CN113237612A - 一种模拟海上风机注浆加固的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟海上风机注浆加固的试验装置，试验装置包括水槽和使用时放置在水槽内的筒组件，水槽用于盛装海水；筒组件包括内筒和套装在内筒外部的外筒，内、外筒配合形成环形空间，所述内筒用于模拟风电基础，所述外筒用于模拟加固套筒，所述内筒为一体式结构；筒组件还包括上封堵件和下封堵件，上、下封堵件用于封闭所述环形空间的上下端，以与内、外筒配合形成封闭的注浆内腔；筒组件还包括注浆管，注浆管一端与所述注浆内腔相连，另一端用于与注浆设备相连，以向注浆内腔中注入高聚物浆液。高聚物浆液在此环境下反应所形成的加固体更加接近于实际工况，为后续的各种试验提供了很好的基础。

Description

一种模拟海上风机注浆加固的试验装置

技术领域

本发明涉及一种模拟海上风机注浆加固的试验装置。

背景技术

近年来，随着经济的快速发展，人们对能源的需求越来越多，石油、煤炭等化石能源的使用使全球气候变暖不断加剧。为缓解这一状况，风能、太阳能等清洁能源的研究逐渐成为热点，特别是风电。沿海地区多为经济发达的城市，用电量大、能源消耗快，而我国海域辽阔，拥有丰富的海洋风电资源，海洋风电已得到大规模发展。常规的海洋风电基础有重力式、桩承台结构、单桩结构、三角架结构等，其中单桩结构适用于水深为0-25米的大多数海床。但受海水侵蚀及风力振动的影响，往往需要对海上风电基础进行定期加固维护。常规的方法是在基础周围设置围堰，抽取围堰内海水后浇筑混凝土进行加固，待混凝土凝固后可拆除围堰，但是这种方式耗时耗力。随着非水反应类高分子聚合物注浆材料（以下简称为高聚物浆液）的出现，防水加固工程得到了突飞猛进的发展，这得益于高聚物浆液的无水反应、膨胀力大、早强性、抗震性、耐腐蚀性能优良，为海上风电基础的快速加固提供了新思路，但是每一种施工工艺的提出到推广应用之前都需要多次模型试验的验证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟海上风机注浆加固的试验装置，以模拟高聚物注浆加固的真实使用环境。

为实现上述目的，本发明所提供的模拟海上风机注浆加固的试验装置的技术方案是：一种模拟海上风机注浆加固的试验装置，包括：

水槽和使用时放置在水槽内的筒组件，水槽用于盛装海水；

筒组件包括内筒和套装在内筒外部的外筒，内、外筒配合形成环形空间，所述内筒用于模拟风电基础，所述外筒用于模拟加固套筒，所述内筒为一体式结构；

筒组件还包括上封堵件和下封堵件，上、下封堵件用于封闭所述环形空间的上下端，以与内、外筒配合形成封闭的注浆内腔；

注浆管，一端与所述注浆内腔相连，另一端用于与注浆设备相连，以向注浆内腔中注入高聚物浆液。

有益效果：通过水槽内的海水来真实模拟海洋环境，内筒用来模拟风电基础，外筒用来模拟加固套筒，上、下封堵件为高聚物浆液提供了封闭的注浆内腔，给高聚物浆液进行反应加固提供了基础。本发明的试验装置能够真实模拟实际桩基加固时的环境，高聚物浆液在此环境下反应所形成的加固体更加接近于实际工况，为后续的各种试验提供了很好的基础。

优选地，所述上封堵件和下封堵件为活动放置在所述环形空间内的环形布袋，环形布袋中可充入流体后涨开以与内筒、外筒贴合接触，在流体排出后可收缩而与内筒、外筒分离。通过向环形布袋中充入流体以及将环形布袋中的流体排出，来使环形布袋扩张和收缩，使用较为方便，也方便后续进行密封试验。

优选地，筒组件还包括布置在两环形布袋相背一侧的限位环，所述限位环连接在外筒和内筒之间，所述限位环用于防止所述环形布袋被高聚物浆液挤出所述环形空间。一方面，限位环连接在外筒和内筒之间，能够提高筒组件的整体强度；另一方面，能够防止环形布袋被挤出，保证能够形成封闭的注浆内腔。

