CN114687373B - 一种重力式堆石混凝土海上风电基础 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种重力式堆石混凝土海上风电基础，包括设置在海床基础上的底部预制构件和顶部预制构件；所述底部预制构件为上方开口的仓体结构，所述底部预制构件的内部填充有大粒径块石和自密实混凝土；所述顶部预制构件卡合在上方开口处并固定在所述自密实混凝土的上方，所述顶部预制构件用于连接安装风机塔筒；本海上风电基础结构通过分别预制的方式能够在工厂中完成预制结构的制作，减少海上施工工程量，安全性和施工效率均得到了提升，底部预制构件为重力式基础空腔，体积容量大但是自重较小，运输和安装过程中，无需投入大型起重船吊扶安装，降低了施工门槛和工程造价，增强了该基础在海上风电领域的竞争性。
Description
技术领域
本发明涉及到海上风电基础技术领域，具体涉及到一种重力式堆石混凝土海上风电基础。
背景技术
风力发电目前已成为技术成熟、成本最低、对环境影响最小的可再生能源利用方式，也是最具经济价值的新能源类型。相较于陆上风电，海上风电存在风能资源丰富、空间大等显著优势，但海上风电的施工技术难度大，施工成本高，其中，海上风机基础造价占海上风电总成本的15％～25％。海上风机基础型式较多，可分为重力式、单桩式、吸力筒式、导管架式以及漂浮式。
重力式基础是海上风电机组基础结构中的一种主要基础型式，主要依靠结构重量抵抗风机荷载和环境载荷产生的倾覆力矩和滑动力，使海上风电机组保持稳定。重力式基础结构部分通常为预制混凝土结构物，不需要进行打桩作业，可直接进行现场安装。但预制基础结构全部采用混凝土浇筑，造价相对较高，并且需要进行混凝土养护以增强混凝土的耐久性和整体性，防止开裂，使得预制工期较长。在安装过程中，由于其体积和自重较大，需要借助大型设备进行海上运输和安装，施工过程相对复杂。
如中国发明专利(公告号：CN101545462B)在2011年公开了一种钢-混凝土组合重力式海上风电机组基础结构，钢管立柱顶端设有钢承台，钢管立柱下端的外表面均匀的设有若干型钢混凝土筋板，型钢混凝土筋板的外端固定在多边形的型钢混凝土基座的内表面，型钢混凝土基座的底面以中心为原点，均匀地设有沿径向的若干肋板，相邻的两肋板的外端设有裙边，肋板的高度与裙边相同，型钢混凝土基座的底面上设有若干灌浆孔和锚杆孔。该重力式基础结构，虽然在一定程度上减少了施工难度，但是整个结构容易受到海上侵蚀，海上能够很容易进入待内部空间中。
中国发明专利申请(公开号：CN111809652A)在2020年公开了一种拼装式重力风电基础结构，包括基础箱台；该基础箱台包括沿着圆周方向分布的多个预制拼接基础箱；基础箱台的顶部中心位置，垂直固定连接塔筒；每个预制拼接基础箱包括相互连接的一个承台局部和一个中空的配重箱；该基础结构采用了预制的方式也能够减少工程量，但是在海面拼装的工作量增加了，而且这些配重箱体以环绕的形式布置，在海面上拼装难度较高，需要使用较多的辅助工具；另外如果这些配重箱沉入海底，海水也能够进入箱体内部，海水对内部部件以及基础的侵蚀较为明显。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种重力式堆石混凝土海上风电基础。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种重力式堆石混凝土海上风电基础，包括设置在海床基础上的底部预制构件，以及设置在所述底部预制构件上方的顶部预制构件；所述底部预制构件为上方开口的仓体结构，所述上方开口位于海平面的上方，所述底部预制构件的内部填充有大粒径块石，以及填充在所述大粒径块石之间的自密实混凝土，所述自密实混凝土填充至上方开口处；所述顶部预制构件卡合在上方开口处并固定在所述自密实混凝土的上方，所述顶部预制构件用于连接安装风机塔筒。
