CN101705694A - 海底裙式吸力锚 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底裙式吸力锚，它包括一个底部敞开、顶端封闭的桶体，桶体顶面设有排水孔，桶体上端外侧带有一环形加强盘，环形加强盘与桶体共同构成一纵断面为T形的整体结构，在所述的环形加强盘周边加工连接有裙边，在环形加强盘顶面均匀布置有一圈透水圆孔，上述桶体直径与高度比例为1∶(1-2)；环形加强盘的内外半径之差小于桶体半径、高度小于桶体高度，且环形加强盘的内外半径之差与其厚度比例为1∶(1-2)；裙边的厚度为8-10mm。本发明通过对现有吸力式基础进行改进，彻底解决了现有吸力式基础施工成本高、水平承载力小和桶体上部周围的海床土体冲蚀问题。

Description

海底裙式吸力锚

技术领域

本发明属于海洋工程设计、施工技术领域，尤其涉及离岸风电工程的地基基础。

背景技术

随着全球能源危机日渐明显，世界越来越多国家重视开发可再生能源。由于海洋风能资源丰富，具有零污染、零排放且没有视觉、噪音以及不占用陆地能优点，所以在海上建立风力发电厂具有巨大的资源潜力。

目前国际离岸风电最大水深为30m，而大部分建在5～15m水深海域。而作为离岸风电工程的基础是整个工程的重要组成部分，传统的基础形式为重力式基础、桩基础和吸力基础。与本发明有关的技术是吸力基础。吸力基础，根据其长径比不同，国内外分类为吸力沉箱、吸力锚、吸力桩或吸力桶形基础(suctioncaisson，suction anchor，suction pile，bucket foundation)。吸力基础结构的共同点类似一个倒置的“水桶”，也就是底部敞开、顶部封闭的钢制圆桶结构，桶体顶面设有排水孔。这些吸力基础承受着动力水平荷载、竖向荷载和弯矩，沉贯机理是相同的，即靠自重使桶内壁与海床之间施加负压沉入海床，可以穿越砂土和粘性土达到海底基岩。上述传统吸力基础存在的缺陷是：

1)传统基础周围存在砂土液化问题，从而降低基础承载力；

2)基础周围发生波浪容易引起海床冲蚀问题；

3)不能有效提高竖向和水平承载能力。

为了克服传统的吸力基础的缺陷，中国专利公开号CN101158164公开了一种“海底用的吸力式基础”，它是在传统吸力式基础的桶状本体上端外侧带有一起加强作用的环形稳定盘，环形稳定盘与桶状本体共同构成一整体的T形结构，所述的环形稳定盘的外缘半径与桶体本体位于环形稳定盘下方部分的长度相等。这种吸力式基础虽然在一定程度上提高了承受水平动载荷能力和竖向承载力，但还存在以下缺陷：

1)由于环形稳定盘的存在及上面没有设置透水孔，基础在下沉式时会产生较大向上的海水阻力，尤其在如该专利描述的“环形稳定盘的外缘半径与桶体本体位于环形稳定盘下方部分的长度相等”的条件下，稳定盘具有较大尺寸，将产生较大的下沉水阻力，影响沉贯速度和沉贯质量；同时增加了能量损耗，与传统吸力基础比，会增加施工成本；

2)这种基础虽然能有效提高基础的竖向受压的承载力，但不能显著提高水平承载力尤其是抗拔承载力；

3)这种基础由于设置较大的环形稳定盘，它是一个悬臂结构，在较大的上部竖向荷载作用下，会产生向上的翘曲，降低与海床的接触面积，从而降低其承载力。如果采用加厚钢板的方案来防止这一现象产生，势必导致制作成本的显著增加。

4)不能有效解决桶体上部周围的海床土体冲蚀问题。

申请人通过对水平荷载作用下吸力基础响应的分析，发现吸力基础受到的最大弯矩和剪力发生在浅土层中，浅层土和吸力基础的相互作用决定了吸力基础水平承载力和最大挠度变形.要想提高吸力基础的水平承载力，减少挠度变形，必须提高传统吸力基础和浅层土的相互作用.为此本发明提出了一种新型的吸力基础——裙式吸力锚.通过文献查新，裙式吸力锚是一种新型结构，国内外尚无对此的理论、试验研究及工程应用的报道.

