水力插板建设海上人工岛

水力插板建设海上人工岛
摘要：本文以海上人工岛建设为研究对象。

初步探讨了人工岛的平面形态和总体布置、施工技术方案、护岸结构、极端自然条件和海洋生态环境影响等关键技术问题，通过对水力插板建设海上人工岛的分析比较，得出了应用水力插板技术建设海上人工岛的结论。

关键词：人工岛、关键技术、水力插板技术
随着各国陆地资源的日趋紧张，开发利用海洋资源成为未来的趋势，我国海域面积辽阔、资源丰富，合理建设海洋工程尤为重要。

近年人工岛建设以其空间开阔、受到干扰小、拓展空间广等特点受到人们的重视和关注，然而我国的人工岛建设还处于起步阶段，在借鉴自身海岸工程、港口工程以及国外人工岛建设的技术和经验下，今后大力应用开拓人工岛建设的新技术、新工艺成为必经之路。

1海上人工岛建设的关键技术问题
1）人工岛的平面形态和总体布置
人工岛的平面形态首先应满足功能要求，一般来说，海上人工岛建设多考虑景观效果，其轮廓多为非规则的形态。

如迪拜打造的3个棕榈树形状的“棕榈岛”是目前世界最大的人工岛，被誉为“世界第八大奇迹”；迪拜还建有按世界地图形状布置的“世界岛”，还计划在波斯湾中建造模仿太阳系构造的“宇宙列岛”；荷兰亦计划在北海兴建人工岛，或会建造成郁金香形状。

人工岛的总体布置应充分考虑功能要求，在我国已建和在建的人工岛项目中，主要包括海上油气人工岛、海上机场、海上港口、跨海通道、城市人工岛等，虽然需求和功能都有所不同，但人工岛总体布置还是遵循一些规律。

如《关于加强海上人工岛建设用海管理的意见》明确规定“相邻的人工岛之间密度不能过大，要保持足够的距离，要确保对环境的影响不会产生负面叠加效应” “军事用海区、海洋自然保护区、排洪泄洪区、航道、锚地和船舶定线制海区、生态脆弱区和重要海洋生物的产卵场、索饵场、越冬场及栖息地等海域禁止建设人工岛。

建设海洋油气勘探开采作业所使用的人工岛的用海范围原则上控制在海图水深3米以内浅海域”等。

2）人工岛的施工技术方案
人工岛一般分为先抛填后护岸和先围海后填筑两种施工方法。

掩蔽较好、风浪小的海域多采用先抛填后护岸的方法，首先用平板驳船运送土石料在海上直接抛填形成陆域，然后修建护岸设施，满足功能要求。

而风浪较大的海域多采用先围海后填筑的方法。

先将人工岛所需水域用堤坝圈围起来,留必要的缺口,以便平板驳船运送土石料进行抛填或用挖泥船进行水力吹填。

但《关于加强海上人工岛
建设用海管理的意见》规定“建岛材料异地取材的，应当采用环保型材料，施工时必须采用先围后填的方式。

”
3）护岸结构
海上人工岛建设的关键指标是护岸结构。

由于海上人工岛建设所处的环境复杂，可控性相对一般的海岸和港口工程小，因此要求的护岸结构的整体性、稳定性会更高。

一般的护岸结构型式常采用斜坡式和直立式。

斜坡式护岸采用人工砂坡，并用块石、混凝土块或人工异形块体护坡。

主要优点是结构简单、施工方便，有较高的整体稳定性，适用于不同的地基，可以就地取材，破坏后易于修复；但一般只适用于水深较浅、地基较差和石料来源有保障的情况，且易于破坏。

直立式护岸采用钢板桩或钢筋混凝土板桩墙，钢板桩格形结构或沉箱、沉井等。

这种护岸结构形式的主要优点是建筑材料的用量比斜坡堤省，施工速度快，尤其在水深较大的水域，两者的差值也越大，但缺点是地基应力较大，对不均匀沉降反应敏感，当用于软基时，需对地基采取加固措施。

4）极端自然条件
海上人工岛建设面临的极端自然条件主要包括风浪流、冰凌、海啸、地震等。

一般来说，海上建设的人工岛较为普遍的是受风浪流冲刷的冲击破坏，造成坝脚淘刷和护面结构错位变形，最终破坏。

地层液化问题是近年来由多位专家提出的，它指出“波浪作用是海底粉砂液化的基本诱因”、“土体的破坏是由于土颗粒间结构强度的丧失而产生的”、“粉砂对液化破坏敏感。

6m水深处，随波浪作用时间延长，土层液化深度渐增。

50年一遇波浪持续作用1h，大约4m以上土层可能液化”，显然，这一问题也成为人工岛建设的一大难题。

同时，在北方海域，海上冰凌会直接导致坝体结构破坏，影响坝体稳定，要想解决这个问题，必须对护岸整体结构具有更高的要求，这样必然会增加投资，且难易消除隐患。

至于海啸、地震等自然条件的影响引起的堤坝地层液化、结构破坏和失稳等，均为人工岛建设中常遇到的问题。

5）海洋生态环境影响
海上建设人工岛对海洋生态环境最直观的影响有施工过程中的污染物、海底生物的生存空间、海流的改变等问题，对于降低施工过程中的污染物问题，除了有效控制污染物排放以外，选择合适的施工工艺和施工方法也是一种手段。

