CN114108706B - 一种海上基础冲刷多重防护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上基础冲刷多重防护系统，涉及海上基础防护技术领域。包括自适应扰流体、防护网、导轨，所述自适应扰流体通过防护网与导轨连接；所述自适应扰流体为前小后大的中空流线型结构，包括前端部、尾翼部，所述前端部和尾翼部拼接后形成上下贯穿的孔洞；所述防护网为扇形放射状结构，由柔性材料制成；所述导轨固定在海床上，所述导轨包括滑块、轨道，所述轨道整体呈圆形，所述防护网的底部设置有与轨道相同曲率的弧形杆件，弧形杆件与滑块固定。本发明具有适应性强、防护效果好、环境友好等优点。

Description

一种海上基础冲刷多重防护系统

技术领域

本发明涉及海上基础防护技术领域，尤其涉及一种海上基础冲刷多重防护系统。

背景技术

能源是向自然界提供能量转化的物质。在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。清洁能源是指不排放污染物、能够直接用于生产生活的能源，它包括核能和可再生能源。可再生能源是理想的能源，可以不受能源短缺的影响，但也受自然条件的影响，如需要有水力、风力、太阳能能源。据估算，全世界的风能总量约1300亿千瓦。世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带。其中，海上风力发电具有资源丰富、发电利用小时高、不占地和适宜大规模开发的特点，是全球风电发展的最新前沿。

目前，海上风力发电行业也已在国内迅速发展起来。据统计，截至2020年全球海上风电新增装机总量年新增装机再次创历史新高,超5.2GW，累积装机容量已超32.5GW,海上风机数已超12000台。在30·60双碳战略目标的指引下，我国海上风电迎来了前所未有的发展窗口。单桩基础结构简单、施工快捷，国内外已建的海上风电场中约70％均采用了单桩基础。海上风电单桩结构多处于水深30米以内的近海海域，近海海域海陆相互作用频繁，波流受桩基海床阻挡与压缩，形成马蹄漩涡与尾迹涡，它们与海床面发生强烈的动力相互作用，增大局部床面剪应力，使土颗粒起动并输移，造成了严重的冲刷灾害，桩基周围形成明显冲刷坑，导致基础埋深变浅，进而影响基础结构以及整体结构的稳定性，带来极大安全隐患。因此，针对冲刷灾害开展防护措施必不可少。

现有的防冲刷措施主要分为被动防护和主动防护。被动防护是通过在基础防护范围内铺设块石或柔性材料等防护层以提高海床的抗冲刷能力，其中最常见的方法是在防护区内铺设石块防护层，还有铺设混凝土块、沙袋、混凝土铰链排等类似的方法。上述措施的不足之处是，受地形、水流条件的影响，防护层的抛投质量难以保证，而且大型风电基础防护所需的材料量极大，施工成本高，经济性差。工程实践也表明，抛投料的沉降或复杂水流条件下防护层的失效风险较大。主动防护是通过减小防护区内的水流流速以达到防冲刷的目的，常见的方法有基础前导流板防护，牺牲桩群防护等。该类措施同样存在工程量大、施工费用高的缺点，且难以适应流速、流向多变的海洋环境，无法实现水下基础的全面防护。

研究发现，基础局部冲刷的发生与发展与水流强度、水深及水流方向密切相关。水流运动是引起冲刷的原动力，削减水流强度也可有效的从源头抑制冲刷的发生。进一步的，在相同的水流强度下，水深越浅冲刷越剧烈。且桩基迎流侧下切水流引起的漩涡脱落与流线收缩是海床泥沙掏蚀输移的根本原因。海上风电基础所处的真实海洋环境中，由于潮汐变化，水流强度、水深、流向总是反复变化，而当前的冲刷防护措施往往依赖于工程经验，缺乏精确的科学理论指导，导致防护针对性弱、环境适应性差，且大多存在过度防护，导致施工成本过高。另外，环境友好性也是局部冲刷防护工程需要考虑的重要方面。

