CN114351769B - 一种海上风电筒型基础防冲刷低耗注浆帷幕及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海上风电筒型基础冲刷防治领域，尤其涉及一种海上风电筒型基础防冲刷低耗注浆帷幕及施工方法，包括筒型基础施工平台，筒型基础施工平台的周向设置有中心对称的分布式帷幕结构；分布式帷幕结构包括若干分布式帷幕底座，若干分布式帷幕底座中心对称设置在筒型基础施工平台周向且位于砂层内，分布式帷幕底座的顶面连接有分布式帷幕斜撑体，筒型基础施工平台与分布式帷幕斜撑体之间为海浪掏蚀区，筒型基础施工平台上设置有泵力系统，泵力系统连通有钻取组件，钻取组件的进端位于砂层内。本发明可以解决现有的海上风电筒型基础施工平台防冲刷技术中耗材严重、加固深度和广度有限等问题。

Description

一种海上风电筒型基础防冲刷低耗注浆帷幕及施工方法

技术领域

本发明属于海上风电筒型基础冲刷防治领域，尤其涉及一种海上风电筒型基础防冲刷低耗注浆帷幕及施工方法。

背景技术

当前世界各国对能源的消耗和需求日益增加，能源问题逐渐成为制约社会发展的突出问题。风能资源，尤其海上风能作为一种清洁可再生能源，为缓解世界能源紧张形势提供了新的方向。我国作为海洋大国，海上风能资源的储量十分丰富。据海上资源调查，我国水深5～25m、高度50m的海上风电开发潜力200GW，水深5～50m、高度70m的海上风电开发潜力500GW，大力发展海上风电也已成为我国能源结构转型的重要一环。

近年来，结合我国近海风力条件和地质特点，一种方便建造施工、抗倾覆能力强、适合多种地基土质的海上风电筒型基础-复合筒型基础被研发及广泛应用于我国沿海的风电开发中。然而，此类基础周围土体长期受到海水冲刷时，由于基础水平承载力下降而可能发生事故，这在很大程度上影响着风电基础的安全性和稳定性。如何减缓水下基础的冲刷已经成为制约海上风电发展的重大难题。目前传统方法多采用膜袋砂护底、人工抛石或增设四面体透水框架群等对基础周围土体进行一定程度加固，减缓海水对基础的冲刷。但当前传统防冲刷方法有耗材严重、施工成本高、整体加固效果难以控制的缺陷，常造成加固效果有限、维护成本及频次高等问题。此外还有一些防冲刷技术方法：

公开号为CN108589798A的中国专利申请公开了一种基于MICP技术的大直径桩基防冲刷方法和装置，该方法可在海床表面形成硬壳层，从而提升抗冲刷能力。但该方法仅对海床表层土体进行加固，加固范围十分有限，当加固层下方深部土体发生掏蚀时，将极大降低海床表层加固层的强度和抗冲刷性能。

公开号为CN113774896A的中国专利申请公开了一种海上风电筒型基础顶部旋进式注浆防冲刷装置及方法，实现了对筒型基础周围深部土体的加固。但该方法浆液耗材严重，且大范围注浆存在着浆液漏失、造成海洋环境污染的风险。

公开号为CN110593325A的中国专利申请公开了一种海上风电基础幕布防冲刷结构，利用幕布单体组成防冲刷幕布，提升风电基础抗冲刷能力。但其存在着时效性问题，在海洋腐蚀及冲刷环境下，幕布强度会随着时间增长而大幅度降低，此方法无法保障风电基础长期的防冲刷问题。

公开号为CN102134863A的中国专利申请公开了一种压注水泥浆配合袋装干拌混合料的水下基础加固防护方法，利用水泥、砂及碎石组成的混合料和压注水泥浆共同形成与河床及基础底面完全贴合的整体混凝土。但其需预埋压浆管，水泥浆液加固只能对压浆管外侧一定范围岩土体进行加固，加固范围有限，且存在着耗材严重，施工难度大等问题。

