CN108316334A - 一种自动化防治液化的双壁吸力筒基础 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动化防治液化的双壁吸力筒基础，包括双壁吸力筒基础主体和自动化液化防治系统；双壁吸力筒基础主体包括内筒、外筒、周向均布于内筒和外筒之间间隙内的多个连接筋、由外向内设置于相邻连接筋之间腔体内的排水板及膨胀填充体、排水板密封顶盖；自动化液化防治系统包括孔隙水压力传感器、排水管接口、传感器接口面板、采集仪、报警器和水泵；当采集仪采集到的双壁吸力筒基础周边海床中的超静孔隙水压力超过海床液化预警值时，警报器报警并自动启动水泵抽水，及时降低双壁吸力筒基础周边海床土体中孔隙水压力，排除海床液化风险。

Description

一种自动化防治液化的双壁吸力筒基础

技术领域

本发明涉及海洋工程的吸力筒技术领域，尤其涉及一种自动化防治液化的双壁吸力筒基础。

背景技术

单个吸力筒基础，及多个吸力筒基础组成的导管架是常见的海洋工程基础形式，被广泛应用于石油开采平台、风电塔等海上工程的基础建设中。海洋建筑物或构筑物的基础在长期运营过程中常面临波浪荷载、结构振动、地震等的影响。波浪荷载、结构本身振动等在基础周围的海床中可能形成超静孔隙水压力累积，或地震剪切波作用在基础周围的海床中将直接产生超静孔隙水压力，都可能引起海床液化的海洋工程地质灾害。海床液化将导致海洋工程基础发生滑移或沉陷，甚至导致其上部结构发生整体倾覆破坏，从而可能造成人员伤亡并带来巨大的财产损失。

陆上基础工程中治理液化的方法较为全面有效且技术成熟，但不能直接应用与海洋工程中。目前，常见的针对海洋工程基础周围的海床液化治理方法主要是：向液化区域土体插入排水管，采用自排水或者抽水的方式，降低液化区域的超静孔隙水压力，从而缓减或消除海床液化。但该方法有如下不足：1、不能准确及时地预防海洋工程基础周围的海床液化，一般待海床液化发生后才采取本方法进行海床液化治理；2、本方法不适用于复杂环境的海域或深海区域，此类区域不容易进行排水管的安装及抽水作业。

因此，为预防和治理海床液化对海洋工程基础的危害，针对海洋环境复杂、海上工程人员紧缺的海洋工程现状，急需一种施工简单、且全面有效的适用于海上结构物的能够防治液化的吸力筒基础。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种自动化防治液化的双壁吸力筒基础。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自动化防治液化的双壁吸力筒基础，包括双壁吸力筒基础主体和自动化液化防治系统；所述双壁吸力筒基础主体包括内筒、外筒、周向均布于所述内筒和外筒之间间隙内的多个连接筋、由外向内设置于相邻连接筋之间腔体内的排水板及膨胀填充体、排水板密封顶盖；所述外筒由弧形钢板、通孔、顶板、排水口或注水口和刃脚组成；所述通孔周向贯穿均布于外筒的筒壁；所述顶板密封设置于内筒的内壁；所述顶板贯穿设置有排水口或注水口；所述刃脚设置于内筒和外筒的下端口，呈一体一侧倾斜设置；所述排水板密封顶盖由顶盖本体和螺栓组成；所述顶盖本体安装在排水板上方，通过螺栓固定在连接筋上，顶盖本体与内筒和外筒密封连接；

所述自动化液化防治系统包括孔隙水压力传感器、排水管接口、传感器接口面板、采集仪、报警器和水泵；所述孔隙水压力传感器由孔隙水压力传感器探头、传感器导线和传感器通道组成；所述孔隙水压力传感器探头固定于通孔上，与传感器导线连接；所述传感器导线通过安装在外筒内壁上的传感器通道引出，与传感器接口面板连接；所述排水管接口和传感器接口面板均密封安装于排水板密封顶盖上；所述排水管接口与排水板水力连通；所述排水管接口通过排水管与水泵连接，所述传感器接口面板通过导线与采集仪连接；所述采集仪、报警器和水泵依次连接，采集仪能够通过孔隙水压力传感器自动读取和保存孔隙水压力数据，报警器能够对采集仪采集的孔隙水压力数据进行读取、预警和处理，当采集仪采集到的双壁吸力筒基础周边海床中的超静孔隙水压力超过海床液化预警值时，警报器报警并自动启动水泵抽水，及时降低双壁吸力筒基础周边海床土体中孔隙水压力，排除海床液化风险。

