CN110761285B - 蜂巢阵列扰流板型声场阻尼网及海上打桩时的防噪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蜂巢阵列扰流板型声场阻尼网及海上打桩时的防噪方法，包括从上至下依次同轴套设在桩体外侧的浮箱、声场阻尼箱和沉箱。声场阻尼箱包括从上至下依次同轴设置的若干个均呈筒形的蜂巢构造体扰流箱，每个蜂巢构造体扰流箱均由若干个扰流板鳞片密铺形成；每个扰流板鳞片均包括六边形连接框、斜撑框架和扰流片；扰流片呈弧形且能转动，扰流片的中部通过拉压弹簧杆与斜撑框架相连接。本发明中浮箱可固定声场阻尼箱与桩体的相对位置，同时保证整体于水中的稳定性，并为水上施工提供工作空间，复式蜂巢构造体扰流箱可以零能耗被动有效削弱打桩噪音；沉箱可保证蜂巢构造体扰流箱充分分割中心桩基大噪声水体与外部环境水体，无噪音外泄。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程设备领域，特别是一种蜂巢阵列扰流板型声场阻尼网及海上打桩时的防噪方法。
背景技术
19世纪以来，人类对海洋资源的开发利用从传统的渔业向能源与资源领域行进，一些沿海国家开始开采海底煤矿、海滨砂矿和海底石油。随着社会发展与科技进步，人类开始利用海上风电机、与海洋钻井平台较为有效地利用海洋资源，并且其资源开发建设量逐年增加，对海洋资源的开发中，海上风电、石油与可燃冰开采是重要的组成部分，风机、钻井、科研平台建设则是开发活动的必要手段。同时，各国对海洋主权的维护意识逐渐加强，一些国家开始着手兴建海上机场、海底隧道、海上军事基地等。以上大量的海洋开发建设工程施工过程中几乎都涉及水下打桩这一重要环节。
其中，大部分的打桩工程均使用冲击锤对桩体进行直接冲击打桩的方式，使桩体贯入海底土层。但是此过程会产生大量的高分贝声场脉冲向最大辐射半径高达10公里的范围内进行多传输渠道辐射。
近十年有多个科研团队对丹麦、英国等国风电场打桩进行噪声测量与分析，其中对于附近海洋生物影响巨大，造成了相当程度的海洋环境污染。各国均有海洋环境施工的环保标准，欧盟建立了较为严格的标准，而各国对于打桩过程的消音施工措施并不完善有效，有些地区甚至在施工中难以顾及此项标准。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种蜂巢阵列扰流板型声场阻尼网及海上打桩时的防噪方法，该蜂巢阵列扰流板型声场阻尼网及海上打桩时的防噪方法能够以模块化的拼装形式充分适应不同的海底环境与海洋水体状况，利用类似飞机机翼扰流板的原理对打桩冲击锤与桩体、桩体与海底土层动力相互作用产生的剧烈脉冲声波进行阻尼降速，直接而稳定地减小打桩噪声的声场强度、传播能力与影响范围。减少海洋打桩工程噪声对海洋环境的污染。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种蜂巢阵列扰流板型声场阻尼网，包括从上至下依次同轴套设在桩体外侧的浮箱、声场阻尼箱和沉箱。
浮箱位于空气与水介质界面，为声场阻尼网提供向上的升力。沉箱位于水与土层介质界面，为声场阻尼网提供自重压载。沉箱底部设置有鱼雷锚，鱼雷锚能锚定在海洋底部的土层中。
声场阻尼箱包括从上至下依次同轴设置的若干个均呈筒形的蜂巢构造体扰流箱，每个蜂巢构造体扰流箱均由若干个扰流板鳞片密铺形成。