因此有必要提出一种海上风电筒型基础防冲刷低耗注浆帷幕及施工方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种海上风电筒型基础防冲刷低耗注浆帷幕及施工方法，以解决上述问题，达到解决现有的海上风电筒型基础防冲刷技术中耗材严重、加固深度和广度有限等问题的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种海上风电筒型基础防冲刷低耗注浆帷幕，包括筒型基础施工平台，所述筒型基础施工平台的周向设置有中心对称的分布式帷幕结构；

所述分布式帷幕结构包括若干分布式帷幕底座，若干所述分布式帷幕底座中心对称设置在所述筒型基础施工平台周向且位于砂层内，所述分布式帷幕底座的顶面连接有分布式帷幕斜撑体，所述筒型基础施工平台与所述分布式帷幕斜撑体之间为海浪掏蚀区，所述筒型基础施工平台上设置有泵力系统，所述泵力系统连通有钻取组件，所述钻取组件的进端位于砂层内。

优选的，所述钻取组件包括与所述泵力系统连通的定向钻杆出端，所述定向钻杆进端连通有抽砂筒，所述抽砂筒位于所述分布式帷幕底座的下方。

优选的，所述抽砂筒为中空厚壁钢桶，所述抽砂筒的前端设置有切削齿，所述抽砂筒的后端通过所述定向钻杆与所述泵力系统连通，所述抽砂筒的外侧开设有若干吸砂孔洞，所述抽砂筒的周向开设有若干刻槽，任一所述刻槽内连接有可伸缩钢撑，若干所述吸砂孔洞位于相邻所述刻槽之间。

优选的，所述分布式帷幕底座水平设置在砂层内，所述分布式帷幕斜撑体的高端远离所述筒型基础施工平台且延伸至软土层，所述分布式帷幕斜撑体的低端与所述分布式帷幕底座顶面耦合。

优选的，包括以下步骤：

S1.收集地质钻探资料，确定地层结构；

S2.以海上风电所述筒型基础为平台，注浆形成所述分布式帷幕结构；

S3.在海浪对所述筒型基础施工平台附近岩土体形成所述海浪掏蚀区后，利用所述抽砂筒抽取所述分布式帷幕结构外围的砂层，对所述海浪掏蚀区内进行加固。

优选的，所述步骤S2中，所述分布式帷幕底座，长度为6～0m；所述分布式帷幕斜撑体水平投影长度5～8m，所述分布式帷幕斜撑体顶部低于泥面～3m。

优选的，所述步骤S2中，所述分布式帷幕斜撑体距离所述筒型基础施工平台筒壁距离为0.25～d。

优选的，所述步骤S3中，在加固时使用的土料中，砂层中的主料砂土占比85～95％，粘结剂占比5～5％；粘结剂成分具体为：粉煤灰30～35％、改性石膏25～30％、硅酸盐水泥熟料33～45％、早强剂0.5～5％。

优选的，所述分布式帷幕斜撑体及所述分布式帷幕底座的形成分别两次注浆，初次注浆设计压力为0.2～0.3MPa，待浆液初凝后，进行二次注浆，设计注浆压力为0.3～0.5MPa。

本发明具有如下技术效果：本发明提供的一种海上风电筒型基础防冲刷低耗注浆帷幕及施工方法，是首次提出利用定向钻孔，采用抽砂筒，实现了广泛分布的海底砂层作为加固主料，仅需要少量浆液形成分布式帷幕，即可进行筒型基础抗冲刷能力的提升。本发明就地取材，无需巨量耗材及提前埋设压浆管，克服了海上注浆浆液运输难题，极大的降低了维护难度和成本，绿色环保。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明分布式帷幕注浆示意图；

图2为本发明抽砂筒抽取砂层示意图；

图3为本发明分布式帷幕及抽取砂层回填后效果示意图；

图4为本发明抽砂筒结构示意图；

图5为本发明分布式帷幕平面布置图；

图6为本发明实施例二分布式帷幕平面布置图；

图7为本发明实施例三分布式帷幕平面布置图；

其中，1、泵力系统；2、定向钻杆；21、延伸钻杆；22、连接钻杆；3、分布式帷幕底座；4、分布式帷幕斜撑体；5、输砂管；6、海浪掏蚀区；7、抽砂筒；71、切削齿；72、吸砂孔洞；73、刻槽；74、可伸缩钢撑；75、螺母。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

