CN112012237A - 一种海上风机多筒加固的复合式单桩基础及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种海上风机多筒加固的复合式单桩基础及施工方法，包括单桩、摩擦盘、多个吸力筒，该施工方法包括以下过程：1)漂浮拖运：使摩擦盘承载初装在其上的多个吸力筒通过漂浮方式托运到大概位置；2)下锚定位和释放浮力下沉：采用小船锚定大概位置设置定位锚，收放绳索，托运船拖动摩擦盘定位释放浮力下沉；3)负压沉筒：抽取吸力筒内的水，实现负压下沉吸力筒至设置位置，并固定；4)安装平台就位定位打桩：由海上安装平台将单桩沉桩至设计位置，将单桩穿过摩擦盘进入淤泥质土，进而插入下部持力砂土层，顶在基岩位置；打桩到位后，将单桩和摩擦盘固定。该基础更加经济承载能力更好，尤其适用于针对上覆层薄弱且基岩较浅的地质条件。

Description

一种海上风机多筒加固的复合式单桩基础及施工方法

技术领域

本发明涉及海洋岩土技术领域，具体为一种海上风机多筒加固的复合式单桩基础及施工方法。

背景技术

本发明是在海上风机单桩的设计基础上，充分优化改进，达到更加经济承载能力更好的目的。

海上风机单桩基础施工简单，适用水深范围大是现在使用范围最广的风电基础形式之一。但其刚度较小，受到外力基础变形较大。为了达到设计规范变形要求往往使用大直径单桩增加基础刚度，但是工程造价和施工难度也随之增加。通过复合单桩基础达到增加基础刚度和承载力是一条新思路，复合单桩基础可以有效的增加基础刚度和承载力。但是，目前的复合基础形式增加的基础刚度和承载力有限，不能有效地减少桩身长度，在广州、福建近海地区分布大面积的浅覆盖层使用单桩基础和目前的复合单桩基础经常不可避免嵌岩施工，使安装难度和安装成本大幅度提高。

发明内容：

本发明的目的是，提供一种海上风机多筒加固的复合式单桩基础及施工方法，在海上风机单桩的设计基础上，充分优化改进，达到更加经济承载能力更好的目的。广泛适用于多种复杂地质工况，尤其针对上覆层薄弱且基岩较浅的地质条件。这种新型基础也适用于传统水平轴发动机和新型垂直轴风力发电机。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种海上风机多筒加固的复合式单桩基础的施工方法，包括单桩、摩擦盘、多个吸力筒，其特征在于，该施工方法包括以下过程：

1)漂浮拖运：使摩擦盘承载初装在其上的多个吸力筒通过漂浮方式托运到大概位置；

2)下锚定位和释放浮力下沉：采用小船锚定大概位置设置定位锚，收放绳索，托运船拖动摩擦盘定位释放浮力下沉；

3)负压沉筒：抽取吸力筒内的水，实现负压下沉吸力筒至设置位置，并固定；

4)安装平台就位定位打桩：由海上安装平台将单桩沉桩至设计位置，将单桩穿过摩擦盘进入淤泥质土，进而插入下部持力砂土层，顶在基岩位置；

打桩到位后，将单桩和摩擦盘固定。

在单桩和摩擦盘固定好后，在摩擦盘顶面上铺设防冲刷砾石；然后通过向吸力筒内部注入混凝土，使吸力筒内部由混凝土和淤泥密实填充。

为了保证漂浮托运的安全性在摩擦盘周围外设托运气囊保证托运安全，以抵抗突发情况，如海上风浪等未知情况。

本发明还保护一种海上风机多筒加固的复合式单桩基础，该基础包括单桩2、摩擦盘1 和多个吸力筒3；

所述摩擦盘上设置有中心筒，以中心筒为中心呈圆周均匀分布多个吸力筒套筒；中心筒和吸力筒套筒之间、环形钢板与中心筒和吸力筒套筒三者之间均通过刚性构件固定在一起；中心筒内固定安装单桩，吸力筒套筒内安装吸力筒3，在安装过程中吸力筒与吸力筒套筒没使用连接构件连接吸力筒能在外力作用下沿吸力筒套筒的轴向运动。

