CN113718840A

CN113718840A - 一种海上风电多桩基础

Info

Publication number: CN113718840A
Application number: CN202111089020.7A
Authority: CN
Inventors: 邱旭; 刘鑫; 张波
Original assignee: Huaneng Clean Energy Research Institute
Current assignee: Huaneng Clean Energy Research Institute
Priority date: 2021-09-16
Filing date: 2021-09-16
Publication date: 2021-11-30
Also published as: WO2023040171A1

Abstract

本发明公开了一种海上风电多桩基础，所述海上风电多桩基础包括多个桩基础、平台和套筒，多个所述桩基础间隔排布，所述平台位于多个所述桩基础的上面，每个所述桩基础包括在其轴向上相互连接的第一部分和第二部分，所述第二部分埋入海床中，所述海床具有海床面，所述第一部分位于所述海床面的上方，多个所述桩基础包括正对潮流方向的第一桩基础和背对潮流方向的第二桩基础，所述套筒的外周面设有向外突出的扰流件，和/或所述套筒的周壁上设有通孔，所述套筒包括第一套筒和第二套筒，所述第一套筒套设在所述第一桩基础的第一部分上，所述第二套筒套设在所述第二桩基础的第一部分上。本发明的海上风电多桩基础具有良好的防冲刷性能和稳定性。

Description

一种海上风电多桩基础

技术领域

本发明涉及海上风电领域，尤其是涉及一种海上风电多桩基础。

背景技术

风能作为一种清无害的可再生能源，日益受到人类重视。其中相对于陆地风能而言，海上风能资源不仅具有较高的风速，而且距离海岸线较远，不受噪音限值的影响，允许机组制造更为大型化。

海上风电基础是支撑整个海上风力机的关键所在，成本约占整个海上风电投资的20％至25％，而海上风力发电机发生的事故多为桩基基础不稳造成的。由于波浪和潮流的作用，海上风电桩基基础周围的泥沙将会发生冲刷并形成冲坑，冲刷坑将会对桩基基础的稳定性产生影响。此外，在海床表面附近夹杂着泥沙的水流不断冲刷着桩基基础，腐蚀破坏桩基基础表面，严重时会造成海上风力机机组的坍塌。目前采用的海上风电桩基基础的防冲刷装置，主要为抛石防护法。但是抛石防护的整体性较差，运用过程中的维护费用和工作量较大。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

在实际应用过程中，由于海浪和潮汐的作用，海水直接对海上风电桩基基础冲刷，海水的冲击力直接作用于海上风电桩基基础的表面，呈现向下的卷掘旋涡结构，旋涡结构将海床上的沉积物卷升起来，并进一步将其带远离桩基周围的地方，形成了冲刷坑，冲刷坑的形成使得桩基础深度变浅，影响桩基基础的稳定性，另一方面，海水在桩基基础表面极易形成腐蚀坑，腐蚀坑随着海水冲刷不断变大进而扩大对桩基基础表面的影响，破坏力逐渐增强，严重时会造成海上风力机机组的坍塌。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种具有良好的防冲刷性能的海上风电多桩基础。。

根据本发明实施例的海上风电多桩基础包括多个桩基础、平台和套筒，多个所述桩基础间隔排布，所述平台位于多个所述桩基础的上面且与每个所述桩基础的顶端相连，每个所述桩基础包括在其轴向上相互连接的第一部分和第二部分，所述第二部分埋入海床中，所述海床具有海床面，所述第一部分位于所述海床面的上方，多个所述桩基础包括正对潮流方向的第一桩基础和背对潮流方向的第二桩基础，所述套筒的外周面设有向外突出的扰流件，和/或所述套筒的周壁上设有通孔，所述套筒包括第一套筒和第二套筒，所述第一套筒套设在所述第一桩基础的第一部分上，所述第二套筒套设在所述第二桩基础的第一部分上。

根据本发明实施例的海上风电多桩基础通过在套筒上设置消能结构，将海水中的急流或主流转化为均匀的缓流，减小海水对所述桩基础表面的冲击，抑制了马蹄形漩涡的形成，从而使设在多个所述桩基础的上面的平台具有良好的防冲刷性能和稳定性。

