CN110984214A - 海上风电单桩-翼板-堆石体复合基础及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
一种海上风电单桩‑翼板‑堆石体复合基础及其施工方法，包括单桩、翼板和堆石体，所述翼板为锥形结构，焊接于桩身外壁，所述堆石体是由堆石料密实堆积得到，所述翼板上端位于堆石体内部，桩翼下端位于海床持力层。本发明单桩‑翼板‑堆石体复合基础的施工方法包括以下步骤：S1确定单桩、翼板、堆石体尺寸，S2将带翼板的单桩打到设计锚固深度，S3将堆石料堆积于单桩附近海床。本发明克服了单桩承载力低、翼板桩的桩翼大，基础冲刷严重等问题，单桩、翼板和堆石体组合结构利用了桩周土体抗力和堆石体摩擦力，提高桩基承载力，降低桩基水平位移，减小翼板尺寸，改变翼板受力机制，阻挡波浪、海流对海床土体的冲刷，保证海上风电机组安全稳定运行。
Description
技术领域
本发明属于海上风电技术领域，涉及一种海上风电单桩-翼板-堆石体复合基础及其施工方法。
背景技术
海上风电作为一种清洁能源，具有风速高、风速稳定、单机容量大等特点，正在处于高速发展期。目前，近海风机基础的型式主要为单桩基础。单桩基础具有地形条件适应性强、施工速度快、施工成本低等优点。
在海上风电机组运行期间，单桩基础不仅要承受风机机组和桩基自重产生的竖向荷载，还要承受风、破浪、海流和海冰等产生的水平荷载，在水平循环荷载的作用下，桩基会产生较大的水平位移和桩身变形。大量工程实践表明，单桩基础通常可以满足竖向承载力的要求，而不能满足水平承载力和水平位移的要求。根据《海上风力发电场设计标准》（GB/T51308-2019），为了保证风机机组安全稳定运行，单桩基础泥面处累积倾角（侧向位移幅度）不得超过0.25°，考虑施工误差在内，整个运行期内循环累积倾角不得超过0.5°。工程中，通常采用增加桩径和桩长的方式，提高单桩基础水平承载力，降低单桩基础水平位移。增加桩径和桩长意味着单桩制作成本的增加，施工难度的提高。此外，对于我国部分深水浅覆盖层的海床，即使增加桩长和桩径也无法满足桩基水平承载力的需求，还需进行嵌岩桩施工，然而嵌岩桩施工难度更大，施工速度慢，会进一步增加了海上风电场建设成本。此外，由于在海床上设置大直径单桩基础，波浪和海流在桩周会产生漩涡，冲刷单桩基础附近的海床土体，对风机的安全稳定运行产生影响。基于此，迫切需要提出一种新型海上风机单桩基础，既能提供足够的水平承载力，减小桩身位移，又能降低桩身直径和桩身长度，使之可以适用于深水浅覆盖层的海域，同时还能避免波浪、海流对桩周土体的冲刷，提高施工速度，降低施工成本，保证风机的安全稳定运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种海上风电单桩-翼板-堆石体复合基础，在单桩附近海床设置堆石体，可以强化桩周土体，提高桩周土体承载能力，同时阻挡波浪、海流对海床土体的冲刷，保证机组安全稳定运行，此外堆石体具有高孔隙率，可以加速下方地基土体固结；锥形结构的翼板对称焊接于单桩，上端位于堆石体内部，下端位于海床持力层，不仅能利用桩周土体抗力，而且能充分调动堆石体的摩擦力，提高桩基整体的水平承载力，降低桩基水平位移、桩身变形和弯矩。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种海上风电单桩-翼板-堆石体复合基础及施工方法，包括单桩、翼板和堆石体；所述多个翼板与单桩连接固定，堆石体环绕于单桩和翼板，翼板上端位于堆石体内部；所述翼板的下端位于海床持力层；所述堆石体是由宽级配堆石料密实堆积于桩身附近海床得到；所述翼板为非规则的锥形板。