所述吸力筒上部封闭，并在上部顶端留设吸水孔，由电磁阀控制吸水孔的开闭，吸力筒的顶部侧面设置有定位螺孔3-3，通过定位螺栓将吸力筒与吸力筒套筒固定在一起，吸力筒的下部设有定位销3-1，用于未沉筒时将吸力筒初步顶紧在吸力筒中，在受到较大外力时吸力筒能克服定位销的顶紧力，沿轴向向下运动。

所述摩擦盘整体呈圆台型，包括环形钢板1-6，中心筒位于环形钢板的中心，在环形钢板上避开中心筒和吸力筒套筒的区域浇筑混凝土层，环形钢板包裹在混凝土中，使其整体形成圆台状，摩擦盘的下沿设置有包角扁铁，摩擦盘的中心断面呈梯形与矩形拼接的形状，梯形的下底与矩形的长边相等，在梯形上端变截面处离心方向45°冲剪破坏面上设置吸力筒套筒。

所述吸力筒内部安装有反滤装置，所述反滤装置包括土工布过滤层；吸力筒的数量优选为3-6个。

在摩擦盘内还加设有抗弯钢筋、抗裂钢筋，摩擦盘及单桩、吸力筒中全浸区采用涂层保护、涂层保护联合阴极保护，涂层保护为热喷涂金属。

吸力筒的下端与吸力筒套筒下端夹紧，在吸力筒未开放筒内空间时，多个吸力筒和摩擦盘的总重力等于摩擦盘负载吸力筒后所产生的浮力；在吸力筒完全开放筒内空间时，所产生的最大浮力大于多个吸力筒和摩擦盘的总重力，保证施工安全；在浮力不足时加设气囊增加浮力。

所述环形钢板底部混凝土保护层厚度

环形钢板上均匀开孔1-5，开孔半径 100mm≤r≤200mm,开孔避开焊接区250毫米范围；中心筒到单桩距离l₁≤350mm。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

本发明的显著进步是：海上风力发电基础建设成本中运维、安装成本占总成本30％左右，特别是安装工程中的运杂费和施工机具使用费成本占比非常高。由于大型运输船和安装平台市场资源有限，在工程抢工期大型船只、施工机械紧俏常常造成停工，影响工程进度的同时消耗了建设投资使投资风险增大，严重时会造成资金链断裂引发严重后果。本发明的运维方法简单而且可节约大量经费，其使用的施工机械普遍，不会发生因施工机具问题造成停工，大大降低施工风险。从以往的风电基础形式对比中看，吸力筒基础比其他基础例如：单桩基础、导管架基础、水上三桩和水下三桩基础的增量投资收益率高。本发明节约大量运维、安装成本其会增量投资收益率更高。相比与其他的基础形式在基础可适用的范围内可行性更高。尤其对于存在浅覆盖层的海洋施工环境，相比于其他基础形式本发明的适用性更好。

本发明的实质性特点是：

1、吸力筒可以控制圆台摩擦盘沉放，易于控制调平。

2、单桩、圆台摩擦盘与吸力筒共同作用，提供了较大的抗弯能力和抗扭能力，使基础适用于水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。

3、吸力筒可以为混凝土圆台摩擦盘提供预压力，摩擦盘盘顶产生负弯矩，可以有效地平衡底部正弯矩，减少底部裂缝。

4、圆台摩擦盘下部沉入淤泥质土中，减少海水的冲刷作用。

4、本发明通过吸力筒，贯穿软弱上覆淤泥质土层至下部良好土层，有效的减小了单桩埋深，降低了施工难度，节约成本。

5、圆台摩擦盘预压淤泥质土，加速淤泥质土的固结。

6、吸力筒负压抽吸过程加速单桩周围土体固结。

7、本发明施工方法简单，只需托运船便可以完成基础的运输和定位，普通打桩船便可以完成施工可以大幅度节约安装成本，同时也降低了施工风险。具体流程在具体实施方式有详细描述。

