CN109469089B - 一种自带稳桩套管的内插式海上风电导管架基础及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自带稳桩套管的内插式海上风电导管架基础及施工方法，整个方案主要由导管架本体，若干稳桩套管以及若干支腿配合构成，其中若干支腿垂直设置在导管架本体的底端，若干稳桩套管安置在导管架本体上，并且与若干支腿处于同一圆周上。本发明提供的海上风电深水导管架基础方案，采用内插式，保证了导管架基础的可靠性，同时自带稳桩套管，创新的采用后桩法施工，保证钢管桩沉桩精度，减小施工难度和施工成本。

Description

一种自带稳桩套管的内插式海上风电导管架基础及施工方法

技术领域

本发明涉及海上风电场技术，具体涉及海上风电导管架技术。

背景技术

在节能减排、应对气候变化、能源短缺、能源供应安全形势日趋严峻的大形势下，海上风资源作为一种绿色能源，具有风资源稳定、易于规模化开发等优点，目前正在我国大规模应用。

目前中国已建成的海上风电场采用的均为近海风场，水深条件一般小于10m，其支承结构型式主要为高桩承台基础、单桩基础。随着海上风电场的开发，风场离岸距离和水深不断增加，近海传统基础结构型式已难以满足深海风能开发的要求。在30m左右水深的海域，导管架基础相对拥有较好的经济优势。

目前常规采用的导管架基础分为两种：内插式和外套式。如图1所示，内插式导管架其结构特点是将导管架基础11的下部支腿插入后坐落在钢管桩12的桩顶，支腿与钢管桩之间的环形空间通过灌浆填充；如图2所示，外套式导管架其结构特点是钢管桩12插入导管架11下部的套管内，套管与钢管桩之间通过灌浆连接。

其中，内插式导管架基础与外套式导管架基础相比，两者受力传导方式不同，内插式导管架基础的荷载通过导管架下部支腿直接传递给钢管桩桩顶，再由钢管桩传递给地基土，支腿与钢管桩之间的灌浆仅起到固定作用。而外套式导管架基础的荷载通过导管架下部套管传递给套管与钢管桩之间的灌浆，由灌浆传递给钢管桩，再由钢管桩传递给地基土，套管与钢管桩之间的灌浆不仅起到固定作用，更多了传到了导管架荷载。

由此，在海上风电25年的生命周期内，外套式导管架的灌浆的可靠性很大程度决定了基础的有效性，因此内插式导管架基础的可靠性较外套式导管架基础更大。

另外，内插式导管架基础与外套式导管架基础相比，两者在施工工艺也不同，内插式导管架基础采用先桩法施工，即先在海床上水下沉设钢管桩，然后进行导管架的内插安装；而外套式导管架采用后桩法施工，即现将导管架基础放置在海床上，然后将钢管桩插入外套管中进行沉桩作业。

其中，内插式导管架基础在进行施工时采用先行水下沉桩，因此，必须采用工程措施保证钢管桩水下沉桩的相对位置精度，施工难度较高，费用较大。

发明内容

针对现有海上风电场所采用的导管架基础方案所存在的问题，需要一种新的海上风电场用导管架基础方案。

为此，本发明的目的在于提供一种自带稳桩套管的内插式海上风电导管架基础，并针对该导管架基础提供一种施工方法，由此来保证导管架基础的可靠性并降低施工难度。

为了达到上述目的，本发明提供的自带稳桩套管的内插式海上风电导管架基础，包括导管架本体，若干稳桩套管以及若干支腿，所述若干支腿垂直设置在导管架本体的底端，所述若干稳桩套管安置在导管架本体上，并且与若干支腿处于同一圆周上。

进一步的，所述导管架本体为钢桁架结构。

进一步的，所述导管架本体包括若干钢支撑管，若干斜撑管、若干过渡连接段、以及若干防沉板；若干钢支撑管之间呈中心对称分布，相邻两个钢支撑管通过多层交叉的斜撑管连接；所述若干过渡连接段对应的设置在若干钢支撑管上方，所述若干防沉板对应的布置在导管架本体的边角处。