每个扰流板鳞片均包括六边形连接框、斜撑框架和扰流片。
六边形连接框的中心设置有连接轴，连接轴的两端分别从六边形连接框中穿出，形成连接端。
斜撑框架设置在六边形连接框上，六边形连接框的上底边、下底边以及斜撑框架的前端均设置有与连接轴相平行的连接轴孔。每个连接轴孔均能与连接轴的连接端相插接配合。
扰流片呈弧形，一端铰接在位于六边形连接框中的连接轴上，另一端能从斜撑框架中伸出并能转动，扰流片的中部通过拉压弹簧杆与斜撑框架相连接。
六边形连接框为正六边形。
斜撑框架包括顶部斜撑、水平支撑和底部斜撑。顶部斜撑有两根，两根顶部斜撑与六边形连接框的上底边形成等腰三角形。水平支撑与位于六边形连接框中的连接轴形成矩形，与连接轴相平行的水平支撑上设置有一个连接轴孔。底部斜撑有两根，两根底部斜撑与六边形连接框的下底边和水平支撑上的连接轴孔形成等腰梯形。
浮箱与蜂巢构造体扰流箱之间、相邻蜂巢构造体扰流箱之间、以及蜂巢构造体扰流箱与沉箱之间均通过连接齿相连接。
沉箱底部设置有定滑轮，鱼雷锚顶部设置有钢索，钢索的另一端从定滑轮中穿过，并与海面或岸边上的回拉电机相连接。
浮箱中设置有若干个浮箱气囊。
沉箱中设置有若干个沉箱压载。
一种蜂巢阵列扰流板型声场阻尼网海上打桩时的防噪方法，包括如下步骤。
步骤1，桩体放置：根据施工计划，将桩体放置在设定位置。
步骤2，沉箱放置：将沉箱套装在桩体外周，启动沉箱底部的鱼雷锚，鱼雷锚将锚定在海底土层中，同时，钢索随鱼雷锚下移。
步骤3，声场阻尼箱安装：根据海洋水体高度，确定声场阻尼箱的高度和蜂巢构造体扰流箱的数量。将确定数量的蜂巢构造体扰流箱密铺在沉箱顶部的桩体外周，形成设定高度且呈圆筒形的声场阻尼箱。同时，将鱼雷锚上的钢索进行回拉，沉箱及声场阻尼箱将下移并触底。
步骤4，浮箱安装：将浮箱套装在桩体外周顶部，并与声场阻尼箱的顶部相拼接。
步骤5，打桩：对桩体顶部进行冲击，并将桩体打至海底设定深度。在打桩过程中，高分贝声场脉冲波经声场阻尼箱中的扰流片后，扰流片将以连接轴为转轴，进行旋转，从而转移耗散高分贝声场脉冲波的动能。一次高分贝声场脉冲波过后，扰流片在拉压弹簧杆的作用下自动复位，准备下一次高分贝声场脉冲波的冲击，依次往复。
步骤6，声场阻尼网回收：打桩完成后，打开鱼雷锚，并将鱼雷锚拔起，用吊机依次将浮箱、声场阻尼箱和沉箱进行吊出水面，并进行拆卸回收。
本发明具有如下有益效果：
1.对水体环境的适应性强了，可以模块拼接，适用于不同的水深。
2、水下消音效果好。上下封闭程度高，声场波动动能消耗大，扰流板可以有效耗散主要频率噪声声波在传输途径的能量，其效率更高。
3、设备整体强度与工程施工亲和度更高，规范性的组装与撤销方式，在打桩过程中可以有效施工操作，减少繁琐的使用过程。
4、能用于大型海上平台设施建设时打桩施工的减噪，可以极大降低海洋环境噪声污染，改善噪声对海洋生物、环境及生态系统的影响，同时为其他水下防护措施提供载体或改进延伸思路。
5、浮箱可固定声场阻尼箱与桩体的相对位置，同时保证整体于水中的稳定性，并为水上施工提供工作空间，复式蜂巢构造体扰流箱可以零能耗被动有效削弱打桩噪音；沉箱可保证蜂巢构造体扰流箱充分分割中心桩基大噪声水体与外部环境水体，无噪音外泄。每一层蜂巢构造体扰流箱均可以根据施工水域特性增添或删减安装数量，以达到灵活控制整体降噪系统长度的目的。
