CN117397622A - 一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置及方法，包括母船上的注浆系统及防冲刷与养殖网箱集成系统，注浆系统包括空气压缩机、可密闭透明耐压桶、可拆卸隔板、压力表、输浆阀门及高压输浆管，集成装置包括耐压注浆管、柔性防冲刷无纺布、铅块、养殖网箱、圆形套笼，所述注浆管由圆形套笼固定，并覆盖柔性防冲刷无纺布，上方架设养殖网箱。本发明还公开了上述装置的使用方法。本发明的海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统能实现海上风电基础的防冲刷装置和渔业网箱的有效组合，有效解决因海床冲刷而导致的基础稳定和承载能力降低以及远海养殖、鱼类诱捕装置缺乏的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种海上风电基础防冲刷与渔业养殖装备技术的领域，尤其涉及一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置及方法。
背景技术
风能作为一种可以有效利用的绿色能源，其主要利用形式之一为海上风力发电。伴随着海上风电规模逐渐扩大，海上风机的运行环境愈加复杂。目前，有以下问题仍亟需关注：
1. 海上风电基础的存在打破了基础邻域原有的流场特性，打破了海床面上原有的冲刷与淤积的平衡，导致基础附近周围的泥沙被运输走，最终在海上风电基础的周围的海床上产生冲刷坑。与此同时，波浪和水流对基础的冲击也会产生桩前下降流、马蹄形漩涡及尾迹涡等。基础冲刷会导致基础的稳定性降低，并影响风机结构安全运行的振动频率，诱发共振，影响海上风机的运行和寿命；
2. 随着近海渔业养殖的资源日益匮乏，渔业养殖正在向远海逐步发展。“十四五”指出，需加强渔业资源保护，推动海洋渔业向深海养殖、远洋捕捞转变；支持海洋制造业做优做强，推动相关产业转型升级。如何有效利用广阔的深海、远海渔业资源已经成为重要的发展方向；
3. 目前主要的防护方式为抛石防护法及牺牲桩法。牺牲桩法在波浪和水流变化时防护效果急剧下降。抛石冲刷防护会产生相邻偏转冲刷口，会对桩或相邻结构造成危害，且它可能会引发额外危害，如沉降破坏、剪切破坏和连续水流下的边缘破坏，因此，迫切需要一种更加优良的防护方式；
4. 注浆作为一种特殊地基处理方法，具有成本低、效率高、操作简单、适用性强等优点。注浆包括通过压力将一种具有胶结性的泥浆挤压到土壤床中，从而扩散并填充颗粒之间的间隙，注浆加固方法可有效改善基础周围海床面泥沙的性质。将注浆技术高效投入到海上风电基础防冲刷的现实应用，已然成为一个迫切且现实的问题；
5. 现有的海上风电基础注浆冲刷防护装置，未考虑到注浆后对泥沙的保护，未能有效地将防冲刷装置与养殖装置结合起来，未能充分利用单桩的经济效益与生态效益，也未能将远海养殖与冲刷防护有机结合；
6. 伴随着网箱技术的逐渐发展及海上风电场的水域优势，如何综合利用海洋养殖渔业与海上风电，产生海洋生态效益，在降低海洋渔业养殖成本的同时，进一步提高经济效益，这一问题未能得到充分解决。
发明内容
为了克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置及方法。
本发明解决问题所采用的技术方案是一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置，包括海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置和注浆系统，海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置包括通过圆形套笼连接的六根注浆管、环状养殖网箱、柔性防冲刷无纺布，其中，注浆管上方有输浆口，下部有注浆口，于顶部输浆口连接注浆系统，从下方注浆口流出，向基础周围的海床进行浇灌防冲刷材料，进而防止基础周围冲刷坑的形成，无纺布通过环形圆箍固定在多个注浆管上部，形成以注浆管为支撑骨架的保护衣结构，并在边缘末端的防冲刷无纺布中埋置铅块，使其能在安装后固定于海床面，环状养殖网箱底部通过系杆连接为整体，置于防冲刷无纺布之上，底部通过锚杆固定于多个注浆管上；注浆系统包括空气压缩机、可密闭透明耐压桶、可拆卸隔板、压力表、输浆阀门及高压输浆管，通过高压输浆管将空气压缩机、密闭透明耐压桶以及海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置依次串联，通过启动空气压缩机进行注浆；其密闭透明耐压桶中具有可拆卸隔板；透明耐压桶底部具有12个输浆阀门以隔板对称分布，可至多连接6根Y型输浆管，进而连接海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置。
