CN105926664B - 适用于海洋风电能下贯至海底面以下的负压筒及安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于海洋风电能下贯至海底面以下的负压筒，包括开口向下的筒体，筒体上端面中心位置设置有一立筒，立筒一侧的筒体上端面上开设有与筒体内部相通的排水孔和若干均匀分布的进水孔，位于筒体内部的每个进水孔下端均连接一个自旋转喷嘴。本发明同时还公开了该负压筒的安装方法。通过对喷射泵和抽水泵的交替开关，在一定范围内自由控制负压筒的下贯深度。同时，当负压筒端部下贯至海底面以下时，由于海底潜流作用的冲刷，使得海底土体逐渐掩埋端部，从而有效利用端部极大提高负压筒极限抗拔承载力和抗倾覆能力。负压筒充分利用了高压水的反作用力实现喷嘴自旋转，极大提高了高压水对海底面土体的冲击范围，有效避免了局部冲击。

Description

适用于海洋风电能下贯至海底面以下的负压筒及安装方法

技术领域

本发明涉及一种适用于海洋风电能下贯至海底面以下的负压筒及安装方法。

背景技术

筒型基础作为一种新型的锚泊和基础形式在海洋工程中具有很大的应用价值，目前主要应用与海洋结构系泊系统、平台基础、自埋式负压锚、引式沉垫平台的阻滑桩、防波堤以及海洋风电基础。其中海洋风电基础上筒型基础的应用是一种新的应用形式，其核心部分为利用负压贯入土体的负压筒。与吸力锚原理类似，负压筒同样是一种倒扣筒状结构形式，利用负压下沉原理使筒体下贯至泥面。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。

与传统筒型基础如吸力锚类似，负压筒作为海洋风电基础的核心部分，其主要承载力来源于负压筒的内外筒壁与周围土体的作用，其端部并没有得到有效利用。

由于海洋风电基础相对来说会受到更大的上部风机结构传下的水平荷载及弯矩，因此，浅海地区负压筒的设计多为大尺度宽浅型，以此得到更大的抗倾覆能力。而这种负压筒或者说传统单筒型以及多筒型海洋风电基础并不能适用于深海地区，因此，一种浮体式基础将成为未来深海海洋风电基础的发展方向。负压筒应用这种浮体式基础的系泊时，必然需要更大的抗拔承载力。

因此，考虑以上因素，若将负压筒端部下贯至海底面更深的位置，使得负压筒埋入海底面以下，既能提高海洋风电基础的抗倾覆能力，又可以极大提高其抗拔承载力。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种适用于海洋风电能下贯至海底面以下的负压筒及安装方法，通过对喷射泵和抽水泵的交替开关，实现对负压筒下贯深度的控制。同时，当负压筒端部下贯至海底面以下时，由于海底潜流作用冲刷，两侧土体向中间靠拢，逐渐掩埋负压筒端部，极大提高负压筒极限抗拔承载力和抗倾覆能力。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种适用于海洋风电能下贯至海底面以下的负压筒，包括开口向下的筒体，筒体上端面中心位置设置有一立筒，立筒一侧的筒体上端面上开设有与筒体内部相通的排水孔和若干均匀分布的进水孔，位于筒体内部的每个进水孔下端均连接一个自旋转喷嘴；

所述立筒主要用于连接上层的风机塔筒，同时可根据需要在立筒内部填充混凝土，提高负压筒质量和初始下贯深度，降低整个海洋风电基础重心，提高基础整体稳定性。

所述自旋转喷嘴分为上中下三部分，中间部分为轴承，轴承的内、外圈分别与上、下两部分连接，上部分为空心圆管状并固定于进水孔中，下部分为倒置的正六棱台体；倒置的正六棱台体的下底面上设有用于垂向冲击海底面土体的底部导管；

倒置的正六棱台体的六个侧面上设有用于提高喷嘴对土体的冲击范围的三个斜向导管和三个水平向导管；三个斜向导管和三个水平向导管相间设置于六个侧面上，即每个侧面上只有一个水平向导管或斜向导管；使得斜向导管水平力相互抵消，防止喷嘴发生倾斜；