进一步地，所述内筒为钢筒；所述外筒由多个弧形钢板依次焊接组合而成；所述内筒上端面、外筒上端面及连接筋上端面齐平；所述外筒的顶板低于内筒的上端面。

进一步地，所述排水口或注水口为垂直紧固于所述顶板上表面的管体，所述管体与所述内筒的腔体贯通设置。

进一步地，所述连接筋上下贯通设置于所述内筒和外筒之间间隙内，一个双壁吸力筒基础在其两个正交方向上安装四条通长的连接筋，当双壁吸力筒基础的直径较大时，增加连接筋的数量。

进一步地，周向均布于所述外筒的筒壁的多个通孔分布设置在根据海床地质勘察资料确定的易液化土层区域，可纵横均匀分布或纵横交错均布。

进一步地，所述排水板呈弧状设置，表面设有反滤层，只通水不通土颗粒；多个所述排水板依次首尾间隔组合后呈圆形设置，且外表面分别与所述外筒的内侧壁和膨胀填充体相贴合。

进一步地，所述膨胀填充体为呈弧状设置的遇水膨胀橡胶体，依次首尾间隔组合后呈圆形设置。

进一步地，所述排水板密封顶盖与内筒和外筒密封连接可通过焊接或打密封胶的方式实现。

进一步地，所述孔隙水压力传感器纵向分布于一列通孔中为一个安装组，通常需四个安装组，分别安装于外筒的两个正交方向上；当双壁吸力筒基础直径较大时，适当增加孔隙水压力传感器的安装组数；所述孔隙水压力传感器探头的孔隙水压力的测试面(透水石)与外筒的外侧壁相切，正对海床土体。

进一步地，所述排水管接口和传感器接口面板采用机械密封接口技术，保证内筒和外筒形成的空腔在排水管接口和传感器接口面板处完全密封，与外部环境水、气隔绝；所述排水管和导线预留长度分别根据排水板密封顶盖与水泵、采集仪的距离确定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过双壁吸力筒基础主体的内筒和外筒之间空腔内的排水板形成排水通道，采用水泵抽水的方式迅速减小吸力筒基础周围海床土体中的超静孔隙水压力，能够及时消散因波浪荷载、结构振动或地震在海床土体产生的超静孔隙水压力，从而科学有效地预防和治理双壁吸力筒基础周围海床土体的液化灾害。

2、本发明根据海床地质勘察资料确定易液化土层区域，位于该易液化土层区域中的双壁吸力筒基础主体的外筒上均匀排布通孔，相邻竖向通孔可纵横均匀分布或纵横交错均布，通孔仅位于易液化土层区域，一方面有利于减小开孔对外筒强度和刚度的不利影响，另一方面有利于高效地预防和治理双壁吸力筒基础的海床土体液化灾害。

3、本发明中的膨胀橡胶遇水会膨胀，将顶紧吸力筒空腔内的排水板，使得排水板贴紧外筒，在吸力筒基础安装过程中防止海床土颗粒进入吸力筒空腔。同时，排水板表面为反滤层，使得吸力筒基础在安装过程中海床土颗粒不会进入排水板内。以上两种措施保证吸力筒基础在释放海床中超静孔隙水压力过程中海床土颗粒不会发生流失，且避免排水板通道被土颗粒堵塞。

4、本发明为双壁吸力筒基础，由内筒和外筒组成了双壁结构，加之连接筋的加固作用，使得吸力筒基础的整体强度和刚度均提高，有利于吸力筒基础长期运营过程中的稳定性和耐久性。

