CN117966828A - 海上风电基础冲刷防护充填加固施工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上风电基础冲刷防护充填加固施工装置及方法，针对不同冲刷深度、速度和冲刷形态等工况，对现场施工使用装置和施工方法进行了详细描述，解决了传统技术难以因地制宜等问题；通过施工前检测，选择不同工况下最优的充填材料及配比。设计并应用一种新型的双层浆液现场运输管道装置，单液浆和双液浆等均可使用；设计并应用风电桩基上的环形卡扣装置和伸入海床的爪形支撑装置，灵活地调节运输管道的充填角度，避免了施工过程中运输管道和施工船晃动而影响桩基安全等问题；运用深度探测传感器，自动控制浆液的流量，以实现精准充填注浆材料，自动化程度高。

Description

海上风电基础冲刷防护充填加固施工装置及方法

技术领域

本发明涉及海上风电桩基冲刷坑治理领域，具体地说，是一种海上风电基础冲刷防护充填加固施工装置及方法。

背景技术

海上风电因其绿色环保属性和巨大的发展潜力，已成为我国新能源发展的重点领域，同时被我国划入战略性新兴产业的重要组成部分。我国海上风能资源丰富，但是复杂的海洋环境会影响海上风电基础的稳定性和安全性，尤其对于应用最为广泛的单桩基础。

快速的海水流动将裹挟单桩基础周边的泥沙，单桩周围的上层海床面被冲刷，海流绕过单桩基础在桩前形成马蹄涡，在桩后形成尾涡，在漩涡和下行流的共同作用下，桩基周围形成较大的冲刷坑，减小了桩体伸入海床的深度，从而严重影响了海上风机的正常运行，因此采取冲刷治理的防护措施至关重要。

常见的单桩基础防冲刷措施包括抛石防护和砂被防护等。然而，近年来出现了许多新型的施工方案，如仿生植物防护、轮胎防护、蜂巢防护和淤泥固化等，以丰富防护手段的选择。在这些方案中，抛石防护因其取材方便、施工简单的特点，一直是应用范围最广的防护形式之一。然而，我们也不能忽视抛石防护存在的一些问题，比如整体性较差，石块容易被高速水流冲走，而且后期维护费用较高。砂被防护通过环绕桩基沉放砂被的方式解决了抛石防护容易被水流冲走的问题。但是，砂被防护也有一些局限性，例如可调节性较小，不适用于较大的冲刷坑。此外，仿生植物防护也存在一些弊端，例如施工成本较高且施工难度较大。

浆液和固化土充填作为一种有效的冲刷防护方法，尤其在陆域河道治理中，因其具备出色的水稳定性、防冲刷性、整体性、可塑性及边界可延展性而得到广泛应用。然而，在实际海上风电工程中，浆液充填防护仍处于起步阶段，目前的施工方法存在多项不足之处。包括以下几点：(1) 缺乏根据不同冲刷坑形态、水流速度等重要参数进行针对性施工和充填材料优选的技术；(2) 在动态的海水流动作用下，存在船只与桩基撞击的可能性，且运输管道存在剧烈晃动等工程难题，亟需突破稳定充填技术；(3) 缺少针对海上风电基础冲刷防护充填加固施工的专业化和创新性的浆液运输管道，亟需解决低自动化程度、高人力资源消耗等问题；(4) 无法精确控制充填速度，导致浆液冲击海床溅出；尚无特殊工况下浆液的优选技术，造成浆液被海水冲散流失，产生大量浪费；(5) 对于施工充填过程中的细节和要点，缺乏细致的技术适用性与实用性，不利于指导实际施工。

发明内容

本发明针对现有防护技术在风电桩基冲刷坑防护领域存在的不足，提供了一种海上风电基础冲刷防护充填加固的施工装置及方法。

本发明采用如下技术方案：

一种海上风电基础冲刷防护充填加固的施工方法，包括

1) 施工前检测和数据分析：海上风电桩基础冲刷坑修复前，进行地形扫测、检测桩周水流速度和测试土壤类型，为桩周地形、滩涂标高差和充填工程量等提供参考数据；根据具体桩周围冲刷情况和防护设计要求，确定待施工桩充填点的数量及位置，预估每个充填点的充填施工方量；