优选地，试验装置还包括封装在环形空间上端和下端的盖板，所述盖板位于两环形布袋的相背一侧，所述盖板用于在环形布袋收缩后封闭环形空间；

试验装置还包括连接在所述外筒上的进水管，进水管用于与水泵相连，以向由高聚物浆液形成的加固体的其中一端泵入液体；

试验装置还包括出水管，进水管和出水管分置在所述加固体的两侧，所述出水管设于所述外筒上或相应端的盖板上，出水管用于将液体引导至称量部件中，以对经所述加固体渗出的液体进行称量。设置盖板以及进、出水管后，能够对加固体进行密封试验。

优选地，所述盖板顶压在所述内筒和外筒的端面上；

试验装置还包括拉紧两盖板的螺杆。通过螺杆来拉紧两个盖板，方便盖板的安装，有利于保证盖板与内筒、外筒的密封配合。

优选地，所述盖板与内筒、外筒之间设有密封件。

优选地，所述外筒包括沿周向分体布置的至少两个外筒分瓣，各外筒分瓣对合形成所述外筒；

试验装置还包括用于箍紧各外筒分瓣的抱箍。外筒分体布置，方便进行拆装，便于对高聚物浆液反应后形成的加固体进行去除。

优选地，试验装置包括止水结构，止水结构用于对各相邻外筒分瓣之间的缝隙进行封堵，以防止高聚物浆液渗漏。设置止水结构后能够防止高聚物浆液渗漏，保证试验正常进行。

优选地，所述止水结构包括设于各相邻外筒分瓣周向端面的密封板放置槽，相邻外筒分瓣的所述密封板放置槽配合形成上下延伸的通孔，止水结构还包括插入通孔内的密封板，所述密封板与外筒分瓣贴合。

优选地，所述注浆管设有至少两根，各注浆管均连接在所述外筒上；

使用时，其中至少一根注浆管用于排气和/或排水，且该注浆管用于与注浆设备相连，以补注高聚物浆液。通过设置至少两根注浆管，一方面便于在一次注浆时排气和/或排水，另一方面方便进行二次补注高聚物浆液。

附图说明

图1为本发明所提供的模拟海上风机注浆加固的试验装置实施例1的示意图；

图2为图1中环形布袋的示意图；

图3为图1中外筒与抱箍的配合示意图；

图4为本发明所提供的模拟海上风机注浆加固的试验装置实施例1中进行密封试验时的示意图（图中未显示吊耳和抱箍）；

图5为图4中下盖板的示意图；

图6为本发明所提供的模拟海上风机注浆加固的试验装置实施例10的示意图；

附图标记说明：

1、第一注浆设备；2、第一注浆管；3、水槽；4、锥形螺帽；5、筒组件；6、第一阀门；7、抱箍；8、内筒；9、外筒；91、外筒分瓣；92、密封板放置槽；93、密封板；10、排水管；11、第二阀门；12、注浆接头；13、吊耳；14、第二注浆管；15、第二注浆设备；16、海水；17、环形布袋；18、高强螺栓；19、高强螺帽；20、垫片；21、加固体；22、上盖板；23、密封件；24、螺杆；25、下盖板；26、出水管；27、天平；28、存水杯；29、水箱；30、抽水管；31、水泵；32、第三阀门；33、压力表；34、进水管；35、螺钉穿孔；36、出水孔；37、限位环；38、限位环固定螺钉。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“设有”应做广义理解，例如，“设有”的对象可以是本体的一部分，也可以是与本体分体布置并连接在本体上，该连接可以是可拆连接，也可以是不可拆连接。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明所提供的模拟海上风机注浆加固的试验装置的具体实施例1：

如图1至图5所示，模拟海上风机注浆加固的试验装置（以下简称为试验装置）能够模拟非水反应类高分子聚合物注浆材料（高聚物浆液）在实际使用时的环境，待高聚物浆液完全反应后，能够取样进行力学性能的测试，也能进行密封试验。

如图1至图3所示，试验装置包括水槽3，水槽3为上端开口的结构，方便起吊筒组件5，试验装置还包括筒组件5，筒组件5在试验时放置在水槽3中。筒组件5包括内筒8和套装在内筒8外部的外筒9，内筒8和外筒9之间形成有环形空间，其中，内筒8用来模拟风电基础，外筒9用来模拟基础注浆时的加固套筒。内筒8为一体式的、上下贯通的筒体，而外筒9为分体式的结构。外筒9的结构如图3所示，外筒9包括沿周向分体的两个外筒分瓣91，两个外筒分瓣91对合拼成完整封闭的外筒9，两个外筒分瓣91之间有缝隙，为了防止高聚物浆液由缝隙中流出，在外筒分瓣91的端面上均开设有上下延伸的密封板放置槽92，两个外筒分瓣91的密封板放置槽92对合形成上下贯通的通孔。在该通孔中穿入密封板93，此处的密封板93采用软质材料制成，插入通孔后能够与外筒分瓣91进行贴合以实现密封。