本发明在海床处安放一个圆台摩擦盘为单桩提供一个抗倾覆力矩，以达到减小桩长的目的，但是对于海床地质复杂的区域，软弱上覆层多为淤泥质土，使圆台摩擦盘无法达到最优作用效果，因此，本发明在摩擦盘上又设计了多个吸力筒，穿过软弱上覆层，达到土质条件较好的土层，为桩-盘的作用效果提供进一步支持。吸力筒同时能够优化施工方法，每个吸力筒分别进行负压沉罐，分别控制在基础沉放时起到调平作用。同时减小沉桩深度，降低沉桩的难度，也有效的节约建造成本。

附图说明

图1为本发明海上风机多筒加固的复合式单桩基础的立体结构示意图；

图2为本发明环形钢板透视图；

图3为本发明俯视图；

图4为本发明漂浮拖运的施工示意图；

图5为下锚定位时的施工示意图；

图6为释放浮力下沉时的施工示意图；

图7为负压沉筒的施工示意图；

图8为安装平台就位等待安装单桩时的施工示意图；

图9为定位打桩时的施工示意图；

图10为单桩安装就位时的施工示意图；

图11为铺设防冲刷砾石时的施工示意图；

图12为单桩与中心筒连接部分的结构示意图；

图13为吸力筒的结构示意图；

图14为吸力筒内浇筑混凝土时的施工示意图；

图15为吸力筒套筒在摩擦盘上的安装位置示意图。

图中，1摩擦盘、2单桩、3吸力筒、1-1中心筒、1-2吸力筒套筒、1-3T钢梁、1-4加劲肋板、1-5开孔、1-6环形钢板、1-7扁铁，3-1定位销、3-2连接螺栓、3-3定位螺孔，2-1连接板螺栓孔、2-2连接板。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明海上风机多筒加固的复合式单桩基础是在海上风力发电机单桩基础上，增加型钢混凝土形式的圆台摩擦盘1和四个吸力筒3。

所述摩擦盘整体(参见图2、图15)呈圆台型，包括环形钢板1-6、中心筒1-1及多个吸力筒套筒1-2，中心筒位于环形钢板的中心，多个吸力筒套筒以中心筒为中心呈圆周均匀分布，中心筒和吸力筒套筒之间、环形钢板与中心筒和吸力筒套筒三者之间均通过刚性构件固定在一起，根据基础尺寸，半径较大的基础刚性构件建议使用格构架，半径较小的基础刚性构件可采用T钢梁；在环形钢板上避开中心筒和吸力筒套筒的区域浇筑混凝土，使其整体形成圆台状，摩擦盘的下沿设置有包角扁铁，摩擦盘的中心断面呈梯形与矩形拼接的形状，梯形的下底与矩形的长边相等，在梯形上端变截面处离心方向45°冲剪破坏面上设置吸力筒套筒，

中心筒内固定安装单桩，吸力筒套筒内安装吸力筒3，吸力筒内部安装有反滤装置，防止抽吸过程中大量泥沙被吸出。

摩擦盘及单桩、吸力筒中采用物理防护和电化学防护，其中物理防护中海工重防腐涂料所采用的一般如聚氨酯、环氧耐磨漆、环氧玻璃鳞片漆、环氧树脂漆、氟碳漆等涂层保护，选用涂料还需从涂膜性能、作业性能和经济合理几个方面综合考虑，电化学防护通常使用阴极保护包括牺牲阳极保护和外加电流保护等防腐蚀方式，根据实际情况的需要选择这两类其中适当的方式，防腐蚀区域需区分大气区、浪溅区(包括水位变动区)、水下区。根据区域特点选择合适的防腐蚀方法。