2) 材料优选及准备：根据地形扫测和水流速度检测提供的相关参考数据，充分考虑充填浆液的温度、流动度和表观密度，选用最优的充填材料和配比，并将所优选材料置于施工船上以待后续施工使用：

①当桩周为侵蚀型冲刷坑，即冲刷坑深度较浅，但宽度相对较大时，应用快凝型浆液进行充填，以快速形成稳定的防护层。当桩周最大冲刷深度为h≤ 3 ｍ、最大冲刷宽度为3~5 D（D为桩基直径）时，选用V _{普通硅酸盐水泥}：V _水玻璃体积比为3：1 ~ 4：1的普通硅酸盐水泥-水玻璃双液浆；当水流速度为0.5 ~ 1.5 m/s且主要为沙质海床时，选用V _{丙烯酸酯类聚合物乳液}：V _水体积比为1：0.8 ~ 1：1.2的聚合物乳液，且V _{聚合物乳液}：V _填充材料体积比为1:10 ~ 1:15；

②当桩周为冲刷型冲刷坑，即冲刷坑深度较大，但宽度相对较小时，需采用耐冲刷性能较强的浆液来充填。当桩周最大冲刷深度为h>3 ｍ且最大冲刷宽度为D ~3 D时，选用硫铝硅酸盐水泥+7~8%质量比的聚氨酯浆液；当水流速度为1.5~3.0 m/s且主要为黏土质海床时，选用含水量为60~120%的海域淤泥质黏土+20~40%质量比且水灰比为0.5的普通硅酸盐水泥；

3) 施工船抛锚及定位：根据海上风机桩基和待充填点的位置，施工船准确定位于离风电桩3~6 m的位置，利用锚艇进行抛锚固定；

4) 桩周环形卡扣装置安装：根据实际海水深度和桩冲刷状况，从上到下在风电桩基上依次安装带有弹簧的环形卡扣装置a和带有可伸缩刚性支撑圆管的环形卡扣装置b，且装置连接的弹簧和圆管均可绕桩基础进行环形移动；

5) 双层浆液输送管道布设：在施工船上组装双层浆液输送管道，管道的进料端连接输送泵并置于施工作业船的搅拌池内，输送管道依次与带有弹簧的环形卡扣装置a、带有可伸缩刚性圆管的环形卡扣装置b连接，通过卡扣连结，靠近管道尖端处设置可转动的爪形支撑装置伸入海床平面，三者协同作用使输送管道以不同角度倾斜指向冲刷坑；同时，保证输送管道出料端口距离海床面0.5 ~ 1.5 m；

6) 清水润管：在输送浆液之前，用清水充满管道系统，检查管道系统和设备是否正常运行，并确保整个管道得到充分清洗。在操作完成之后，将液体彻底排空；

7) 浆液配置：按照最优配比，在施工船的搅拌池内将优选材料的粉料加水均匀搅拌，搅拌速率为60 ~ 120 r/min；

8) 浆液充填：根据输送管道充填点的预估充填方量，在冲刷坑区域，使用喷射头将浆液均匀地喷射到冲刷坑内部，在确保充分填满并覆盖冲刷坑表面的基础上，以较小的喷射速度（1 ~ 3 m/s）在靠近桩周的内侧继续充填浆液，使之自然向外侧流出以形成坡状，最优坡度范围为1：2 ~ 1：4；

9) 换点充填：该充填点施工完成后，将爪形支撑装置脱离海床，然后船通过环形卡扣装置带动运输管道，绕风电桩基环形移动至另外一个充填点，重复上述浆液充填操作，并依次完成所有充填点的施工；

10) 装置拆除和清洗：施工完成后，拆除并收回运输管道、爪形支撑装置和环形卡扣装置等，并将管道进行拆卸和充分清洗；

11) 施工后检测和后续加固：施工后3天和28天分别对施工区域进行检查，验证浆液固化效果是否符合预期要求，其中抗压强度应为10 ~ 15 MPa，抗拉强度应为1.0 ~1.5MPa，浆液充填密实度应不小于90 %，若不符合上述设计要求，则需要考虑进行后续加固处理或二次充填防护。