为防止两个外筒分瓣91相互分离，在外筒9的外部有抱箍7，抱箍7的内径略小于外筒9的外径，抱箍7沿上下方向间隔排布有三个，抱箍7通过高强螺栓18、高强螺帽19和垫片20将外筒9箍紧。

如图1所示，在由内筒8和外筒9形成的环形空间的上端和下端分别有封堵件，定义两个封堵件分别为上封堵件和下封堵件，两个封堵件将环形空间的上端和下端封堵，与内筒8和外筒9配合形成封闭的注浆内腔。为向注浆内腔中注入高聚物浆液，在外筒9上沿周向对称分布有两个注浆接头12，注浆接头12连通外筒9内外，注浆接头12用来与注浆管相连，注浆接头12的背向外筒9的一端为锥形外螺纹。在其中一个注浆接头12上连接有第一注浆管2，在另一个注浆接头12上连接有第二注浆管14，具体地，在注浆管（包括第一注浆管2和第二注浆管14）上转动安装有锥形螺帽4，锥形螺帽4旋装在注浆接头12的锥形外螺纹上，实现注浆管和注浆接头12的相连。

其中，注浆管为外径8毫米、壁厚1毫米的国标镀锌注浆管，可以弯曲，注浆管的一端与注浆接头12相连，另一端为注浆口。第一注浆管2的注浆口连接有第一注浆设备1，第二注浆管14的注浆口连接有第二注浆设备15。注浆设备可以采用申请公布号为CN103276735A的中国发明专利申请中的集成式高聚物注浆系统。

如图1所示，此处的封堵件为环形布袋17，环形布袋17为环形结构，外环上连接有第一阀门6，使用时，向环形布袋17中泵入流体后，能够将环形布袋17撑开，使环形布袋17与内筒8、外筒9紧密接触，将环形空间的上端和下端封闭，此处的流体可以为液体，也可以为气体。为方便第一阀门6的伸出，在外筒9的对应位置处开设有阀门穿孔（图中未标记），供第一阀门6穿过。将环形布袋17中的液体排出后，环形布袋17能够收缩，与内筒8、外筒9分离。

本实施例中的注浆材料为非水反应类高分子聚合物，具有非水反应、早强（1分钟便可达到90%的强度）、膨胀力大、耐腐蚀等性能。

同时，如图1所示，在水槽3的底部安装有排水管10和控制排水管10通断的第二阀门11，通过排水管10能够控制水槽3的液位。在水槽3中装有海水（或利用海盐制造的海水），通过冰块对海水进行降温，水温控制在5°C左右。

在外筒9上固定有吊耳13，方便对筒组件5进行吊装。

本发明的使用步骤如下：

1）将外筒9套在内筒8外部，将密封板93插入密封板放置槽92内，将三个抱箍7上下等距套在外筒9上并箍紧。

2）将环形布袋17放入环形空间中，第一阀门6穿过外筒9的阀门穿孔，将流体充入环形布袋17中使环形布袋17与内筒8和外筒9贴合接触，实现封堵。

3）将注浆接头12与注浆管连接在一起，在水槽3中倒入海水16和冰块，通过排水管10和第二阀门11控制水槽3液面高度，待温度达到5°C时立即通过起吊机械将筒组件5吊入水槽3中，将第一注浆设备1与第一注浆管2连接好，第二注浆管14不与第二注浆设备15相连，根据设定的注浆量进行注浆，此时的第二注浆管14作为排气排水管。由于注浆材料在较短的时间内即发生反应并凝固，先进入注浆内腔中的注浆材料可能先行凝固。待第一注浆设备1注浆完毕后，根据第二注浆管14的高聚物浆液凝固状态可以利用第二注浆设备15适当补充注浆。

4）待高聚物浆液完全反应后，将筒组件5吊出水槽3，可以进行后续的试验。

本实施例中，步骤4）中，将筒组件5吊出水槽3之后，需要先进行密封试验，对加固体21以及加固体21与内筒8、外筒9之间的密封性能进行测试，再取样进行力学性能测试，评估加固强度。

为进行密封试验，如图4和图5所示，试验装置还包括扣在内筒8、外筒9顶部的上盖板22和扣在底部的下盖板25，上盖板22为完整封闭的板体，下盖板25中间有出水孔36，用来排出透过加固体21的水。为将上盖板22和下盖板25固定在内筒8和外筒9上，在上盖板22和下盖板25上开设有螺钉穿孔35，同时在盖板与内筒8和外筒9之间压装有密封件23，此处的密封件23可以为密封圈，也可以为密封垫。在上盖板22和下盖板25之间连接有螺杆24，并配备有螺帽，通过螺杆24来拉紧上盖板22和下盖板25。

