CN111664060A - 一种海上风机基础防冲刷结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种海上风机基础防冲刷结构，包括套设于桩基外侧且固定于海床面上的环状桩裙，环状桩裙包括可供桩基穿设的安装孔、由安装孔延伸至海床面的高度逐渐降低的冲刷面和设置于冲刷面与海床面连接处的缓冲面。本发明所提供的一种海上风机基础防冲刷结构，通过环状桩裙上设置有冲刷面和缓冲面的斜面与洋流或者潮汐所产生的海水速度变化梯度贴合，使得洋流或者潮汐到达环状桩裙上的速度基本一致，可以最大化的减弱洋流在桩基附近产生桩前漩涡，避免由于漩涡而形成的冲刷坑；本发明所提供的防冲刷结构，结构简单、易于加工、建造成本较低、后期维护方便，防冲刷效果好，保证桩基的承载力和风机运行的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程结构技术领域，尤其是涉及一种海上风机基础防冲刷结构。
背景技术
海上风力资源丰富，风速随高度的变化较小、湍流强度低、海平面摩擦力较小，作用在风力发电机组上的疲劳载荷也较小，并且海上风力发电受噪音、鸟类、电磁波的干扰较小，同时可以不占用陆地的土地资源。因此海上的风力发电成为世界上发展最快的绿色能源技术。
受桩基的阻碍及洋流的速度梯度影响，在海上建设的桩基周围容易产生冲刷，带走桩基周围的泥沙，导致桩身承载力降低、基础倾斜，甚至会产生基础整体倒塌的严重后果。
为了改善海上风机基础桩基被冲刷的问题，现有基础存在以下的做法：
1、在桩基基础周围一定范围内投放混凝土或者铺设砂石，混凝土凝固后的刚度较大，可以保证在使用期限内冲刷不会影响桩基，但是混凝土的投放面积较大，费用成本较高，而且后期维护也比较困难；而铺设砂石形成冲砂面在短时间内的防冲刷效果较好，但是砂石之间不可避免存在间隙，随着洋流和潮汐的日积月累的作用，砂石下方的泥沙还是会被冲刷，石块被破坏导致石块下沉入泥沙层造成防护减弱，为了维持防冲刷效果需要不断的投放砂石进行维护而导致后期的维护成本较高。
2、在桩基基础上设置具有底坎的防冲刷结构，通过底坎的阶梯状结构降低底层洋流的流速，避免底层流速冲刷桩基，并且利用底坎的阶梯状结构来破坏洋流在桩基附近所形成的马蹄涡流。但是具有底坎结构的防冲刷结构在长期的使用过程中，随着时间推移，在底坎上方设置的过流板会促使携带泥沙落淤，使得下方的底坎内堆积砂石，导致阶梯状结构消失，从而无法起到破坏形成的马蹄涡流的作用。
发明内容
本发明的目的在于解决现有海上风机基础防冲刷结构中采用混凝土或者砂石铺设的方案中存在投入成本高、后期维护成本较高的问题，而采用具有底坎配合过流板结构的防冲刷结构中容易在底坎内淤积砂石而导致底坎的阶梯状结构消失而无法起到破坏洋流所形成的马蹄涡流的作用的缺点，提供一种海上风机基础防冲刷结构。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种海上风机基础防冲刷结构，包括套设于桩基外侧且固定于海床面上的环状桩裙，所述环状桩裙包括可供所述桩基穿设的安装孔、由所述安装孔延伸至所述海床面的高度逐渐降低的冲刷面和设置于所述冲刷面与所述海床面连接处的缓冲面。
进一步地，所述环状桩裙的下直径为3-4倍的桩基外径。
进一步地，所述冲刷面与所述海床面之间形成第一夹角，所述缓冲面与所述海床面之间形成第二夹角，所述第二夹角大于所述第一夹角且所述第二夹角小于90°。
具体地，所述第一夹角大于等于13°。
进一步地，所述防冲刷结构还包括至少两个的固定于所述环状桩裙上的扰流板，所述扰流板在竖直方向上垂直于所述冲刷面设置，在水平方向上垂直于所述桩基的外圆周面设置。
具体地，所述扰流板的最高处距离所述海床面的高度为所述桩基的外径的0.7-1倍。
具体地，所述扰流板在所述环状桩裙的径向上的长度为1-2.5倍的桩基外径。
具体地，所述扰流板一侧的侧面与所述桩基的外圆周面贴合。
具体地，所述冲刷面上沿圆周方向均匀分布有六个所述扰流板。
进一步地，每个所述扰流板上设置有至少一个扰流孔，所述扰流孔为穿设于所述扰流板的通孔。