在摩擦盘内还加设有抗弯钢筋(防止摩擦盘受到负弯矩时斜截面受剪)、抗裂钢筋(防止混凝土上表面在安装过程中开裂)等，提高摩擦盘混凝土的抗裂抗弯性能，视具体设计情况而定。

所述吸力筒上部封闭，并在上部顶端留设吸水孔，并设有电磁阀，电磁阀能够控制吸水孔的开闭，吸力筒的顶部侧面设置有定位螺孔3-3，通过定位螺栓将吸力筒与吸力筒套筒固定在一起，吸力筒的下部设有定位销3-1，用于未沉筒时将吸力筒初步顶紧于吸力筒特定位置处，能随摩擦盘一起漂浮，在受到较大外力时吸力筒能克服定位销的顶紧力，沿轴向向下运动，吸力筒高出环形钢板的高度由具体验算得出，沉筒后吸力筒通过连接螺栓3-2连接到吸力筒套筒上。

本发明中吸力筒的数量优选为3-6个，多个吸力筒联合起来，能够减少单桩长度，单桩打入时顶在基岩上即可，不需要打入基岩中，避免因嵌岩施工导致风险增大和成本增加。

本发明中摩擦盘的形状也可以浇筑成具有变截面的方形或其他不规则形状等。

本发明中吸力筒内部安装反滤装置吸力筒中心应设在变截面处离心方向45°冲剪破坏面上。

本发明海上风机多筒加固的复合式单桩基础的施工方法，该施工方法的步骤是：

3)漂浮拖运：使摩擦盘承载初装在其上的多个吸力筒(此时吸力筒上的吸水孔关闭) 通过漂浮方式托运到大概位置，摩擦盘整体能够在水面上处于漂浮状态，利用普通托运船就可以把基础托运到位，可以大大节省运维费用，如图4所示；

4)下锚定位和释放浮力下沉：改进了之前多船定位的方法，采用小船锚定大概位置设置定位锚，收放绳索，托运船拖动摩擦盘定位释放浮力下沉，如图5、图6所示，类似于托运船带动摩擦盘整体以小船为圆心移动，到达指定位置释放浮力下沉，释放方式即打开吸水孔，使外界水进入吸力筒中；

3)负压沉筒：吸力筒与吸力筒套筒没使用连接螺栓连接时吸力筒可以在吸力筒套筒的轴向往复运动，通过船上的真空泵抽取吸力筒内的水，实现负压下沉吸力筒至设置位置，然后通过连接螺栓将吸力筒固定在吸力筒套筒上。如图7所示，节省经费，不需要起吊船。吸力筒靠近吸水孔位置的内部安装反滤装置(主要由土工织物和砂砾石组成)，防止抽吸过程中大量的泥土被抽吸出筒体，吸力筒穿过淤泥，吸力筒下部内部灌入淤泥，吸力筒上部存在未填充部分；

4)安装平台就位定位打桩：由海上安装平台将单桩沉桩至设计位置，将单桩吊装至摩擦盘的中心筒中，如图8所示。

通过负压抽吸控制单桩沉降过程混凝土摩擦盘始终保持水平，单桩穿过淤泥质土，插入下部持力砂土层，顶在基岩位置(设计位置)并不嵌入基岩中，单桩插入深度更深，如图9 所示；

打桩到位后，使用承压型高强螺栓连接固定在单桩和中心筒上的相应连接板2-2，要求初拧、复拧、终拧24小时内完成如图10所示，图中桩锤、扶正器是沉桩时必备的已有设备。

5)安装定位后，在摩擦盘顶面上铺设防冲刷砾石，如图11；然后通过吸水孔向吸力筒内部注入混凝土，使吸力筒内部混凝土与淤泥接触，更密实，提高自身强度，如图14，安装完毕。

本发明的工作原理和工作流程是：

本发明由单桩、吸力筒基础和型钢混凝土摩擦盘共同承载垂直荷载、水平荷载以及倾覆弯矩，中心筒内壁上设置连接板2-2，单桩2外壁也设置连接板，单桩插入到位后使用承压型高强螺栓将单桩与中心筒连接(连接板为20mm型钢板)，如图12所示。