本重力式堆石混凝土海上风电基础结构简单，易于施工，通过分别预制的方式能够在工厂中完成整体结构的制作，减少海上施工工程量，安全性和施工效率均得到了提升；外轮廓较大的底部预制构件为重力式基础空腔，体积容量大但是自重较小，运输和安装过程中，无需投入大型起重船吊扶安装，降低了施工门槛和工程造价，增强了该基础在海上风电领域的竞争性。
本重力式堆石混凝土海上风电基础采用堆石混凝土填充工艺，将大粒径块石直接堆放入仓，然后浇筑自密实混凝土，依靠自重完全填充堆石的空隙，形成满足强度和自重要求的大体积混凝土。该堆石混凝土施工简便，综合单价低，水化温升小，养护周期短，能够有效提高施工效率，降低基础造价。
采用这种结构的底部预制构件，将制作难度高的外部轮廓放在陆地工厂中制造，仓体式结构，能做成较大的体积且便于拖运；大粒径块石的填充能够快速的让底部预制构件下沉，结合自密实混凝土的使用，能够填充大粒径块石之间的间隙，形成整体的稳固结构；所述仓体结构除了能够容纳这些块石和自密实混凝土，也能够保护这些块石和自密实混凝土，在施工过程中以及后续使用过程中减少海水对内部结构的侵蚀，提升了风电基础的使用寿命。
通过上下两部分的分体式预制结构，便于独立制作，底部预制结构主要为外部轮廓结构，而顶部预制结构可以为实体结构，由于分开后使得所述顶部预制构件的体积减小，不用一次成型较大的混凝土结构，降低了工厂的预制工期，而且结构较为规整，方便成型制作，质量有保证，能够直接用于连接安装风机塔筒。
进一步的，所述海床基础开挖至基岩面形成基坑，所述基坑整平并抛填有抛石，所述底部预制构件的底部设置在所述基坑中的抛石上，所述底部预制构件的四周及所述海床基础上也设有抛石。
对所述海床基础进行开挖处理，能够去除表面松散的砂石，为构件的安装提供一个坚实的基础；所述抛石的设置一方面能够抵御海底水流的冲击，增强稳定性，另一方面将大块抛石和小粒径配级抛石配合使用，能够增强覆盖层次，减少孔隙，防止海床泥沙淘刷，增强对基础的保护效果。
进一步的，所述底部预制构件为下大上小的截锥形结构。
进一步的，所述底部预制构件为预制的耐腐蚀金属结构件或者预制混凝土结构件，所述底部预制构件的外壁上还设有防腐涂层。以提升所述底部预制构件的耐腐蚀性能，提高防渗漏性能，减少内部结构被海水侵蚀的概率。
进一步的，所述顶部预制构件为柱形的混凝土预制构件，上方预留有安装槽，便于与风机塔筒的对接安装；所述顶部预制构件、所述底部预制构件和所述风机塔筒的中轴线设置在同一竖向轴线上，使得重心位于中轴线上，稳定性更好。
进一步的，所述底部预制构件上设有若干灌浆孔，用于自密实混凝土的灌注，也可以设置相对应的出浆孔。
进一步的，所述顶部预制构件的上方还设有若干吊环，方便起吊安装和搬运。
进一步的，所述底部预制构件的外壁的倾斜角度在40～60度，减少和均衡外周面受海水的冲击力。
进一步的，所述海上风电基础的一种施工方式如下：
(1)岸上预制：根据工程确定基础外形尺寸，在陆地工厂中分别制造所述顶部预制构件和底部预制构件；
(2)海床基础处理：将所述海床基础挖至基岩面，并平整场地；随后在海床基础的底部及四周抛填若干抛石；
(3)浮运拖曳：将制造好的所述顶部预制构件和所述底部预制构件运输到已挖好的海床基础处的海面；
(4)堆石沉放：向所述底部预制构件内置入大粒径块石以将所述底部预制构件沉入所述海床基础，所述底部预制构件沉放稳定后，将所述顶部预制构件与所述底部预制构件组装；
(5)灌浆连接：通过灌浆孔向所述底部预制构件内浇筑自密实混凝土，进行混凝土养护，自密实混凝土硬化后，将所述风机塔筒与所述顶部预制构件连接。