本发明所提供的一种海上风机基础防冲刷结构的有益效果在于：在桩基的底部设置有环状桩裙，该环状桩裙上设置有冲刷面和缓冲面，该冲刷面的斜面和缓冲面的斜面与洋流或者潮汐所产生的海水速度变化梯度贴合，使得洋流或者潮汐到达环状桩裙上的速度基本一致，从而可以最大化的减弱洋流或者潮汐在桩基附近产生桩前漩涡，避免由于漩涡而形成的冲刷坑；同时，在环状桩裙上还设置有扰流板，增大桩基周围的阻力，使得垂直于桩基的漩涡产生方向分离，流速降低，达到分散涡量的目的；环状桩裙与扰流板的共同作用，为桩基提供较好的防冲刷的效果；本发明所提供的防冲刷结构，结构简单、易于加工、建造成本较低、后期维护方便，通过遏止桩基周围洋流或者潮汐的流速避免桩基受到涡流冲刷，保证桩基的承载力和风机运行的可靠性。
附图说明
图1是本发明第一实施例所提供的一种海上风机基础防冲刷结构中环状桩裙的立体结构示意图；
图2是本发明第一实施例所提供的一种海上风机基础防冲刷结构中环状桩裙的全剖图；
图3是本发明第一实施例所提供的一种海上风机基础防冲刷结构安装于桩基上的示意图；
图4是本发明第二实施例所提供的一种海上风机基础防冲刷结构中环状桩裙的全剖图。
图中：100、100’-防冲刷结构、10、10’-环状桩裙、11-安装孔、12-冲刷面、13-缓冲面、20-扰流板、21-第一侧面、22-第二侧面、23-扰流孔、200-桩基、300-海床面、D-桩基外径、D1-环状桩裙的下直径、H1-扰流板距离海床面的高度、L1-扰流板的长度、L2-扰流板距离缓冲面的距离、α-第一夹角、β-第二夹角。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1-图3，为本发明第一实施例所提供的一种海上风机基础防冲刷结构100，该防冲刷结构100设置于海上风机的桩基200底部，通过该防冲刷结构100最大程度上减少桩基200处的桩前涡的产生，有效地阻止桩基200底部形成冲刷坑，保证桩基200在海床面300上的承载力，防止桩基200的倾斜。
进一步地，如图3所示，本发明第一实施例中所提供的一种海上风机基础防冲刷结构100包括套设于桩基200外侧且固定于海床面300上的环状桩裙10和至少两个固定于环状桩裙10上的扰流板20。在本实施例中，如图1所示，该环状桩裙10上设置沿着环状桩裙10的圆周方向均匀分布有六个扰流板20。该防冲刷结构100，该环状桩裙10可以迎合桩基200处的洋流或者潮汐流动存在的速度梯度，使得洋流几乎停滞。该流经扰流板20处的漩涡流，不仅会促使漩涡流的流动方向的分离，还会消耗桩基200周围漩涡的流量从而达到分散涡量的目的。
具体地，如图2所示，该环状桩裙10包括可供桩基200穿设的安装孔11、由安装孔11延伸至海床面300的高度逐渐降低的冲刷面12和设置于冲刷面12与海床面300连接处的缓冲面13。该环状桩裙10套设于桩基200的外圆周面上且位于桩基200与海床面300的连接处。该安装孔11的孔径由加工精度以及安装精度决定。在保证加工精度和安装精度的前提下，该安装孔11的孔径等于桩基外径D。随着加工精度和安装精度的不同，该安装孔11的孔径比桩基外径D大10mm-20mm。在本实施例中，如图2所示该环状桩裙10呈圆锥状结构设置于海床面300上，并且环状桩裙10具有两个不同角度的斜面，由桩基200的外圆周面向外发散的冲刷面12以及由冲刷面12向外发散的缓冲面13。该缓冲面13和冲刷面12的高度由海床面300向上逐渐升高。本发明所提供的防冲刷结构100中，正是通过环状桩裙10上的冲刷面12和缓冲面13的两段式斜面与桩基200周围所能出现撞击的洋流的速度梯度基本贴合，使得洋流由上至下可以几乎同时抵达环状桩裙10上，从而起到同步遏止洋流流动的作用，进而可以最大化的减弱在桩基200处所产生的桩前涡。同时，该冲刷面12由上至下的高度逐渐降低，使得位于上方首先抵达桩基200的洋流在向下流动时产生阻力而不易于向下流动，从而减小桩前涡向下的冲击力，可以避免由于洋流或潮汐的影响而在环状桩裙10处产生桩前坑。本发明所提供的一种海上风机基础防冲刷结构100中，该环状桩裙10上的冲刷面12和缓冲面13均是斜面的设计，在长期使用的过程中既不会因为堆积砂石而造成失效的问题，也不会长期使用而造成下沉的问题，后期的维护成本较低。