附图说明
图1显示了本发明一种蜂巢阵列扰流板型声场阻尼网的结构示意图。
图2显示了浮箱的俯视图。
图3显示了浮箱的纵剖面图。
图4显示了单个蜂巢构造体扰流箱不经过桩体时的纵剖面图。
图5显示了单个扰流板鳞片的立体示意图。
图6显示了单个扰流板鳞片的正视图。
图7显示了单个扰流板鳞片的侧视图。
图8显示了多个扰流板鳞片第一种拼接实施例的正视图。
图9显示了多个扰流板鳞片第二种拼接实施例的侧视图。
图10显示了沉箱的俯视图。
图11显示了沉箱的纵剖面图。
其中有：
1-浮箱气囊，2-连接齿，3-扰流板鳞片，4-沉箱压载，5-鱼雷锚，6-斜撑框架，61-顶部斜撑，62-水平支撑，63-底部斜撑，7-扰流片，8-拉压弹簧杆，9-连接轴孔，10-连接轴，11-卡榫，12-六边形连接框。
A1-浮箱，A2-蜂巢构造体扰流箱，A3-沉箱，B-桩体。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种蜂巢阵列扰流板型声场阻尼网，包括从上至下依次同轴套设在桩体外侧的浮箱A1、声场阻尼箱和沉箱A3。
浮箱位于空气与水介质界面，为声场阻尼网提供向上的升力，同时保证声场阻尼网与水-空气界面无水体缝隙，有效降噪无噪声泄露源。
如图2和图3所示，浮箱呈中心对称的圆盘状，上有机械勾手方便进行放置作业，下方配有环形的连接齿2与蜂巢构造体扰流箱进行固定，中间设有填充满气体的密封气囊1以实现浮箱的主要功能，为整个装置整体提供升力。
沉箱位于水与土层介质界面，为声场阻尼网提供自重压载。如图10和11所示，沉箱中设置有若干个高密度的沉箱压载4。上述沉箱压载为装置整体提供下沉趋向力，提高装置的稳定性与应力强度。保证装置对桩体的无缝覆盖。
沉箱上半部分与浮箱类似，呈圆盘状，下半部分于圆盘四轴点附有定装的鱼雷锚5，实现整个装置对桩体的同心位置固定，鱼雷锚5可以在水体中启动竖直向下的驱动力使其触底时保有较大冲量，从而达成更高的装置锚定性与稳定性。
沉箱底部优选设置有定滑轮（图中未示出），鱼雷锚顶部设置有钢索（图中未示出），钢索的另一端从定滑轮中穿过，并与海面或岸边上的回拉电机相连接。
在鱼雷锚5触底后由钢索与沉箱A3连接，回拉电机启动，回拉钢索，从而牵引沉箱A3及整体设备下移并触底。回收时，鱼雷锚5使用惯性回弹与振动拔离的方式脱离土层。上半部分装有环形的连接齿2，实现与其他蜂巢构造体扰流箱的连接。
声场阻尼箱包括从上至下依次同轴设置的若干个均呈筒形的蜂巢构造体扰流箱A2。
如图4所示，每个蜂巢构造体扰流箱均由若干个扰流板鳞片3密铺形成。 每个蜂巢构造体扰流箱整体均呈圆筒状，由两端环形的连接齿2衔接多个蜂巢构造体扰流箱以及浮箱与沉箱。
如5、图6和图7所示，每个扰流板鳞片均包括六边形连接框12、斜撑框架6和扰流片7。
六边形连接框的中心设置有连接轴10，连接轴的两端分别从六边形连接框中穿出，形成连接端。
斜撑框架设置在六边形连接框上，六边形连接框的上底边、下底边以及斜撑框架的前端均设置有与连接轴相平行的连接轴孔9。每个连接轴孔均能与连接轴的连接端相插接配合。
扰流片呈弧形，一端铰接在位于六边形连接框中的连接轴上，另一端能从斜撑框架中伸出并能转动，扰流片的中部通过拉压弹簧杆与斜撑框架相连接，通过其反复的动能对势能的能量转换达成对于反复脉冲波的能量耗散。