进一步的，在所述浮运拖曳的步骤中，所述底部预制构件利用自身浮力拖运，所述顶部预制构件利用小型船只运输；在所述堆石沉放的步骤中，所述大粒径块石为多种形状尺寸的块石，所述顶部预制构件的底部卡合预固定在所述上方开口的台阶处，最后与灌注的所述自密实混凝土粘结固定在一起。
由于本海上风电基础的结构简单，部件少，使得运输方便，安装便捷，利用所述底部预制构件能够直接在海水中形成大体积堆石混凝土结构，既能够提供稳定可靠的底部支撑，也能够有效节省混凝土用量，降低工程造价；此外，堆石混凝土还具有水化温升小、良好的体积稳定性、层间抗剪能力强等优点，能够有效提高施工效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本重力式堆石混凝土海上风电基础结构简单，易于施工，通过分别预制的方式能够在工厂中完成整体结构的制作，减少海上施工工程量，安全性和施工效率均得到了提升；外轮廓较大的底部预制构件为重力式基础空腔，体积容量大但是自重较小，运输和安装过程中，无需投入大型起重船吊扶安装，降低了施工门槛和工程造价，增强了该基础在海上风电领域的竞争性；2、本重力式堆石混凝土海上风电基础采用堆石混凝土填充工艺，将大粒径块石直接堆放入仓，然后浇筑自密实混凝土，依靠自重完全填充堆石的空隙，形成满足强度和自重要求的大体积混凝土具有施工简便、综合单价低、水化温升小、养护周期短等优点，能够有效提高施工效率，降低基础造价；3、通过上下两部分的分体式预制结构，便于独立制作，底部预制结构主要为外部轮廓结构，体积大重量小，而顶部预制结构可以为实体结构，体积小强度高，不用一次成型较大的混凝土结构，降低了工厂的预制工期，而且结构较为规整，方便成型制作，质量有保证，能够直接用于连接安装风机塔筒；4、对所述海床基础进行开挖处理，能够去除表面松散的砂石，为构件的安装提供一个坚实的基础；所述抛石的设置也能够抵御海底水流的冲击，增强稳定性，也能够增强覆盖层次，减少孔隙，防止海床泥沙淘刷，增强对基础的保护效果；5、所述底部预制构件通过防腐处理，能够提升所述底部预制构件的耐腐蚀性能，提高防渗漏性能，减少内部结构被海水侵蚀的概率。
附图说明
图1为本发明一种重力式堆石混凝土海上风电基础的正面剖面图；
图2为本发明一种重力式堆石混凝土海上风电基础的俯视图；
图中：1、吊环；2、顶部预制构件；3、灌浆孔；4、自密实混凝土；5、大粒径块石；6、底部预制构件；7、抛石；8、风机塔筒。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中间”、“上”、“下”、“左”、“右”、“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。
实施例一：
如图1和2所示，一种重力式堆石混凝土海上风电基础，包括设置在海床基础上的底部预制构件6，以及设置在所述底部预制构件6上方的顶部预制构件2；所述底部预制构件6为上方开口的仓体结构，所述上方开口位于海平面的上方，所述底部预制构件6的内部填充有大粒径块石5，以及填充在所述大粒径块石5之间、大粒径块石5和仓体内壁之间的自密实混凝土4，所述自密实混凝土4填充至上方开口处；所述顶部预制构件2卡合在上方开口处并固定连接在所述自密实混凝土4的上方，所述顶部预制构件2用于连接安装风机塔筒8。
本重力式堆石混凝土海上风电基础结构简单，易于施工，通过分别预制的方式能够在工厂中完成整体结构的制作，减少海上施工工程量，安全性和施工效率均得到了提升；外轮廓较大的底部预制构件6为重力式基础空腔，体积容量大但是自重较小，运输和安装过程中，无需投入大型起重船吊扶安装，降低了施工门槛和工程造价，增强了该基础在海上风电领域的竞争性。
本重力式堆石混凝土海上风电基础采用堆石混凝土填充工艺，将大粒径块石5直接堆放入仓，然后浇筑自密实混凝土4，依靠自重完全填充堆石的空隙，形成满足强度和自重要求的大体积混凝土。该堆石混凝土施工简便，综合单价低，水化温升小，养护周期短，能够有效提高施工效率，降低基础造价。