一种海上风电基础冲刷防护充填加固的施工装置，主要包括桩周环形卡扣装置a和b、双层浆液运输管道、爪形支撑装置和水下探测系统。

所述桩周环形卡扣装置内圈设有多个滚动圆珠，外圈设有与之匹配的滑动环形槽，使得其能够绕着风电桩旋转；

所述桩周环形卡扣装置a是在桩周环形卡扣装置的一端安装良好的刚性弹簧，弹簧的另一端与浆液运输管道连接，使得其具有良好的伸缩性；

所述桩周环形卡扣装置b是在桩周环形卡扣装置的一端安装可伸缩的支撑圆管，圆管的另一端与浆液运输管道连接，使得其具有良好的支撑性；

所述浆液运输管道采用双层结构，若优选浆液为双液浆，内层为一种浆液的输送管，外层为另一种浆液的输送管，两者通过特定的分隔结构相互隔离；每个浆液输送管都设有入口和出口连接口；若优选浆液为单液浆，内外层可同时运输一种浆液；同时所述双层浆液运输管道末端设置浆液混合段，通过设置双侧旋转叶片装置，使两种浆液在此处混合均匀。

所述爪形支撑装置通过扇形转动装置设置于浆液运输管道的尖端处，该装置为轻质坚硬且耐海水腐蚀材料，通过尖端主轴和周围三个尖端爪形部件牢牢伸入海床。

所述水下探测系统包括水下摄像装置、声纳装置和深度探测器；所述水下摄像装置用于监测施工现场的实时情况，可以通过潜水员操作或者远程遥控来进行观测和录像。

所述声纳装置是利用声纳技术来检测风电桩基周围的海底地形、地质情况、以及可能存在的障碍物或危险因素。

所述深度探测器设置于浆液运输管道的尖端位置，基于物联网技术，实现对充填浆液施工过程的远程深度监测，当完成预期充填要求时，自动控制阀门关闭，同时可及时调整施工参数。

进一步地，所述环形卡扣装置a、b和爪形支撑装置三者共同作用下可以灵活地调节双层浆液运输管道的充填角度，以满足现场充填需要。

进一步地，所述双层浆液运输管道在管道的入口处和出口出均设置有控制装置，所述入口处采用流量调节阀控制两种浆液的进入比例，根据需要调整两种浆液的流量比例。所述出口处采用自动控制阀，当检测到一处充填点作业完成时，控制阀会自动关闭。

进一步地，所述双层浆液运输管道的出口管道设计为可调节速度的喷射嘴，使混合后的浆液准确地喷刷坑内部。

进一步地，所述双层浆液运输管道为分段式结构，由可拆卸的四个部分通过螺纹拼接而成。

进一步地，所述材料优选及准备，其中普通硅酸盐水泥应符合GB 175-2019《普通硅酸盐水泥》标准、水玻璃应符合GB/T 14014-2018《无机胶凝材料及制品》标准、丙烯酸酯类聚合物应符合GB/T 9264-2018《丙烯酸酯共聚物乳液》标准、硫铝硅酸盐水泥应符合GB8085-2017《硫铝硅酸盐水泥》标准、聚氨酯应符合GB/T 8819-2017《聚氨酯橡胶及塑料发泡剂》标准、海域淤泥质黏土可参考JGJ 11-2010《建筑用地基与基础设计规范》和GB 50021-2001《建筑结构荷载规范》等相关标准。

进一步地，所述材料优选及准备，优选后的材料应当合理储存和避免失效，且应当进行预实验来验证所选材料的有效性和优越性。

进一步地，所述浆液充填要点包括但不限于：桩基周围应均匀设置4 ~ 6 个充填点，即应保证浆液能够均匀地布满冲刷坑；充填施工最佳时间为高平潮间或低平潮间前后1~ 2 h，即海水流速应该相对平稳；所用水泥浆液应在配置1 h内使用完毕，且施工期间要不断搅拌浆液，超过规定时间不能使用，即应保证浆液的流动度符合要求；浆液充填的顺序应从下往上进行，即应确保良好的浆液填充效果。