在一些实施例中，所述扰流件包括扰流钉、扰流条和扰流网中的一种或多种，其中，所述扰流钉包括多个且在所述套筒的外周面上间隔排布，所述扰流钉在所述套筒的轴向上的尺寸与其在环绕所述套筒的周向上的尺寸之比大于等于1/2且小于等于2，所述扰流条的延伸方向与所述套筒的外周面相互平行，所述扰流条的长度和宽度之比大于等于5，所述扰流网为包覆所述套筒的至少一部分外周面的网状结构。

在一些实施例中，多个所述桩基础围绕所述平台的周向间隔排布，所述第一桩基础和所述第二桩基础在所述平台的径向上相对，且在所述潮流方向上排布，多个所述桩基础还包括在所述周向上与所述第一桩基础或所述第二桩基础相邻的第三桩基础，所述套筒还包括套设在所述第三桩基础的第一部分上的第三套筒。

在一些实施例中，设在所述第一套筒和所述第二套筒上的所述扰流件的类型相同，设在所述第三套筒上的所述扰流件的类型与设在所述第一套筒上的所述扰流件的类型不同。

在一些实施例中，设置在所述第一套筒和所述第二套筒上的所述扰流件为扰流条，设置在所述第三套筒上的所述扰流件为扰流钉。

在一些实施例中，所述扰流条沿与其对应的所述套筒的轴向延伸，所述扰流条为多个，多个所述扰流条在环绕与其对应的所述套筒的周向上间隔排布。

在一些实施例中，设置在所述第一套筒和所述第二套筒上的所述扰流件为扰流网，设置在所述第三套筒上的所述扰流件为扰流条。

在一些实施例中，所述扰流网为环形且环绕与其对应的所述套筒设置。

在一些实施例中，所述扰流件和/或所述通孔的密度向靠近所述海床面的方向增大。

在一些实施例中，所述套筒的底部具有沿所述海床面延伸的防沉板，所述防沉板的底面与所述海床面相抵，所述套筒的底部具有沿与其对应的所述桩基础的轴向向所述海床内延伸的切土板，所述切土板的底端为刃形结构。

附图说明

图1是根据本发明一些实施例的海上风电多桩基础的结构示意图。

图2是根据本发明另一些实施例的海上风电多桩基础的结构示意图。

图3是图1中扰流钉的结构示意图。

图4是图1中扰流条的结构示意图。

图5是根据本发明又一些实施例中扰流条的结构示意图。

图6是图2中扰流网的结构示意图。

图7是根据本发明再一些实施例中通孔的结构示意图。

附图标记：

桩基础1，第一桩基础11，第二桩基础12，第三桩基础13，第一部分14，第二部分15，平台2，套筒3，第一套筒31，第二套筒32，第三套筒33，防沉板34，切土板35，扰流件4，扰流钉41，扰流条42，扰流网43，通孔5。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面根据图1-7描述本发明的实施例的海上风电多桩基础1，根据本发明实施例的海上风电多桩基础1包括多个桩基础1、平台2和套筒3。

多个桩基础1间隔排布，平台2位于多个桩基础1的上面且与每个桩基础1的顶端相连，每个桩基础1包括在其轴向上相互连接的第一部分14和第二部分15，第二部分15埋入海床中，海床具有海床面，第一部分14位于海床面的上方，多个桩基础1包括正对潮流方向的第一桩基础11和背对潮流方向的第二桩基础12，套筒3的外周面设有向外突出的扰流件4，和/或套筒3的周壁上设有通孔5，套筒3包括第一套筒31和第二套筒32，第一套筒31套设在第一桩基础11的第一部分14上，第二套筒32套设在第二桩基础12的第一部分14上。

如图1和图2所示，多个桩基础1的顶端均与平台22相连，桩基础1在上下方向上分为第一部分14和第二部分15，桩基础1向下埋入海床中，桩基础1位于海床面上方的是第一部分14，第二部分15埋入海床面下的海床中。桩基础11为多个且包括多个第一桩基础11和多个第二桩基础12，其中第一桩基础11正对潮流方向，第二桩基础12背对潮流方向，相邻桩基础11间隔布置。

桩基础11在海床面以上的第一部分11外周侧套设有套筒3，套设在第一桩基础11的第一部分14上的为第一套筒31，套设在第二桩基础12的第一部分14上的为第二套筒32，套筒3的底部与海床面接触，套筒3的内侧面与第一部分11的外周面之间具有一定的间隙，套筒3的周壁上设有向外突出的扰流件4和贯穿套筒3周壁的通孔5中的一个或两个。