发明内容

本发明的目的是提供一种抗弯刚度和剪切刚度高、抗挠度变形好、显著提高竖向承载力、水平承载力和使用寿命的海底裙式吸力锚。

为达到上述目的，本发明的裙式吸力锚结构是：它包括一个底部敞开、顶端封闭的桶体，桶体顶面设有排水孔，桶体上端外侧带有一环形加强盘，环形加强盘与桶体共同构成一纵断面为T形的整体结构，其特征在于，在所述的环形加强盘周边加工连接有裙边，在加强盘顶面均匀布置有一圈透水圆孔，透水圆孔的数目和直径应保证沉贯时最大程度减小海水阻力和不显著降低环形加强盘顶面强度。

上述桶体直径与高度比例为1∶(1-2)；

上述环形加强盘的内外半径之差小于桶体半径、高度小于桶体高度，且环形加强盘的内外半径之差与其厚度比例为1∶(1-2)；

上述裙边的厚度为8-10mm。

本发明裙式吸力锚使用时的施工方法是：

1)首先把裙式吸力锚靠自重下沉到海底，桶体切入海床，此过程中桶体顶部排水孔一直开启；

2)桶体顶部排水孔连接排水系统，排出桶体内的水体，在桶体内形成负压，吸力锚在负压作用下继续下沉。

3)吸力锚下沉到预定位置时关闭排水孔，拆除排水系统，整个施工结束。

本发明的优点是：

1、本发明由于在环形加强盘顶面设置了透水圆孔，大大降低了基础沉贯过程中，海水的阻力，降低了施工成本。

2、本发明根据水平荷载作用下吸力锚挠度变形的问题设置了裙边，增强了吸力锚的抗弯刚度和剪切刚度，从而减少了水平荷载作用下的挠度变形；

3、本发明裙边的布置扩大了传统吸力锚的侧面积和顶面积，提高了基础侧面与土体的摩擦力，从而提高竖向承载力和抗拔力，并降低了主桶基础高度；

4、裙边的设置大大提高了抵抗海床土体冲蚀的能力，保证承载力不因受海床土体冲蚀而降低，从而延长了基础的寿命。

为了验证本发明的优点，经实验：在基础用料相同的前提下，将本发明吸力锚与现有吸力基础相比，结果表明发现：

1)本发明裙式吸力猫沉贯过程中所需吸力比现有吸力基础小30％左右，从而降低了电能消耗和沉贯施工工期，具有较好的经济效益。

2)裙式吸力锚由于设置了“裙”，其承载力比现有吸力基础的承载力约提高20％。

3)与现有吸力基础比，本发明裙式吸力锚设置的“裙边”，大大降低了波浪对主桶处海床的冲刷，基础的使用寿命比现有基础寿命长20年；

4)本发明由于在环形加强盘顶面设置了透水圆孔，并减小了主桶高度，从而大大降低了在沉贯过程海水的阻力，施工成本降低了15％。

总之，本发明通过对现有吸力式基础进行改进，彻底解决了现有吸力式基础施工成本高、水平承载力小和桶体上部周围的海床土体冲蚀问题，虽然技术方案简单，但取得了预料不到的积极效果，对所属技术领域的技术人员来说，事先是无法想到和推理出来的，具有突出的实质性特点。符合具备专利法第22条第3款规定的创造性。

附图说明

图1是本发明的结构主视图；

图2是图1的仰视图。

图中：1-桶体，2-裙边，3-透水圆孔，4-排水孔，5-环形加强盘。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。

如图1和图2所示，本发明的裙式吸力锚是在底部敞开、顶端封闭的桶体1中心设有排水孔4，桶体1上端外侧带有一环形加强盘5，环形加强盘5与桶体1共同构成一纵断面为T形的整体结构，在所述的环形加强盘5周边加工连接有裙边2，在环形加强盘5顶面均匀布置有一圈透水圆孔3，图中仅示出了四个透水圆孔3，在实际操作过程中，透水圆孔3的数目和直径应保证沉贯时最大程度减小海水阻力和不显著降低环形加强盘顶面强度。

上述桶体1直径与高度比例为1∶(1-2)。

上述环形加强盘5的内外半径之差小于桶体1半径，环形加强盘5的高度小于桶体1高度，且环形加强盘5的内外半径之差与其厚度比例为1∶(1-2)。

上述裙式吸力基础由不锈钢制作，其中裙边2由厚度8-10mm的钢板制作。

Claims (1)

1.一种海底裙式吸力锚，它包括一个底部敞开、顶端封闭的桶体，桶体顶面设有排水孔，桶体上端外侧带有一环形加强盘，环形加强盘与桶体共同构成一纵断面为T形的整体结构，其特征在于，在所述的环形加强盘周边加工连接有裙边，在环形加强盘顶面均匀布置有一圈透水圆孔，透水圆孔的数目和直径应保证沉贯时最大程度减小海水阻力和不显著降低环形加强盘顶面强度；

上述桶体直径与高度比例为1∶(1-2)；

上述环形加强盘的内外半径之差小于桶体半径、高度小于桶体高度，且环形加强盘的内外半径之差与其厚度比例为1∶(1-2)；

上述裙边的厚度为8-10mm。