六边形连接框优选为正六边形。六边形连接框的上下两条边为连接轴孔9以及附于其上的卡榫11，两个扰流板鳞片（单体）3的连接轴孔9以及卡榫11可以稳固设定为空心轴，使得其他扰流板鳞片（单体）3的水平轴线处的连接轴10一端可以插入并达成密铺拼接。
斜撑框架优选包括顶部斜撑61、水平支撑62和底部斜撑63。顶部斜撑优选有两根，两根顶部斜撑与六边形连接框的上底边形成等腰三角形。水平支撑与位于六边形连接框中的连接轴优选形成矩形，与连接轴相平行的水平支撑上设置有一个连接轴孔。底部斜撑有两根，两根底部斜撑与六边形连接框的下底边和水平支撑上的连接轴孔优选形成等腰梯形。
另外，六边形连接框和斜撑框架的材质优选为轻合金/聚合物等。
当脉冲波从右侧运动到左侧时，具能水流会冲过扰流片7，使扰流片7以连接轴10为旋转轴向上旋转一定角度，并在过程中转移耗散动能。水流过后则拉压弹簧杆中弹簧的回复力使得扰流片7同轴反向旋转回初始位置准备下一次脉冲波的冲击。连接轴孔9拼合后可以插入连接轴10，以达到扰流板鳞片（单体）相互之间的堆叠与拼接。
如图8所示，为复数个扰流板鳞片（单体）3进行密铺拼接时的主视效果图，其中连接轴10插入临近扰流板鳞片（单体）3的连接轴孔9中所形成。最终无缝密铺形成空间利用率极高的蜂巢筒状结构，可以保证高效地减小打桩工程作业的水途径噪音传播。
如图9所示，则是提供一种可能存在的多层复式堆叠需要。等腰三角形顶点将契合连接内轴，完成多层堆叠拼接，以满足特殊状况需要。
如图1所示，是为在桩基打桩施工过程中，此装置整体的剖视效果图。以桩基为轴心，外侧由上至下拼接浮箱A1、若干个蜂巢构造体扰流箱A2和沉箱A3。由水面一直至海底土层。在施工时，由桩基上分别套入，层层相合至锚定底层沉箱。整体设备箱体可以模块化拼接，建议分层预制，现场以箱为单位拼接组装，可以降低装置的安装困难与成本。一种蜂巢阵列扰流板型声场阻尼网海上打桩时的防噪方法，包括如下步骤。
步骤1，桩体放置：根据施工计划，将桩体放置在设定位置。
步骤2，沉箱放置：将沉箱套装在桩体外周，启动沉箱底部的鱼雷锚，鱼雷锚将锚定在海底土层中，同时，钢索随鱼雷锚下移。
步骤3，声场阻尼箱安装：根据海洋水体高度，确定声场阻尼箱的高度和蜂巢构造体扰流箱的数量。将确定数量的蜂巢构造体扰流箱密铺在沉箱顶部的桩体外周，形成设定高度且呈圆筒形的声场阻尼箱。同时，将鱼雷锚上的钢索进行回拉，沉箱及声场阻尼箱将下移并触底，引导沉箱及以上的整个声场阻尼网按预定轨道入水下降并触底。
步骤4，浮箱安装：将浮箱套装在桩体外周顶部，并与声场阻尼箱的顶部相拼接。
步骤5，打桩：对桩体顶部进行冲击，并将桩体打至海底设定深度。在打桩过程中，高分贝声场脉冲波经声场阻尼箱中的扰流片后，扰流片将以连接轴为转轴，进行旋转，从而转移耗散高分贝声场脉冲波的动能。一次高分贝声场脉冲波过后，扰流片在拉压弹簧杆的作用下自动复位，准备下一次高分贝声场脉冲波的冲击，依次往复。
步骤6，声场阻尼网回收：打桩完成后，打开鱼雷锚，并将鱼雷锚拔起，用吊机依次将浮箱、声场阻尼箱和沉箱进行吊出水面，并进行拆卸回收。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种蜂巢阵列扰流板型声场阻尼网，其特征在于：包括从上至下依次同轴套设在桩体外侧的浮箱、声场阻尼箱和沉箱；