三个斜向导管的中心线与锚筒中轴成30到60度角，使得喷嘴能够斜向冲击海底面土体；

三个水平向导管在同一水平面内，且每一个水平向导管末端沿同一圆周同一方向有一定弧度的折弯，高压海水自喷头喷出时，通过对水平向导管的反作用力，利用轴承外圈能自由旋转的特点，实现喷嘴自旋转，配合斜向导管，能极大提高高压海水对于海底面土体的冲击范围，有效避免了局部冲击，极大提高喷嘴对于海底面土体的冲击范围。

所述进水孔有四个，进水孔与喷射泵相连，并以筒体中轴为中心在筒体端部成正方形分布，这种正方形布置，能够使进水更加均匀地喷射筒体内的土体，有利于筒体的下贯。

所述排水孔设置于任意两个进水孔之间并与抽水泵相连。

所述喷射泵进水量小于抽水泵的排水量，避免筒内形成正压，使负压筒上升。

一种适用于海洋风电能下贯至海底面以下的负压筒安装方法，包括以下步骤：

1）负压筒依靠自重插入海底面，此时抽水泵开启，筒体内海水由排水孔被抽出，负压筒缓慢下贯；

2）随着筒体内海水不断被抽出，同时负压筒在自重作用下持续下贯入土体；当筒体内海水基本抽干时，海底面露出水面；此时关闭抽水泵，负压筒停止下贯，打开喷水泵，高压水通过进水孔由自旋转喷嘴喷出形成高压水柱直接冲击筒内海底面上层土体；

3）海底面上层土体被冲刷形成泥浆浑浊液，此时关闭喷水泵，打开抽水泵，通过抽水泵将浑浊液排出，负压筒继续下贯；

4）随着泥浆浑浊液不断排出，负压筒内未被冲刷的新的海底面逐渐露出；此时重复步骤2）、步骤3）则能够实现负压筒不断下贯；

5）当负压筒下贯至预定下贯深度时，无论进行到步骤2）还是步骤3），均关闭喷水泵，打开抽水泵，抽干筒内剩余海水和泥浆浑浊液，使负压筒逐渐下贯稳定；同时，由于海底潜流作用的冲刷，负压筒周围土体逐渐向负压筒端部靠拢，形成新的海底面并将负压筒掩埋。

本发明的工作原理为：在负压筒下贯过程中，首先利用抽水泵通过排水孔抽水，使负压筒缓慢下贯。当筒内海水被抽干时，抽水泵关闭，喷射泵开启，水体通过进水孔进入筒体，由喷嘴向负压筒内部喷出，进而冲击海底面土体，使其与水体充分混合，成为泥浆浑浊液。注意喷射泵进水量应当远小于之前抽水泵的排水量，避免筒内形成正压，使负压筒上升。之后，关闭喷射泵，打开抽水泵。在抽水泵持续排出筒内水体过程中，泥浆浑浊液随其排出。随着浑浊液的不断排出，筒内海水与泥浆浑浊液逐渐被抽干，负压筒继续下沉。通过持续交替使用抽水泵和喷射泵，使得负压筒可以不断下沉并且下贯到海底面以下。由于海底土层的流动性，当负压筒下贯到海底面以下时，周围土体向负压筒靠拢，随即将负压筒掩埋，充分利用负压筒端部，极大提高负压筒极限抗拔承载力和抗倾覆能力。

本发明提供一种适用于海洋风电的可下贯至海底面以下的负压筒，通过对喷射泵和抽水泵的交替开关，可在一定范围内自由控制负压筒的下贯深度。同时，当负压筒端部下贯至海底面以下时，由于海底潜流作用的冲刷，使得海底土体逐渐掩埋端部，从而有效利用端部极大提高负压筒极限抗拔承载力和抗倾覆能力。另外，负压筒充分利用了高压水的反作用力实现喷嘴自旋转，极大提高了高压水对海底面土体的冲击范围，有效避免了局部冲击。

