CN108425379A - 一种深海内环式海底吸力锚及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海内环式海底吸力锚及其安装方法，该吸力锚包括吸力主桶，所述吸力主桶为底部敞开，顶端封闭的桶型结构，吸力主桶内壁沿轴向等间距布置若干空心环形凸起，吸力主桶内壁与空心环形凸起的侧壁形成倒钩状结构，吸力主桶的顶部中心和顶部边缘布置排水孔。该吸力锚能够更加顺利的下沉、贯入土体，沉放至预定的设计深度，在增加侧摩阻力的发挥下最大程度的减小对桶外土体的扰动，并减小海浪对既有基础的冲蚀，极大地提高各种工况下的吸力锚竖向承载力和极限抗拔承载力，在实现上述功能的情况下，还能保证吸力锚回收利用的便利性。

Description

一种深海内环式海底吸力锚及其安装方法

技术领域

本发明属于土木工程中的海上风电工程和海洋工程技术领域，涉及离岸风机基础、海洋平台系泊、浮桶定位、灯塔、导管架结构基础，具体说是一种新型海底吸力锚及其安装方法。

背景技术

随着海洋油气资源开采的加速发展和海上风能发电的日益崛起，海洋钻井平台和海上风电场的基础设计成为该领域的一项重要课题。吸力锚作为一种新型海上结构设施，已经被广泛应用于船只系泊、浮桶定位、存储设施、灯塔、导管架和海洋平台等领域。

吸力锚基础类似于刚性短桩，实际工程中应用最多的吸力锚是一种顶端封闭、下端开口的桶型结构，锚桶侧壁材料为钢材，锚桶顶盖留有抽水孔以连接抽水管路。它的下沉依次包括两个阶段：首先是在自重和负载作用下的压力沉贯阶段。其次是依靠潜水泵持续抽水在吸力锚上产生的内、外压差而引起的吸力沉贯阶段。由于具有施工方便、施工速度快(如一个直径9m高度10m的吸力基础可以在1～3小时内沉贯完毕，且只用了一只抽水泵)、可重复利用和费用经济等优点而被广泛应用于各种系泊在海上的浮动式结构物和海洋平台的基础。

随着技术的不断提高，海洋工程逐渐向深海发展，由于深海的打桩技术问题难以解决，导致桩式锚深海安装难度大，当水深超过l000m时，桩式锚已不适用。吸力锚在深海施工简便、使用安全可靠且可以重复利用，是深海工程中有较好发展前景的基础形式。吸力锚直径一般在3～12m之间，长径比一般在1～6之间变化。目前，吸力基础长径比最大已达到10，长度达30.5m。吸力锚安装完成后，负压消失，这时的吸力锚实际上就如同常规的埋入式短桩，承载力主要依靠桶体内外壁与土的摩擦力。因此，设计一种结构简单并能极大地增加侧摩阻力从而可以提高坚向承载力和极限抗拔承载力的吸力锚是目前有待解决的问题。

相关研究现状如下所示：

(1)申请号为200710177337.x的中国专利介绍了一种海底用吸力式基础。该吸力锚包括锚桶和锚顶上端的稳定盘，降低了吸力锚周围土体的软化程度，消除了土体液化，提高了吸力锚的稳定性和可靠性，但该吸力式基础无法增大侧摩阻力，无法提高吸力锚竖向承载力和极限抗拔承载力。

(2)申请号为200920239914.8的中国专利介绍了一种海底裙式吸力锚。该吸力锚包括锚桶和连接有裙边的加强盘，解决了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，但该吸力锚无法增大侧摩阻力，无法提高吸力锚竖向承载力和极限抗拔承载力。

(3)申请号为200910225767.3的中国专利介绍了一种胀紧式深海吸力锚及其安装方法，该吸力锚能够增加深海锚的竖向承载力和抗拔力，但该吸力锚无法极大地增加侧摩阻力，其安装方法过程复杂且无法极大的提高吸力锚竖向承载力和极限抗拔承载力。

(4)申请号为201310091856.x的中国专利介绍了一种海底吸力锚。该吸力锚包括主桶、桶裙和锚枝等，整个纵断面呈“伞”状，提高吸力锚的整体稳定性，增加抗拔力和水平承载力，增强抗波浪冲蚀性能，但该吸力锚无法增大侧摩阻力，无法极大地提高吸力锚竖向承载力和极限抗拔承载力。

(5)申请号为201310566730.3的中国专利介绍了一种带附着裙边的吸力锚。该吸力锚包括锚桶、附着裙边、多根拉力链和导向环，有良好的垂直极限承载能力，但该吸力锚无法极大地增加侧摩阻力，其安装方法过程复杂且无法极大的提高吸力锚竖向承载力和极限抗拔承载力。

(6)申请号为201610523474.3的中国专利介绍了一种深海竹节式的吸力锚，该吸力锚包括竹节式锚桶、轴承和可旋转喷头，能够提升吸力锚的竖向承载力和极限抗拔承载力，但只是采用侧面与土接触，无法极大的提高极限抗拔承载力，同时由于桶外呈竹节状，在吸力锚重力下沉和土体中下贯时有较大的阻力，在吸力锚贯入的过程中对桶外土体的扰动较大，在基础完成的前期竖向承载力和抗拔承载力都有较大损失。同时桶外竹节式的形式也影响了吸力锚的回收使用。

