CN105926661B - 能消除土塞的海上风电的负压筒基 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能消除土塞的海上风电的负压筒基，包括筒体，筒体上端面上设置有立筒，立筒上部水平设有承台，筒体顶部还设有与筒体内部相通的排水孔，筒体内顶部通过轴承对称安装有四个可旋转喷头，轴承的内圈与筒体顶盖连成一体，轴承中空构成可旋转喷头的通道并与外部相连。可旋转喷头上半部分为空心短管，空心短管的上端与轴承外圈固定连接为一体；下半部分为内部空心的半圆盘体，半圆盘体的平面断面处与空心短管的下端面密封连接，空心短管的空腔与半圆盘体的空心连通，半圆盘体的弧形边缘上设置有与半圆盘体断面夹角分别为0°、30°、45°、60°和90°的引水导管，引水导管与半圆盘体的空心连通。该负压筒基造简单，使用方便，能够消除土塞。

Description

能消除土塞的海上风电的负压筒基

技术领域

本发明涉及一种土木技术，尤其是一种能消除土塞的海上风电的负压筒基。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，有取之不尽，用之不竭的特点，因此越来越受到世界各国的重视。我国的海岸线长度大，近海地区拥有丰富的风能资源，因此海上风电场在我国发展前景广阔，随着风力发电的不断发展，在陆地上的风机总数已经趋于饱和的情况下，海上风电场以其诸多优势必将成为未来发展的重点。

海上风电发展前景广阔，海上风机基础结构的经济性、安全性与稳定性成为当今的研究重点。根据现有研究成果结合工程实例中的经济成本统计，可知风机基础约占风电场总成本的20％～30％，很大程度上影响海上风电的投资和成本，因此，探讨合理的基础结构类型对海上风电发展具有重要意义。筒型基础以其自身优势展现出作为海上风电基础的很大发展空间，筒型基础是一种倒扣筒状结构形式，利用负压下沉原理使筒体下沉置泥面，在一定程度上还可以起到加固地基土体的作用，这种基础结合桩基和重力基础的特点，且还具有制作迅速，施工便捷，可重复利用等优点，有广阔的应用前景。

筒型基础为顶端封闭、下端开口的倒置筒状结构，沉放机理是负压原理。下沉的基本原理可分为以下几个步骤：首先依靠筒型基础的自重下沉至泥面下一定深度，使用水泵从顶盖的的开口处向外抽水，当抽出的水量大于从渗流进入的水量时，筒内外产生压力差，即负压。当负压对筒体垂直压力超过土体对筒体端阻力和侧磨阻力之和时，筒体开始逐步进入土中，直到筒顶面接触到泥面时下沉结束。当筒型基础沉放完成后，筒内外压差逐渐平衡，这时的筒型基础就相当于普通短桩，至此完成了整个沉放过程。当拔出筒型基础时，运用水泵向筒内注水加压，筒内压力逐渐高于筒外压力，压差超过土的摩擦阻力时，桶开始被顶起，这样就实现了筒型基础可重复利用的特点。

随着海上风电技术的不断发展，海上风电逐渐向深海扩展，然而在负压筒基安装过程中，筒内土体在内外压差和渗流力作用下上升，使筒内土体高度升高，形成“土塞”。“土塞”现象对负压筒基的安装施工和安全使用都构成了较大威胁，土塞现象使得筒内土体提前与筒顶接触，并有可能使筒内形成流土，从而使负压失效，贯入无法进行，延长了海上安装负压筒基的作业时间，使得负压筒基无法继续下降，达不到预定下沉深度；安装不到位不仅会影响负压筒基的设计承载力，而且会改变受力特性，使其丧失应有的工作能力，负压筒基高出海底平面的部分会对水流形成阻挡作用，改变筒体附近的流场，引起海底水流对筒体周围土体的冲刷刨蚀，缩短负压筒基的使用寿命，无法使筒基安全使用。目前有关负压筒基的研究较少，土塞现象也是近年来困扰负压筒技术的难题之一，所以如何设计一种结构简单并可消除土塞的负压筒基是目前有待解决的问题。

