源局组织完成，确定江苏滨海、射阳、东台和大丰四个项目，总规模1GW。2011年，龙源电力江苏如东150MW海上示范风电场开工建设。2014年5月如东海上风电*批机组开始并网发电，开启了在潮间带大规模建设海上风电场的序幕。截至2023年底，我国海上风电总装机容量超过37.7GW，占全球总量的50%。国家“十四五”规划纲要进一步提出要大力提升风电、光伏发电规模，有序发展海上风电，非化石能源消费总量比重提高到20%左右。“十四五”期间，我国规划了五大千万千瓦级海上风电基地，各地出台的海上风电发展规模累计已达8000万kW。预计到2030年，我国海上风电累计装机容量将超2亿kW。我国风电起步较晚，对近海风能资源探测不够，导致海上风电项目前期工作准备不足。但海上风电的开发对缓解沿海地区用电紧张局面，有效应对气候变化具有十分重要的作用。因为我国海上丰富的风能资源和国家政策的大力支持，所以海上风电场必将成为一个迅速发展的能源市场。我国2015～2020年全国海上风电装机容量如图1.1.3所示。
海上风机上部结构重心高、受水平风荷载和倾覆弯矩大，同时海上风电基础也受波浪荷载、海床地质构造等影响，基础的安全性与稳定性将直接影响海上风机的发电能力。此外，海上风电基础被认为是导致海上风电建设成本高的主要因素之一，基础结构部分成本占建设总成本的30%左右。因此，选择经济合理的海上风电基础成为海上风能高效率、低成本开发的关键。
目前，国内外常见的海上风电基础包括重力式基础、单粧基础、筒型基础、三脚架基础、导管架基础和浮式基础，基础形式如图1.1.4所示。
图1.1.4海上风电主要基础形式
海上风电基础的主要结构型式、适用水深、优点及局限性如表1.1.1所示。各种类型海上风电基础有不同的优点及局限性，目前仍以单粧基础应用*为广泛。然而，各类海上风电基础均不可避免地需要面临海上施工窗口期短、施工环境恶劣和施工难度大等难题，严重制约了海上风电的发展，需要改进施工工艺或基础结构型式等，以实现突破。
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