CN108487296A - 一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础，包括多段圆桶；圆桶外壁的上部与下部交替的设置有旋转轴与套孔，各段圆桶根据位置关系基于旋转轴插入套孔中可实现相互的首尾串联与铰接，最上部圆桶的外壁上设置有系泊孔；施工时，调整各首尾铰接的圆桶的姿态使其组成圆柱体形状，把锚链系泊在系泊孔上，再把桶形基础与最上部圆桶固定相连，依靠桶形基础把锚泊基础贯入至海床设计深度，然后移除桶形基础，再通过对锚链施加拉力达到设计值。所提锚泊基础在锚链拉力作用下的各段圆桶将发生自由旋转，各段圆桶的姿态不尽相同，能最大可能的增加与海床土体的摩擦力，从而提高了锚泊基础总体抗拔承载力。

Description

一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础

技术领域

本发明涉及深海浮式平台或深水网箱的锚泊技术领域，具体是一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础。

背景技术

针对海床的特殊地质条件，自1990年以来出现了一种海洋平台特殊基础形式——桶形基础(也称吸力桩，suction pile)，其多为底端开口、顶端封闭的倒扣大直径钢制圆桶。安装时，首先在预定海域依靠桶体自重使其部分插入土中以形成密闭空间，然后抽出桶内和土体之间的气体或液体，从而使桶体内外形成压力差，逐步压入至海床内预定深度完成安装。

后来，工程人员基于桶形基础在海上贯入海床较为方便的特征，把桶形基础发展至作为海洋锚泊基础的一种施工工具。有的国家已有实力较强的海洋工程施工企业(如荷兰的SPT Offshore公司)，能利用桶形基础开展各类海洋工程施工的能力，自动化、智能化程度非常高。我国虽然是个海洋大国，拥有面积较大的海域，但在利用桶形基础开展海洋工程的施工方面与国外还具有一定的差距。

目前，能利用桶形基础进行施工的锚泊基础主要包括：埋入式吸力锚(embeddedsuction anchor)与吸力贯入式平板锚(Suction embedded plate anchor)。

埋入式吸力锚的抗拔承载力主要由圆桶四周与土体的摩擦及部分海床土体的自重产生，具体与系泊点位置、海床土体类型、沉贯深度等有关。一般地，埋入式吸力锚的表面积有限，故其与土体的摩擦力也有限；另一方面，埋入式吸力锚沿锚链垂直方向的投影面积也非常有限，故其沿锚链方向能兜住的海床土体的面积较小，海床土体的自重对锚泊力的贡献也较小。若通过增大埋入式吸力锚的长度与直径来提高其抗拔承载力，则大大增加施工难度，也是不可取的。

吸力贯入式平板锚的平面形状为矩形，安装时竖直固定在桶形基础中，桶形基础在自重和抽水造成的负压作用下贯入至预定深度。桶形基础与平板锚分离后被拔出，留在黏土海床中的平板锚在锚链牵引下旋转，直至板面与锚链接近垂直或者施加的拉力达到设计值。在张拉锚链使锚板旋转的过程中，锚板会向上运动而产生埋深损失。锚板中心在旋转前后的高度差被定义为最终丢失埋深。在强度通常随深度成正比例增加的海床条件下，旋转调节过程中的埋深损失会带来承载力的下降，这一减小量可高达20%。可见，平板锚也具有一定的局限性。

