CN102900097B - 应用于粉土海床中辅助吸力式桶形基础安装的反滤层装置及吸力式桶形基础安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对海上风机吸力桶基础在粉土海床中负压安装时遇到的过高土塞严重影响其安装质量这一技术难题，提出了一种应用于粉土海床中辅助吸力式桶形基础安装的反滤层装置及吸力式桶形基础安装方法，它在负压安装时设置由土工织物和颗粒状材料所组成的反滤层装置，使用本发明技术，在不明显增加海上总的作业时间前提下，可以有效抑制吸力桶负压安装时内部土体的失稳破坏。本发明在一定程度上填补了吸力桶基础在粉土中安装技术的研究空白，并对推动吸力桶基础在粉土中的使用具有重大的工程实用价值。

Description

应用于粉土海床中辅助吸力式桶形基础安装的反滤层装置及吸力式桶形基础安装方法

技术领域

本发明属于海上风机吸力式桶形基础安装工程技术领域，涉及到使用一种新型反滤层装置提高粉土海床上吸力式桶形基础的安装质量。

背景技术

海上风能作为一种安全、清洁、稳定的可再生能源，相比于其他能源的优势已逐渐显露。由于海上特殊而恶劣的环境，如何选择一种安全、有效、经济的基础形式是高效、低成本开发海上风能的关键。吸力式桶形基础是近年来国外发展起来的一种新颖的风机基础形式，该基础结构制造材料一般为钢或混凝土，因其顶端封闭，底部开口，外形像一只倒立的桶而得名。吸力式桶形基础具有安装简便，节约材料、可重复利用，抗倾覆能力强，对水深和海床条件适应性强等诸多优点，是今后风机基础的发展趋势。丹麦曾于2009年在Frederikshaven海域成功安装一只作为风机基础的吸力桶，该基础直径12m，裙高6m。

与其他传统海洋基础相比，吸力式桶形基础的海上安装方式比较特殊，为依靠自重作用贯入海床一定深度范围形成密封环境的压力贯入阶段，然后为通过预留在桶顶部的排水抽气口抽取桶内部的海水以形成持续作用的负压而使其缓慢贯入到指定深度的负压沉贯阶段。目前，国际上就吸力式桶形基础在软黏土或砂土海床中的负压安装技术已开展了大量研究工作，主要集中在现场原位或室内模型试验及数值分析阶段。负压安装过程中内部允许施加负压大小与土塞稳定性历来是两大关注的焦点。实际所施加的负压应介于能使桶体下沉所需的最小需求负压和最大允许负压之间。吸力式基础安装过程中，一般认为由桶壁下插所置换土体的50%以上将流入内部，甚至有可能全部流入。从大量的工程实际经验和研究结果来看，认为当负压超过最大允许负压后，会发生黏土海床上桶内土体的反向承载力破坏或砂土地基的液化失稳，产生过量土塞，严重影响基础的最终安装质量。基础沉贯过程中所受的阻力也是值得关注的一个问题，现在普遍观点都认为：对于渗透性大的砂质海床，内部负压引起桶体周围的渗流，渗流导致桶外壁摩阻力增大，而内壁摩阻力与端阻力均减小，总的影响是沉贯阻力相比于无渗流时要减小。

我国东南沿海地区在离岸10公里范围内是未来风能开发的重点领域，这些海域广泛分布着粉土。相比于黏性土与砂土，粉土是一种特殊类型的土。其渗透性介于砂性土与黏性土之间，粉土的其他物理力学指标与其颗粒组成成分有密切关系。但目前关于吸力式桶形基础在粉土海床中的安装技术研究在国内甚至是国际上都是空白。因此，开展吸力式桶形基础在粉土海床中安装技术研究势在必行。现有的少量研究结果表明：吸力式桶形基础在粉土海床中安装时，在内部持续负压作用下，在桶体周围会形成由外向内的渗流场，内部土体在向上渗流力作用下，一方面土塞密实度会变小，并形成一定的渗流通道，另一方面变松散的土体其颗粒会在渗流水作用下发生侵蚀。在负压沉贯后期，会由于被渗流水搬运到桶内空间土颗粒的不断累积和表层一定深度范围内的土体液化失稳而形成过高的土塞，阻止吸力式桶形基础进一步沉贯到预定深度。详见文献<Tran, M.N., Randolph, M.F., 2007. Installation of suction caissons in sand with silt layers. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 133 (10), 1183-1191.>和文献< Yang, S.L., Grande, L.O., Qi, J.F., et al., 2003. Excessive Soil Plug and Anti-failure Mechanism of Bucket Foundation During Penetration by Suction. In: Proceedings of the 13th International Offshore and Polar Engineering Conference. Hawaii. p. 659-664. >。尽管在吸力桶内部负压作用下，粉土海床桶体周围会形成渗流场，可以减小桶体沉贯阻力。但由沉贯后期内部土体因渗流失稳破坏所造成的过高土塞（在欧洲北海和美国墨西哥湾几个吸力式基础实际安装工程中曾报道过已发现的土塞最高高度可达桶体最终贯入深度的15%之高）对基础最终安装质量的影响已远远超过了渗流减小安装阻力所带来的有利的一面。过高的内部土塞往往使得基础不能沉贯到预定的深度，在风机服役期间会加速基础周围的冲刷，严重影响基础及整个上部结构的安全和稳定性。工程上遇到土塞影响基础继续贯入时，一般要先取出土塞再继续完成沉贯，这将大大增加海上作业时间。然而由于海上特殊的环境，增加海上作业时间是非常不经济的选择。目前工程上还没有非常有效的安装措施，可以有效抑制吸力式基础安装过程中的内部土塞的发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于粉土海床中吸力式桶形基础安装的反滤层装置，以提高吸力式桶形基础在粉土海床中的安装质量。为此，本发明采用以下技术方案：它由外层的土工织物和内部包裹体—颗粒状材料所组成，所述装置铺平在海床上时的直径略小于吸力桶的内径，以减小基础安装时桶壁与反滤层装置的摩擦阻力但又不影响其功能,。