附图说明

图1为本发明一种适用于海洋风电的可下贯至海底面以下的负压筒A-A剖面立体视图；

图2为本发明一种适用于海洋风电的可下贯至海底面以下的负压筒俯视图；

图3-1、3-2、3-3分别为喷嘴三维结构的立体图、俯视图、仰视图；

图4-1为一种适用于海洋风电的可下贯至海底面以下的负压筒最初下贯状态图；

图4-2为一种适用于海洋风电的可下贯至海底面以下的负压筒喷水泵开启时状态图；

图4-3为一种适用于海洋风电的可下贯至海底面以下的负压筒的筒内土体被冲刷成泥浆浑浊液状态图；

图4-4为一种适用于海洋风电的可下贯至海底面以下的负压筒筒内泥浆浑浊液被排出后的状态图；

图4-5为一种适用于海洋风电的可下贯至海底面以下的负压筒最终下贯稳定后的状态图；

图中：1-立筒、2-筒体、3-进水孔、4-自旋转喷嘴、5-排水孔、6-喷头上部空心圆管、7-轴承、8-倒置的正六棱台体、9-斜向导管、10-水平向导管、11-底部导管、12-高压水柱、13-海水、14-海底面、15-泥浆浑浊液。

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所示，一种适用于海洋风电的可下贯至海底面以下的负压筒，包括开口向下的筒体2、筒体端部立筒1、端部的四个进水孔3和一个排水孔5，立筒1设置于筒体2上端面中心位置，立筒1主要用于连接上层的风机塔筒，同时可根据需要在立筒内部填充混凝土，提高负压筒质量和初始下贯深度，降低整个海洋风电基础重心，提高基础整体稳定性。立筒1一侧的筒体2上端面上开设有与筒体2内部相通的排水孔5和四个均匀分布的进水孔3，位于筒体1内部的每个进水孔3下端均连接一个自旋转喷嘴4。

进水孔3与喷射泵相连，并以筒体2中轴为中心在筒体端部成正方形分布，这种正方形布置，能够使进水更加均匀地喷射筒体内的土体，有利于筒体2的下贯。

排水孔5设置于任意两个进水孔3之间并与抽水泵相连。

喷射泵进水量小于抽水泵的排水量，避免筒内形成正压，使负压筒上升。

自旋转喷嘴4分为上中下三部分，中间部分为轴承7，轴承7的内、外圈分别与上、下两部分连接，上部分为空心圆管6并固定于进水孔3中，下部分为倒置的正六棱台体8；倒置的正六棱台体8的下底面上设有用于垂向冲击海底面土体的底部导管11。

如图2所示，四个进水孔3设置在负压筒顶端，与喷射泵相连并以筒体中轴为中心在筒体端部成正方形分布，排水孔5设置在任意两个进水孔3之间并与抽水泵相连。

如图3-1、3-2、3-3所示，倒置的正六棱台体8的六个侧面设有三个斜向导管9和三个水平向导管10，用于提高喷嘴对土体的冲击范围。

三个斜向导管9和三个水平向导管10相间设置于倒置的正六棱台体8的六个侧面上，即每个侧面上只有一个水平向导管10或斜向导管9；使得斜向导管9水平力相互抵消，防止喷嘴4发生倾斜.

三个斜向导管9与筒体2中轴成30到60度角，使得喷嘴结构4可以斜向冲击海底面土体。

三个水平向导管10在同一水平面内，且每一个水平向导管10末端沿同一圆周同一方向有一定弧度的折弯，高压海水13自喷头喷出时，通过对水平向导管10的反作用力，利用轴承外圈能自由旋转的特点，实现喷嘴4自旋转，配合斜向导管，能极大提高高压海水对于海底面土体的冲击范围，有效避免了局部冲击，极大提高喷嘴对于海底面土体的冲击范围。

图4-1至图4-5描述了负压筒安装的五个步骤：

步骤一：由图4-1显示负压筒依靠自重插入海底面14，此时抽水泵开启，筒体2内海水13由排水孔5逐渐排出，负压筒缓慢下贯。

步骤二：随着筒体2内海水13不断被抽出，同时负压筒持续下贯入土体。当筒体2内海水13基本抽干时，海底面14露出水面。如图4-2，此时关闭抽水泵，负压筒停止下贯，打开喷水泵，高压水通过进水孔3由喷嘴结构4喷出形成高压水柱12直接冲击筒内海底面14上层土体。