可见，还需对基于桶形基础的吸力贯入式锚泊基础的构型进行创新性设计，使其具有较大的抗拔承载力，且施工较为方便。

发明内容 本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础，其利用桶形基础贯入海床，在海床中展开后呈首尾连接的组装式锚泊基础，各段基础的姿态不尽相同，能最大可能的增加与海床土体的摩擦力，从而提高了锚泊基础总体的抗拔承载力。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础，其特征在于：包括多段顺序排列的圆桶，除首个圆桶和最后一个圆桶外，其余每段圆桶一侧外壁对应于圆桶轴向一端位置分别设置有套孔，其余每段圆桶位于套孔所在径向上的圆桶另一侧外壁对应于圆桶轴向另一端位置分别设置有旋转轴，首个圆桶一侧外壁对应于圆桶轴向一端位置亦设置有旋转轴，首个圆桶位于套孔所在径向上的圆桶另一侧外壁设有系泊孔，系泊孔中连接有锚链，最后一个圆桶一侧外壁对应于圆桶轴向一端位置亦设置有套孔，所述的旋转轴、套孔的中心轴线分别垂直于所在圆桶的轴向，每段圆桶的旋转轴分别与相邻圆桶的套孔转动装配，通过旋转轴和套孔实现多段圆桶依次顺序铰接，多段圆桶顺序铰接后可转动至同轴且在中心轴向方向上依次叠置构成圆柱体形状。

所述的一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础，其特征在于：每段圆桶外壁分别连接有多个翼板，多个翼板沿圆桶径向设置并在圆桶外壁上均匀分布。

所述的一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础，其特征在于：所述圆桶为中空结构，圆桶轴向两端表面均垂直于圆桶轴向。

所述的一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础，其特征在于：多段圆桶中，除了首个圆桶轴向一端表面、最后一个圆桶轴向另一端表面垂直于圆桶轴向，各段圆桶其余轴向端的表面分别相对于自身中心轴线呈倾斜状，且相邻圆桶轴向端的倾斜表面相互匹配，使各圆桶通过旋转轴插入套孔中实现顺序串联与铰接后调整姿态可形成圆柱体形状。。

一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础的施工贯入设备，其特征在于：包括桶形基础，多段圆桶转动至同轴且依次叠置构成圆柱体形状时，桶形基础呈竖直同轴设置在首个圆桶上，桶形基础底部与首个圆桶顶部接触并进行后续可解脱的固定，锚链的一端系泊在首个圆桶的系泊孔上，依靠桶形基础把锚泊基础贯入至海床设计深度，然后移除桶形基础，再通过对锚链施加拉力使各段圆桶发生自由旋转，直至施加的拉力达到设计值时，施工结束，由此形成一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础。

所述的一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础的施工贯入设备，其特征在于：各段圆桶的内径、外径分别与桶形基础的内径、外径对应相等。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、本发明所提的锚泊基础由多段圆桶首尾铰接的组装而成，圆桶的横截面尺寸与施工用的桶形基础的横截面尺寸完全相同，其沿沉贯方向的面积非常小，利用桶形基础开展沉贯施工较为方便，阻力相对较小。

2、本发明所提的锚泊基础在锚链拉力作用下的各段圆桶将发生自由旋转，各段圆桶的姿态不尽相同，能最大可能的增加与海床土体的摩擦力，从而提高了锚泊基础总体的抗拔承载力。

3、所提锚泊基础结构简单、制作方便，成本较低，各段圆桶的外壁增设翼板能进一步提高其抗拔承载力，可根据需求制作不同尺寸与形状的圆桶，满足不同情况下海洋工程的锚泊需要。