进一步的，所述稳桩套管上部为倒喇叭口结构，下部为中控的圆柱状结构。

进一步的，所述稳桩套管与导管架本体通过带肋板的连接板进行固定连接。

进一步的，所述支腿的前端设置有插桩导向板。

为了达到上述目的，本发明提供的自带稳桩套管的内插式海上风电导管架施工方法，所示施工方法首先将钢管桩穿过导管架本体上的稳桩套管并沉桩至设计标高，接着起吊导管架本体，并将导管架本体上的支腿插入开口钢管桩内进行固定。

进一步的，所述施工方法包括：

将导管架本体直接下吊至施工现场泥面，并靠自重完成入泥自稳作业；

起吊钢管桩，并将钢管桩插入导管架本体上的稳桩套管中，依靠自重入泥后，对钢管桩进行水下沉桩至设计标高；

起吊导管架本体，将导管架本体上的支腿插入对应的钢管桩内，下放导管架本体，使导管架本体坐落在开口钢管桩上；

进行钢管桩与支腿之间的环形空间灌浆作业。

本发明提供的海上风电深水导管架基础方案，采用内插式，保证了导管架基础的可靠性，同时自带稳桩套管，创新的采用后桩法施工，保证钢管桩沉桩精度，减小了施工难度和施工成本。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为现有内插式导管架的结构示意图；

图2为现有外套式导管架的结构示意图；

图3为本发明实例中内插式海上风电导管架基础的结构示意图；

图4为本发明实例中导管架本体的结构示意图；

图5为本发明实例中支腿的结构示意图；

图6为本发明实例中稳桩套管的结构示意图；

图7为本发明实例中稳桩套管与支腿的分布示意图；

图8为本发明实例进行施工时导管架本体现场起吊状态图；

图9为本发明实例进行施工时导管架本体入泥自稳状态图；

图10为本发明实例进行施工时开口钢管桩的沉桩作业示意图；

图11为本发明实例进行施工时导管架本体起吊与对准状态图；

图12为本发明实例进行施工时导管架本体坐落在开口钢管桩上的状体图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本实例针对现有内插式导管架或外套式导管架在结构和施工方案所存在的缺陷，设计一种自带稳桩套管的内插式海上风电深水导管架基础，通过内插式连接结构保证整个导管架基础的可靠性，同时基于自带的稳桩套管实现后桩法施工，保证钢管桩沉桩精度，大幅减少施工难度和施工成本。

参见图3，其所示为本实例给出的自带稳桩套管的内插式海上风电深水导管架基础的示例。

由图可知，该自带稳桩套管的内插式海上风电深水导管架基础100主要由导管架本体110、若干稳桩套管120、若干支腿130、以及若干开口钢管桩140相互配合构成。

参见图4，导管架本体110构成整个导管架基础100的主体部件，其整体采用钢桁架结构，整体呈现四棱台状。该导管架本体110主要由四根斜向设置的钢支撑管111，三层斜撑管112，若干过渡连接段113、若干防沉板114以及平台115相互配合组成。

其中，钢支撑管111为导管架本体的四根主支撑管，承受和传导主要荷载，四根钢支撑管沿四个方向斜向设置，俯视呈中心对称形式。

另外，本钢支撑管111根据需要可采用变径处理，以提高强度和组装的便捷性。

三层斜撑管112将相邻两根钢支撑管111连接起来，每层斜撑管由交叉的两根钢管组成，三层斜撑管112轴线都位于相邻两根钢支撑管111轴线所在平面上，钢支撑管111的四侧分别布置三层斜撑管112，相连构成一个整体。

另外，本实例中的斜撑管112并不限于图示的三层结构，其层数根据实际水深、荷载情况确定，必要时可增加横向水平撑管。横向水平撑管可设置在相邻每层斜撑管112的顶端、底端和交叉处，其中心轴线与斜撑管112位于同一平面，可以增加导管架本体结构的强度和稳定性。