本发明具有如下有益效果：

1) 本发明针对不同环境状况和冲刷形态，全面分析了不同桩周冲刷坑的深度、宽度、形态、土质以及水流速度等关键参数。当桩周为侵蚀型冲刷坑，即冲刷坑深度较浅、但宽度相对较大时，使用快凝型浆液进行充填，快凝型浆液通过其快速凝结和硬化特性，良好的流动性，以及与周围环境的化学反应，能够在施工中起到快速、有效的防护作用。例如：选用V _{丙烯酸酯类聚合物乳液}：V _水体积比为1：0.8 ~ 1：1.2的聚合物乳液，且V _{聚合物乳液}：V _填充材料体积比为1:10 ~1:15；当桩周为冲刷型冲刷坑，即冲刷坑深度较大，但宽度相对较小时，需采用耐冲刷性能较强的浆液来充填，耐冲刷型浆液具有较高的抗冲刷和侵蚀能力以及具备适当的流动性，可以有效阻止水流对基础的冲刷作用。例如：含水量为60%~120%的海域淤泥质黏土+20%~40%质量比且水灰比为0.5的普通硅酸盐水泥。通过选择最佳的充填材料及其合理配比，解决了传统技术难以因地制宜等问题，在海上风电充填施工中实现了更高水平的灵活性和适应性；

2) 本发明提供的海上风电基础冲刷防护充填加固施工装置及方法，其中环形卡扣装置通过内圈设有多个滚动圆珠，外圈设有与之匹配的滑动环形槽，方便施工船绕着风电管桩环形行驶，能有效达到防护半径且避免施工船撞击管桩，确保施工质量和工程安全；

3) 本发明提供的海上风电基础冲刷防护充填加固施工装置及方法，其中环形卡扣装置a和b分别通过刚度良好的弹簧和可伸缩性圆管与浆液运输管道相连接。同时设置爪形支撑装置连接于管道末端，三者共同作用将运输管道牢牢地固定，避免海上风浪过大造成输送管道的剧烈晃动，同时通过伸缩或转动的方式并根据工况灵活的调整运输管道的充填角度，以适应不同的冲刷坑形态和保证浆液均匀的充填；

4) 本发明提供的海上风电基础冲刷防护充填加固施工装置及方法，其中便于运输和清洗的分段式浆液运输管道为双层结构，并在管道末端设置带有双侧旋转叶片的浆液混合段，起到浆液混合和搅拌的作用。这考虑到在海水施工中常采用速凝浆液，但浆液凝结时间过快，易堵塞管道，对施工造成极大的不利影响。故本发明设计的双层运输管道在应用于多种类型的浆液的前提下，能有效地避免浆液凝结时间过快而带来的施工负面影响；

5) 本发明提供的海上风电基础冲刷防护充填加固施工装置及方法，其中浆液运输管道的入口处采用流量调节阀控制两种浆液的进入比例，以满足所需浆液配比和实现浆液流量的控制；出口处采用自动控制阀和可控制喷射头，并在管道侧边安装测深传感器。当测深传感器检测到充填完成时，控制阀会自动关闭，自动化程度高，实现施工的精准化和高效化，同时极大程度上节约人力资源和避免注浆材料的浪费；

6) 本发明对浆液充填的要点进行详细说明，包括桩基周围应均匀设置4 ~ 6个的充填点，即应保证浆液能够均匀地布满冲刷坑；充填施工最佳时间为高平潮间或低平潮间前后1 ~ 2 h，即海水流速应该相对平稳；所用水泥浆液应在配置1 h内使用完毕，且施工期间要不断搅拌浆液，超过规定时间不能使用，即应保证浆液的流动度符合要求；浆液充填的顺序应从下往上进行，即应确保浆液填充均匀系统而全面地阐述了冲刷防护的施工方法，能够指导并应用于实际工程。