土工织物是组成反滤层装置的主要材料，可以选用工程上经常用到的无纺土工布合成材料。选用土工织物型号时一般应根据其主要设计参数-等效孔径O₉₅(土工织物最大表观孔径，表示有95%的孔径比O₉₅值小)的大小并参照工程所在场地粉土的颗粒组成情况而确定。一般应保证其大于工程所在海床粉土的粉粒组（比如，该粒径组的粒径为0.005mm-0.075mm）的最大粒径小于等效孔径O₉₅，确保在内部负压作用下，表层粉土中的黏粒（粒径小于0.005mm）和大部分粉粒能随渗流水顺利进入反滤层装置，并对其造成一定程度的淤堵。

颗粒状材料为组成反滤装置另一不可或缺的材料，一般在实际应用时可考虑使用适当粒径大小和级配的砾石。在实际工程中，通常根据场地工程地质条件、海上作业时间及安装设备—潜水泵功率大小确定吸力式桶形基础的安装速率和最大可能施加的负压大小。由于颗粒状材料另一主要作用是增大反滤层装置的自身质量，防止在吸力桶内部负压作用下反滤层脱离其原来位置而丧失其应有的功能。所以选用颗粒状材料型号和确定反滤层装置实际厚度时应根据实际可能施加的最大负压大小来确定。

为了减小海上总的作业时间，可根据吸力式桶形基础尺寸及上面所介绍的原理在陆上制作尺寸大小合适的反滤层装置。

为方便海上作业，土工织物与颗粒状材料之间应固定其相对位置。

在本发明另一个所要解决的技术问题是提供一种应用上述反滤层装置的粉土海床中吸力式桶形基础的安装方法。为此，本发明采用以下技术方案：它包括以下步骤：

1）、对吸力式桶形基础待安装位置处的海床表面进行平整并去除一定厚度内的表层土，去除表层土的厚度与反滤层装置总厚度相当；所处理的海床区域面积与吸力式桶形基础所能覆盖区域面积相当；

2）、将制造好的上述反滤层装置通过海上起重机或浮船缓慢下沉到吸力式桶形基础待安装区域，通过潜水员或水下机器人下水操作，将反滤层装置均匀铺设在经过步骤1）处理过的海床表面，并使所述反滤层装置顶部与周围海床面基本处于同一高度；

3）、在吸力式桶形基础待安装区域安装吸力式桶形基础，其步骤包括依靠吸力式桶形基础自身浮重量的压力沉贯阶段和抽取桶内水形成负压的吸力沉贯阶段。

由于采用本发明的技术方案，有效保护了粉土海床内部土体的渗流稳定性，抑制内部土体液化失稳造成过高土塞，并提高了吸力式基础的最终安装质量。

附图说明

图1为本发明的反滤层装置辅助吸力式桶形基础负压安装的示意图。

图2为本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

参照图2，本发明提供的应用于粉土海床中提高吸力式桶形基础安装质量的新型反滤层装置100，它由外层的土工织物套1和处于土工织物套内的颗粒状材料2所组成，所述装置铺平在海床上时的直径略小于吸力式桶形基础的内径。

土工织物的等效孔径O₉₅大于工程所在场地粉土的最大粒径。

所述颗粒状材料2采用砾石。

参照图1，由本发明的反滤层装置辅助的应用于粉土海床的吸力式桶形基础负压安装方法可按以下步骤进行：首先，为了减小海上总的作业时间，可根据吸力式桶形基础200的尺寸及上面所介绍的结构在陆上制作尺寸大小合适的反滤层装置100，为减小基础安装时桶壁与反滤层装置的摩擦阻力但又不影响其功能，反滤层装置直径可略小于桶形基础的内径，为方便海上作业，土工织物与颗粒状材料之间应固定其相对位置；然后，通过拖船将制作好的反滤层装置拖到基础施工所在海域，对吸力式基础待安装位置处的粉土海床表面做适当处理，平整场地并去除一定厚度内的表层土（去除土层厚度与反滤层装置总厚度相当），所处理海床区域面积与吸力式桶形基础所能覆盖区域300面积相当；接着，将制造好的反滤层装置100通过海上起重机或浮船缓慢下沉到吸力式基础待安装区域，通过潜水员或水下机器人下水操作，将反滤层装置均匀铺设在经过处理的粉土海床表面，并保证反滤层装置顶部与周围海床面基本处于同一高度，防止人为制造影响基础沉贯的障碍物；最后，在该特定海床表面完成吸力式桶形基础的常规安装工序，即依靠自身浮重量的压力沉贯阶段和通过预留在吸力式桶形基础200上的排水抽气口201抽取桶内水形成负压的吸力沉贯阶段过程。