申请号为CN202010509954.0的中国发明专利申请公开了一种海工基础的硬壳底栖生物防冲刷结构及施工方法，该生物防冲刷结构包括硬壳底栖生物生长依附桩和依附石块、硬壳底栖生物。具体施工方法为：在海工基础周围布设若干数量的可供硬壳底栖生物依附生长的水泥桩和石块，将硬壳底栖生物幼种撒放至海工基础与依附桩、石构成的区域内。待硬壳底栖生物依附桩、石生长后，再多次撒放其幼种补充生物间空隙，直至海工基础-底栖生物-土体形成的生物防冲刷硬壳层完全覆盖原土层为止。上述申请为申请人的在先申请，其具有较好的防护效果，但防护手段较为单一。

申请号为CN202010449933.4的中国发明专利申请公开了一种带防冲刷孔的水下桩基础冲刷防护装置，包括水下桩，所述水下桩的下半部埋在底质土内，所述水下桩的上半部浸泡在水内，所述水下桩的上半部外侧套设有防护网，所述防护网的底部安装有固定装置，且所述固定装置套设在水下桩的外侧，所述水下桩的下半部外侧套设有固土装置，且所述固土装置的顶部与固定装置连接，所述固土装置的内部安装有连接装置。其装置为固定设置，不能实现与水深、流向的自适应调节。

本申请试图针对现有技术中海上风电基础冲刷传统防护方法存在的环境适应性差、防护效果差、环境友好性差等种种弊端，提出新的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种海上基础冲刷多重防护系统，能够解决现有技术中海上风电基础冲刷防护方法存在的环境适应性差、防护效果差、环境友好性差等问题。

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种海上基础冲刷多重防护系统，其特征在于，包括自适应扰流体、防护网、导轨，所述自适应扰流体通过防护网与导轨连接；所述自适应扰流体为前小后大的中空流线型结构，包括前端部、尾翼部，所述前端部和尾翼部拼接后形成上下贯穿的孔洞；所述防护网为扇形放射状结构，由柔性材料制成；所述导轨固定在海床上，所述导轨包括滑块、轨道，所述轨道整体呈圆形，所述防护网的底部设置有与轨道相同曲率的弧形杆件，弧形杆件与滑块固定。

优选的，所述前端部内部设置有前空腔，所述尾翼部内部设置有后空腔。

优选的，所述自适应扰流体前端为圆角尖端。

优选的，在防护网的下部增加防护钢丝网，其网眼直径小于当地泥沙直径。

优选的，所述导轨通过锚固件固定在海床上，所述锚固件为吸力式筒形基础。

优选的，所述滑块有3-6个。

优选的，其特征在于，在防护网上部，还设置有藻类养殖吊绳。

优选的，所述藻类养殖吊绳包括固定环、聚乙烯绳、橡胶条，所述固定环固定在防护网上，所述藻类养殖吊绳由橡胶条与聚乙烯绳拧合而成。

优选的，在防护网下部，设置有养殖笼，所述养殖笼底部与防护网固定连接。

优选的，所述养殖笼包括浮球、笼体、扰流叶片，所述浮球位于上部，所述笼体位于中部，所述扰流叶片位于底部，所述笼体为倒锥形结构，采用FRB作为骨架，内部由透水板分成多层。

本发明的特点和有益效果是：

1．与传统桩基冲刷防护相比，本发明在整个过流断面上，由上到下采取多重主动防护的方式。实现了系统整体针对水深及潮流流向的自动调节，极大的提高了系统的环境适应性，同时大幅度减少了工程材料的投入成本。

2．最上部的自适应扰流体，可以有效分流减能，减弱了上部下切水流，扰乱马蹄形漩涡的形成。

3．下部防护网可以完整地将桩基迎流侧包裹，弹性网状结构可有效阻挡水流与振荡紊流，大幅度削减水流的冲刷作用。

4．防护网上部设置的藻类养殖吊绳可以进一步振荡削减水能，底部设置的养殖笼可以通过柔性震荡的方式消能减冲，还可以利用其自身刚性，形成强度足够的“生物牺牲桩”，阻挡水流，进一步实现基础冲刷的防护。

5．本发明通过基础冲刷灾害复合防治装备与水产养殖相结，实现了清洁能源与安全水产品的同步高效产出，一举多得，环境友好型强。除了海上风电单桩基础外，本发明也适用于其它类似的海上基础。