5、本发明中双壁吸力筒基础的液化防治系统为自动化液化防治系统，采集仪自动读取和保存孔隙水压力传感器监测到的海床易液化土层区域中的孔隙水压力数据，报警器对采集仪采集的孔隙水压力数据进行读取、预警和处理，当报警器接收到的超静孔隙水压力值超过海床液化预警值时，警报器报警并自动启动水泵抽水，及时降低吸力筒基础周边海床土体中孔隙水压力，排除海床液化风险，同时，有效应对海洋环境复杂、海上工程人员紧缺的海洋工程现状。

6、本发明中采集仪实时采集和保存的海床易液化土层区域中的孔隙水压力变化数据，可用于分析监测区域海床的孔压响应特点，开展相关海床液化的科学研究；同时，收集到的孔隙水压力变化数据和研究结果可为该区域或类似区域的其他海洋工程的基础设计与建设提供一定的参考和指导。

7、本发明的吸力筒基础顶部为排水/注水孔，通过排水/注水孔向外抽水抽气形成的负压，使得吸力筒基础缓慢进入海床，完成吸力筒基础的安装；通过排水/注水孔向吸力筒内注气加压，使得吸力筒基础逐渐离开海床，完成吸力筒基础的拆除工作，可将拆除后的吸力筒基础用于其他海洋工程的基础施工中，实现循环利用。

附图说明

图1是本发明一种自动化防治液化的双壁吸力筒基础的俯视图；

图2是本发明一种自动化防治液化的双壁吸力筒基础的侧面图；

图3为图1中AA截面的剖视图；

图4为图2中BB截面的剖视图；

图中，内筒1、外筒2、弧形钢板2-1、通孔2-2、顶板2-3、排水口或注水口2-4、刃脚2-5、连接筋3、排水板4、膨胀填充体5、排水板密封顶盖6、顶盖本体6-1、螺栓6-2、孔隙水压力传感器探头7-1、传感器导线7-2、传感器通道7-3、排水管接口8、传感器接口面板9。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例提供的一种自动化防治液化的双壁吸力筒基础，包括双壁吸力筒基础主体和自动化液化防治系统。

如图3、4所示，所述双壁吸力筒基础主体包括内筒1、外筒2、周向均布于所述内筒1和外筒2之间间隙内的多个连接筋3、由外向内设置于相邻连接筋之间腔体内的排水板4及膨胀填充体5、排水板密封顶盖6；如图2、3所示，所述外筒2由弧形钢板2-1、通孔2-2、顶板2-3、排水口或注水口2-4和刃脚2-5组成；所述通孔2-2周向贯穿均布于外筒2的筒壁；所述顶板2-3密封设置于内筒1的内壁；所述顶板2-3贯穿设置有排水口或注水口2-4；所述刃脚2-5设置于内筒1和外筒2的下端口，呈一体一侧倾斜设置；所述排水板密封顶盖6由顶盖本体6-1和螺栓6-2组成；所述顶盖本体6-1安装在排水板4上方，通过螺栓6-2固定在连接筋3上，顶盖本体6-1与内筒1和外筒2密封连接。

如图1、2、4所示，所述自动化液化防治系统包括孔隙水压力传感器、排水管接口8、传感器接口面板9、采集仪、报警器和水泵；所述孔隙水压力传感器由孔隙水压力传感器探头7-1、传感器导线7-2和传感器通道7-3组成；所述孔隙水压力传感器探头7-1固定于通孔2-2上，与传感器导线7-2连接；所述传感器导线7-2通过安装在外筒2内壁上的传感器通道7-3引出，与传感器接口面板9连接；所述排水管接口8和传感器接口面板9均密封安装于排水板密封顶盖6上；所述排水管接口8与排水板4水力连通；所述排水管接口8通过排水管与水泵连接，所述传感器接口面板9通过导线与采集仪连接；所述采集仪、报警器和水泵依次连接，采集仪能够通过孔隙水压力传感器自动读取和保存孔隙水压力数据，报警器能够对采集仪采集的孔隙水压力数据进行读取、预警和处理，当采集仪采集到的双壁吸力筒基础周边海床中的超静孔隙水压力超过海床液化预警值时，警报器报警并自动启动水泵抽水，及时降低双壁吸力筒基础周边海床土体中孔隙水压力，排除海床液化风险。