附图说明

图1 为本发明实施例1的锚泊基础未展开时的俯视图。

图2 为本发明实施例1的锚泊基础未展开时的主视图。

图3 为本发明实施例1的锚泊基础未展开时的三维结构示意图。

图4 为本发明实施例1的锚泊基础最上部圆桶三维结构示意图。

图5 为本发明实施例1的锚泊基础中间圆桶三维结构示意图。

图6 为本发明实施例1的锚泊基础最下部圆桶三维结构示意图。

图7 为本发明实施例1的锚泊基础展开时的主视图。

图8 为本发明实施例1的锚泊基础展开时的三维结构示意图。

图9 为本发明实施例1的桶形基础依靠自重下沉接触海床结构示意图。

图10 为本发明实施例1中的桶形基础在负压吸力作用下贯入海床示意图。

图11 为本发明实施例1的可能工作状态之一。

图12 为本发明实施例1的锚泊基础达到抗拔极限承载力时的状态。

图13 为本发明实施例2的锚泊基础未展开时的三维结构示意图。

图14 为本发明实施例2的锚泊基础中间圆桶三维结构示意图。

图15 为本发明实施例2的可能工作状态之一。

图16 为本发明实施例2的锚泊基础达到抗拔极限承载力时的状态。

图17 为本发明实施例3的锚泊基础未展开时的主视图。

图18 为本发明实施例3的锚泊基础展开时的主视图。

图19 为本发明实施例3的可能工作状态之一。

图20 为本发明实施例3的锚泊基础达到抗拔极限承载力时的状态。

附图标记说明：1、圆桶；2、系泊孔；3、旋转轴；4、套孔；5、桶形基础；6、锚链；7、翼板；A、海平面；B、海床面。

具体实施方式

如图1-图20所示，一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础，包括多段圆桶1；圆桶1沿直径方向外壁的上部与下部交替的设置有旋转轴3与套孔4，各段圆桶1根据位置关系基于旋转轴3插入套孔4中可实现相互的首尾串联与铰接，最上部圆桶1的外壁上设置有系泊孔2；施工时，调整各首尾铰接的圆桶1的姿态使其组成圆柱体形状，把锚链6的一端系泊在最上部圆桶1的系泊孔2上，再把桶形基础5的底部接触于最上部圆桶1的顶面并进行后续可解脱的固定，依靠桶形基础5把锚泊基础贯入至海床设计深度，然后移除桶形基础5，再通过对锚链6施加拉力使各段圆桶1发生自由旋转，直至施加的拉力达到设计值时，施工结束，由此形成一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础。

上述提及的“上部”、“下部”等方位词，是基于所提锚泊基础施工时的姿态来确定的。施工时所提锚泊基础固定、连接在桶形基础5的底部，且处于铅锤状态逐步贯入海床中，如图9与图10所示。在此姿态下，来确定“上部”与“下部”的等方位。说明书中其它地方所提的方位词也按此姿态推定得到，如“水平”即为与铅锤线垂直的方向。上述方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者构件必须具有特定的方位、构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

圆桶1为中空的圆柱体状，各段圆桶1的内径、外径分别与桶形基础5的内径、外径相等，最上部圆桶1的上表面呈水平状；所提圆桶状锚泊基础中所含圆桶1的数量不少于2个。各圆桶的高度可以相同，也可以不相同。

可见，圆桶1的横截面尺寸与桶形基础5的横截面尺寸完全相同，其能与桶形基础5的底部平稳相接。当然，还需要一些辅助构件来实现两者的后续可解脱的固定与连接，该部分构件过于复杂而未在附图中体现，但现有公知技术可现实该操作，此处不再详细描述。

可根据需要采用不同形状的圆桶1，形成不同的实施方式。下面介绍几种实施例。

实施例1：各圆桶的高度相等，最上部的圆桶1沿直径方向外壁的上部设置有系泊孔2、下部设置有旋转轴3，如图4所示；中间的圆桶1沿直径方向外壁的上部设置套孔4、下部设置有旋转轴3，如图5所示；最下部的圆桶1外壁的上部设置套孔4，如图6所示。旋转轴3套入套孔4后，可进行旋转。各段圆桶1根据位置关系基于旋转轴3插入套孔4中可实现相互的首尾串联与铰接，且可以相互发生旋转，如图7与图8所示。图1~图3给出了三个圆桶1组装而成的锚泊基础。

所提的一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础的施工方法，介绍如下：

1、连接锚泊基础；

各段圆桶1根据位置关系基于旋转轴3插入套孔4中可实现相互的首尾串联与铰接，调整各首尾铰接的圆桶1的姿态使其组成圆柱体形状，把锚链6的一端系泊在最上部圆桶1的系泊孔2上，再把桶形基础5的底部接触于最上部圆桶1的顶面并进行后续可解脱的固定。