浮箱位于空气与水介质界面，为声场阻尼箱提供向上的升力；沉箱位于水与土层介质界面，为声场阻尼箱提供自重压载；沉箱底部设置有鱼雷锚，鱼雷锚能锚定在海洋底部的土层中；
声场阻尼箱包括从上至下依次同轴设置的若干个均呈筒形的蜂巢构造体扰流箱，每个蜂巢构造体扰流箱均由若干个扰流板鳞片密铺形成；
每个扰流板鳞片均包括六边形连接框、斜撑框架和扰流片；
六边形连接框的中心设置有连接轴，连接轴的两端分别从六边形连接框中穿出，形成连接端；
斜撑框架设置在六边形连接框上，六边形连接框的上底边、下底边以及斜撑框架的前端均设置有与连接轴相平行的连接轴孔；每个连接轴孔均能与连接轴的连接端相插接配合；
扰流片呈弧形，一端铰接在位于六边形连接框中的连接轴上，另一端能从斜撑框架中伸出并能转动，扰流片的中部通过拉压弹簧杆与斜撑框架相连接。
2.根据权利要求1所述的蜂巢阵列扰流板型声场阻尼网，其特征在于：六边形连接框为正六边形。
3.根据权利要求1所述的蜂巢阵列扰流板型声场阻尼网，其特征在于：斜撑框架包括顶部斜撑、水平支撑和底部斜撑；顶部斜撑有两根，两根顶部斜撑与六边形连接框的上底边形成等腰三角形；水平支撑与位于六边形连接框中的连接轴形成矩形，与连接轴相平行的水平支撑上设置有一个连接轴孔；底部斜撑有两根，两根底部斜撑与六边形连接框的下底边和水平支撑上的连接轴孔形成等腰梯形。
4.根据权利要求1所述的蜂巢阵列扰流板型声场阻尼网，其特征在于：浮箱与蜂巢构造体扰流箱之间、相邻蜂巢构造体扰流箱之间、以及蜂巢构造体扰流箱与沉箱之间均通过连接齿相连接。
5.根据权利要求1所述的蜂巢阵列扰流板型声场阻尼网，其特征在于：沉箱底部设置有定滑轮，鱼雷锚顶部设置有钢索，钢索的另一端从定滑轮中穿过，并与海面或岸边上的回拉电机相连接。
6.根据权利要求1所述的蜂巢阵列扰流板型声场阻尼网，其特征在于：浮箱中设置有若干个浮箱气囊。
7.根据权利要求1所述的蜂巢阵列扰流板型声场阻尼网，其特征在于：沉箱中设置有若干个沉箱压载。
8.一种利用权利要求1-7任一项所述的蜂巢阵列扰流板型声场阻尼网海上打桩时的防噪方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，桩体放置：根据施工计划，将桩体放置在设定位置；
步骤2，沉箱放置：将沉箱套装在桩体外周，启动沉箱底部的鱼雷锚，鱼雷锚将锚定在海底土层中，同时，钢索随鱼雷锚下移；
步骤3，声场阻尼箱安装：根据海洋水体高度，确定声场阻尼箱的高度和蜂巢构造体扰流箱的数量；将确定数量的蜂巢构造体扰流箱密铺在沉箱顶部的桩体外周，形成设定高度且呈圆筒形的声场阻尼箱；同时，将鱼雷锚上的钢索进行回拉，沉箱及声场阻尼箱将下移并触底；
步骤4，浮箱安装：将浮箱套装在桩体外周顶部，并与声场阻尼箱的顶部相拼接；
步骤5，打桩：对桩体顶部进行冲击，并将桩体打至海底设定深度；在打桩过程中，高分贝声场脉冲波经声场阻尼箱中的扰流片后，扰流片将以连接轴为转轴，进行旋转，从而转移耗散高分贝声场脉冲波的动能；一次高分贝声场脉冲波过后，扰流片在拉压弹簧杆的作用下自动复位，准备下一次高分贝声场脉冲波的冲击，依次往复；
步骤6，声场阻尼网回收：打桩完成后，打开鱼雷锚，并将鱼雷锚拔起，用吊机依次将浮箱、声场阻尼箱和沉箱进行吊出水面，并进行拆卸回收。
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