当潮流冲向设置有扰流件4的桩基础1时，由于扰流件4设在套筒3的周壁上且向外突出，扰流件4能够削弱潮流对套筒3的冲击，减小了套筒3对潮流的止挡阻力，起到缓冲的作用，抑制了马蹄形漩涡的形成。

当潮流冲向设置有通孔5中的桩基础1时，由于通孔5中贯穿套筒3的周壁，潮流能够通过通孔5进入套筒3的内部，减小了套筒3对潮流的止挡阻力，起到缓冲的作用，抑制了马蹄形漩涡的形成。

为提高消能减冲的效果，在套筒3的周壁上可同时设置扰流件4和通孔5，使海水中的急流或主流冲击套筒3后尽快消能减冲，转化为均匀的缓流，具有简单高效的特点。

根据本发明实施例的海上风电多桩基础1通过在套筒3上设置扰流件4和通孔5，将海水中的急流或主流转化为均匀的缓流，减小海水对桩基础1的冲击，抑制了马蹄形漩涡的形成，从而使设在多个桩基础1的上面的平台2具有良好的防冲刷性能和稳定性。

在一些实施例中，扰流件4包括扰流钉41、扰流条42和扰流网43中的一种或多种。

可以理解的是，在本发明的多个实施例中，扰流件4可以是扰流钉41、扰流条42和扰流网43中的一种或两种或三种，均能“打散”潮流，从而改变桩基础1附近潮流的流速和方向，进而使得潮流的能量在一定程度上得以消散，桩基础1前方不会产生较大的马蹄形漩涡，从而在源头上抑制了马蹄形漩涡的形成。

在一些实施例中，扰流钉41包括多个且在套筒3的外周面上间隔排布，扰流钉41在套筒3的轴向上的尺寸与其在环绕套筒3的周向上的尺寸之比大于等于1/2且小于等于2。

如图1-3所示，多个扰流钉41在套筒3的外周向上间隔设置，并且在套筒3的上下方向上也是间隔设置。扰流钉41在上下方向的尺寸为扰流钉41的长度L，扰流钉41在桩基础1的周向的尺寸为扰流钉41的宽度M，L是M的0.5倍-2倍，例如，L可以M的0.5倍、1倍、1.5倍、1.8倍、2倍等。套筒3的外周面上设置扰流钉41，可以“打散”潮流，从而改变套筒3附近潮流的流速和方向，进而使得潮流的能量在一定程度上得以消散，桩基础1前方不会产生较大的马蹄形漩涡，从而在源头上抑制了马蹄形漩涡的形成。而且设置扰流钉41能够有效地保护桩基础1周围的砂石，从而可以避免冲刷坑的形成，进而使得桩基础1更加稳定。

在另一些实施例中，扰流条42的延伸方向与套筒3的外周面相互平行，扰流条42的长度和宽度之比大于等于5。

扰流条42沿第一方向延伸，第一方向平行于套筒3的周向，本实施例中扰流条42的长度和宽度之比优选为大于等于10，具体扰流条42的长度和宽度之比为12、14或16等。如图4所示，扰流条42的外周面为弧形，扰流条42对冲向套筒3的潮流进行主动扰流，局部改变潮流的流速和方向，使潮流的能量在一定程度上得以消散。在另一些实施例中，如图5所示，扰流条42的外周面为突出形，能够劈开冲向套筒3的潮流，进行消能减冲。扰流条42的设置起到了消能减冲的效果，抑制了套筒3附近马蹄形漩涡的形成，有效地保护了桩基础1周围的土体，避免冲刷坑的形成。

在又一些实施例中，扰流网43为包覆套筒3的至少一部分外周面的网状结构。

如图6所示，扰流网43为网状结构且沿第二方向将套筒3的至少一部分外周面包裹，第二方向与套筒3的轴向平行，扰流网43从套筒3的外周面沿套筒3的径向突出，突出的扰流网43的设置起到了消能减冲的效果，抑制了桩基础1附近马蹄形漩涡的形成，有效地保护桩基础1周围的土体，避免冲刷坑的形成。

