CN113789817B - 基于多级破涡装置的扰流式海工基础综合冲刷防护装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋工程桩基冲刷防护领域，公开了一种基于多级破涡装置的扰流式海工基础综合冲刷防护装置，包括设于桩基主体周围的棱台状破涡装置和生物固土被动防护装置，棱台状破涡装置包括水平棱台状破涡装置和垂向棱台状破涡装置，两棱台状破涡装置在桩基主体外围交错设置，棱台状破涡装置的四周均匀设置有漩涡消能孔；每两个垂向棱台状破涡装置之间均通过多组环形管腔道连通，波浪式造波器提供环形流场气体进行消能；波浪式造气装置安装于水平棱台状破涡装置上部并与垂向棱台状破涡装置的漩涡消能孔连通；水平棱台状破涡装置经弹性件连接生物固土被动防护装置。本发明能够减少冲刷对桩基本身的损害，提高防护效果，解决二次冲刷问题。

Description

基于多级破涡装置的扰流式海工基础综合冲刷防护装置

技术领域

本发明涉及一种海洋工程桩基冲刷防护装置，尤其是一种基于多级破涡装置的扰流式海工基础综合冲刷防护装置。

背景技术

随着全球经济的快速发展，能源需求与日俱增，由于石油、煤、天然气等化石能源的不断消耗，以及它们所带来的的环境污染问题，人们越来越追求无污染，可持续获取的新能源。风能作为一种蕴藏丰富、分布广泛、清洁而可再生的能源自然受到广泛重视，几乎适用于世界各地，是最重要的替代能源之一。人们最早在陆地上通过风机将风能转化成电能储存起来，然而相比于陆地风机，海上风机以它独特的优势正快速发展着。在碳中和背景下，海上风电作为新能源中最成熟、最具潜力的能源将在未来有广阔的市场需求。

当今较为成熟的近海海上风场多为桩基式基础海上风机。风机基础用于支撑塔架和塔头，为施工作业提供平台。海上风机桩基式基础对风机的安全至关重要，其结构具有重心高、承受的水平力和倾覆弯矩较大等特点，在设计过程中需充分考虑离岸距离、海床质条件、海上风浪以及海冰等外部环境的影响。在海流的影响下，桩基基础周围会产生漩涡和激流，导致其周围泥沙被冲蚀，进而出现冲刷坑，桩基周围泥沙冲刷主要有两个原因引起，一为海流引发的海底切应力，二为由于桩基引发的漩涡脱落，漩涡裹挟泥沙，引发泥沙冲刷。冲刷坑的出现，一方面，桩基埋深减少，影响桩基的稳性，另一方面裹挟泥沙的水流会对桩基本身产生冲刷侵蚀，引发桩基表面磨损，进而诱发桩基倾覆。