所述的翼板呈对称放射状焊接于单桩的外壁。
所述翼板的对数与海上风电场主风向数相同，且每对翼板法向方向均对应海上风电场一个主风向。
所述堆石体的填筑材料为宽级配散粒体堆石料，通过专用管道输送方式密实堆积于单桩附近海床，所述堆石体的结构为锥体。
所述堆石体还可采用水下自流可控灌浆技术，胶结形成具有高透水性胶结堆石体、结构化胶结堆石体的一种。
所述翼板上端锥体部分的锥尖截断。
本发明还提供一种海上风电单桩-翼板-堆石体复合基础的施工方法，主要包括以下几个步骤：
S1：首先根据波浪、海流的冲刷范围确定堆石体底部堆积半径，其次根据堆石料的力学参数确定堆石体的高度，最后根据海上风机组合式单桩基础垂直和水平承载力需求、水文气象信息、堆积体下方地基土体的力学性质，通过理论分析、数值迭代计算确定单桩直径和长度、翼板尺寸，预制单桩和翼板并将翼板固定于单桩的外壁；
S2：利用改装的沉桩设备将带翼板的单桩打到设计锚固深度，翼板的下端位于海床持力层；
S3：采用专用管道，将宽级配散粒堆石料输送到单桩附近海床堆积区，堆石料自由密实堆积成锥体结构，翼板的上端位于堆石体的内部。
所述步骤S3还包括，采用水下自流可控灌浆技术将堆石体胶结形成具有高透水性的胶结堆石体、结构化胶结堆石体。
本发明有如下有益效果：
根据本发明的海上风电单桩-翼板-堆石体复合基础，首先，在单桩附近海床设置的堆石体可以强化桩周土体，提高桩周土体自身承载能力，同时阻挡波浪、海流对海床土体的冲刷，保证机组安全稳定运行；其次，锥形结构的翼板焊接于单桩，上端位于堆石体内部，下端位于海床持力层，既能充分调动桩周土体抗力，又能充分利用堆石体的摩擦力；最后，堆石体是由散粒堆石料自由密实堆积得到，因此堆石体可适应海床地形和土体的变形，堆积前无需对海床进行整平。
本发明的海上风电单桩-翼板-堆石体复合基础克服了普通单桩承载力不足、常规翼板单桩的桩翼尺寸大，且波浪和海流在桩周会产生漩涡，冲刷单桩基础附近的海床土体对风机的安全稳定运行产生影响的问题，通过单桩、翼板和堆石体组合结构充分利用桩周土体抗力，提高桩基水平承载力，降低桩基水平位移、桩身变形和弯矩，减小翼板尺寸，改变翼板受力机制，阻挡波浪、海流对海床土体的冲刷，保证海上风电机组全生命周期的安全稳定运行。本发明的单桩-翼板-堆石体复合基础可以通过减小桩径和降低桩身锚固长度，使新型复合基础结构适用于深水浅覆盖层海域，避免嵌岩桩施工，降低工程成本，规避施工风险，加快施工进度。
本发明海上风电单桩-翼板-堆石体复合基础的施工方法中，由于堆石体的设置，即可强化了桩周土体，又能阻挡波浪、海流对地基土体的冲刷，同时翼板上端位于堆石体内部，可以利用堆石体自身的摩擦力，提高基础水平承载能力，因此本发明实施例中翼板的尺寸较小，进而单桩和翼板均可在工厂内进行预制，然后将翼板与单桩连接，此外，由于翼板的尺寸较小，仅需要改装已有沉桩设备即能完成打桩工序，无需定制新的沉桩设备；堆石体是堆石料自由密实堆积而成，无需对地基土体进行整平、除淤，同时根据现场条件，可以通过水下自流可控灌浆技术将堆石体胶结形成具有高透水性的胶结堆石体、结构化胶结堆石体，进一步提高原始堆石体的强度和抗冲刷性。因此，本发明提出的海上风电单桩-翼板-堆石体复合基础的施工方法具有施工简单、快捷、灵活多变等优点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为发明工作状态图。
图3为图2的A-A处剖视示意图。
图4为本发明翼板的结构示意图。