吸力筒下部开口，上部封闭且上部设有吸水口，开口端有定位销，可以卡住吸力筒套筒。尾部有定位螺栓将吸力筒与吸力筒套筒固定在一起，定位螺栓的数量以及位置依据承载力大小而定，如图13所示。

实施例

本实施例中环形钢板底部混凝土保护层厚度

环形钢板位置高度根据底部冲剪承载力和底部弯距确定，其上垂直焊接四个吸力筒套筒1-2和中心筒1-1，通过刚性构件将四个吸力筒套筒和中心筒固定到环形钢板上，增加整体刚度。环形钢板被混凝土包裹起来形成摩擦盘，环形钢板上均匀开孔1-5，使混凝土粗骨料可以顺利通过，保证预制混凝土的均匀密实，环形钢板和混凝土整体受力，开孔半径100mm≤r≤200mm,开孔避开焊接区250毫米范围。

吸力筒中心应设在变截面处离心方向45°冲剪破坏面上。吸力筒筒顶留设吸水孔，吸力筒高出环形钢板的高度由具体验算得出，沉筒后通过连接构件(连接螺栓)连接到吸力筒套筒上，刚性构件将吸力筒、中心筒、环形底板建议90°直角焊缝满焊连接增加整体刚度，吸力筒和环形底板、中心筒和环形底板建议90°直角焊缝满焊连接，吸力筒除刚性以外另外三个正交方向和中心筒上刚性构件之间对角线上加设底角为45°～60°加劲肋板1-4，中心筒上的连接构件(连接板)通过螺栓连接单桩上焊接的连接构件(连接板)，具体数量尺寸根据荷载大小设计，建议使用承压型高强螺栓，中心筒到单桩距离l₁≤350mm(即二者间距)，且要方便安装施工。吸力筒的设计应该满足：G_盘-F_浮＝f_浮

其中：G_盘是摩擦盘的重力

F_浮是摩擦盘产生的浮力

f_浮是在受力状态下(即打开吸水孔后)所有吸力筒筒内空间产生的浮力之和，f_浮就是吸力筒的产生的总浮力减去总重力；

为了保证漂浮托运的安全性可以在摩擦盘周围外设托运气囊保证托运安全。

本发明中吸力筒的整体设计f_浮接近上述吸力筒的设计要求即可，浮力不足时，可由托运气囊托运到指定位置，以保证托运安全，在打开吸水孔前撤掉托运气囊或者打开吸水孔，吸力筒所受向下的力剧增，穿过土层安装到位后，将托运气囊收回。

根据抗冲剪验算，斜截面受剪承载力验算以及变截面处弯矩。留设抗弯钢筋。根据《建筑地基基础设计规范》GP50007-2002，以及《风力发电机组地基基础设计规范(试行)》FD-003-2007和《混凝土结构设计规范》的裂缝要求，摩擦盘上混凝土内留设抗裂钢筋，混凝土保护层不宜小于70毫米，基础混凝土强度不宜小于C25。有抗冻要求的混凝土抗冻等级由《水工混凝土建筑物抗冻设计规范》DL/T5082规定确定。混凝土摩擦盘下沿使用扁铁包护底脚，防止运输安装过程中碰裂。

本发明将单桩、吸力筒、型钢混凝土摩擦盘三种基础形式结合起来，减少了单桩的长度，这样桩嵌入岩石的长度就会大大减少，同时增加了基础承载力，此外，本发明中单桩和吸力筒相互独立，吸力筒装套在吸力筒套筒上，能够分别控制各个吸力筒的受力，从而能起到摩擦盘调平作用，吸力筒与单桩平行设置，且吸力筒插入深度小于单桩，使单桩能够抵在基岩上即能保证稳固，施工方便，大大减少了施工成本和施工风险。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种海上风机多筒加固的复合式单桩基础的施工方法，包括单桩、摩擦盘、多个吸力筒，其特征在于，该施工方法包括以下过程：