过渡连接段113是从导管架基础钢桁架结构形式过渡到风机塔筒形式或其他结构形式的连接段，上部可安装风机与风机底塔筒采用螺栓连接，下部与平台115连接。。

另本外过渡连接段113可根据实际功能需求，设计成过渡段塔筒形式或其他过渡段形式，以便于安装风机或测风塔架。

防沉板114，其分别对应的布置在导管架四角处，其面积根据海床地质承载以及导管架重量确定，以保证导管架不因自重入泥太深。

平台115，其设置在导管架本体110的顶部，在风机或测风塔安装时可作为施工平台承受施工载荷，在安装完成后可作为仪器设备放置平台，根据实际需要设置。

据此构成的导管架本体110结构稳定可靠，能够很好的用于安装测风塔架或风机等。

本导管架基础100中基于导管架本体110的结构形式，采用四个支腿130，且这四个支腿130对应的垂直固定设置在导管架本体110底部的四个边角处，用于支撑导管架本体110，同时完成与开口钢管桩140的安插组装。

参见图5，本实例中的支腿130主要包括作为主体的开口钢管131以及设置在开口钢管131顶部的带插桩导向板132。作为举例，该带插桩导向板132优选由两块马蹄形板垂直相交焊接而成，底部尖，方便插入钢管桩。。如此设置形成的支腿130基于前端的导向板132能够非常便捷的插入开口钢管桩140内。

另外，根据需要，该支腿130亦可以采用其他类型钢管装置。

本导管架基础100中基于导管架本体110的结构形式，采用四个稳桩套管120，用于完成开口钢管桩140的精准沉桩操作。

如此，参见图7，该四个稳桩套管120分别对应于四个支腿130设置在导管架本体110上，并位于四根钢支撑管111底端，并且这四个稳桩套管120与四个支腿130处在同一个平面圆周上，利用稳桩套管120定位打桩完成后只需垂直提起导管架主体110旋转一定角度，即可插入开口钢管桩140中，大大减小了施工难度。

参见图6，本实例中的稳桩套管120主要由上部的倒八字喇叭口结构以及下部中空的圆柱形结构配合构成。如此结构的稳桩套管120，其中空的圆柱形下部与导管架本体110之间可通过带肋板的连接板焊接形成固定连接，亦可其他固定的或可拆卸的连接方式。

本导管架基础100中的开口钢管桩140作为为荷载承力构件，其通过设置在导管架本体110上的稳桩套管120进行精确沉桩，使得下端沉设至海床以下持力层，上端高出海床面约3-5m。每个开口钢管基桩直径、壁厚和长度可根据实际海域的风、浪、流条件以及土层条件确定，并且与支腿130配合，可容支腿130安插其中。

基于上述方案形成的导管架基础100整体结构为内插式结构，在具体施工时，可基于其上自带的稳桩套管进行后桩法施工，这样既保证钢管桩沉桩精度，又大幅减小施工难度和施工成本。

以下说明一下本实例针对导管架基础100进行后桩法施工的过程。

在具体施工前，将导管架基础100的组成部件：导管架本体110、若干稳桩套管120、若干支腿130、若干开口钢管桩140，在相应的加工厂内通过钢板卷制、焊接等工艺制作完成，并将稳桩套管120与支腿130对应的安置在导管架本体110上。

将连接成整体的导管架本体110以及开口钢管桩140通过专用施工船舶运输至海上施工现场。

在完成上述准备工作后，将准备进行导管架基础100施工。

首先，在海上施工现场通过专用起重船舶起吊安置有桩套管120和支腿130的导管架本体110(如图8所示)，并将导管架本体110直接下吊至泥面，并直接靠自重完成入泥自稳作业，此时整个导管架本体110将由其底部的四根支腿130来进行支撑(如图9所示)。另外入泥时应选择在潮流流速较小的时候，以减小水流的影响。

接着，由专用起重船舶起吊开口钢管桩140，将开口钢管桩140插入导管架本体110上的稳桩套管120中，开口钢管桩140基于自重入泥后，通过液压冲击锤或液压振动锤进行水下沉桩至设计标高；根据导管架本体110上设置的稳桩套管120，依次完成全部开口钢管桩140水下沉桩作业(如图10所示)。在整个开口钢管桩的沉桩过程中，稳桩套管120对开口钢管桩形成了良好的支撑和导向作用，保证整个沉桩的稳定和可靠性；同时各个稳桩套管120之间相对于位置关系固定，从而使得沉桩后的每个开口钢管桩140之间相对于位置关系固定，保证了插入的开口钢管桩140的施工平面精度；同时由于导管架本体110上的稳桩套管120与支腿130处于同一平面圆周上，从而基于稳桩套管120完成沉桩的若干开口钢管桩140也支腿130处于同一平面圆周上，由此可保证后续导管架本体110通过其上支腿130与开口钢管桩140进行对准和安插操作的便捷性。