具体地，如1所示，注浆管为耐压管，包括两部分，所述上部分为直管，所述下部分为弯管，圆柱形套笼内直径为D，其注浆管下部圆形注浆口水平方向上距离圆柱形套笼外表面为0.2~0.3 D；
具体地，如图2和图3所示，注浆管有六根，六根注浆管所述上部分分别间隔60°，用圆箍绑扎并焊接固定于圆柱形套笼上，形成环状布设；
具体地，如图2所示，注浆管固定后从上到下纵向长度延伸。下部分注浆管向下延伸部分向外部延伸；
优选地，所述注浆管下部有三角架支撑于海床面上，在安装时起支撑作用的同时，还能够给注浆管提供一定的注浆高度，防止堵塞，注浆口包括底部圆形注浆口以及下方一个方形注浆口，可使注浆范围变大，提高注浆质量；
优选地，所述输浆口可按工程需要延长注浆管至海平面上方；
优选地，所述防冲刷无纺布被圆箍穿过固定于注浆管上，每根注浆管上可用多个圆箍进行固定；
优选地，所述养殖网箱系统包括外围框架和网衣，其框架环形架设于防冲刷无纺布上方，网衣设在外围框架内，所形成的环形网箱内部相通；
优选地，所述的注浆系统，其特征在于注浆系统的可密闭透明耐压桶底部共设有12个可开关的输浆阀门，具体地，以隔板为中心对称布设；
优选地，所述的注浆系统，其特征在于，注浆系统的可密闭透明耐压桶中的隔板位于可密闭透明耐压桶内部，且输浆阀门平均位于隔板两侧。
一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置及方法，包括如下步骤；
步骤(1) 在组装防冲刷与养殖网箱集成系统前，测量桩的直径，进而制定圆形套笼内直径D，具体地，应测量桩基础外表面直径，并在此数值基础上增加2 cm作为圆形套笼内侧直径D；
步骤(2) 待打桩完成后，将母船行驶至桩基础周围，将海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统吊起至桩基础上方，令圆柱形套笼内侧与桩基础外表面对齐，使其能够套入桩基础；
步骤(3) 将海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置套入桩基础上之后，释放装置，自由下沉，静置等待半小时，使其能够沉入海底；
步骤(4) 海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统安装完成后，连接母船上的注浆系统，通过高压输浆管将空气压缩机与透明耐压桶连接，具体地，并将六根输浆管分别连接透明耐压桶外侧以隔板为中心对称的两个输浆阀门处；
步骤(5) 待连接完成后并对注浆系统进行预试验，检查压力表读数，防止透明耐压桶漏气，保证注浆系统可以正确运行，观测节点处连接情况，防止连接节点渗漏浆液；
步骤(6) 注浆系统调试成功后，由潜水员潜入水下将分别将输浆管连接至海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统的输浆口处；
步骤(7) 待连接完成后，再次进行预注浆测试，重复步骤5的过程，若测试结果正常，海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置安装完成；
步骤(8) 待调试完成后，将浆液倒入透明耐压桶中进行搅拌，搅拌完成后，检查桶内材料搅拌均匀度，启动空气压缩机，打开输浆阀门，进行注浆；
步骤(9) 待注浆完成后，应等待一定时间，待浆液充分扩散完成后，关闭空气压缩机，关闭输浆阀门，由潜水员将输浆管进行回收。
本发明由于采用了以上技术方案，其具有以下有益效果：
（1）本发明提供了一种海上风电基础防冲刷和渔业资源综合获取的集成装置，在加固并保护海上风电基础周围泥沙同时，装置上方的养殖网箱，还能够提供一种远海养鱼（捕鱼）设备，提高了海上单桩基础的单桩经济效益与生态效益；
（2）本装置采用装配式构件，易于建造，便于海上安装，仅需提前装配装置，通过母船上的吊机，直接吊起安装于桩基础上，在重力作用下垂直落下，可用于各种海况；
（3）本发明提供了一种新型的海上风电基础的注浆方法，通过母船上的注浆系统连接至安装在桩基础的防冲刷与养殖集成系统中的注浆管上，对桩基础邻域进行注浆固结改善，进而改善周围泥沙的性质，减少冲刷现象的产生，避免因冲刷而影响海上风机的运行，大幅增加服役寿命；
（4）本发明提出的一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置与方法中，防冲刷与养殖网箱集成装置中，注浆管下部的方形与圆形注浆孔，能够大大增加注浆范围，提高注浆质量，底部三脚架支撑能够避免因注浆管塞入土体中产生堵塞，防冲刷无纺布形成的结构外部保护衣在削弱水流的同时，还能够保护基础周围泥沙，能够降低在注浆后泥沙所受的冲刷，提高注浆材料的耐久性，大大减少了泥沙的运动，避免产生冲刷坑；