相关模具研究现状如下所示：

（1）申请号为201110324026.8的中国专利申请介绍了一种海上风电机组地基组合基础。该基础包括上端通过法兰盘与风机塔筒连接、下端插入到海底泥面以下的钢管桩，钢管桩泥面以下部分的外周面套装有上端面为封闭式结构的负压筒，该海上风电的基础具有较好水平承载力、安全可靠，施工难度和施工成本低的特点，但该基础无法消除土塞现象。

（2）申请号为201120412728.7的中国专利申请介绍了一种用于海上风电的负压筒式重力基础。该基础包括主体和底部结构，该基础用于海上风电的负压筒式重力基础可以在部分适用重力式基础的区域实施，减少了海上施工工序，降低了施工成本，但该基础无法消除土塞现象。

（3）申请号为201220305601.X的中国专利申请介绍了一种具有负压筒的海上风电桁架单桩基础结构。该基础包括沉桩施工于海床上的钢管式单桩，单桩上套设复合结构，该复合结构包括桩套管、圈梁、桁架结构和负压筒结构，该基础能充分利用近海床表层土体的性能，改善风机基础的竖向和水平承载性能，提高基础承载力，但该基础无法消除土塞现象。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种可消除土塞的海上风电的负压筒基，该负压筒基构造简单，使用方便，能够自动完整的消除产生的土塞，极大的提高负压筒基的施工安装效率和安全使用寿命。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种能消除土塞的海上风电的负压筒基，包括下部开口的筒体，筒体上端面上设置有立筒，立筒上部水平设有承台，筒体顶部还设有与筒体内部相通的排水孔，筒体内顶部通过轴承对称安装有四个与外界相通的可旋转喷头，轴承的内圈与筒体顶盖连成一体，轴承中空构成可旋转喷头的通道并与外部相连，使高压水进入可旋转喷头；

所述可旋转喷头上半部分为与轴承外圈直径相等的空心短管，空心短管的上端与轴承外圈固定连接为一体；可旋转喷头下半部分为内部空心的半圆盘体，且半圆盘体的平面断面处与空心短管的下端面密封连接，空心短管的空腔与半圆盘体的空心连通，半圆盘体的弧形边缘上设置有与半圆盘体断面夹角分别为0°、30°、45°、60°和90°的引水导管，引水导管与半圆盘体的空心连通，当高压水沿引水导管喷出时，在竖直面会形成扇形冲击水柱；

所述0°引水导管沿水平方向延伸，且末端部分水平折弯，折弯部分的中心延长线与轴承外圈相切，随着高压水的喷出会产生沿圆周切向的反作用力，实现喷头自旋转，进而水柱会对筒体内所有土塞进行冲刷，不仅实现对筒体侧壁泥土的冲刷，且扩大其余引水导管的冲刷范围。

所述承台是圆盘状混凝土结构，承台用于与上部海上风电机组连接并承受荷载。

所述立筒与筒体由钢材制作，立筒用于传递荷载。

所述筒体顶部的排水孔位于任意两个可旋转喷头之间，且与可旋转喷头之间有间距，避免可旋转喷头阻挡筒体内的水被排出。

所述筒体顶部的排水孔连接抽水管路和潜水泵，方便筒体内的水被抽出。

所述筒体顶部外侧对称设置有两个吊钩，便于筒体的安装定位。

所述半圆盘体垂直于空心短管的下表面，这种垂直设置是为了方便引水导管出水角度设置准确，在高压水的作用下，引水导管的出水能够将筒体内的土塞冲刷稀释成浊液，方便潜水泵次序抽吸筒内的泥浆浑浊液至筒体外部。

90°引水导管为并排设置的两根，两根引水导管能够实现较大的出水量，冲击力大。

两根0°引水导管分别对称设置于半圆盘体弧形面的中心线上，随着高压水的喷出会产生沿圆周切向的反作用力，实现喷头自旋转。

30°引水导管、45°引水导管和60°引水导管中相邻的两根引水导管分别交叉错位设置于半圆盘体弧形面的中心线两侧。引水导管错位交叉设置能够利用高压水从不同方位更加高效的冲击筒体内的土塞，有效避免土塞的产生。