附图说明

图1为本发明结构正视图；

图2为本发明结构俯视图；

图3为本发明中的自适应扰流体示意图；

图4为本发明中的自适应扰流体内部剖视图；

图5为本发明中的藻类养殖吊绳结构示意图；

图6为本发明中的养殖笼结构示意图；

图7为本发明中的扰流叶片结构示意图；

图8为本发明中的导轨结构示意图；

附图标记：1、单桩基础；2、水面；3、自适应扰流体；31、尾翼部；311、后空腔；32、前端部；322、前空腔；4、藻类养殖吊绳；41、固定环；42、聚乙烯绳；43、橡胶条；5、防护网；6、养殖笼；61、浮球；62、笼体；63、扰流叶片；7、海床；8、锚固件；9、导轨；91、滑块；92、轨道。

具体实施方式

为使本发明能更有效地达到既定目的和作用，下面结合附图对本发明的结构、特征和具体实施方式作进一步的阐述。详细说明如下：

如图1-8所示，一种海上基础冲刷治理设备，包括自适应扰流体3、防护网5、导轨9。所述自适应扰流体3通过防护网5与导轨9连接。

所述自适应扰流体3为前小后大的中空流线型结构，包括前端部32、尾翼部31，所述前端部32为圆角扰流部分，所述前端部32和尾翼部31拼接后形成上下贯穿的孔洞，孔洞的形状与海上风电设备的单桩基础1形状相适配。所述单桩基础1的形状优选为圆形。孔洞与单桩基础1之间留有缝隙，可使自适应扰流体沿单桩基础1上下左右自由移动。为了提高稳定性，可以在缝隙内部设置多个滚珠。所述自适应扰流体3为平滑过渡的前尖后宽结构，可实现潮流流向的自适应，即在潮流时刻改变的海洋环境中，自适应扰流体可以转动，使得圆角尖端始终迎流。

所述自适应扰流体3内部设有空腔，可产生较大浮力。其空腔大小依据当地水动力情况而调整。该特殊结构可实现水深自适应，即在潮起潮落的水位时刻改变的真实海洋环境中，自适应扰流体浮于水面上。为了整体的平衡性，所述前端部32内部设置有前空腔322，所述尾翼部31内部设置有后空腔311。

所述自适应扰流体3前端为圆角尖端，该特殊结构可以有效分流减能，减弱下切水流以及扰乱马蹄形漩涡的形成，实现对单桩基础1局部冲刷的防护。

所述防护网5为扇形放射状结构，由柔性材料制成。优选的，由橡胶条编织而成，既保证防护网的刚性强度，又具有一定的复原弹性强度。优选的，在防护网5的下部增加防护钢丝网，其网眼直径小于当地泥沙直径，能够提供足够的刚性强度，用于防护在冲刷过程中所造成的砂粒流失。所述防护网5一方面可以大面积阻挡水流，另一方面可依靠其自身弹性材料紊流，大幅度削减桩周流体强度。

所述自适应扰流体3前端部32的底部预留有多个连接孔，所述防护网5的上端与连接孔固定。

所述导轨9通过锚固件8固定在海床7上。所述锚固件8为吸力式筒形基础。所述导轨9包括滑块91、轨道92。所述滑块91有3-6个，所述轨道92整体呈圆形，其直径为单桩基础1的2-5倍。所述防护网5的底部设置有与轨道92相同曲率的弧形杆件，弧形杆件与滑块91固定，可以沿轨道92自由滑动。

所述防护网5可在自适应扰流体3上浮或下潜的带动下，实现整体机构的松弛与张紧。如在低潮位情况下，水深变浅，桩周冲刷作用较强，自适应扰流体下潜，防护网5松弛，网眼变小，过流量变小，结构弹性强，紊流作用增强，防护效果变强。在高潮位情况下，水深较深，位于水面以下的基础随之变长，但由于自适应扰流体上浮，仍然能够对水面以下的基础提供防护。

所述防护网5还可在自适应扰流体3的旋转带动下，辅以导轨91的作用，实现整体结构的流向自适应。即流向改变时，自适应扰流体旋转至前端部32正对水流，并带动下部防护网5运动至正对水流，使桩基迎流侧始终被防护网完整包裹防护。