附图说明

图1是本发明实施例提供的海上风电基础冲刷防护的装置施工示意图

图2是本发明实施例提供的装置施工俯视图

图3是本发明实施例提供的双层浆液运输管道示意图及可拆卸部件组成图

图4是本发明实施例提供的环形卡扣装置a和b俯视图

图5是本发明实施例提供的侵蚀型冲刷坑防护前后示意图

图6是本发明实施例提供的冲刷型冲刷坑防护前后示意图

图7是本发明实施例提供的冲刷防护施工方法流程图

图中：1、施工船；2、运输管道；3、风电管桩；4、环形卡扣装置；5、可伸缩弹簧；6、可伸缩圆管；7、深度探测器；8、爪形支撑装置；9、可拆卸螺纹连接部位；10、输送泵；11、搅拌池；12、双侧搅拌叶片

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。

本发明一种海上风电基础冲刷防护充填加固的施工方法，包括如下步骤：

1) 施工前检测和数据分析：海上风电桩3基础冲刷坑修复前，进行地形扫测、检测桩周水流速度和测试土壤类型，为桩周地形、滩涂标高差和充填工程量等提供参考数据；根据具体桩周围冲刷情况和防护设计要求，确定待施工桩充填点的数量及位置，预估每个充填点的充填施工方量；

2) 材料优选及准备：根据地形扫测和水流速度检测提供的相关参考数据，充分考虑充填浆液的温度、流动度和表观密度，选用最优的充填材料和配比，并将所优选材料置于施工船1上以待后续施工使用：

①当桩周为侵蚀型冲刷坑，即冲刷坑深度较浅，但宽度相对较大时，应用快凝型浆液进行充填，以快速形成稳定的防护层。当桩周最大冲刷深度为h≤ 3 ｍ、最大冲刷宽度为3~5 D（D为桩基直径）时，选用V _{普通硅酸盐水泥}：V _水玻璃体积比为3：1 ~ 4：1的普通硅酸盐水泥-水玻璃双液浆；当水流速度为0.5 ~ 1.5 m/s且主要为沙质海床时，选用V _{丙烯酸酯类聚合物乳液}：V _水体积比为1：0.8 ~ 1：1.2的聚合物乳液，且V _{聚合物乳液}：V _填充材料体积比为1:10 ~ 1:15；

②当桩周为冲刷型冲刷坑，即冲刷坑深度较大，但宽度相对较小时，需采用耐冲刷性能较强的浆液来充填。当桩周最大冲刷深度为h>3 ｍ且最大冲刷宽度为D ~3 D时，选用硫铝硅酸盐水泥+7~8%质量比的聚氨酯浆液；当水流速度为1.5~3.0 m/s且主要为黏土质海床时，选用含水量为60~120%的海域淤泥质黏土+20~40%质量比且水灰比为0.5的普通硅酸盐水泥；

3) 施工船抛锚及定位：根据海上风机桩基3和待充填点的位置，施工船1准确定位于离风电桩3~6 m的位置，利用锚艇进行抛锚固定；

4) 桩周环形卡扣装置安装：根据实际海水深度和桩冲刷状况，从上到下在风电桩基上依次安装带有弹簧的环形卡扣装置a(5)和带有可伸缩刚性支撑圆管的环形卡扣装置b(6)，且装置连接的弹簧5和圆管6均可绕桩基础进行环形移动；

5) 双层浆液输送管道布设：在施工船1上组装双层浆液输送管道2，管道2的进料端连接输送泵10并置于施工作业船的搅拌池11内，输送管道2依次与带有弹簧的环形卡扣装置a(5)带有可伸缩刚性圆管的环形卡扣装置b(6)连接，通过卡扣连结，靠近管道尖端处设置可转动的爪形支撑装置8伸入海床平面，三者协同作用使输送管道2以不同角度倾斜指向冲刷坑；同时，保证输送管道2出料端口距离海床面0.5 ~ 1.5 m；