1)漂浮拖运：使摩擦盘承载初装在其上的多个吸力筒通过漂浮方式托运到大概位置；

2)下锚定位和释放浮力下沉：采用小船锚定大概位置设置定位锚，收放绳索，托运船拖动摩擦盘定位释放浮力下沉；

3)负压沉筒：抽取吸力筒内的水，实现负压下沉吸力筒至设置位置，并固定；

4)安装平台就位定位打桩：由海上安装平台将单桩沉桩至设计位置，将单桩穿过摩擦盘进入淤泥质土，进而插入下部持力砂土层，顶在基岩位置；

打桩到位后，将单桩和摩擦盘固定。

2.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于，在单桩和摩擦盘固定好后，在摩擦盘顶面上铺设防冲刷砾石；然后通过向吸力筒内部注入混凝土，使吸力筒内部由混凝土和淤泥填充。

3.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于，为了保证漂浮托运的安全性在摩擦盘周围外设托运气囊保证托运安全，以抵抗突发情况。

4.一种海上风机多筒加固的复合式单桩基础，包括单桩，其特征在于，该基础还包括摩擦盘和多个吸力筒；

所述摩擦盘上设置有中心筒，以中心筒为中心呈圆周均匀分布多个吸力筒套筒；中心筒和吸力筒套筒之间、环形钢板与中心筒和吸力筒套筒三者之间均通过刚性构件固定在一起；中心筒内固定安装单桩，吸力筒套筒内安装吸力筒，吸力筒与吸力筒套筒没使用连接构件连接时吸力筒能在外力作用下沿吸力筒套筒的轴向运动。

5.根据权利要求4所述的基础，其特征在于，所述吸力筒上部封闭，并在上部顶端留设吸水孔，由电磁阀控制吸水孔的开闭，吸力筒的顶部侧面设置有定位螺孔，通过定位螺栓将吸力筒与吸力筒套筒固定在一起，吸力筒的下部设有定位销，用于未沉筒时将吸力筒初步顶紧在吸力筒中，在受到较大外力时吸力筒能克服定位销的顶紧力，沿轴向向下运动。

6.根据权利要求4所述的基础，其特征在于，所述摩擦盘整体呈圆台型，包括环形钢板，中心筒位于环形钢板的中心，在环形钢板上避开中心筒和吸力筒套筒的区域浇筑混凝土层，环形钢板包裹在混凝土中，使其整体形成圆台状，摩擦盘的下沿设置有包角扁铁，摩擦盘的中心断面呈梯形与矩形拼接的形状，梯形的下底与矩形的长边相等，在梯形上端变截面处离心方向45°冲剪破坏面上设置吸力筒套筒。

7.根据权利要求4所述的基础，其特征在于，所述吸力筒内部安装有反滤装置，所述反滤装置包括土工布过滤层；吸力筒的数量优选为3-6个。

8.根据权利要求4所述的基础，其特征在于，在摩擦盘内还加设有抗弯钢筋、抗裂钢筋，摩擦盘及单桩、吸力筒采用物理防护和电化学防护处理。

9.根据权利要求4所述的基础，其特征在于，吸力筒的下端与吸力筒套筒下端夹紧，在吸力筒未开放筒内空间时，多个吸力筒和摩擦盘的总重力等于摩擦盘负载吸力筒后所产生的浮力；在吸力筒完全开放筒内空间时，所产生的最大浮力大于多个吸力筒和摩擦盘的总重力，保证施工安全；在浮力不足时加设气囊增加浮力。

10.根据权利要求6所述的基础，其特征在于，所述环形钢板底部混凝土保护层厚度l≥250mm，环形钢板上均匀开孔，开孔半径100mm≤r≤200mm,开孔避开焊接区250毫米范围；中心筒到单桩距离l₁≤350mm。

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