人工岛建成后使海底生物的生存空间受到限制，造成海洋生物生存状态不利的影响。

海上建设的人工岛一般比较大，势必不同程度改变了海流状态，这种改变可能造成气候性灾难的发生。

因此，为了更好的开发利用海洋资源，对海域的水文自然条件等进行实时监控、分析比较是十分重要的。

2、水力插板建设海上人工岛的分析比较
1）水力插板技术的原理和功能
水力插板技术的原理是通过水力切割地层，在滑道滑板控制下插入地层，并采用注浆固缝进行连接，其地下部分形成一道封闭的混凝土连续防渗墙，地上部分形成混凝土连续墙和混凝土挡土墙等。

水力插板技术的功能是一方面无需采用施工围堰、导流、基坑开挖、支护、排水等传统防护和工程措施等，就能在地上地下、水上水下形成封闭的钢筋混凝土连续防渗墙、混凝土连续墙和挡土墙等；另一方面它能发挥“工厂化生产”优势，实现装配式建设各种工程建筑物，大大缩短了建设周期、降低了施工难度和建设投资等。

2)水力插板建设海上人工岛的分析比较
水力插板建设海上人工岛与传统技术建设人工岛从实质上看主要存在两个相同与四个不同，两个相同指使用功能和所用的建筑材料完全相同，四个不同指施工程序不同、基础入地深度不同、抛石护坡高度不同、混凝土预制件的安装位置和安装方法不同。

水力插板技术与传统沉桩技术相比也有特殊优势。

一是先成孔后进桩，确保桩板垂直度；二是运用独特的板间连接技术形成整体，整体性好；三是可以沉异形桩，提高了结构强度。

基于以上技术特征和工艺特性，利用水力插板技术形成了几种多快好省的典型断面：如水力插板桩板式防波堤、水力插板航道拦沙堤和水力插板斜坡抛石坝等。

水力插板建设的海上人工岛遵循了“先围后填”的施工方式，将预制成型的水力插板插入地层，形成岛壁结构，如图1、2，再向岛壁内侧吹填泥沙即可形成高于海平面的陆地，在陆地上建设所需要的海洋工程。

水力插板桩式防波堤实际上类似于海上人工岛护岸结构中的桩式自立堤，不过两者之间的区别在于水力插板在拥有桩式自立堤全部优点和自身特点的基础上，还解决了桩板式自立堤结构整体稳定性差、适用水深和波高都不大的特点。

应用水力插板建设的桩板式防波堤、航道拦沙堤和斜坡抛石坝扎根海底，提高了坝体稳定性；工厂化生产缩短工期；降低工程投资。

水力插板建成的海洋工程对于抵抗冰凌破坏具有明显优势。

图3为水力插板建成的航道拦沙堤受海冰影响的情况；图4为同样经受这次海冰影响采用传统技术建设的航道拦沙堤。

水力插板入地深度解决了地层液化问题。

根据中国海洋大学提供的资料，海上风浪引起海底地层液化的深度一般在4m以内，水力插板入地深度远远超过这一深度进入稳定的地层。

从根本上解决了海上风浪造成海底地层液化影响安全稳定的问题，这是传统施工技术难以保持安全稳定的一个重要原因。

水力插板抛石护坡高度低于水平面改变了风浪流冲击的受力状况。

中国海洋大学工程学院院长、海洋防灾研究所所长、从事海洋波浪研究的著名专家刘德辅教授对水力插板抛石护坡下风浪冲击的受力状况计算是：水面以下抛石护坡承受的波浪的推力小于海面波浪推力的25%，减轻风浪流对坝脚的淘刷，结论是水下抛石护坡不作防护层能够保持安全稳定。

这一结论证明应用水力插板技术在满足功能和安全稳定的前提下，可大幅度减少开山取石及水陆运输量，在经济效益和生态环保方面均有优势。

3、结论
水力插板作为一项新技术，新工艺，在桩身垂直度、板间连接和整体性方面具有独特的优势，解决了传统航道拦沙堤、桩板式自立堤和防波堤中存在的问题。

因此，应用水力插板建设海上人工岛具有十分广阔的前景和意义。

参考文献：
【1】张志明，刘连生等.海上大型人工岛设计关键技术研究【A】.北京.中交水运规划设计院有限公司，2011.
【2】杨少丽等.波浪作用下海底粉砂液化的机理分析.青岛海洋大学学报，1995.
【3】何富荣等.水力插板成套技术研究与应用.黄河水利出版社，2010.
【4】方子杰.人工岛围垦技术的探讨【B】.浙江杭州.浙江省围垦技术中心，2011.
【5】刘德辅.关于波浪冲刷作用的下界深度.天津大学学报，1964.。