现阶段桩基冲刷防护问题多为单方面整治方案，主要为主动防护与被动方法两种。主动防护是指减少冲刷原动力、减少水流对基础海床冲刷的防护方法，被动防护是指从海床和基础入手，提高基础周围的地基材料的途径来提高抗冲刷能力的抗冲刷方法。常用的主动防护方法有防护圈、减冲桩等，但他们存在二次冲刷及冲刷失效等问题，如防护圈不能完全阻挡桩周的二次冲刷，减冲桩会随其周围冲刷的发展而失效。被动式防护方式有，如沙袋、沙被抛投防护方法，抛石及石笼防护方法，混凝土、灌浆连锁排防护方法。被动式防护方法整体成本较低，但是该类方法均存在损伤海缆的风险。此外，抛石或者沙袋方法施工时需要保证一定的精度，施工时需要水下机器人或潜水员协助。沙袋沙被、灌浆、固化土等方法的防护期限短，需要定期检查施工。总结以上方法，现有主动防护效果只是在过程中减缓水流、降低漩涡本身强度，从而达到防护目的，无法根源上解决圆柱绕流产生漩涡的问题。被动式防护存在二次冲刷、底部掏蚀、损害电缆等问题，无法做到长期的有效保护，也无法从根源上解决问题。现实中，海流、漩涡是多向变化的，现有方法针对波浪、往复流等复杂海域的工况考虑较少，存在防护期限缩短，安装难度增加等情况。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于多级破涡装置的扰流式海工基础综合冲刷防护装置，通过减少水流强度、改变绕流水流方向及采用生物固沙坐底的方法，降低泥沙输移发生概率及输移距离，有效减少冲刷问题对桩基本身的损害，提高防护效果，解决无冲刷防护装置二次冲刷问题，适用性广，综合性强、便于运维。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于多级破涡装置的扰流式海工基础综合冲刷防护装置，包括由上至下均匀设置于桩基主体周围的多个波浪式造气装置、多个棱台状破涡装置和生物固土被动防护装置，所述棱台状破涡装置包括上下均匀设置的多个水平棱台状破涡装置和多个垂向棱台状破涡装置，且多个水平棱台状破涡装置和多个垂向棱台状破涡装置在桩基主体外围交错设置，所述棱台状破涡装置的四周侧面上均匀设置有漩涡消能孔，且内部存在空腔；所述漩涡消能孔贯穿至棱台状破涡装置内空腔处，每两个垂向棱台状破涡装置之间均通过多组环形管腔道连通，所述波浪式造气装置安装于水平棱台状破涡装置上部，波浪式造气装置与垂向棱台状破涡装置的漩涡消能孔连通，波浪式造气装置提供环形流场气体来源进行消能；所述水平棱台状破涡装置底部通过弹性件连接生物固土被动防护装置。

所述水平棱台状破涡装置为倒置的四棱台体，即上底面面积大于下底面面积，且四棱台体的一个侧面与桩基主体表面相对应，把下切流剩余能量转化为漩涡，使得漩涡落入下方的间隔中，与水平方向的漩涡混合碰撞，为第一级破涡处理装置。

所述垂向棱台状破涡装置为四棱台体，且其上下底面竖向设置，面积较大的下底面与与桩基主体表面相对应，为第二级破涡处理装置。

所述垂向棱台状破涡装置的上表面上均匀设置有多个与侧面上的漩涡消能孔连通的漩涡消能孔。

所述棱台状破涡装置的前后侧面上棱边与底边的夹角为60°～65°。

所述生物固土被动防护装置包括多个一端固定于海底的弹簧支撑座与养殖网箱,弹簧支撑座包括上端与垂向棱台状破涡装置连接的主支撑桩和上端与养殖网箱的骨架相连的次支撑桩。

所述主支撑桩和次支撑桩交叉设置。

所述波浪式造气装置间隔安装于水平棱台状破涡装置之上，为垂向棱台状破涡装置内腔提供环形流场的气体来源。

所述水平棱台状破涡装置由环形外固定架固定于海平面附近，垂向棱台状破涡装置及生物固土被动防护装置沿桩基滑落布置。

本发明中的波浪式造气装置与中国专利ZL201710319371X的技术完全相同，不再赘述。

与现有技术相比，本发明提供的主被动综合桩基冲刷防护装置，其主动防护装置部分通过流体外形破涡原理，交错布置垂向、水平棱台状破涡装置减少桩基附近垂向、水平向漩涡的产生,使已产生的漩涡在破涡柱间隔及漩涡消能孔内频繁碰撞、交互进而大量耗散能量，从漩涡产生源头减少桩周漩涡的脱落，降低漩涡脱落引起的泥沙迁移及冲刷坑发展。本发明提供的破涡装置，可以集中削弱桩周高强度的漩涡能量，大幅降低对泥沙起动流速的影响。因为来流方向的两侧及后侧的泥沙输移是由于桩周漩涡脱落引起的，现有的技术中只能被动抵抗漩涡，而不能从源头上降低漩涡强度，常出现久而失效的问题，所以本发明技术相对于现有发明技术更具有耐用性和有效性。结合人造环形流场方法通过交错的漩涡消能孔改变桩周水流方向，构建桩周环形流场，减少泥沙的流向迁移，阻断冲刷坑的发展。被动防护装置部分借助生物（牡蛎）固沙的生物性能，底部设置的牡蛎固土防护，通过导向弹簧设置，最终形成大面积牡蛎礁体，将本冲刷防护装置固定在海床表面，可实现冲刷防护装置周围无二次冲刷的效果，决其他主被动防护无法避免的二次冲刷问题，实现装置高效、环保、经济的设计目的。