应采取辅助措施对组装成圆柱体形状的各圆桶进行简易的相互固定，使其在施工期间不会松散、旋转。圆桶1的横截面尺寸与桶形基础5的横截面尺寸完全相同且上表面呈水平状，其能与桶形基础5的底部平稳相接。需要一些辅助构件来实现两者的后续可解脱的固定与连接，该部分构件过于复杂而未在附图中体现。

为了实现桶形基础内部的抽取负压，避免各段圆桶1的接缝处发生漏水与漏气，应采取辅助措施对各段圆桶1的接缝处进行简易密封，为后续的沉贯施工提供必要的条件。

桶形基础也称吸力桩(suction pile)，为底端开口、顶端封闭的倒扣大直径钢制圆桶，安装时，首先在预定海域依靠桶体自重使其部分插入土中以形成密闭空间，然后抽出桶内和土体之间的气体或液体，从而使桶体内外形成压力差，逐步压入至海床内预定深度完成安装。

2、桶形基础依靠自重下沉接触海床；

起吊桶形基础5，使其进入海水中并处于铅锤状态，逐渐下放桶形基础5，使其在自重作用下下沉接触海床并压入海床一定深度，如图9所示。桶形基础5底部的圆桶在重力作用下压入海床一定的深度，使圆桶的底部被海床土体封住，其内部形成封闭的空间，为后续的抽取空气形成负压提供必要的条件。

3、抽取负压使桶形基础贯入海床至设计深度；

桶形基础5的顶部设置有进出水(气)阀，把连接管与进出水(气)阀固定相连，通过连接管抽出桶形基础内部的空气，形成内外压力差，从而把桶形基础5贯入至海床土体中，最终桶形基础底部锚泊基础被压入海床土体至设计深度，如图10所示。

4、移除桶形基础；

待锚泊基础被压入海床至设计深度后，松开锚泊基础与桶形基础5的连接，使锚泊基础脱离桶形基础5，通过连接管对桶形基础5内部充气，使桶形基础5逐渐上浮，最终起吊、移除桶形基础。桶形基础移除后，仅剩锚泊基础在海床土体中。

5、张拉锚链使锚泊基础达到设计要求。

通过对锚链6施加拉力使各段圆桶1发生自由旋转，直至施加的拉力达到设计值时，施工结束，由此形成一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础，如图11所示。

锚链6的拉力是从最上部的圆桶1向下部的圆桶1逐渐依次传递，即锚链6的拉力减去最上部圆桶1的阻力将传递给第二个圆桶1，锚链6的拉力减去最上部与第二个圆桶1的阻力将传递给第三个圆桶1，以此类推。可见，最上部的圆桶1受到的荷载最大，其发生旋转的幅度最大，从上到下圆桶1受到的荷载与旋转幅度逐渐减小。因此，在锚泊基础未失效前，各圆桶1的旋转姿态一般各不相同。各圆桶1的旋转姿态相差越大，其整体上与海床土体的接触关系越复杂，圆桶与土体的摩擦与阻力更大，能最大可能的增加与海床土体的摩擦力，从而提高了锚泊基础总体的抗拔承载力。与传统的单个圆桶状的吸力锚相比，在不增加材料用量与施工难度的情况下，本发明所提多段组装式的圆桶状锚泊基础更具合理性。

当锚链6的拉力过大，大到超过各圆桶的抗拔抵抗力之和时，锚泊基础将失效，此时各圆桶的姿态基本相同，如图12所示。

实施例2：如图13~图17所示，各段圆桶1相同位置处的外壁对称的焊接有四块翼板7，即各圆桶1组成圆柱体形状时上部与下部的翼板在铅锤方向处在相同的位置，其余情况与实施例1相同。锚泊基础的可能工作状态之一如图15所示，达到抗拔极限承载力状态时的位置关系如图16所示。