具体地，所述内筒1为钢筒；所述外筒2由多个弧形钢板2-1依次焊接组合而成；所述内筒1上端面、外筒2上端面及连接筋3上端面齐平；所述外筒2的顶板2-3低于内筒1的上端面。

如图3所示，所述排水口或注水口2-4为垂直紧固于所述顶板2-3上表面的管体，所述管体与所述内筒1的腔体贯通设置。

如图2所示，所述连接筋3上下贯通设置于所述内筒1和外筒2之间间隙内，一个双壁吸力筒基础在其两个正交方向上安装四条通长的连接筋3，当双壁吸力筒基础的直径较大时，增加连接筋3的数量。

如图2所示，周向均布于所述外筒2的筒壁的多个通孔2-2分布设置在根据海床地质勘察资料确定的易液化土层区域，可纵横均匀分布或纵横交错均布。

如图4所示，所述排水板4呈弧状设置，表面设有反滤层，只通水不通土颗粒；多个所述排水板4依次首尾间隔组合后呈圆形设置，且外表面分别与所述外筒2的内侧壁和膨胀填充体5相贴合。

如图4所示，所述膨胀填充体5为呈弧状设置的遇水膨胀橡胶体，依次首尾间隔组合后呈圆形设置。

具体地，所述排水板密封顶盖6与内筒1和外筒2密封连接可通过焊接或打密封胶的方式实现。

具体地，所述孔隙水压力传感器纵向分布于一列通孔2-2中为一个安装组，通常需四个安装组，分别安装于外筒2的两个正交方向上；当双壁吸力筒基础直径较大时，适当增加孔隙水压力传感器的安装组数；所述孔隙水压力传感器探头7-1的孔隙水压力的测试面(透水石)与外筒2的外侧壁相切，正对海床土体。

具体地，所述排水管接口8和传感器接口面板9采用机械密封接口技术，保证内筒1和外筒2形成的空腔在排水管接口8和传感器接口面板9处完全密封，与外部环境水、气隔绝；所述排水管和导线预留长度分别根据排水板密封顶盖6与水泵、采集仪的距离确定。

1、本实施例提供的自动化防治液化的双壁吸力筒基础的安装过程如下：

首先，将内筒1、外筒2与连接筋3焊接形成双壁吸力筒基础主体的框架。

接着将双壁吸力筒基础主体的框架与液化防治系统的水下部分进行组装，在外筒2的两个正交方向共安装四组孔隙水压力传感器：先把孔隙水压力传感器探头7-1的孔隙水压力测试面(透水石)与外筒2的外侧壁相切，固定安装于通孔2-2上；孔隙水压力传感器探头7-1与传感器导线7-2连接，传感器导线7-2通过安装在外筒2内壁上的传感器通道7-3引出。而后在内筒1与外筒2形成的空腔内，由外向内在相邻连接筋之间腔体内设置排水板4和膨胀填充体5；将传感器导线7-2连接在传感器接口面板9的内侧后，在排水板密封顶盖6上采用机械密封接口技术安装排水管接口8和传感器接口面板9，而后把排水板密封顶盖6置于排水板4上方，通过螺栓6-2固定在连接筋3上，并与内筒1和外筒2采用焊接或打密封胶的方式密封连接。接着将排水管接口8与排水管连接，将传感器接口面板9与导线连接，排水管和导线预留长度应根据排水板密封顶盖6与连接设备(水泵、采集仪)的距离确定。

通过驳船将组装完成的双壁吸力筒基础主体与液化防治系统的水下部分整体吊装至需要进行安装的海域，使用吊机将吸力筒基础缓慢浸没在海水中，使得内筒1和外筒2的空腔内、排水板4的排水通道内充满海水，膨胀填充体5遇海水逐渐膨胀后将填充满吸力筒空腔内的空隙，使得排水板4与外筒2紧密接触，防止吸力筒基础下沉安装过程中海床土颗粒进入吸力筒空腔。