作业时，可旋转喷头的进水流量与筒体负压下贯过程中土体渗水量之和小于潜水泵的抽水流量，使筒体在潜水泵抽水过程中保持负压稳定下贯。

负压筒基贯入海底平面时，海底土层在海底潜流作用下流动，将筒体顶盖的喷头通道堵塞，筒体内部失去高压水的冲刷，使负压筒基完全贯入海底。

与传统负压筒基和安装方法相比，本发明提供了一种可消除土塞的海上风电的负压筒基。通过在筒体顶盖设置可自旋转喷头，利用海底高水压的特点，冲击筒内形成的土塞，使其与水体充分混合，成为泥浆浑浊液，在潜水泵持续抽吸筒内水体过程中，泥浆浑浊液随其排出筒外，有效的避免了负压筒基的“土塞”现象。此后，由于海底土体在海底潜流作用下的冲刷导致的流动特性，逐渐将筒体顶盖的喷头通道堵塞，海水无法进入负压筒基，筒体内失去高压水的冲刷，使负压筒基完全贯入海底。

附图说明

图1为本发明结构剖面示意图。

图2为本发明结构俯视图。

图3为本发明喷头结构示意图。

图4为本发明喷头结构俯视图。

图5为本发明土塞消除实施图。

图中：1.承台，2.立筒，3.筒体，4.喷头，5.排水孔，6.吊钩，7.轴承，8.引水导管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1、2、3和4所示，一种能消除土塞的海上风电的负压筒基，包括承台1、立筒2、下部开口的筒体3和喷头4，其中承台1是圆盘状混凝土结构，用于与上部海上风电机组连接并承受荷载。立筒2与筒体3由钢材制作。筒体3上端面上设置有立筒2，立筒2上部水平设有承台1，筒体3顶部还设有与筒体3内部相通的排水孔5，筒体3内顶部通过轴承7对称安装有四个与外界相通的可旋转喷头4。

轴承7的外圈与喷头4连成一体，轴承7的内圈与筒体顶盖连成一体，轴承中空构成可旋转喷头4的通道并与外部相连，使高压水进入可旋转喷头4。

筒体3顶盖设有排水孔5以连接抽水管路和潜水泵，两端设有吊钩6，便于负压筒基的安装定位。

筒体3顶部的排水孔5位于任意两个可旋转喷头4之间，且与可旋转喷头4之间有间距，避免可旋转喷头4阻挡筒体内的水被排出。

可旋转喷头4上半部分为与轴承外圈直径相等的空心短管，空心短管的上端与轴承外圈固定连接为一体。

可旋转喷头4下半部分为内部空心的半圆盘体，且半圆盘体的平面断面处与空心短管的下端面密封连接，空心短管的空腔与半圆盘体的空心连通，半圆盘体的弧形边缘上设置有与半圆盘体断面夹角分别为0°、30°、45°、60°和90°的引水导管8，引水导管8与半圆盘体的空心连通，当高压水沿引水导管8喷出时，在竖直面会形成扇形冲击水柱；

可旋转喷头4的0°引水导管沿水平方向延伸，且末端部分水平折弯，折弯部分的中心延长线与轴承外圈相切，随着高压水的喷出会产生沿圆周切向的反作用力，实现喷头4自旋转，进而水柱会对筒体3内所有土塞进行冲刷，不仅实现对筒体3侧壁泥土的冲刷，且扩大其余引水导管8的冲刷范围。

半圆盘体垂直于空心短管的下表面，这种垂直设置是为了方便引水导管8出水角度设置准确，在高压水的作用下，引水导管8的出水能够将筒体内的土塞冲刷稀释成浊液，方便潜水泵次序抽吸筒内的泥浆浑浊液至筒体外部。

90°引水导管为并排设置的两根，两根引水导管能够实现较大的出水量，冲击力大。

两根0°引水导管分别对称设置于半圆盘体弧形面的中心线上，随着高压水的喷出会产生沿圆周切向的反作用力，实现喷头自旋转。

30°引水导管、45°引水导管和60°引水导管中相邻的两根引水导管分别交叉错位设置于半圆盘体弧形面的中心线两侧。引水导管错位交叉设置能够利用高压水从不同方位更加高效的冲击筒体内的土塞，有效避免土塞的产生。