接着，由专用起重船舶起吊导管架本体120，使得导管架本体120向上从开口钢管桩140中脱离(即使得其上的稳桩套管120从开口钢管桩140中脱离)(如图11所示)。

接着，移动专用起重船舶，旋转船舶方向，使得导管架本体120上的支腿130分别与开口钢管桩140相对应，将支腿130分别插入开口钢管桩140内，下放导管架本体110，使导管架本体110整体坐落在开口钢管桩140上(如图12所示)。

最后，进行开口钢管桩140与支腿130之间的环形空间灌浆作业。

由此，完成海上风电深水导管架施工，后续可直接进行测风塔铁塔或风机安装施工。

本自带稳桩套管的内插式海上风电深水导管架基础形式，保留了内插式海上风电深水导管架可靠性高的优点，同时自带稳桩套管，方便了钢管桩水下沉桩平面精度控制的施工控制，减少了施工成本，可适用于深水环境，可靠性较高，施工精度控制方便，施工成本较低。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种自带稳桩套管的内插式海上风电导管架基础，其特征在于，包括导管架本体，若干稳桩套管以及若干支腿，所述若干支腿垂直设置在导管架本体的底端，所述若干稳桩套管安置在导管架本体上，并且与若干支腿处于同一圆周上，所述稳桩套管上部为倒喇叭口结构，下部为中控的圆柱状结构，稳桩套管与导管架本体通过带肋板的连接板进行固定连接；

所述内插式海上风电导管架基础配置成，首先将导管架本体直接下吊至泥面，并直接靠自重完成入泥自稳作业；接着将开口钢管桩插入导管架本体上的稳桩套管中，并沉桩至设计标高；根据导管架本体上设置的若干稳桩套管，依次完成全部开口钢管桩水下沉桩作业，完成沉桩的若干开口钢管桩处于同一平面圆周；接着起吊导管架本体，使得导管架本体直接向上使得其上若干稳桩套管同时从完成沉桩的若干开口钢管桩中脱离，并将导管架本体上的支腿插入开口钢管桩内进行固定。

2.根据权利要求1所述的内插式海上风电导管架基础，其特征在于，所述导管架本体为钢桁架结构。

3.根据权利要求1所述的内插式海上风电导管架基础，其特征在于，所述导管架本体包括若干钢支撑管，若干斜撑管、若干过渡连接段、以及若干防沉板；若干钢支撑管之间呈中心对称分布，相邻两个钢支撑管通过多层交叉的斜撑管连接；所述若干过渡连接段对应的设置在若干钢支撑管上方，所述若干防沉板对应的布置在导管架本体的边角处。

4.根据权利要求1所述的内插式海上风电导管架基础，其特征在于，所述支腿的前端设置有插桩导向板。

5.一种内插式海上风电导管架施工方法，其特征在于，所述施工方法基于权利要求1-4中任一项所述的种自带稳桩套管的内插式海上风电导管架基础，首先将钢管桩穿过导管架本体上的稳桩套管并沉桩至设计标高，接着起吊导管架本体，并将导管架本体上的支腿插入开口钢管桩内进行固定。

6.根据权利要求5所述的内插式海上风电导管架施工方法，其特征在于，所述施工方法包括：

将导管架本体直接下吊至施工现场泥面，并靠自重完成入泥自稳作业；

起吊钢管桩，并将钢管桩插入导管架本体上的稳桩套管中，依靠自重入泥后，对钢管桩进行水下沉桩至设计标高；

起吊导管架本体，将导管架本体上的支腿插入对应的钢管桩内，下放导管架本体，使导管架本体坐落在开口钢管桩上；

进行钢管桩与支腿之间的环形空间灌浆作业。