待吸力筒基础的空腔、排水板4充分饱水，膨胀填充体5充分吸水膨胀后，缓慢下沉吸力筒基础至指定安装的海床上。先利用吸力筒基础的自重缓慢下沉，待基本稳定后，再通过吸力筒基础顶部的排水口或注水口2-4不断地向外抽水抽气形成的负压，使得吸力筒基础缓慢进入海床。在吸力筒基础进入土体过程中应不断纠偏，保证吸力筒基础竖直向下进入海床中，直至完成吸力筒基础的安装；最后，完成吸力筒基础上方的上部结构安装，并进行液化防治系统水上部分的组装：将排水管、导线分别与水泵、采集仪连接，并将采集仪、报警器和水泵依次连接。采集仪能够通过孔隙水压力传感器自动采集海床易液化土层区域中的孔隙水压力数据，报警器能够对采集仪采集的孔隙水压力数据进行读取、预警和处理。当采集仪采集到的吸力筒基础周边海床易液化土层区域中的超静孔隙水压力超过海床液化预警值时，警报器报警并自动启动水泵抽水，及时降低吸力筒基础周边海床土体中孔隙水压力，排除海床液化风险。

2、本实施例提供的自动化防治液化的双壁吸力筒基础的拆除过程如下：

吸力筒基础的拆除与其安装的步骤相反，首先，拆除液化防治系统水上部分与水下部分的连接，即分别拆除排水管、导线与水泵、采集仪的连接；拆除吸力筒基础上方的上部结构安装，而后通过排水口或注水口2-4向吸力筒内注气加压，并通过吊机使得吸力筒基础逐渐离开海床，直至整个吸力筒基础脱离海床。最后，采用吊机起吊吸力筒基础，使之缓慢离开海水，排出吸力筒空腔和排水板内的海水，将其吊至驳船后运离。

拆除后的吸力筒基础强度和刚度仍满足海洋工程基础作业要求的，进行结构完整性检查后，若排水板4、膨胀填充体5以及孔隙水压力传感器未损坏可正常使用的吸力筒基础，可直接用于其他海洋工程的基础施工中；若排水板4、膨胀填充体5或孔隙水压力传感器不能正常使用的吸力筒基础，可替换新的排水板4、膨胀填充体5或孔隙水压力传感器后，继续用于其他海洋工程的基础施工中，从而实现吸力筒基础的循环利用。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自动化防治液化的双壁吸力筒基础，其特征在于：包括双壁吸力筒基础主体和自动化液化防治系统；所述双壁吸力筒基础主体包括内筒(1)、外筒(2)、周向均布于所述内筒(1)和外筒(2)之间间隙内的多个连接筋(3)、由外向内设置于相邻连接筋之间腔体内的排水板(4)及膨胀填充体(5)、排水板密封顶盖(6)；所述外筒(2)由弧形钢板(2-1)、通孔(2-2)、顶板(2-3)、排水口或注水口(2-4)和刃脚(2-5)组成；所述通孔(2-2)周向贯穿均布于外筒(2)的筒壁；所述顶板(2-3)密封设置于内筒(1)的内壁；所述顶板(2-3)贯穿设置有排水口或注水口(2-4)；所述刃脚(2-5)设置于内筒(1)和外筒(2)的下端口，呈一体一侧倾斜设置；所述排水板密封顶盖(6)由顶盖本体(6-1)和螺栓(6-2)组成；所述顶盖本体(6-1)安装在排水板(4)上方，通过螺栓(6-2)固定在连接筋(3)上，顶盖本体(6-1)与内筒(1)和外筒(2)密封连接；