在实际工程中，通常根据场地工程地质条件、海上作业时间及安装设备—潜水泵功率大小确定吸力式桶形基础的安装速率和最大可能施加的负压大小。由于颗粒状材料另一主要作用是增大反滤层装置的自身质量，防止在吸力桶内部负压作用下反滤层脱离其原来位置而丧失其应有的功能。所以选用颗粒状材料型号和确定反滤层装置实际厚度时应根据实际可能施加的最大负压大小来确定。

下面结合附图1简要阐述该项发明技术的实际工作机理。

在粉土海床表面设置一层反滤层装置后，在吸力桶（吸力式桶形基础200）内部负压所引起的渗流作用下，海床表面紧靠反滤层装置100且颗粒较细的土被渗流水搬运进入反滤层装置100，这种情况向远离反滤层的方向发展，逐渐形成一定厚度的由较粗土颗粒形成的架空层301（见附图1）。这层土颗粒较粗，渗透系数大，但它不能阻挡细土粒的移动。当反滤层过滤作用充分发挥时，在架空层上游会形成一层天然滤层302，该层细土颗粒较架空层301多，透水性相对较低，从而阻挡了相邻天然土层的细粒土的移动，大大增加了未扰动土的渗流稳定性。因此，反滤层装置的作用可以概括为诱发形成了天然滤层。

在负压沉贯前期，由于反滤层装置100内被淤堵的细土颗粒少，其对基础负压安装的影响较小。这时候在内部负压作用下而形成的渗流场在一定程度上减小了基础沉贯阻力。在负压安装后期，随着细土颗粒在反滤层装置100内的不断淤堵后，其渗透性会不断降低，在内外水头差不变的情况下，渗透系数降低的反滤层装置100内承担了绝大部分水头损失，使土体与外界部分的水头损失大大减低，有效调节了渗流水的量。这时候被淤堵的反滤层装置100内类似于一个不透水层，有效阻断了内部负压往土体深部的传递，保证了内部土体自身稳定性。从上面的介绍中可以看出，施加反滤层装置技术后，对吸力式基础沉贯初期的影响是非常小的。这时候可以充分发挥因内部负压引起桶体周围的渗流而降低安装阻力这一有利的一面。安装后期，尽管安装阻力并不一定能降低，但在潜水泵功率合适的条件下，仍然可以将基础顺利安装到位。而此时施加反滤层装置后最明显的优势是有效保护了内部土体的渗流稳定性，抑制内部土体液化失稳造成过高土塞，并提高了吸力式基础的最终安装质量。

随着近海风能资源的不断开发利用，海上风电的开发将逐渐走向深海领域。当水深超过50m时，固定式支撑结构作为风机基础将显得不经济，而浮式基础是未来深海风机结构可供选择的最佳基础形式。与吸力式桶形基础安装方法相类似，长径比（裙高与基础直径之比）更大的吸力锚是当今深海浮式采油平台和未来浮式风机最优的锚泊基础形式。因此，本项发明技术还能应用于吸力锚基础在粉土或砂质土海床上的安装过程，用于提高吸力式基础的安装质量。

Claims (1)

1.一种应用于粉土海床中辅助吸力式桶形基础安装方法，其特征在于反滤层装置由外层的土工织物套和处于土工织物套内的颗粒状材料所组成，所述装置铺平在海床上时的直径略小于吸力式桶形基础的内径；土工织物的等效孔径O₉₅大于工程所在场地粉土的最大粒径；所述颗粒状材料采用砾石；吸力式桶形基础安装方法它包括以下步骤：

1）、对吸力式桶形基础待安装位置处的海床表面进行平整并去除一定厚度内的表层土，去除表层土的厚度与反滤层装置总厚度相当；所处理的海床区域面积与吸力式桶形基础所能覆盖区域面积相当；

2）、将制造好的反滤层装置通过海上起重机或浮船缓慢下沉到吸力式桶形基础待安装区域，通过潜水员或水下机器人下水操作，将反滤层装置均匀铺设在经过步骤1）处理过的海床表面，并使所述反滤层装置顶部与周围海床面基本处于同一高度；

3）、在吸力式桶形基础待安装区域安装吸力式桶形基础，其步骤包括依靠吸力式桶形基础自身浮重量的压力沉贯阶段和抽取桶内水形成负压的吸力沉贯阶段。