参照图1-5所示，本发明提供了一种海上风电筒型基础防冲刷低耗注浆帷幕，包括筒型基础施工平台，筒型基础施工平台的周向设置有中心对称的分布式帷幕结构，分布式帷幕结构为单层布设；

分布式帷幕结构包括四组分布式帷幕底座3，四组分布式帷幕底座3中心对称设置在筒型基础施工平台周向且位于砂层内，四组分布式帷幕底座3的顶面分别连接有分布式帷幕斜撑体4，筒型基础施工平台与分布式帷幕斜撑体4之间为海浪掏蚀区6，筒型基础施工平台上设置有泵力系统1，泵力系统1连通有钻取组件，钻取组件的进端位于砂层内。

进一步优化方案，钻取组件包括与泵力系统1连通的定向钻杆2出端，定向钻杆2进端连通有抽砂筒7，抽砂筒7位于分布式帷幕底座3的下方。

进一步优化方案，抽砂筒7为中空厚壁钢桶，抽砂筒7的前端设置有切削齿71，抽砂筒7的后端通过定向钻杆2与泵力系统1进端连通，抽砂筒7的外侧开设有若干吸砂孔洞72，抽砂筒7的周向开设有若干刻槽73，任一刻槽73内连接有可伸缩钢撑74，若干吸砂孔洞72位于相邻刻槽73之间。

进一步优化方案，可伸缩钢撑74由三块钢板(图中未标记)组成，钢板间通过销钉连接。靠近抽砂筒7前端的钢板固定于抽砂筒7上，靠近抽砂筒7后端的钢板可于刻槽73内相对滑动。当抽砂筒7前进时，可伸缩钢撑74受到来自前进方向的土压力而发生伸展；当抽砂筒7回撤时，可伸缩钢撑74受到来自回撤方向的土压力而发生收缩。

进一步优化方案，定向钻杆2包括连通的延伸钻杆21、连接钻杆22，抽砂筒7的后端与连接钻杆22之间通过螺母75连接。

进一步优化方案，分布式帷幕底座3水平设置在砂层内，分布式帷幕斜撑体4的高端远离筒型基础施工平台且延伸至软土层，分布式帷幕斜撑体4的低端与分布式帷幕底座3顶面耦合。

进一步优化方案，泵力系统1的出端连通有输砂管5，输砂管5的出端与海浪掏蚀区6对应设置。

进一步优化方案，包括以下步骤：

S1.收集地质钻探资料，确定地层结构；资料表明，该实施例中砂层分布较为稳定，砂层与上覆粉土及粉质黏土互层间的地质界面较为稳定，砂层界面位于泥面约6.5m。

S2.依据步骤S1的地质资料，设计单层分布式帷幕结构；以海上风电筒型基础为平台，利用定向钻杆2注浆形成分布式帷幕结构，即在筒型基础施工平台外侧一定范围内进行分布式定向注浆加固，减缓海浪对帷幕与筒型基础施工平台间岩土体的冲刷作用；分布式帷幕结构俯视图如图5所示，分布式帷幕结构共分为四块帷幕，对称分布在筒型基础施工平台四周，帷幕至筒型基础施工平台距离s＝0.5d,帷幕长度l＝0.67d，d为筒型基础施工平台直径。

另外，如图1所示，每块帷幕分为包括分布式帷幕底座3及分布式帷幕斜撑体4。结合场地地质资料及筒式基础的设计资料，分布式帷幕底座3在砂层内沿着水平方向延伸，长度为6m；分布式帷幕斜撑体4下部与分布式帷幕底座3耦合，斜向上部软土层延伸，水平投影长度5m，分布式帷幕斜撑体4顶部低于泥面3m，泥面为海水底面。