所述自动化液化防治系统包括孔隙水压力传感器、排水管接口(8)、传感器接口面板(9)、采集仪、报警器和水泵；所述孔隙水压力传感器由孔隙水压力传感器探头(7-1)、传感器导线(7-2)和传感器通道(7-3)组成；所述孔隙水压力传感器探头(7-1)固定于通孔(2-2)上，与传感器导线(7-2)连接；所述传感器导线(7-2)通过安装在外筒(2)内壁上的传感器通道(7-3)引出，与传感器接口面板(9)连接；所述排水管接口(8)和传感器接口面板(9)均密封安装于排水板密封顶盖(6)上；所述排水管接口(8)与排水板(4)水力连通；所述排水管接口(8)通过排水管与水泵连接，所述传感器接口面板(9)通过导线与采集仪连接；所述采集仪、报警器和水泵依次连接，采集仪能够通过孔隙水压力传感器自动读取和保存孔隙水压力数据，报警器能够对采集仪采集的孔隙水压力数据进行读取、预警和处理，当采集仪采集到的双壁吸力筒基础周边海床中的超静孔隙水压力超过海床液化预警值时，警报器报警并自动启动水泵抽水，及时降低双壁吸力筒基础周边海床土体中孔隙水压力，排除海床液化风险。

2.根据权利要求1所述的一种自动化防治液化的双壁吸力筒基础，其特征在于：所述内筒(1)为钢筒；所述外筒(2)由多个弧形钢板(2-1)依次焊接组合而成；所述内筒(1)上端面、外筒(2)上端面及连接筋(3)上端面齐平；所述外筒(2)的顶板(2-3)低于内筒(1)的上端面。

3.根据权利要求1所述的一种自动化防治液化的双壁吸力筒基础，其特征在于：所述排水口或注水口(2-4)为垂直紧固于所述顶板(2-3)上表面的管体，所述管体与所述内筒(1)的腔体贯通设置。

4.根据权利要求1所述的一种自动化防治液化的双壁吸力筒基础，其特征在于：所述连接筋(3)上下贯通设置于所述内筒(1)和外筒(2)之间间隙内，一个双壁吸力筒基础在其两个正交方向上安装四条通长的连接筋(3)，当双壁吸力筒基础的直径较大时，增加连接筋(3)的数量。

5.根据权利要求1所述的一种自动化防治液化的双壁吸力筒基础，其特征在于：周向均布于所述外筒(2)的筒壁的多个通孔(2-2)分布设置在根据海床地质勘察资料确定的易液化土层区域，可纵横均匀分布或纵横交错均布。

6.根据权利要求1所述的一种自动化防治液化的双壁吸力筒基础，其特征在于：所述排水板(4)呈弧状设置，表面设有反滤层，只通水不通土颗粒；多个所述排水板(4)依次首尾间隔组合后呈圆形设置，且外表面分别与所述外筒(2)的内侧壁和膨胀填充体(5)相贴合。

7.根据权利要求1所述的一种自动化防治液化的双壁吸力筒基础，其特征在于：所述膨胀填充体(5)为呈弧状设置的遇水膨胀橡胶体，依次首尾间隔组合后呈圆形设置。

8.根据权利要求1所述的一种自动化防治液化的双壁吸力筒基础，其特征在于：所述排水板密封顶盖(6)与内筒(1)和外筒(2)密封连接可通过焊接或打密封胶的方式实现。

9.根据权利要求1所述的一种自动化防治液化的双壁吸力筒基础，其特征在于：所述孔隙水压力传感器纵向分布于一列通孔(2-2)中为一个安装组，通常需四个安装组，分别安装于外筒(2)的两个正交方向上；当双壁吸力筒基础直径较大时，适当增加孔隙水压力传感器的安装组数；所述孔隙水压力传感器探头(7-1)的孔隙水压力的测试面(透水石)与外筒(2)的外侧壁相切，正对海床土体。

10.根据权利要求1所述的一种自动化防治液化的双壁吸力筒基础，其特征在于：所述排水管接口(8)和传感器接口面板(9)采用机械密封接口技术，保证内筒(1)和外筒(2)形成的空腔在排水管接口(8)和传感器接口面板(9)处完全密封，与外部环境水、气隔绝；所述排水管和导线预留长度分别根据排水板密封顶盖(6)与水泵、采集仪的距离确定。