进一步地，如图2所示，该环状桩裙10的下直径D1为3-4倍的桩基外径D。该环状桩裙10为耐海水冲刷的刚性结构，在本发明所提供的第一实施例中，该环状桩裙10为实心结构，可以最大程度的保证该冲刷面12和缓冲面13的刚度和稳定性，避免由于洋流的冲击而造成冲刷面12和缓冲面13的形变。而环状桩裙10其下直径D1的大小由桩基200所安装处的洋流或者潮汐所存在的速度梯度决定。洋流由上至下所形成的速度梯度变化越大，对应的环状桩裙10的下直径D1越小。洋流由上至下所形成的速度梯度变化越小，对应的环状桩裙10的下直径D1越大。
进一步地，如图2所示，该环状桩裙10的冲刷面12与海床面300之间形成第一夹角α，缓冲面13与海床面300之间形成第二夹角β，第二夹角β大于第一夹角α且第二夹角β小于90°。该冲刷面12与海床面300之间所形成的第一夹角α大于等于13°。即α≥13°，从而可以满足该冲刷面12可以贴合洋流在高度方向上速度梯度，使得该冲刷面12可以有效地遏止洋流的流动。同时该α＜β＜90°，使得该缓冲面13和冲刷面12之间可以有一定过渡，并且使得该缓冲面13可以更好的满足靠近海床面300处的洋流的速度梯度变化。该第一夹角α和第二夹角β的具体参数由桩基200所安装的海洋环境条件决定。通过预先测量桩基200安装处的海洋环境而确定该冲刷面12和缓冲面13的具体倾斜度。
进一步地，本发明所提供的防冲刷结构100还包括至少两个的固定于冲刷面12上的扰流板20，该扰流板20的设置可以进一步地阻止在桩基200处桩前涡的流动。而该扰流板20的设置数量和设置方式均是由桩基200安装处的环境决定。该扰流板20可以是如图1所示的，沿着该环状桩裙10的圆周方向均匀分布。在本实施例中，该环状桩裙10的冲刷面12上沿圆周方向均匀分布有六个扰流板20。当然，该扰流板20的分布也可以在环状桩裙10的冲刷面12上在洋流容易出现的一侧多分布，另一侧对应的减少分布。而具体该扰流板20的分布数量也是由桩基200处所能产生的桩前涡的流动速度决定。若桩前涡的流速快，则可以相应的增加扰流板20的数量，若流速慢，则可以设置至少两个用于进一步阻止漩涡的流动。一般来说，在环状桩裙10上可以分布2-10个扰流板20用于阻止漩涡的流动，若该扰流板20设置过密也无法起到阻挠漩涡流动的作用。
具体地，本发明所提供的防冲刷结构100中所提供的扰流板20为具有一定厚度的钢板，该扰流板20可以与环状桩裙10一体成型而成，也可以是通过焊接或者铆接、螺钉连接等方式固定于环状桩裙10的冲刷面12上。在扰流板20的固定时，仅需保证该扰流板20在竖直方向上垂直于冲刷面12设置，在水平方向上垂直于桩基200的外圆周面设置即可。该扰流板20在竖直方向上垂直于冲刷面12设置，即每个扰流板20均垂直于海床面300竖直设置，且相邻的扰流板20之间相互平行。而扰流板20在水平方向上垂直于桩基200的外圆周面设置，使得该扰流板20降低垂直于桩基200的漩涡的涡量，使得漩涡流在流经扰流板20后在方向上发生分离，环绕桩基200的漩涡一部分会被外部的洋流带走，一部分通过扰流板20的设置而撞击消耗掉。通过在环状桩裙10上设置扰流板20起到进一步地分散桩基200周围桩前涡的涡量的目的。
具体地，如图2所示，该扰流板20的最高处距离海床面300的高度H1为桩基200的外径的0.7-1倍。该扰流板20和环状桩裙10之和的高度为该扰流板20最高处距离海床面300的高度H1，该高度H1由桩基200处周围海洋环境决定。扰流板20的高度与环状桩裙10的高度基本一致，若该扰流板20的最高处距离海床面300的高度H1较大，则对应需要增加扰流板20的厚度以及刚度，避免由于洋流的冲击而造成扰流板20的形变。若该扰流板20的最高处距离海床面300的高度H1较小，则无法起到阻止桩基200周围漩涡的作用。
具体地，如图2所示，该扰流板20在环状桩裙10的径向上的长度L1为1-2.5倍的桩基外径D。该扰流板20的长度L1过大，对扰流板20的厚度要求越高，即对扰流板20的刚度要求过大，造成扰流板20的重量以及成本的增加。该扰流板20的长度L1过小，在冲刷面12上设置的长度L1不够，无法充分起到阻碍桩基200周围洋流的流动的作用。因此，该扰流板20的长度L1为1-2.5倍的桩基外径D，具体数值由桩基200的安装环境决定。