另外，考虑到分布式帷幕斜撑体及底座所处地层的差异，首先用单液水泥浆液进行分布式帷幕斜撑体4注浆加固，其次用复合水泥基-水玻璃双液浆液进行分布式帷幕底座3的注浆加固。为增强注浆加固效果，分布式帷幕斜撑体4及分布式帷幕底座3的注浆均为两次注浆，初次注浆设计压力为0.2MPa，待浆液初凝后，进行二次注浆，设计注浆压力为0.3MPa。

S3.在海浪对筒型基础施工平台附近岩土体形成海浪掏蚀区6后，利用抽砂筒7抽取帷幕结构外围的砂层为主料，并混合粘结剂后，对海浪掏蚀区6内进行回填加固。如图4所示，抽砂筒7为中空厚壁钢桶，抽砂筒7前端布有切削齿71，抽砂筒7后端与连接钻杆22通过螺母75相连，再通过延伸钻杆21与泵力系统1相连；所述抽砂筒7体外侧开有多排吸砂孔洞75，吸砂孔洞72之间布有多组刻槽73，每组刻槽73上又布有一组可伸缩钢撑74。

进一步优化方案，步骤S3中，在加固使用的土料中，为保证回填效果，需用粘结剂拌和砂土，具体比例为砂土占比95％，粘结剂占比5％；粘结剂成分具体为：粉煤灰34％、改性石膏30％、硅酸盐水泥熟料35％、早强剂1％。

进一步优化方案，步骤S3中，抽砂筒7的使用方法为：

Q1：将抽砂筒7与定向钻杆2，通过螺母75与连接钻杆22相连，利用泵力系统1为动力，将抽砂筒7旋转钻进至指定位置；

Q2：利用泵力系统1抽取砂土，设计抽取压力为0.75MPa；

Q3：当抽取压力达到设计压力时，停止抽取，为防止抽砂筒7堵塞，利用定向钻杆2向后撤抽砂筒7一定距离，为0.8m；

Q4:当抽砂筒7外侧刻槽73内的可伸缩钢撑74向外侧撑起，停止定向钻杆2后撤，同时利用定向钻杆2带动抽砂筒7旋转，搅扰筒外密实的砂土层；

Q5：重复Q2至Q4步骤，直至抽取的砂土量满足回填需求。

进一步优化方案，抽取砂层时，定向钻杆2应从分布式帷幕结构间隙进行下穿，且定向钻杆2轨迹与分布式帷幕结构需保持一定距离。

进一步优化方案，步骤S3，可视后期海浪对筒型基础施工平台周围岩土体的冲刷程度，调整该步骤频次，进行低成本维护。

实施例二

如图6所示，本实施例的实施环境与实施例一的区别仅在于：

步骤S1中：地质条件差于实施例一，地质资料表明该场区内砂层埋较深，位于泥面以下约17.5m；

步骤S2中：考虑到地质条件较差，实施例一中的加固方案不能满足本实施例中筒型基础施工平台防冲刷的要求，因此本实施例加固方案在实施例1中加固方案基础上做了改进。如图6所示，本实施例依旧采用单层分布式帷幕结构，但增加帷幕数量至八块，同时调整帷幕距筒体距离及尺寸以增强分布式帷幕结构抗冲刷性能，具体为帷幕距筒体距离s＝0.25d,帷幕长度l＝0.5d，d为筒型基础施工平台直径；

考虑到本实施例砂层埋藏较深，调整注浆压力，初次注浆设计压力为0.25MPa，待浆液初凝后，进行二次注浆，设计注浆压力为0.4MPa；

步骤S3中：为保证回填效果，回填掏蚀区时，调整主料砂土占比90％，粘结剂占比10％。粘结剂成分为：粉煤灰32％、改性石膏27％、硅酸盐水泥熟料40％、早强剂1％。