（5）本发明提出的一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置与方法中，防冲刷与养殖网箱集成系统中所搭载网箱结构简单，可根据海况调整大小，适合各种实际工况，防冲刷无纺布能够为藻类提供生活环境，为网箱内鱼类提供食物；并且水流的冲刷能够使桩基础周围形成富氧环境，能够吸引海洋生物，能够增加桩周围环境的生物多样性，避免因放置装置对生态环境产生的破坏；二者结合，不仅能够用于鱼类诱捕，又可进行渔业养殖，减少养殖成本；
（6）本发明提出的一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置与方法中，防冲刷与养殖网箱集成系统中所搭载网箱能够在进行渔业养殖、鱼类诱捕的同时，并且能够削弱桩前下降流，减少马蹄形漩涡及尾迹涡，从而减少冲刷现象产生，能够有效地将远海、深海养殖技术与防冲刷技术进行结合。
附图说明
图1(a)是一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统注浆前整体效果图；
图1(b)是一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统注浆后整体效果图；
图2是注浆系统的结构图；
图3(a)是一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统的结构图；
图3(b)是一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统的俯视图；
图4(a)是一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统的圆形套笼结构图；
图4(b)是一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统的圆形套笼俯视图；
图5是一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统的局部网箱、防冲刷无纺布结构图；
图6是一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统的注浆管局部图；
图7是一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置的使用说明图。
图中：101、空气压缩机；102、透明耐压桶；103压力表；104高压输浆管；105输浆阀门；106、可拆卸隔板；107、母船；1、注浆管；11、注浆管上部直管；12、注浆管下部弯管；13、输浆口；14、圆形注浆口；15、方形注浆口；2、圆柱形套笼；3、养殖网箱；31、网箱框架；32、网衣；4、防冲刷无纺布；5、铅块；6、基础；7、三角形支撑；8、海床面；9、圆箍；10、冲刷坑。
实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本发明进行说明。
图1出示了一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统,包括注浆管1；注浆管上部直管11；注浆管下部弯管12；输浆口13；圆形注浆口14；方形注浆口15；圆形套笼2；养殖网箱3；网箱框架31；网衣32；防冲刷无纺布4；铅块5；基础6；三角形支撑7；海床面8；圆箍9；10冲刷坑；
图2出示了一种注浆系统，包括空气压缩机101；透明耐压桶102；压力表103；高压输浆管104；输浆阀门105；可拆卸隔板106；母船107。空气压缩机101通过高压输浆管104与透明耐压桶102相连，压力表103安置于透明耐压桶102，用于检测透明耐压桶102内部压力，透明耐压桶102内部设有可拆卸隔板106，输浆阀门105在隔板两侧平均分布，安装隔板可在两侧放置不同浆液；透明耐压桶底部共有12个输浆阀门105，以隔板为中心对称分布于两侧；一种浆液时，可任选6个输浆阀门通过输浆管与集成装置相连，两种浆液注浆时，选择以隔板为中心相对的一对输浆阀门通过Y型输浆管与集成装置相连；
具体地，注浆管11由圆箍9固定，通过焊接与圆形套笼2相连，注浆管1从上向下延伸，注浆管1的顶部设有输浆口13且其底部设有圆形注浆口14和方形注浆口15，注浆管2用于向基础6附近的海床面8上浇灌防冲刷材料以保护基础6附近的海床面8；
具体地，如图4所示，注浆管1以60°间隔环形布设于圆形套笼，注浆管上端是输浆口13，下端是注浆口14圆形注浆口14和方形注浆口15，防冲刷材料从上部输浆口13灌入，从下部注浆口14和15流出，浇灌于海床面8。
具体地，如图4所示，注浆管选取为耐压管，注浆管1有多根，注浆管1从上到下纵向长度不断延伸，注浆管下部弯管12向下延伸时，距离基础6的水平距离不断延长。圆形套笼内直径为D，其注浆管下部圆形注浆口水平方向上距离圆柱形套笼外表面为0.2~0.3 D；
具体地，防冲刷无纺布4覆盖于注浆管下部弯管12，以注浆管下部弯管12为骨架，形成一种保护基础6周围的浇灌材料以及泥沙的保护衣结构；