进一步地，如图2和图3所示，扰流板20一侧的侧面21与桩基200的外圆周面贴合，扰流板20另一侧的侧面22与缓冲面13的距离L2为扰流板20的长度L1的0-0.5倍。即该扰流板20可以由桩基200的外圆周面一直延伸至海床面300处，也可以根据需要缩短至仅仅设置于冲刷面12上。仅需保证该扰流板20的长度L1可以覆盖桩基200外圆周的漩涡流经处即可。
进一步地，如图1所示，每个扰流板20上设置有至少一个扰流孔23，扰流孔23为穿设于扰流板20的通孔。该扰流孔23可以是按照一定规律分布于扰流板20上的多个通孔，也可以是如图1中所示的设置于扰流板20上的一个通孔。该扰流孔23的设置是进一步起到扰流漩涡流动方向和流动速度的作用，对于其设置的方式和设置的数量并不作具体地限制。
参见图4，为本发明第二实施例所提供的一种海上风机基础防冲刷结构100’。本发明所提供的第二实施例与第一实施例的不同在于，在保证环状桩裙10’的冲刷面和缓冲面的整体刚度不会被洋流冲刷产生形变的前提下，该环状桩裙10’的内部可以设置为空心结构。该环状桩裙10’的空心结构可以减轻整个防冲刷结构100’的重量，在保证防冲刷结构100’的防冲刷效果的前提下尽可能的降低成本。
本发明所提供的一种海上风机基础防冲刷结构100(100’)，在桩基200的底部设置有环状桩裙，该环状桩裙上设置有冲刷面12和缓冲面13，该冲刷面12的斜面和缓冲面13的斜面与洋流或者潮汐所产生的海水速度变化梯度贴合，使得洋流或者潮汐产生的海水到达环状桩裙10上的速度基本一致，从而可以最大化的减弱洋流或者潮汐在桩基200附近产生桩前漩涡，避免由于漩涡而形成的冲刷坑；同时，在环状桩裙上还设置有扰流板20，增大桩基200周围的阻力，使得垂直于桩基200的漩涡产生方向分离，流速降低，达到分散涡量的目的；环状桩裙10与扰流板20的共同作用，为桩基200提供较好的防冲刷的效果；本发明所提供的防冲刷结构，结构简单、易于加工、建造成本较低、后期维护方便，通过遏止桩基200周围洋流或者潮汐的流速避免桩基200受到涡流冲刷，保证桩基200的承载力和运行的可靠性，延长桩基200的使用寿命。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种海上风机基础防冲刷结构，其特征在于，包括套设于桩基外侧且固定于海床面上的环状桩裙，所述环状桩裙包括可供所述桩基穿设的安装孔、由所述安装孔延伸至所述海床面的高度逐渐降低的冲刷面和设置于所述冲刷面与所述海床面连接处的缓冲面。
2.如权利要求1所述的一种海上风机基础防冲刷结构，其特征在于，所述环状桩裙的下直径为3-4倍的桩基外径。
3.如权利要求1所述的一种海上风机基础防冲刷结构，其特征在于，所述冲刷面与所述海床面之间形成第一夹角，所述缓冲面与所述海床面之间形成第二夹角，所述第二夹角大于所述第一夹角且所述第二夹角小于90°。
4.如权利要求3所述的一种海上风机基础防冲刷结构，其特征在于，所述第一夹角大于等于13°。
5.如权利要求1所述的一种海上风机基础防冲刷结构，其特征在于，所述防冲刷结构还包括至少两个固定于所述环状桩裙上的扰流板，所述扰流板在竖直方向上垂直于所述冲刷面设置，在水平方向上垂直于所述桩基的外圆周面设置。
6.如权利要求5所述的一种海上风机基础防冲刷结构，其特征在于，所述扰流板的最高处距离所述海床面的高度为所述桩基的外径的0.7-1倍。
7.如权利要求5所述的一种海上风机基础防冲刷结构，其特征在于，所述扰流板在所述环状桩裙的径向上的长度为1-2.5倍的桩基外径。
8.如权利要求7所述的一种海上风机基础防冲刷结构，其特征在于，所述扰流板一侧的侧面与所述桩基的外圆周面贴合。
9.如权利要求5所述的一种海上风机基础防冲刷结构，其特征在于，所述冲刷面上沿圆周方向均匀分布有六个所述扰流板。
10.如权利要求5-9任一项所述的一种海上风机基础防冲刷结构，其特征在于，每个所述扰流板上设置有至少一个扰流孔，所述扰流孔为穿设于所述扰流板的通孔。
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