如图4所示，在外筒9上于环形布袋17的上方开设有进水口，进水口上连接有进水管34，进水管34上安装有压力表33和第三阀门32，压力表33用来进行测压。试验装置还包括水箱29和水泵31，水泵31通过抽水管30抽吸水箱29内的液体并通过进水管34泵向内外筒之间的环形空间中。在下盖板25中穿装有出水管26，出水管26连通环形空间，出水管26的另一端连接有存水杯28，对存水杯28下方有天平27，用来称量。

理想情况下，水无法通过加固体21，实际上，只要设定时间内出水量在一定的范围之内，即认为密封性良好。

待进行密封试验后，将外筒9拆开，对加固体21进行取样，进行力学性能的测试。应当说明的是，在进行密封试验时，需要将环形布袋17收缩，以供液体通过。

本实施例中，外筒分瓣91上开设的密封板放置槽92以及密封板93用来对相邻外筒分瓣91之间的缝隙进行封闭，从而形成止水结构。

应当说明的是，本实施例中，待高聚物浆液反应形成加固体后，再加装盖板等结构。在实际使用时，也可以先加装盖板等结构，然后再放入水槽内进行模拟反应，此时的进水管和出水管需设计为分段结构，仅保留与外筒或盖板相连的一部分，与外筒和盖板一起放入水槽中。

其中，天平27和存水杯28形成了称量部件，用来对出水管26排出的液体进行称量，以定量分析加固体的密封性能。

本发明模拟海上风机注浆加固的试验装置的具体实施例2：

实施例1中，吊耳安装在外筒上。本实施例中，吊耳可以安装在内筒上。其他实施例中，可以在外筒和内筒上均设置吊耳。

本发明模拟海上风机注浆加固的试验装置的具体实施例3：

实施例1中，注浆管有两根。本实施例中，注浆管可以有三根或者三根以上，使用时保留其中一根进行排气排水即可，而排气排水需要根据实际情况来定，若环形空间内仅有水，则用来排水，若仅有空气，则用来排气。当然，其他实施例中，注浆管可以仅有一根，此时为了排气排水，需要另外设置排气排水管与环形空间相连通。

本发明模拟海上风机注浆加固的试验装置的具体实施例4：

实施例1中，止水结构包括密封板放置槽和密封板。本实施例中，止水结构可以为止水贴，止水贴可以贴在缝隙的外侧，也可以贴在缝隙的内侧，或者内外侧均贴。

本发明模拟海上风机注浆加固的试验装置的具体实施例5：

实施例1中，外筒包括两个外筒分瓣。本实施例中，外筒分瓣的数量可以进行增加，可以为三个或三个以上。当然，其他实施例中，外筒可以为一个整体，此时，试验完成需要将加固体去除时，可以由环形空间的上端和下端进行去除。

本发明模拟海上风机注浆加固的试验装置的具体实施例6：

实施例1中，盖板顶压在内筒和外筒的端面上，并且用螺杆进行拉紧。本实施例中，盖板单独用螺栓压紧在内筒和外筒的端面上，不再采用螺杆拉紧。或者，其他实施例中，可以在内筒外周和/或外筒内周上设置台阶，盖板固定在台阶上，从而对环形空间的上端和下端进行封堵。

本发明模拟海上风机注浆加固的试验装置的具体实施例7：

实施例1中，出水管连接在盖板上。本实施例中，出水管可以连接在外筒上。

本发明模拟海上风机注浆加固的试验装置的具体实施例8：

实施例1中，称量部件为天平和存水杯。本实施例中，称量部件可以仅包括量杯，量杯上有刻度，通过读取刻度值能够计算得出排水量。

本发明模拟海上风机注浆加固的试验装置的具体实施例9：

实施例1中，为进行密封试验，试验装置还包括盖板、进水管、出水管等。当不需要进行密封试验时，可以将盖板等部件取消。此时的上封堵件和下封堵件可以为盖板，盖板封闭环形空间的上端和下端。此时的盖板，可以分体可拆固定在内筒和外筒上，以便于进行重复使用，也可以直接焊接在内筒和外筒上。