(7)申请号为201720217185.0的中国专利介绍了一种新型海底裙式吸力锚，该吸力锚包括同中心轴的吸力主桶、双裙式结构和环形凹槽，能够提升裙式吸力锚与周围土体的接触面积，提高了基础侧面与土体的摩擦力，但同样的，该吸力锚桶外设置的环形凹槽在吸力锚重力下沉和下贯时有较大的阻力，同时，在吸力锚贯入的过程中对桶外土体的扰动较大，在基础完成的前期竖向承载力和抗拔承载力都有较大损失。处在桶外的环形凹槽也影响了吸力锚的回收使用。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种深海内环式海底吸力锚，该吸力锚能够更加顺利的下沉、贯入土体，沉放至预定的设计深度，在增加侧摩阻力的发挥下最大程度的减小对桶外土体的扰动，极大地提高各种工况下的吸力锚竖向承载力和极限抗拔承载力，在实现上述功能的情况下，还能保证吸力锚回收利用的便利性。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种深海内环式海底吸力锚，包括吸力主桶，所述吸力主桶为底部敞开，顶端封闭的桶型结构，所述吸力主桶内壁沿轴向等间距布置若干空心环形凸起，所述吸力主桶内壁与空心环形凸起的侧壁形成倒钩状结构，吸力主桶的顶部中心和顶部边缘布置排水孔。

进一步地，所述吸力主桶的直径与高度的比例为1:1～1:2。

进一步地，所述吸力主桶内壁布置4～5个空心环形凸起，间距为1/4～1/5吸力主桶高度，其中第一个空心环形凸起位于吸力主桶底端，最后一个空心环形凸起顶端和吸力主桶顶端的距离与吸力主桶高度的比例为1：10。

进一步地，所述空心环形凸起侧壁与吸力主桶内壁夹角为30度～45度。

进一步地，，所述吸力主桶的顶部边缘均匀布置若干排水孔，边缘排水孔分布的半径小于吸力主桶内径，大于空心环形凸起端部的半径。

一种深海内环式海底吸力锚的安装方法，包括：

深海内环式海底吸力锚在有效自重作用下，在海水内下沉，沉到海底时吸力主桶和空心环形凸起切入海床，顶部排水孔一直开启以减小浮力顺利下沉，直至自重沉贯结束；

顶部排水孔连接排水系统，排尽桶内水体，形成负压，吸力锚在吸力负压下继续下沉；

深海内环式海底吸力锚在下沉到预定位置时关闭排水孔，安装过程结束；

在需要重复利用时，利用顶部排水孔向吸力锚内部高压注水，由于空心环状凸起位于吸力锚内部，在注水情况下，空心环状凸起凹槽内的土体有效应力减小，抗剪强度降低，使得吸力锚易于拔起，实现吸力锚的回收再利用。

与传统吸力锚和安装方法相比，本发明提供了一种深海内环式海底吸力锚，其优点在于：

(1)在吸力主桶内壁设置空心环形凸起，呈环刀状，与传统吸力锚相比降低了沉贯过程中的海水阻力，更易沉降，同时降低施工成本；

(2)在吸力锚贯入海床后，由于主桶外侧无异常形状，对周围土体的扰动较小，能够在贯入的过程中保持主桶外侧侧摩阻力的发挥，增强贯入前期的抗拔承载力；

(3)在贯入完成后，吸力锚内的土体将掩埋设置的空心环形凸起，将土体与桶体内部的接触改为正向接触，同时由于在负压贯入时抽水，减小了桶内土体的孔隙水压力，增大土体的抗剪强度，因此极大地提高了竖向承载力和抗拔力；

(4)由于空心环形凸起设置在桶体内部，桶体起到了抵抗桶内土体冲蚀的能力，保证抗拔和竖向承载力不因受海床土体冲蚀而降低，延长了基础的寿命；

(5)传统吸力锚为增大侧摩阻力，在主桶外有较多的增大侧摩阻力的设置，例如竹节式结构，尽管增加了侧摩阻力，但也不可避免地增大了回收利用的难度。在本发明深海内环式海底吸力锚的回收中，向桶内高压注水时将会减小土体的有效应力，减小土体抗剪强度，同时在空心环形凸起凹槽内的土体也会与水体充分混合成为泥浆浑浊液，丧失原有的抗拔承载力，极大地方便结构的回收利用。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明结构剖面示意图；

图3为本发明结构俯视示意图；

图4为本发明吸力锚实施图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术方案、达成目的及效果特征更加清晰明确，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1-3所示，一种深海内环式海底吸力锚，包括吸力主桶1，所述吸力主桶1为底部敞开，顶端封闭的桶型结构，所述吸力主桶1内壁沿轴向等间距布置若干空心环形凸起2，所述吸力主桶1内壁与空心环形凸起2的侧壁形成倒钩状结构，吸力主桶1的顶部中心和顶部边缘布置排水孔3。