图中：单桩1，翼板2，堆石体3。
具体实施方式
如图1-图4中，一种海上风电单桩-翼板-堆石体复合基础，它包括单桩1、翼板2和堆石体3；所述多个翼板2与单桩1连接固定，堆石体3环绕于单桩1的周围，翼板2上端位于堆石体3内部，翼板2的下端位于海床持力层；所述堆石体3是由堆石料密实堆积于桩身附近海床得到；所述翼板2为非规则的锥形板。通过在单桩1附近海床设置堆石体3强化桩周土体，提高桩周土体承载能力，阻挡波浪、海流对海床土体的冲刷，保证机组安全稳定运行；锥形结构的翼板2焊接于单桩1，上端位于堆石体3内部，下端位于海床持力层，既能利用桩周土体抗力，又能充分调动堆石体3的摩擦力，提高桩基水平承载力，降低桩基水平位移、桩身变形和弯曲。
优选地，多个所述的翼板2呈对称放射状与单桩1的外壁焊接。翼板2焊接位置取决于海床地质条件和水平承载力提升幅度，翼板2的上端位于堆石体3内部，翼板2的下端位于海床持力层，翼板2以桩轴为中心对称布置，有利于保证在水平荷载作用下桩身位移和变形的均匀性。值得说明的是，翼板2的上端在堆石体内部的受力机制、翼板2整体的受力模式是基于大量的实践、数值仿真、室内试验得出的最优结果。
优选地，翼板2的对数与海上风电场主风向数相同，且每对翼板2法向方向均对应海上风电场一个主风向。海上风电场一般具有2-3个主风向，而桩基承受的水平荷载大部分来源于风荷载的作用，当翼板2的对数与海上风电场主风向数相同，且每对翼板2法向方向对应一个主风向时，则在任意主风向荷载作用下，翼板2均能最大限度地提供水平承载力，降低桩身位移、变形和弯矩，有效提高翼板2的使用效率。值得说明的是，翼板2的法向方向与主风向平行是通过大量数值模拟和试验得出的有益结论。
优选地，堆石体3的填筑材料为宽级配散粒体堆石料，通过管道输送方式密实堆积于单桩1附近海床。堆石料为散粒材料，可以适应不同的海床表面地形，避免了刚性重力式基础在施工前，需要对海床进行整平、除淤。堆石料在自重作用下会形成锥体的堆石体结构。宽级配散粒堆石料不是常规的单一级配堆石料，而是根据堆石体堆积结构配制的堆石料，宽级配堆石料抗冲刷性能优于常规堆石料，且结构更加稳定，适应地基变形能力更强，同时宽级配堆石料便于后续灌浆加固等措施。
优选地，堆石体3采用水下自流可控灌浆技术，胶结形成具有高透水性胶结堆石体、结构化胶结堆石体的一种。灌浆胶结形成的胶结堆石体、结构化胶结堆石体具有更好的力学性能，其抗冲刷效果优于常规堆石体，适用于波浪、海流冲刷严重的海域。
优选地，翼板2上端锥体部分的锥尖截断。锥形结构的翼板2既能保证自身强度和刚度，又能节约材料成本，减轻翼板的自重，同时降低翼板与桩身连接处的应力集中，优化翼板和桩身的受力，以及降低翼板表面摩阻力对沉桩过程的影响。
在本发明的另一方面，提出了一种海上风电单桩-翼板-堆石体复合基础的施工方法，根据本发明的实施例，该施工方法主要包括以下步骤：
S1：首先根据波浪、海流的冲刷范围确定堆石体3底部堆积半径，其次根据堆石料的力学参数确定堆石体3的高度，最后根据海上风机组合式单桩基础垂直和水平承载力需求、水文气象信息、堆积体3下方地基土体的力学性质，通过理论分析、数值迭代计算确定单桩1直径和长度、翼板2尺寸，预制单桩1和翼板2并将翼板2固定于单桩1的外壁；
S2：利用改装的沉桩设备将带翼板2的单桩1打到设计锚固深度，翼板2的下端位于海床持力层；
S3：采用专用管道，将宽级配散粒堆石料输送到单桩1附近海床堆积区，堆石料自由密实堆积成锥体结构，翼板2的上端位于堆石体3的内部。
所述步骤S3还包括，采用水下自流可控灌浆技术将堆石体3胶结形成具有高透水性的胶结堆石体、结构化胶结堆石体。