本发明模拟海上风机注浆加固的试验装置的具体实施例10：

如图6所示，当环形布袋17内充入流体（尤其是气体）后，环形布袋17与内筒8和外筒9贴合，为了防止环形布袋17在高聚物膨胀力作用下被挤出，在两个环形布袋17相背的两侧布置有限位环37，限位环37通过限位环固定螺钉38连接在外筒9和内筒8之间，此处限位环37有两个作用，一方面能够连接外筒9和内筒8，提高整体的强度，另一方面也可以避免环形布袋17在高聚物膨胀力作用下被挤出，提高加固体的强度。

在进行密封试验时，将限位环37拆除，并增加上、下盖板来进行密封试验，当不需要进行密封试验时，限位环37则在进行取样试验时取下，当然，其他实施例中，当不需要进行密封试验时，限位环可以焊接在外筒和内筒上。

最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行不需付出创造性劳动的修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟海上风机注浆加固的试验装置，其特征在于：包括：

水槽（3）和使用时放置在水槽（3）内的筒组件（5），水槽（3）用于盛装海水（16）；

筒组件（5）包括内筒（8）和套装在内筒（8）外部的外筒（9），内、外筒配合形成环形空间，所述内筒（8）用于模拟风电基础，所述外筒（9）用于模拟加固套筒，所述内筒（8）为一体式结构；

筒组件（5）还包括上封堵件和下封堵件，上、下封堵件用于封闭所述环形空间的上下端，以与内、外筒配合形成封闭的注浆内腔；

注浆管，一端与所述注浆内腔相连，另一端用于与注浆设备相连，以向注浆内腔中注入高聚物浆液。

2.根据权利要求1所述的模拟海上风机注浆加固的试验装置，其特征在于：所述上封堵件和下封堵件为活动放置在所述环形空间内的环形布袋（17），环形布袋（17）中可充入流体后涨开以与内筒（8）、外筒（9）贴合接触，在流体排出后可收缩而与内筒（8）、外筒（9）分离。

3.根据权利要求2所述的模拟海上风机注浆加固的试验装置，其特征在于：筒组件（5）还包括布置在两环形布袋（17）相背一侧的限位环（37），所述限位环（37）连接在外筒（9）和内筒（8）之间，所述限位环（37）用于防止所述环形布袋（17）被高聚物浆液挤出所述环形空间。

4.根据权利要求2所述的模拟海上风机注浆加固的试验装置，其特征在于：试验装置还包括封装在环形空间上端和下端的盖板，所述盖板位于两环形布袋（17）的相背一侧，所述盖板用于在环形布袋（17）收缩后封闭环形空间；

试验装置还包括连接在所述外筒（9）上的进水管（34），进水管（34）用于与水泵（31）相连，以向由高聚物浆液形成的加固体（21）的其中一端泵入液体；

试验装置还包括出水管（26），进水管（34）和出水管（26）分置在所述加固体（21）的两侧，所述出水管（26）设于所述外筒（9）上或相应端的盖板上，出水管（26）用于将液体引导至称量部件中，以对经所述加固体（21）渗出的液体进行称量。

5.根据权利要求4所述的模拟海上风机注浆加固的试验装置，其特征在于：所述盖板顶压在所述内筒（8）和外筒（9）的端面上；

试验装置还包括拉紧两盖板的螺杆（24）。

6.根据权利要求5所述的模拟海上风机注浆加固的试验装置，其特征在于：所述盖板与内筒（8）、外筒（9）之间设有密封件（23）。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的模拟海上风机注浆加固的试验装置，其特征在于：所述外筒（9）包括沿周向分体布置的至少两个外筒分瓣（91），各外筒分瓣（91）对合形成所述外筒（9）；

试验装置还包括用于箍紧各外筒分瓣（91）的抱箍（7）。

8.根据权利要求7所述的模拟海上风机注浆加固的试验装置，其特征在于：试验装置包括止水结构，止水结构用于对各相邻外筒分瓣（91）之间的缝隙进行封堵，以防止高聚物浆液渗漏。

9.根据权利要求8所述的模拟海上风机注浆加固的试验装置，其特征在于：所述止水结构包括设于各相邻外筒分瓣（91）周向端面的密封板放置槽（92），相邻外筒分瓣（91）的所述密封板放置槽（92）配合形成上下延伸的通孔，止水结构还包括插入通孔内的密封板（93），所述密封板（93）与外筒分瓣（91）贴合。

10.根据权利要求1-6中任意一项所述的模拟海上风机注浆加固的试验装置，其特征在于：所述注浆管设有至少两根，各注浆管均连接在所述外筒（9）上；

使用时，其中至少一根注浆管用于排气和/或排水，且该注浆管用于与注浆设备相连，以补注高聚物浆液。

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