喷头4的进水流量与负压筒基负压下贯过程中土体渗水量之和必须远小于潜水泵的抽水流量，使负压筒基在潜水泵抽水过程中保持负压稳定下贯。负压筒基贯入海底平面时，海底土层在海底潜流作用下流动，将筒体3顶盖的喷头4通道堵塞，筒体3内部失去高压水的冲刷，使负压筒基完全贯入海底。

如图5所示，通过在筒体3顶盖设置可自旋转喷头4，利用海底高水压的特点，冲击筒内形成的土塞，使其与水体充分混合，成为泥浆浑浊液，在潜水泵持续抽吸筒内水体过程中，泥浆浑浊液随其排出筒外，有效的避免了负压筒基的“土塞”现象。此后，由于海底土体在海底潜流作用下的冲刷导致的流动特性，逐渐将筒体3顶盖的喷头4通道堵塞，海水无法进入负压筒基，筒体3内失去高压水的冲刷，使负压筒基完全贯入海底。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种能消除土塞的海上风电的负压筒基，其特征是，包括下部开口的筒体，筒体上端面上设置有立筒，立筒上部水平设有承台，筒体顶部还设有与筒体内部相通的排水孔，筒体内顶部通过轴承对称安装有四个与外部相通的可旋转喷头，轴承的内圈与筒体顶盖连成一体，轴承中空构成可旋转喷头的通道并与外部相连，使高压水进入可旋转喷头；

所述可旋转喷头上半部分为与轴承外圈直径相等的空心短管，空心短管的上端与轴承外圈固定连接为一体；可旋转喷头下半部分为内部空心的半圆盘体，且半圆盘体的平面断面处与空心短管的下端面密封连接，空心短管的空腔与半圆盘体的空心连通，半圆盘体的弧形边缘上设置有与半圆盘体断面夹角分别为0°、30°、45°、60°和90°的引水导管，引水导管与半圆盘体的空心连通，当高压水沿引水导管喷出时，在竖直面会形成扇形冲击水柱；

所述0°引水导管沿水平方向延伸，且末端部分水平折弯，折弯部分的中心延长线与轴承外圈相切，两根0°引水导管分别对称设置于半圆盘体弧形面的中心线上，随着高压水的喷出会产生沿圆周切向的反作用力，实现喷头自旋转，进而水柱会对筒体内所有土塞进行冲刷，不仅实现对筒体侧壁泥土的冲刷，且扩大其余引水导管的冲刷范围。

2.如权利要求1所述的能消除土塞的海上风电的负压筒基，其特征是，所述筒体顶部的排水孔位于任意两个可旋转喷头之间，且与可旋转喷头之间有间距。

3.如权利要求1所述的能消除土塞的海上风电的负压筒基，其特征是，所述筒体顶部的排水孔连接抽水管路和潜水泵。

4.如权利要求1所述的能消除土塞的海上风电的负压筒基，其特征是，所述筒体顶部外侧对称设置有两个吊钩，便于筒体的安装定位。

5.如权利要求1所述的能消除土塞的海上风电的负压筒基，其特征是，所述承台是圆盘状混凝土结构。

6.如权利要求1所述的能消除土塞的海上风电的负压筒基，其特征是，所述半圆盘体垂直于空心短管的下表面。

7.如权利要求1所述的能消除土塞的海上风电的负压筒基，其特征是，90°引水导管为并排设置的两根。

8.如权利要求1所述的能消除土塞的海上风电的负压筒基，其特征是，30°引水导管、45°引水导管和60°引水导管中相邻的两根引水导管分别交叉错位设置于半圆盘体弧形面的中心线两侧。

9.如权利要求1所述的能消除土塞的海上风电的负压筒基，其特征是，作业时，可旋转喷头的进水流量与筒体负压下贯过程中土体渗水量之和小于潜水泵的抽水流量，使筒体在潜水泵抽水过程中保持负压稳定下贯。