如上所述的海上风电单桩-翼板-堆石体复合基础，在单桩1附近海床设置堆石体3强化桩周土体，提高桩周土体承载能力，阻挡波浪、海流对海床土体的冲刷，保证机组安全稳定运行；翼板2与单桩1焊接，上端位于堆石体3内部，下端位于海床持力层，充分调动堆石体3的摩擦力和桩周土体抗力，提高桩基水平承载力，降低桩基水平位移、桩身变形和弯曲；锥形结构的翼板2优化翼板2和桩身1的受力模式，降低翼板与桩身连接处的应力集中和疲劳荷载。此外，堆石体的设置，可以减小翼板的尺寸，改变翼板受力机制，最大限度降低翼板的安装、运输和施工难度，同时提高翼板的实际利用效率。通过单桩、翼板和堆石体/胶结堆石体/结构化胶结堆石体的协同作用，使本发明的单桩-翼板-堆石体复合基础适用于深水浅覆盖层的海床，避免嵌岩桩施工，降低海上风电场建设成本。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种海上风电单桩-翼板-堆石体复合基础，其特征是：它包括单桩（1）、翼板（2）和堆石体（3）；所述多个翼板（2）与单桩（1）连接固定，堆石体（3）环绕于单桩（1）和翼板（2），翼板（2）上端位于堆石体（3）内部，翼板（2）的下端位于海床持力层；所述堆石体（3）是由宽级配堆石料密实堆积于桩身附近海床得到；所述翼板（2）为非规则的锥形板。
2.根据权利要求1所述的海上风电单桩-翼板-堆石体复合基础，其特征是：所述单桩（1）为大直径钢管，多个所述的翼板（2）呈对称放射状焊接于单桩（1）的外壁。
3.根据权利要求2所述的海上风电单桩-翼板-堆石体复合基础，其特征是：所述翼板（2）的对数与海上风电场主风向数相同，且每对翼板（2）法向方向均对应海上风电场一个主风向。
4.根据权利要求1所述的海上风电单桩-翼板-堆石体复合基础，其特征是：所述堆石体（3）的填筑材料为宽级配散粒堆石料，通过专用管道输送方式密实堆积于单桩（1）附近海床，所述堆石体（3）的堆积结构呈锥体。
5.根据权利要求4所述的海上风电单桩-翼板-堆石体复合基础，其特征是：所述堆石体（3）可以采用水下自流可控灌浆技术，形成具有高透水性的胶结堆石体、结构化胶结堆石体。
6.根据权利要求1所述的海上风电单桩-翼板-堆石体复合基础，其特征是：所述翼板（2）上端锥体部分的锥尖截断。
7.权利要求1-6任意一项所述海上风电单桩-翼板-堆石体复合基础的施工方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
S1：首先根据波浪、海流的冲刷范围确定堆石体底部堆积半径，其次根据堆石料的力学参数确定堆石体（3）的高度，最后根据海上风机组合式单桩基础垂直和水平承载力需求、水文气象信息、堆积体下方地基土体的力学性质，通过理论分析、数值迭代计算确定单桩（1）直径和长度、翼板（2）尺寸，预制单桩（1）和翼板（2），并将翼板（2）固定于单桩（1）的外壁；
S2：利用改装的沉桩设备将带翼板（2）的单桩（1）打到设计锚固深度，翼板（2）的下端位于海床持力层；
S3：采用专用管道，将宽级配散粒堆石料输送到单桩（1）附近海床堆积区，堆石料自由密实堆积成锥体结构，翼板（3）的上端位于堆石体（1）的内部。
8.根据权利要求7所述的海上风机组合式单桩基础的施工方法，其特征在于：所述步骤S3还包括，采用水下自流可控灌浆技术将堆石体（3）胶结形成具有高透水性的胶结堆石体、结构化胶结堆石体。
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