实施例三

如图7所示，本实施例的实施环境与实施例一的区别仅在于：

步骤S2中，具体为：

如图7所示，本实施例中的地质条件与实施例二完全相同，但本实施例采用双层分布式帷幕结构来达到筒型基础施工平台防冲刷能力的提升，即分布式帷幕共分为两层，内部8块帷幕，外部4块帷幕，最外层帷幕距筒体距离s＝0.5d，帷幕长度l＝0.25d，d为筒型基础施工平台直径。内外两层帷幕距离为0.5m。注浆顺序为先外层帷幕，后内层帷幕。相较于实施例二，本实施例中单个帷幕尺寸较小，施工难度低。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种海上风电筒型基础防冲刷低耗注浆帷幕，其特征在于：包括筒型基础施工平台，所述筒型基础施工平台的周向设置有中心对称的分布式帷幕结构；

所述分布式帷幕结构包括若干分布式帷幕底座（3），若干所述分布式帷幕底座（3）中心对称设置在所述筒型基础施工平台周向且位于砂层内，所述分布式帷幕底座（3）的顶面连接有分布式帷幕斜撑体（4），所述筒型基础施工平台与所述分布式帷幕斜撑体（4）之间为海浪掏蚀区（6），所述筒型基础施工平台上设置有泵力系统（1），所述泵力系统（1）连通有钻取组件，所述钻取组件的进端位于砂层内；

所述钻取组件包括与所述泵力系统（1）连通的定向钻杆（2）出端，所述定向钻杆（2）进端连通有抽砂筒（7），所述抽砂筒（7）位于所述分布式帷幕底座（3）的下方；

所述抽砂筒（7）为中空厚壁钢桶，所述抽砂筒（7）的前端设置有切削齿（71），所述抽砂筒（7）的后端通过所述定向钻杆（2）与所述泵力系统（1）连通，所述抽砂筒（7）的外侧开设有若干吸砂孔洞（72），所述抽砂筒（7）的周向开设有若干刻槽（73），任一所述刻槽（73）内连接有可伸缩钢撑（74），若干所述吸砂孔洞（72）位于相邻所述刻槽（73）之间；

所述分布式帷幕底座（3）水平设置在砂层内，所述分布式帷幕斜撑体（4）的高端远离所述筒型基础施工平台且延伸至软土层，所述分布式帷幕斜撑体（4）的低端与所述分布式帷幕底座（3）顶面耦合。

2.一种海上风电筒型基础防冲刷低耗注浆帷幕的施工方法，应用于权利要求1所述的海上风电筒型基础防冲刷低耗注浆帷幕，其特征在于，包括以下步骤：

S1.收集地质钻探资料，确定地层结构；

S2.以海上风电所述筒型基础施工平台为平台，注浆形成所述分布式帷幕结构；

S3.在海浪对所述筒型基础施工平台附近岩土体形成所述海浪掏蚀区（6）后，利用所述抽砂筒（7）抽取所述分布式帷幕结构外围的砂层，对所述海浪掏蚀区（6）内进行加固。

3.根据权利要求2所述的海上风电筒型基础防冲刷低耗注浆帷幕的施工方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述分布式帷幕底座（3）长度为6～10m；所述分布式帷幕斜撑体（4）水平投影长度5～8m，所述分布式帷幕斜撑体（4）顶部低于泥面1～3m。

4.根据权利要求2所述的海上风电筒型基础防冲刷低耗注浆帷幕的施工方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述分布式帷幕斜撑体（4）距离所述筒型基础施工平台筒壁距离为0.25～1d。

5.根据权利要求2所述的海上风电筒型基础防冲刷低耗注浆帷幕的施工方法，其特征在于：所述步骤S3中，在加固时使用的土料中，砂层中的主料砂土占比85～95%，粘结剂占比5～15%；粘结剂成分具体为：粉煤灰30～35%、改性石膏25～30%、硅酸盐水泥熟料33～45%、早强剂0.5～1.5%。

6.根据权利要求3所述的海上风电筒型基础防冲刷低耗注浆帷幕的施工方法，其特征在于：所述分布式帷幕斜撑体（4）及所述分布式帷幕底座（3）的形成分别进行两次注浆，初次注浆设计压力为0.2～0.3MPa，待浆液初凝后，进行二次注浆，设计注浆压力为0.3～0.5MPa。

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