采用这种结构的底部预制构件6，将制作难度高的外部轮廓放在陆地工厂中制造，仓体式结构，能做成较大的体积且便于拖运；大粒径块石5的填充能够快速的让底部预制构件6下沉，结合自密实混凝土的使用，能够填充大粒径块石之间的间隙，形成整体的稳固结构；所述仓体结构除了能够容纳这些块石和自密实混凝土，也能够保护这些块石和自密实混凝土，在施工过程中以及后续使用过程中减少海水对内部结构的侵蚀，提升了风电基础的使用寿命。
通过上下两部分的分体式预制结构，便于独立制作，底部预制构件6主要为外部轮廓结构，而顶部预制构件2可以为实体结构，由于分开后使得所述顶部预制构件2的体积减小，不用一次成型较大的混凝土结构，降低了工厂的预制工期，而且结构较为规整，方便成型制作，质量有保证，能够直接用于连接安装风机塔筒。
进一步的，所述海床基础开挖至基岩面形成基坑，所述基坑整平并抛填有抛石7，所述底部预制构件6的底部设置在所述基坑中的抛石7上，所述底部预制构件6的四周及所述海床基础上也设有抛石7。
对所述海床基础进行开挖处理，能够去除表面松散的砂石，为构件的安装提供一个坚实的基础；所述抛石7的设置一方面能够抵御海底水流的冲击，增强稳定性，另一方面将大块抛石和小粒径配级抛石配合使用，能够增强覆盖层次，减少孔隙，防止海床泥沙淘刷，增强对基础的保护效果。
进一步的，所述底部预制构件6为下大上小的截锥形结构，外周面为圆形，有利于水流的经过。
进一步的，所述底部预制构件6为预制的耐腐蚀金属结构件或者预制混凝土结构件，所述底部预制构件6的外壁上还设有防腐涂层。以提升所述底部预制构件的耐腐蚀性能，提高防渗漏性能，减少内部结构被海水侵蚀的概率。
进一步的，所述顶部预制构件2为柱形的混凝土预制构件，上方预留有安装槽，便于与风机塔筒8的对接安装；所述顶部预制构件2、所述底部预制构件6和所述风机塔筒8 的中轴线设置在同一竖向轴线上，使得重心位于中轴线上，稳定性更好。
进一步的，所述底部预制构件6上对称的设有一对灌浆孔3，所述灌浆孔3靠近所述上方开口处设置，其不影响所述顶部预制构件2的卡合安装，安装后的顶部预制构件2也不影响灌浆孔的使用，当灌注的自密实混凝土4上升至所述顶部预制构件2的底部时也能够与其结合形成连接支撑结构，也可以设置相对应的出浆孔，方便排气和出浆，以及灌注量的判断。
进一步的，所述顶部预制构件2的上方还设有若干吊环1，方便起吊安装和搬运。
进一步的，所述底部预制构件6的外壁的倾斜角度在45度左右，减少和均衡外周面受海水的冲击力。
实施例二：
本实施例提供了重力式堆石混凝土海上风电基础的一种施工方式，步骤如下：
(1)岸上预制：根据工程实际确定基础外形尺寸，在陆地工厂中分别制造所述顶部预制构件2和底部预制构件6；这些构件可以批量生产，以备待用；
(2)海床基础处理：将所述海床基础挖至基岩面，并平整场地；随后在海床基础的底部及四周抛填若干抛石7；
(3)浮运拖曳：将制造好的所述顶部预制构件2和所述底部预制构件6运输到已挖好的海床基础处的海面；在海床基础处理过程中就能够进行顶部预制构件2和底部预制构件6的运输工作，以节省等待时间；
(4)堆石沉放：向所述底部预制构件6内置入大粒径块石5以将所述底部预制构件6沉入所述海床基础的凹坑中的抛石7上，所述底部预制构件6沉放稳定后，将所述顶部预制构件2与所述底部预制构件6组装；
(5)灌浆连接：通过灌浆孔3向所述底部预制构件6内浇筑自密实混凝土4，进行混凝土养护，自密实混凝土4硬化后，将所述风机塔筒8与所述顶部预制构件2连接。