附图说明

图1为本发明的整体结构二维示意图；

图2为本发明的水平棱台状破涡装置布置俯视图；

图3为本发明的垂向棱台状破涡装置布置俯视图；

图4为本发明牡蛎固土被动防护装置布置俯视图；

图5为本发明棱台状破涡装置原理图。

图6为本发明棱台状破涡装置及内部空腔环形流场扩散图

图中，1桩基主体；2水平棱台状破涡装置；3垂向棱台状破涡装置；4弹簧支撑座主支撑桩；5养殖网箱；6牡蛎固土被动防护装置；7波浪式造气装置；8水平棱台状破涡装置漩涡消能孔；9垂向棱台状破涡装置漩涡消能孔；10环形管腔道；11牡蛎；12弹簧支撑座次支撑桩;13养殖网箱底部圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1～6所示,本发明包括桩基主体1、水平棱台状破涡装置2，垂向棱台状破涡装置3、弹簧支撑座主支撑桩4、养殖网箱5、牡蛎固土被动防护装置6、波浪式造气装置7；水平棱台状破涡装置漩涡消能孔8；垂向棱台状破涡装置漩涡消能孔9；环形管腔道10；牡蛎11；弹簧支撑座次支撑桩12；养殖网箱底部圈13。桩基上部通过环形外固定架安装有水平棱台状破涡装置2及波浪式造气装置7。

桩基中部安装有垂向棱台状破涡装置3，垂向棱台状破涡装置3之间设置多组环形管腔道10，形成复杂的环流内腔。垂向棱台状破涡装置3上设有垂向棱台状破涡装置漩涡消能孔9，波浪式造气装置7通气软管与垂向棱台状破涡装置漩涡消能孔9的上表面消能孔相连，将气体注入垂向棱台状破涡装置3内部。

桩基底部设置有牡蛎固土被动防护装置6，牡蛎固土被动防护装置6的弹簧支撑座主支撑桩4与垂向棱台状破涡装置3下表面相连，承担主要支撑与供生物生长作用。

波浪式造气装置7在水平棱台状破涡装置2上间隔分布，水平棱台状破涡装置2上表面不设置消能孔。

垂向棱台状破涡装置3上表面也设置有垂向棱台状破涡装置漩涡消能孔9。

牡蛎固土被动防护装置6的底部养殖牡蛎11，起到生物固沙作用。除主支撑柱外，还间隔设置次支撑柱用于保持养殖网箱5的向外放射的框架形状。

不同位置的水平棱台状破涡装置2与垂向棱台状破涡装置3均布置有水平棱台状破涡装置漩涡消能孔8和垂向棱台状破涡装置漩涡消能孔9，孔径大小相同。

水平棱台状破涡装置2与垂向棱台状破涡装置3布置数量由当地海况决定，复杂海况中应增加水平棱台状破涡装置2与垂向棱台状破涡装置3布置数量，棱台状底角为60°～65°，倒棱台状布置。