实施例3：如图17~图20所示，最上部圆桶1的上表面与最下部圆桶1的下表面呈水平状，其余端面呈倾斜状，且各相邻圆桶1的倾斜端面相互匹配，使各圆桶1通过旋转轴3插入套孔4中实现相互的首尾串联与铰接后调整姿态可形成圆柱体形状，其余情况与实施例1相同。可见，各圆桶呈现出非规则的中空圆柱体状，该设计方法可进一步增加圆桶与海床土体接触关系的复杂性，以期增大相互之间的摩擦力。锚泊基础的可能工作状态之一如图19所示，达到抗拔极限承载力状态时的位置关系如图20所示。

所提锚泊基础结构简单、制作方便，成本较低，可根据需求制作不同尺寸与形状的圆桶，满足不同情况下海洋工程的锚泊需要。

附图中仅展示了圆桶的部分形状及部分连接方式的情况，按照所提思路，可以改变圆桶的形状（如方形或其它不规则形状）、数量、相互的连接方式（如用钢丝绳连接），形成其他相关类型的组装式锚泊基础，其均属于本技术的等效修改与变更，此处不再赘述。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的；相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础，其特征在于：包括多段顺序排列的圆桶，除首个圆桶和最后一个圆桶外，其余每段圆桶一侧外壁对应于圆桶轴向一端位置分别设置有套孔，其余每段圆桶位于套孔所在径向上的圆桶另一侧外壁对应于圆桶轴向另一端位置分别设置有旋转轴，首个圆桶一侧外壁对应于圆桶轴向一端位置亦设置有旋转轴，首个圆桶位于套孔所在径向上的圆桶另一侧外壁设有系泊孔，系泊孔中连接有锚链，最后一个圆桶一侧外壁对应于圆桶轴向一端位置亦设置有套孔，所述的旋转轴、套孔的中心轴线分别垂直于所在圆桶的轴向，每段圆桶的旋转轴分别与相邻圆桶的套孔转动装配，通过旋转轴和套孔实现多段圆桶依次顺序铰接，多段圆桶顺序铰接后可转动至同轴且在中心轴向方向上依次叠置构成圆柱体形状。

2.根据权利要求1所述的一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础，其特征在于：每段圆桶外壁分别连接有多个翼板，多个翼板沿圆桶径向设置并在圆桶外壁上均匀分布。

3.根据权利要求1所述的一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础，其特征在于：所述圆桶为中空结构，圆桶轴向两端表面均垂直于圆桶轴向。

4.根据权利要求1所述的一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础，其特征在于：多段圆桶中，除了首个圆桶轴向一端表面、最后一个圆桶轴向另一端表面垂直于圆桶轴向，各段圆桶其余轴向端的表面分别相对于自身中心轴线呈倾斜状，且相邻圆桶轴向端的倾斜表面相互匹配，使各圆桶通过旋转轴插入套孔中实现顺序串联与铰接后调整姿态可形成圆柱体形状。

5.一种如权利要求1-4中任意一项所述的一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础的施工贯入设备，其特征在于：包括桶形基础，多段圆桶转动至同轴且依次叠置构成圆柱体形状时，桶形基础呈竖直同轴设置在首个圆桶上，桶形基础底部与首个圆桶顶部接触并进行后续可解脱的固定，锚链的一端系泊在首个圆桶的系泊孔上，依靠桶形基础把锚泊基础贯入至海床设计深度，然后移除桶形基础，再通过对锚链施加拉力使各段圆桶发生自由旋转，直至施加的拉力达到设计值时，施工结束，由此形成一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础。

6.根据权利要求5所述的一种海洋工程中的组装式圆桶状锚泊基础的施工贯入设备，其特征在于：各段圆桶的内径、外径分别与桶形基础的内径、外径对应相等。