进一步的，在所述浮运拖曳的步骤中，所述底部预制构件6利用自身浮力拖运，所述顶部预制构件2利用小型船只运输；在所述堆石沉放的步骤中，所述大粒径块石5为多种形状尺寸的块石，大型的块石即使长度方向的尺寸大于上方开口的尺寸，只要宽度方向的尺寸小于所述上方开口的尺寸也可以投入，这样能够形成更有重量和不同层次感的填充；通过吊装的方式将所述顶部预制构件2的底部卡合预固定在所述上方开口的台阶处，最后与灌注的所述自密实混凝土粘结固定在一起。
由于本海上风电基础的结构简单，部件少，使得运输方便，安装便捷，利用所述底部预制构件能够直接在海水中形成大体积堆石混凝土结构，既能够提供稳定可靠的底部支撑，也能够有效节省混凝土用量，降低工程造价；此外，堆石混凝土还具有水化温升小、良好的体积稳定性、层间抗剪能力强等优点，能够有效提高施工效率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种重力式堆石混凝土海上风电基础，其特征在于，包括设置在海床基础上的底部预制构件，以及设置在所述底部预制构件上方的顶部预制构件；所述底部预制构件为上方开口的仓体结构，所述上方开口位于海平面的上方，所述底部预制构件的内部填充有大粒径块石，以及填充在所述大粒径块石之间的自密实混凝土，所述自密实混凝土填充至上方开口处；所述顶部预制构件卡合在上方开口处并固定在所述自密实混凝土的上方，所述顶部预制构件用于连接安装风机塔筒；所述底部预制结构为外部轮廓结构，所述顶部预制结构为实体结构，所述底部预制构件上设有若干灌浆孔。
2.根据权利要求1所述的重力式堆石混凝土海上风电基础，其特征在于，所述海床基础开挖至基岩面形成基坑，所述基坑整平并抛填有抛石，所述底部预制构件的底部设置在所述基坑中的抛石上，所述底部预制构件的四周及所述海床基础上也设有抛石。
3.根据权利要求1所述的重力式堆石混凝土海上风电基础，其特征在于，所述底部预制构件为下大上小的截锥形结构。
4.根据权利要求1所述的重力式堆石混凝土海上风电基础，其特征在于，所述底部预制构件为预制的耐腐蚀金属结构件或者预制混凝土结构件，所述底部预制构件的外壁上还设有防腐涂层。
5.根据权利要求1所述的重力式堆石混凝土海上风电基础，其特征在于，所述顶部预制构件为柱形的混凝土预制构件，上方预留有安装槽；所述顶部预制构件、所述底部预制构件和所述风机塔筒的中轴线设置在同一竖向轴线上。
6.根据权利要求1所述的重力式堆石混凝土海上风电基础，其特征在于，所述顶部预制构件的上方还设有若干吊环。
7.根据权利要求1所述的重力式堆石混凝土海上风电基础，其特征在于，所述底部预制构件的外壁的倾斜角度在40～60度。
8.根据权利要求1所述的重力式堆石混凝土海上风电基础，其特征在于，所述海上风电基础的一种施工方式如下：
(1)岸上预制：根据工程确定基础外形尺寸，在陆地工厂中分别制造所述顶部预制构件和底部预制构件；
(2)海床基础处理：将所述海床基础挖至基岩面，并平整场地；随后在海床基础的底部及四周抛填若干抛石；
(3)浮运拖曳：将制造好的所述顶部预制构件和所述底部预制构件运输到已挖好的海床基础处的海面；
(4)堆石沉放：向所述底部预制构件内置入大粒径块石以将所述底部预制构件沉入所述海床基础，所述底部预制构件沉放稳定后，将所述顶部预制构件与所述底部预制构件组装；
(5)灌浆连接：通过灌浆孔向所述底部预制构件内浇筑自密实混凝土，进行混凝土养护，自密实混凝土硬化后，将所述风机塔筒与所述顶部预制构件连接。
9.根据权利要求8所述的重力式堆石混凝土海上风电基础，其特征在于，在所述浮运拖曳的步骤中，所述底部预制构件利用自身浮力拖运，所述顶部预制构件利用小型船只运输；在所述堆石沉放的步骤中，所述大粒径块石为多种形状尺寸的块石，所述顶部预制构件的底部卡合预固定在所述上方开口的台阶处，最后与灌注的所述自密实混凝土粘结固定在一起。
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