在相关技术中，海上风电多桩基础布置在浅水区域，浅水区域中，涨潮和退潮时，潮流主要沿着与海岸线近似垂直的方向靠近海岸线或者远离海岸线，平台2面向海岸线的一面和背对海岸线的一面是潮流主要冲击的地方。在平台2的这两个地方，承受潮流的冲击力较大，旋涡造成的冲刷坑的数量较多也较大。平台2的其余两个侧面的延伸方向与潮流方向一致，潮流对平台2剩下两个侧面主要是摩擦力和较小的冲击力。

在一些实施例中，多个桩基础1围绕平台2的周向间隔排布，第一桩基础11和第二桩基础12在平台2的径向上相对，且在潮流方向上排布，多个桩基础1还包括在周向上与第一桩基础11或第二桩基础12相邻的第三桩基础13，套筒3还包括套设在第三桩基础13的第一部分14上的第三套筒33。

例如，第一桩基础11设在平台2的正面，即正对海岸线的一面，第二桩基础12设在平台2的背面，即背对海岸线的一面，在平台2的另两面还设有第三桩基础13，在第三桩基础13的第一部分14上也设有套筒3，即第三套筒33，用于减小潮流的摩擦力和冲击力。

在一些实施例中，设在第一套筒31和第二套筒32上的扰流件4的类型相同，设在第三套筒33上的扰流件4的类型与设在第一套筒31上的扰流件4的类型不同。

可以理解的是，平台2的正面和背面承受的潮流冲击力与两侧承受的潮流冲击力不同，因此，设在第三套筒33上的扰流件4的类型与设在第一套筒31和第二套筒32上的扰流件4的类型不同，由此，海上风电多桩基础既能够具有较强的防冲刷能力，又能减小其制造成本，降低制造难度。

下面简单描述一下扰流件4在套筒3上设置的情况。

在一些实施例中，设置在第一套筒31和第二套筒32上的扰流件4为扰流条42，设置在第三套筒33上的扰流件4为扰流钉41。

如图1所示，第一套筒31和第二套筒32上设置扰流条42以承受平台2正面和背面的海潮冲击力，第三套筒33上设置扰流钉41减小潮流的摩擦力和冲击力。

可以理解的是，扰流条42沿与其对应的套筒3的轴向延伸，扰流条42为多个，多个扰流条42在环绕与其对应的套筒3的周向上间隔排布。

多个沿套筒3周向布置的扰流条42形成多个相互间隔且与套筒3长度方向平行的扰流通道，多个扰流条42之间的扰流通道“打散”潮流，局部改变潮流的流速和方向，使潮流的能量在一定程度上得以消散，桩基础1前方不会产生较大的马蹄形漩涡，从而在源头上抑制了马蹄型漩涡的形成。

在另一些实施例中，设置在第一套筒31和第二套筒32上的扰流件4为扰流网43，设置在第三套筒33上的扰流件4为扰流条42。

如图2所示，第一套筒31和第二套筒32上设置扰流网43以承受平台2正面和背面的海潮冲击力，第三套筒33上设置扰流条42减小潮流的摩擦力和冲击力。

可以理解的是，扰流网43为环形且环绕与其对应的套筒3设置。扰流网43呈环形环绕在套筒3的外周面上，使得扰流网43可对任一方向的潮流都起到减冲效果，使得扰流网43的设置更加合理。

在一些实施例中，扰流件4和/或通孔5的密度向靠近海床面的方向增大。

海上风电多桩基础在实际使用的过程中，套筒3上越靠近海床面的位置受到的潮流冲击越大，产生马蹄形漩涡的可能性也越大。因此，在一些实施例中，使扰流件4和/或通孔5的密度向靠近海床面的方向增大，以更好地应对实际情况。

进一步地，套筒3的外径为De,当相邻扰流件4和/或通孔5之间的直线间距小于0.2De时，可以有效减少马蹄形漩涡的产生，向靠近海床面的方向，相邻扰流件4和/或通孔5之间的直线间距逐渐变小，能够增强海上风电基础的防冲刷能力和实用性。

在一些实施例中，套筒3的底部具有沿海床面延伸的防沉板34，防沉板34的底面与海床面相抵，套筒3的底部具有沿与其对应的桩基础1的轴向向海床内延伸的切土板35，切土板35的底端为刃形结构。