水平棱台状破涡装置2与垂向棱台状破涡装置3交错布置，且水平棱台状破涡装置2长度小于垂向棱台状破涡装置3的长度，方便牡蛎固土被动防护装置6的回收。

本实施例中，先将垂向棱台状破涡装置3与牡蛎固土被动防护装置6沿桩基投放滑落，养殖网箱底部圈13坐底，后安装水平棱台状破涡装置2及波浪式造气装置7。

本发明工作原理，海工桩基附近漩涡的形成源自于边界层的分离，海流流经桩基表面时会产生边界层，对称的圆柱前后会产生逆压梯度，使得水在运动至桩基柱后侧时边界层外和边界层内部水流出现速度差，水流扭转形成漩涡。本装置的垂向棱台状破涡装置破坏了桩基边界层的连续性，利用棱台状的几何外形分割水流，一部分水流通过消能孔进入装置内部，一部分沿着外壳进入各破涡桩间隔内，间隔内大外小，限制水流运动，使得水流围困在间隙内碰撞耗散能量。水平棱台状破涡装置通过本身的漩涡消能孔耗散一部分垂向水流的能量，转化剩余垂向水流形成漩涡，落入水平棱台状破涡装置的间隔内或进入其上表面漩涡消能孔，和水平水流产生的漩涡碰撞耗散能量，达到扰流，缓流的目的，最终达到防护目的。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于多级破涡装置的扰流式海工基础综合冲刷防护装置，其特征是，包括由上至下均匀设置于桩基主体周围的多个波浪式造气装置、多个棱台状破涡装置和生物固土被动防护装置，所述棱台状破涡装置包括上下均匀设置的多个水平棱台状破涡装置和多个垂向棱台状破涡装置，且多个水平棱台状破涡装置和多个垂向棱台状破涡装置在桩基主体外围交错设置，所述棱台状破涡装置的四周侧面上均匀设置有漩涡消能孔，且内部存在空腔；所述漩涡消能孔贯穿至棱台状破涡装置内空腔处，每两个垂向棱台状破涡装置之间均通过多组环形管腔道连通；所述波浪式造气装置安装于水平棱台状破涡装置上部，波浪式造气装置与垂向棱台状破涡装置的漩涡消能孔连通，提供环形流场气体来源进行消能；所述垂向棱台状破涡装置底部通过弹性件连接生物固土被动防护装置。

2.如权利要求1所述的基于多级破涡装置的扰流式海工基础综合冲刷防护装置，其特征是，所述水平棱台状破涡装置为倒置的四棱台体，即上底面面积大于下底面面积，且四棱台体的一个侧面与桩基主体表面相对应，为第一级破涡处理装置。

3.如权利要求1所述的基于多级破涡装置的扰流式海工基础综合冲刷防护装置，其特征是，所述垂向棱台状破涡装置为四棱台体，且其上下底面竖向设置，面积较大的下底面与桩基主体表面相对应，为第二级破涡处理装置。

4.如权利要求1所述的基于多级破涡装置的扰流式海工基础综合冲刷防护装置，其特征是，所述垂向棱台状破涡装置的上表面上均匀设置有多个与侧面上的漩涡消能孔连通的漩涡消能孔。

5.如权利要求1所述的基于多级破涡装置的扰流式海工基础综合冲刷防护装置，其特征是，所述棱台状破涡装置的前后侧面上棱边与底边的夹角为60°～65°。

6.如权利要求1所述的基于多级破涡装置的扰流式海工基础综合冲刷防护装置，其特征是，所述生物固土被动防护装置包括多个一端固定于海底的弹簧支撑座与养殖网箱, 弹簧支撑座包括上端与垂向棱台状破涡装置连接的主支撑桩和上端与养殖网箱的骨架相连的次支撑桩。

7.如权利要求6所述的基于多级破涡装置的扰流式海工基础综合冲刷防护装置，其特征是，所述主支撑桩和次支撑桩交叉设置。

8.如权利要求1所述的基于多级破涡装置的扰流式海工基础综合冲刷防护装置，其特征是，所述波浪式造气装置间隔安装于水平棱台状破涡装置之上，为垂向棱台状破涡装置内腔提供环流流场气体来源。

9.如权利要求1所述的基于多级破涡装置的扰流式海工基础综合冲刷防护装置，其特征是，所述水平棱台状破涡装置由环形外固定架固定于海平面附近。

10.如权利要求1所述的基于多级破涡装置的扰流式海工基础综合冲刷防护装置，其特征是，所述垂向棱台状破涡装置及生物固土被动防护装置沿桩基滑落布置。

Images