步骤三：如图4-3所示，海底面14上层土体被冲刷形成泥浆浑浊液15，此时关闭喷水泵，打开抽水泵，通过抽水泵将浑浊液15排出，负压筒继续下贯。

步骤四，如图4-4所示，随着泥浆浑浊液15不断排出，负压筒内未被冲刷的新的海底面14逐渐露出。此时重复步骤二、步骤三则可以实现负压筒不断下贯

步骤五，如图4-5所示，当负压筒下贯至预定下贯深度时，无论进行到步骤二还是步骤三，均关闭喷水泵，打开抽水泵，抽干筒内剩余海水13和泥浆浑浊液15，使负压筒逐渐下贯稳定。同时，由于海底潜流作用的冲刷，负压筒周围土体逐渐向负压筒端部靠拢，形成新的海底面并将负压筒掩埋。极大提高负压筒极限抗拔承载力和抗倾覆能力。

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 (5)

1.一种适用于海洋风电能下贯至海底面以下的负压筒，其特征是，包括开口向下的筒体，筒体上端面中心位置设置有一立筒，立筒一侧的筒体上端面上开设有与筒体内部相通的排水孔和若干均匀分布的进水孔，位于筒体内部的每个进水孔下端均连接一个自旋转喷嘴；

所述自旋转喷嘴分为上中下三部分，中间部分为轴承，轴承的内、外圈分别与上、下两部分连接，上部分为空心圆管状并固定于进水孔中，下部分为倒置的正六棱台体；倒置的正六棱台体的下底面上设有用于垂向冲击海底面土体的底部导管；

倒置的正六棱台体的六个侧面上设有用于提高喷嘴对土体的冲击范围的三个斜向导管和三个水平向导管；三个斜向导管和三个水平向导管相间设置于六个侧面上，即每个侧面上只有一个水平向导管或斜向导管；使得斜向导管水平力相互抵消，防止喷嘴发生倾斜；

三个斜向导管的中心线与锚筒中轴成30到60度角，使得喷嘴能够斜向冲击海底面土体；

三个水平向导管在同一水平面内，且每一个水平向导管末端沿同一圆周同一方向有一定弧度的折弯，高压海水自喷嘴喷出时，通过对水平向导管的反作用力，利用轴承外圈能自由旋转的特点，实现喷嘴自旋转。

2.如权利要求1所述的适用于海洋风电能下贯至海底面以下的负压筒，其特征是，所述进水孔有四个，进水孔与喷射泵相连，并以筒体中轴为中心在筒体端部成正方形分布。

3.如权利要求2所述的适用于海洋风电能下贯至海底面以下的负压筒，其特征是，所述排水孔设置于任意两个进水孔之间并与抽水泵相连。

4.如权利要求3所述的适用于海洋风电能下贯至海底面以下的负压筒，其特征是，所述喷射泵进水量小于抽水泵的排水量，避免筒内形成正压，使负压筒上升。

5.一种适用于海洋风电能下贯至海底面以下的负压筒安装方法，其特征是，包括以下步骤：

1）负压筒依靠自重插入海底面，此时抽水泵开启，筒体内海水由排水孔被抽出，负压筒缓慢下贯；

2）随着筒体内海水不断被抽出，同时负压筒在自重作用下持续下贯入土体；当筒体内海水基本抽干时，海底面露出水面；此时关闭抽水泵，负压筒停止下贯，打开喷水泵，高压水通过进水孔由自旋转喷嘴喷出形成高压水柱直接冲击筒内海底面上层土体；

3）海底面上层土体被冲刷形成泥浆浑浊液，此时关闭喷水泵，打开抽水泵，通过抽水泵将浑浊液排出，负压筒继续下贯；

4）随着泥浆浑浊液不断排出，负压筒内未被冲刷的新的海底面逐渐露出；此时重复步骤2）、步骤3）则能够实现负压筒不断下贯；

5）当负压筒下贯至预定下贯深度时，无论进行到步骤2）还是步骤3），均关闭喷水泵，打开抽水泵，抽干筒内剩余海水和泥浆浑浊液，使负压筒逐渐下贯稳定；同时，由于海底潜流作用的冲刷，负压筒周围土体逐渐向负压筒端部靠拢，形成新的海底面并将负压筒掩埋。