套筒3套设在第一部分14外周侧，套筒3的底部会在自重的作用下陷入海床内，由于海床内介质的不均匀分布，套筒3会发生倾斜，使套筒3的顶部与第一部分14发生碰撞，影响桩基础1的防冲刷能力，严重时会导致桩基础1坍塌，因此在套筒3的底部设有防沉板34，防沉板34的底面与海床面相接触且沿海床面向外延伸，为保证套筒3的稳定，防沉板21外周面的直径为1.2De-3De，防沉板34的面积为0.1πDe²至2.5πDe²，且套筒3位于防沉板34的中心位置。为保证套筒3的稳定性，在套筒3的底部还设有向海床下延伸的切土板35，切土板35的长度为0.02De至0.5De，且切土板35的底部为刃形结构，以方便切土板35向下伸入海床内。同时，在套筒3的外周侧还抛掷有石块，部分石块位于防沉板34上，以防止海水的冲击引起套筒3的倾斜，部分石块位于防沉板34外周侧，由于波浪和潮流的作用，桩基础1周围的泥沙将会发生冲刷并形成冲刷坑，石块会及时翻转进入冲刷坑内，提高桩基础1的稳定性，以增强防冲刷效果。在进行抛石作业时，套筒3和防沉板34还可以防止抛出的石块砸伤桩基础1，具有安全可靠的特点。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种海上风电多桩基础，其特征在于，包括：

多个桩基础和平台，多个所述桩基础间隔排布，所述平台位于多个所述桩基础的上面且与每个所述桩基础的顶端相连，每个所述桩基础包括在其轴向上相互连接的第一部分和第二部分，所述第二部分埋入海床中，所述海床具有海床面，所述第一部分位于所述海床面的上方，多个所述桩基础包括正对潮流方向的第一桩基础和背对潮流方向的第二桩基础；

套筒，所述套筒的外周面设有向外突出的扰流件，和/或所述套筒的周壁上设有通孔，所述套筒包括第一套筒和第二套筒，所述第一套筒套设在所述第一桩基础的第一部分上，所述第二套筒套设在所述第二桩基础的第一部分上。

2.根据权利要求1所述的海上风电多桩基础，其特征在于，所述扰流件包括扰流钉、扰流条和扰流网中的一种或多种，

其中，所述扰流钉包括多个且在所述套筒的外周面上间隔排布，所述扰流钉在所述套筒的轴向上的尺寸与其在环绕所述套筒的周向上的尺寸之比大于等于1/2且小于等于2，所述扰流条的延伸方向与所述套筒的外周面相互平行，所述扰流条的长度和宽度之比大于等于5，所述扰流网为包覆所述套筒的至少一部分外周面的网状结构。

3.根据权利要求2所述的海上风电多桩基础，其特征在于，多个所述桩基础围绕所述平台的周向间隔排布，所述第一桩基础和所述第二桩基础在所述平台的径向上相对，且在所述潮流方向上排布，多个所述桩基础还包括在所述周向上与所述第一桩基础或所述第二桩基础相邻的第三桩基础，所述套筒还包括套设在所述第三桩基础的第一部分上的第三套筒。

4.根据权利要求3所述的海上风电多桩基础，其特征在于，设在所述第一套筒和所述第二套筒上的所述扰流件的类型相同，设在所述第三套筒上的所述扰流件的类型与设在所述第一套筒上的所述扰流件的类型不同。

5.根据权利要求4所述的海上风电多桩基础，其特征在于，设置在所述第一套筒和所述第二套筒上的所述扰流件为扰流条，设置在所述第三套筒上的所述扰流件为扰流钉。

6.根据权利要求5所述的海上风电多桩基础，其特征在于，所述扰流条沿与其对应的所述套筒的轴向延伸，所述扰流条为多个，多个所述扰流条在环绕与其对应的所述套筒的周向上间隔排布。

7.根据权利要求4所述的海上风电多桩基础，其特征在于，设置在所述第一套筒和所述第二套筒上的所述扰流件为扰流网，设置在所述第三套筒上的所述扰流件为扰流条。

8.根据权利要求7所述的海上风电多桩基础，其特征在于，所述扰流网为环形且环绕与其对应的所述套筒设置。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的海上风电多桩基础，其特征在于，所述扰流件和/或所述通孔的密度向靠近所述海床面的方向增大。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的海上风电多桩基础，其特征在于，所述套筒的底部具有沿所述海床面延伸的防沉板，所述防沉板的底面与所述海床面相抵，所述套筒的底部具有沿与其对应的所述桩基础的轴向向所述海床内延伸的切土板，所述切土板的底端为刃形结构。