具体地，如图5所示，防冲刷无纺布4以圆箍9固定于注浆管下部弯管12上，其固定圆箍9可使用多个进行固定；
具体地，如图5所示，防冲刷无纺布4边缘所埋置的铅块，可起到安装后的固定作用，且便于安装时使装置沉于海床面上；养殖网箱3包括外围框架31和网衣32，其外围框架31环形架设于用于固定防冲刷无纺布的圆箍9上方，网衣32设在外围框架31内，所形成的环形网箱内部相通；
具体地，如图5所示，外围框架31固定于圆箍9上方，若有两个及以上圆箍，需选择最外侧与最内侧圆箍，网衣32围设与外围框架内，外围框架高度和网箱大小具体可按需要调节；
桩周由于水流冲刷为鱼类生存提供了富氧环境，且所设置的防冲刷无纺布4可用于引诱浮游生物或藻类栖息，为鱼类生存提供了食物，于养殖网箱内部可进行养殖或进行鱼类诱捕，同时养殖网箱3为柔性结构，为一种耗能装置并且可以作为一种扰乱水流的结构，能够削弱桩前下降流，减少马蹄形漩涡及尾迹涡；
具体地，如图6所示，注浆管下部12连接的三脚架支撑7能够起到支撑于海床面8的作用，同时可以给注浆口14、15提供一定的注浆高度，防止堵塞。
具体地，一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置方法包括：
步骤(1) 在组装防冲刷与养殖网箱集成系统前，测量桩的直径，进而制定圆形套笼内直径D，具体地，应测量桩基础外表面直径，并在此数值基础上增加2 cm作为圆形套笼内侧直径D；
步骤(2) 待打桩完成后，将母船行驶至桩基础周围，将海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统吊起至桩基础上方，令圆柱形套笼内侧与桩基础外表面对齐，使其能够套入桩基础；
步骤(3) 将海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置套入桩基础上之后，释放装置，自由下沉，静置等待半小时，使其能够沉入海底；
步骤(4) 海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统安装完成后，连接母船上的注浆系统，通过高压输浆管将空气压缩机与透明耐压桶连接，具体地，将六根输浆管分别连接透明耐压桶外侧以隔板为中心对称的两个位置；
步骤(5) 待连接完成后并对注浆系统进行预试验，检查压力表读数，防止透明耐压桶漏气，保证注浆系统可以正确运行，观测节点处连接情况，防止连接节点渗漏浆液；
步骤(6) 注浆系统调试成功后，由潜水员潜入水下将分别将输浆管连接至海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统的输浆口处；
步骤(7) 待连接完成后，再次进行预注浆测试，重复步骤5的过程，若测试结果正常，海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置安装完成；
步骤(8) 待调试完成后，将浆液倒入透明耐压桶中进行搅拌，搅拌完成后，检查桶内材料搅拌均匀度，启动空气压缩机，打开输浆阀门，进行注浆；
步骤(9) 待注浆完成后，应等待一定时间，待浆液充分扩散完成后，关闭空气压缩机，关闭输浆阀门，由潜水员将输浆管进行回收。
具体地，所述浆液为速凝浆液，减少材料被冲走所消耗的量；
本装置中的注浆管长度可根据海况或施工能力进行调整，使得输浆口于海平面上方或下方；
本装置中的网箱高度、大小可根据海况或养殖需求进行调整；
本装置采用了装配式设计结构，可按照实际情况分别组装分部件并组合，具有易于建造、便于安装的特点，提供了一种既可以满足基础防冲刷以及远海养殖、渔业诱捕需求的装置。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“下”、“上”、“横向”、“纵向”、“水平”、“长度”、“高度”、“内”、“外”、“上部”、“下部”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。
上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置的方法，包括如下步骤：
步骤(1) 在组装防冲刷与养殖网箱集成系统前，测量桩的直径，进而制定圆形套笼内直径D，具体地，应测量桩基础外表面直径，并在此数值基础上增加2 cm作为圆形套笼内侧直径D；
步骤(2) 待打桩完成后，将母船行驶至桩基础周围，将海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统吊起至桩基础上方，令圆柱形套笼内侧与桩基础外表面对齐，使其能够套入桩基础；
步骤(3) 将海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置套入桩基础之后，释放装置，在重力的作用下，海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置将会自由下沉，静置等待半小时，使其能够沉入海底；