在防护网5上部，还设置有藻类养殖吊绳4，所述藻类养殖吊绳4包括固定环41、聚乙烯绳42、橡胶条43，所述固定环41固定在防护网5上，所述藻类养殖吊绳4由两股2厘米橡胶条43与一股3厘米宽聚乙烯绳42拧合而成。所述藻类养殖吊绳4可随水流振荡，具有紊流作用，增加了系统对于下切水流以及马蹄形漩涡的扰乱能力，进一步防护保护桩基以防冲刷。

在防护网5下部，设置有养殖笼6。所述养殖笼6底部与防护网固定连接。所述养殖笼6包括浮球61、笼体62、扰流叶片63。所述浮球61位于上部，所述笼体62位于中部，所述扰流叶片63位于底部。所述笼体62为倒锥形结构，采用防海水腐蚀的FRB作为骨架，内部由透水板分成多层，可开展海洋经济贝类作物的养殖。

所述浮球61为聚苯乙烯轻质球体，通过利用自身浮力使养殖笼6保持竖直。

所述扰流叶片63由叶片与中部圆环组成，叶片在水流作用下可自由旋转，扰动下切水流。

所述养殖笼6一方面可通过柔性震荡的方式消能减冲，另一方面可利用其自身刚性，形成强度足够的“生物牺牲桩”阻挡水流，进一步实现基础冲刷的防护。

以上参考了优选实施例对本发明进行了描述，但本发明的保护范围并不限制于此，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，且不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。因此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种海上基础冲刷多重防护系统，其特征在于，包括自适应扰流体（3）、防护网（5）、导轨（9），所述自适应扰流体（3）通过防护网（5）与导轨（9）连接；

所述自适应扰流体（3）为前小后大的中空流线型结构，包括前端部（32）、尾翼部（31），所述前端部（32）和尾翼部（31）拼接后形成上下贯穿的孔洞；

所述防护网（5）为扇形放射状结构，由柔性材料制成；

所述导轨（9）固定在海床（7）上，所述导轨（9）包括滑块（91）、轨道（92），所述轨道（92）整体呈圆形，所述防护网（5）的底部设置有与轨道（92）相同曲率的弧形杆件，弧形杆件与滑块（91）固定。

2.根据权利要求1所述的一种海上基础冲刷多重防护系统，其特征在于，所述前端部（32）内部设置有前空腔（322），所述尾翼部（31）内部设置有后空腔（311）。

3.根据权利要求1所述的一种海上基础冲刷多重防护系统，其特征在于，所述自适应扰流体（3）前端为圆角尖端。

4.根据权利要求1所述的一种海上基础冲刷多重防护系统，其特征在于，在防护网（5）的下部增加防护钢丝网，其网眼直径小于当地泥沙直径。

5.根据权利要求1所述的一种海上基础冲刷多重防护系统，其特征在于，所述导轨（9）通过锚固件（8）固定在海床（7）上，所述锚固件（8）为吸力式筒形基础。

6.根据权利要求1所述的一种海上基础冲刷多重防护系统，其特征在于，所述滑块（91）有3-6个。

7.根据权利要求1所述的一种海上基础冲刷多重防护系统，其特征在于，在防护网（5）上部，还设置有藻类养殖吊绳（4）。

8.根据权利要求7所述的一种海上基础冲刷多重防护系统，其特征在于，所述藻类养殖吊绳（4）包括固定环（41）、聚乙烯绳（42）、橡胶条（43），所述固定环（41）固定在防护网（5）上，所述藻类养殖吊绳（4）由橡胶条（43）与聚乙烯绳（42）拧合而成。

9.根据权利要求1所述的一种海上基础冲刷多重防护系统，其特征在于，在防护网（5）下部，设置有养殖笼（6），所述养殖笼（6）底部与防护网（5）固定连接。

10.根据权利要求9所述的一种海上基础冲刷多重防护系统，其特征在于，所述养殖笼（6）包括浮球（61）、笼体（62）、扰流叶片（63），所述浮球（61）位于上部，所述笼体（62）位于中部，所述扰流叶片（63）位于底部，所述笼体（62）为倒锥形结构，采用FRB作为骨架，内部由透水板分成多层。

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