在深海内环式海底吸力锚中，为提高海底地基设施基础的稳定性，其吸力主桶1直径与高度的比例为1:1～1:2，具体以吸力锚实际设计要求而定。

在深海内环式海底吸力锚中，在吸力主桶1内壁底端处开始依次设计4～5个空心环形凸起2，间距为1/4～1/5桶高，其中第一个空心环形凸起2位于吸力主桶1底端，最后一个空心环形凸起2顶端和吸力主桶1顶端的距离与吸力主桶1高度比为1：10，空心环形凸起2侧壁与吸力主桶1内壁夹角为30度～45度。

在深海内环式海底吸力锚中，除中心排水孔外，在吸力主桶1顶端边缘处也均匀布置有排水孔3，从俯视图看来，边缘排水孔位于空心环形凸起2与吸力主桶1内壁圆环中。这种设置是方便在重复利用时高压出水能够将空心环形凸起2中的土冲刷稀释成浊液，方便吸力锚从土体中拔出。

在深海内环式海底吸力锚中，顶部的排水孔连接抽水管路和潜水泵，便于吸力主桶1内的水抽出和注入。

如图4所示，具体实施方法为：深海内环式海底吸力锚在有效自重作用下，在海水内下沉，在主桶内壁设置空心环形凸起2，底端的空心环形凸起2与吸力主桶1呈环刀尖锐状，与传统吸力锚相比降低了沉贯过程中的海水阻力，更易沉降，同时降低施工成本；沉到海底时吸力主桶1和空心环形凸起2切入海床，顶部排水孔3一直开启以减小浮力顺利下沉，直至自重沉贯结束；接着顶部排水孔3连接排水系统，排尽桶内水体，形成负压，吸力锚在吸力负压下继续下沉；最后深海内环式海底吸力锚在下沉到预定位置时关闭排水孔，安装过程结束；

贯入海床后，由于吸力主桶1外侧无异常形状，对周围土体的扰动较小，能够在贯入的过程中保持主桶外侧侧摩阻力的发挥，增强贯入前期的抗拔承载力，之后吸力锚内的土体将掩埋设置的空心环形凸起2，将土体与桶体内部的接触改为正向接触，同时由于在负压贯入时抽水，减小了桶内土体的孔隙水压力，增大土体的抗剪强度，因此极大地提高了竖向承载力和抗拔力，另外空心环形凸起2设置在桶体内部，桶体起到了抵抗桶内土体冲蚀的能力，保证抗拔和竖向承载力不因受海床土体冲蚀而降低，延长了基础的寿命。

在需要重复利用时，利用既有的排水孔，向吸力锚内部高压注水，由于环状凸起位于吸力锚内部，高压出水能够将内环凸起中的土冲刷稀释成浊液，方便吸力锚从土体中拔出。在注水情况下，环状凸起凹槽内的土体有效应力减小，抗剪强度降低，使得吸力锚易于拔起，实现吸力锚的回收再利用。

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 (6)

1.一种深海内环式海底吸力锚，包括吸力主桶，所述吸力主桶为底部敞开，顶端封闭的桶型结构，其特征在于，所述吸力主桶内壁沿轴向等间距布置若干空心环形凸起，所述吸力主桶内壁与空心环形凸起的侧壁形成倒钩状结构，吸力主桶的顶部中心和顶部边缘布置排水孔。

2.如权利要求1所述的深海内环式海底吸力锚，其特征在于，所述吸力主桶的直径与高度的比例为1:1～1:2。

3.如权利要求1所述的深海内环式海底吸力锚，其特征在于，所述吸力主桶内壁布置4～5个空心环形凸起，间距为1/4～1/5吸力主桶高度，其中第一个空心环形凸起位于吸力主桶底端，最后一个空心环形凸起顶端和吸力主桶顶端的距离与吸力主桶高度的比例为1：10。

4.如权利要求1所述的深海内环式海底吸力锚，其特征在于，所述空心环形凸起侧壁与吸力主桶内壁夹角为30度～45度。

5.如权利要求1所述的深海内环式海底吸力锚，其特征在于，所述吸力主桶的顶部边缘均匀布置若干排水孔，边缘排水孔分布的半径小于吸力主桶内径，大于空心环形凸起端部的半径。

6.一种权利要求1-5任一项深海内环式海底吸力锚的安装方法，其特征在于，包括：

深海内环式海底吸力锚在有效自重作用下，在海水内下沉，沉到海底时吸力主桶和空心环形凸起切入海床，顶部排水孔一直开启以减小浮力顺利下沉，直至自重沉贯结束；

顶部排水孔连接排水系统，排尽桶内水体，形成负压，吸力锚在吸力负压下继续下沉；

深海内环式海底吸力锚在下沉到预定位置时关闭排水孔，安装过程结束；

在需要重复利用时，利用顶部排水孔向吸力锚内部高压注水，由于空心环状凸起位于吸力锚内部，在注水情况下，空心环状凸起凹槽内的土体有效应力减小，抗剪强度降低，使得吸力锚易于拔起，实现吸力锚的回收再利用。