步骤(4) 海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统安装完成后，连接母船上的注浆系统，通过高压输浆管将三台空气压缩机分别与透明耐压桶连接，具体地，并将六根Y型输浆管分别连接透明耐压桶外侧以隔板为中心对称的两个输浆阀门处；
步骤(5) 待连接完成后并对母船上的注浆系统进行预试验，检查压力表读数，防止透明耐压桶漏气，保证注浆系统可以正确运行，观测节点处连接情况，防止连接节点渗漏浆液；
步骤(6) 注浆系统调试成功后，由潜水员潜入水下，分别将输浆管连接至海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统的输浆口处；
步骤(7) 待连接完成后，再次进行预注浆测试，重复步骤5的过程，若测试结果正常，海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置安装完成；
步骤(8) 待调试完成后，将浆液倒入透明耐压桶中进行搅拌，搅拌完成后，检查桶内材料搅拌均匀度，启动空气压缩机，打开输浆阀门，进行注浆；
步骤(9) 待注浆完成后，应等待一定时间，待浆液充分扩散完成后，关闭空气压缩机，关闭输浆阀门，由潜水员将输浆管进行回收。
2.一种海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成装置，其特征在于，包括注浆系统和防冲刷与养殖网箱集成系统；
所述注浆系统包括三台空气压缩机、密闭透明耐压桶、压力表、输浆阀门以及高压输浆管；
所述高压输浆管为耐压软管，依次串联空气压缩机、带有隔板的可密闭透明耐压桶与防冲刷与养殖网箱集成系统。所述空气压缩机可输出0~2.0 MPa气压，共三台，所述可密闭透明耐压桶中间设有隔板，密封性良好，用于分装注浆浆液。所述压力表安置于可密闭透明耐压桶之上，用于监测可密闭透明耐压桶内气压；透明耐压桶下部共有十二个输浆阀门，以隔板为对称平均分布于两侧；
所述防冲刷与养殖网箱集成系统包括多个注浆管、环状养殖网箱、柔性防冲刷无纺布，其中，注浆管上方有输输浆口，下部有注浆口，从顶部输浆口中灌注防冲刷材料，从下方注浆口流出，向基础周围的海床注入防冲刷材料进而防止基础周围冲刷坑的形成，防冲刷无纺布用圆箍绑扎固定于注浆管上，每根注浆管上用多个圆箍进行固定，在注浆管上部形成盖伞，形成以注浆管为支撑骨架的结构，并在边缘末端的防冲刷无纺布重埋置铅块，使其能在安装后固定于海床面，环状养殖网箱底部通过系杆连接为整体，置于防冲刷无纺布之上，底部通过锚杆固定于多个注浆管上。
3.根据权利要求1所述的海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统，其特征在于，包括六根注浆管，注浆管使用不锈钢材料，注浆管包括两部分，所述套笼底部上部分为直管，所述套笼底部下部分为弯管。所述六根注浆管上部分分别间隔60°用圆箍固定于圆柱形套笼上，形成环状布设，进而进行均匀注浆。
4.根据权利要求2所述的海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统，其注浆管固定后从上到下纵向长度延伸，下部分注浆管延纵向向外部延伸。
5. 根据权利要求1所述的海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统，其特征在于，圆柱形套笼内直径为D，其注浆管下部圆形注浆口水平方向上距离圆柱形套笼外表面为0.2~0.3 D。输浆口为注浆管上部圆形输浆口；注浆口包括注浆管底部圆形注浆口以及一个方形注浆口。
6. 根据权利要求1所述的海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统，其特征在于，注浆管下部有三角架支撑于海床面上，圆柱形套笼内直径为D，三脚架高度在0.05~0.1 D。
7.根据权利要求4中所述的海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统，其特征在于，可按工程需要规定注浆管直管长度，使输浆口在海平面上方或海平面下方。
8.根据权利要求1所述的海上风电基础防冲刷与养殖网箱集成系统，其特征在于，所述养殖网箱包括外围框架和网衣，其框架穿透防冲刷无纺布，环形架设于六根注浆管上方，网衣设在外围框架内，所形成的环形网箱内部相通。
9.根据权利要求1所述的注浆系统，其特征在于，注浆系统的可密闭透明耐压桶底部共设有12个可开关的输浆阀门，具体地，以隔板为中心对称布设。
10.根据权利要求1所述的注浆系统，可密闭透明耐压桶中的隔板位于可密闭透明耐压桶内部，且输浆阀门对称位于隔板两侧，隔板可进行拆卸。
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