6) 清水润管：在输送浆液之前，用清水充满管道系统，检查管道系统和设备是否正常运行，并确保整个管道2得到充分清洗。在操作完成之后，将液体彻底排空。

7) 浆液配置：按照最优配比，在施工船的搅拌池11内将优选材料的粉料加水均匀搅拌，搅拌速率为60 ~ 120 r/min。

8) 浆液充填：根据输送管道2充填点的预估充填方量，在冲刷坑区域，使用喷射头将浆液均匀地喷射到冲刷坑内部，在确保充分填满并覆盖冲刷坑表面的基础上，以较小的喷射速度（1 ~ 3 m/s）在靠近桩周的内侧继续充填浆液，使之自然向外侧流出以形成坡状，最优坡度范围为1：2 ~ 1：4；

9) 换点充填：该充填点施工完成后，将爪形支撑装置8脱离海床，然后船通过环形卡扣装置4带动运输管道，绕风电桩基3环形移动至另外一个充填点，重复上述浆液充填操作，并依次完成所有充填点的施工。

10) 装置拆除和清洗：施工完成后，拆除并收回运输管道2、爪形支撑装置8和环形卡扣装置4等，并将管道2进行拆卸和充分清洗。

11) 施工后检测和后续加固：施工后3天和28天分别对施工区域进行检查，验证浆液固化效果是否符合预期要求，其中抗压强度应为10 ~ 15 MPa，抗拉强度应为1.0 ~1.5MPa，浆液充填密实度应不小于90 %，若不符合上述设计要求，则需要考虑进行后续加固处理或二次充填防护。

本发明一种海上风电基础冲刷防护充填加固的施工装置，主要包括桩周环形卡扣装置a(5)和b(6)、双层浆液运输管道2、爪形支撑装置8和水下探测系统。

如图4所示，桩周环形卡扣装置4内圈设有多个滚动圆珠，外圈设有与之匹配的滑动环形槽，使得其能够绕着风电桩旋转；

桩周环形卡扣装置a(5)是在桩周环形卡扣装置的一端安装良好的刚性弹簧，弹簧的另一端与浆液运输管道连接，使得其具有良好的伸缩性；

桩周环形卡扣装置b(6)是在桩周环形卡扣装置的一端安装可伸缩的支撑圆管，圆管的另一端与浆液运输管道连接，使得其具有良好的支撑性；

如图3所示，浆液运输管道2采用双层结构，若优选浆液为双液浆，内层为一种浆液的输送管，外层为另一种浆液的输送管，两者通过特定的分隔结构相互隔离；每个浆液输送管都设有入口和出口连接口；若优选浆液为单液浆，内外层可同时运输一种浆液；同时所述双层浆液运输管道末端设置浆液混合段，通过设置双侧旋转叶片装置，使两种浆液在此处混合均匀。

如图3所示，爪形支撑装置8通过扇形转动装置设置于浆液运输管道的尖端处，该装置为轻质坚硬且耐海水腐蚀材料，通过尖端主轴和周围三个尖端爪形部件牢牢伸入海床。

水下探测系统包括水下摄像装置、声纳装置和深度探测器7：

水下摄像装置用于监测施工现场的实时情况，可以通过潜水员操作或者远程遥控来进行观测和录像;

声纳装置是利用声纳技术来检测风电桩基周围的海底地形、地质情况、以及可能存在的障碍物或危险因素;

如图3所示,深度探测器7设置于浆液运输管道的尖端位置，基于物联网技术，实现对充填浆液施工过程的远程深度监测，当完成预期充填要求时，自动控制阀门关闭，同时可及时调整施工参数。

如图1所示，环形卡扣装置a、b和爪形支撑装置三者共同作用下可以灵活地调节双层浆液运输管道的充填角度，以满足现场充填需要。

如图3所示，双层浆液运输管道在管道的入口处和出口出均设置有控制装置，所述入口处采用流量调节阀控制两种浆液的进入比例，根据需要调整两种浆液的流量比例。所述出口处采用自动控制阀，当检测到一处充填点作业完成时，控制阀会自动关闭。

如图3所示，双层浆液运输管道的出口管道设计为可调节速度的喷射嘴，使混合后的浆液准确地喷刷坑内部。

如图3所示，双层浆液运输管道为分段式结构，由可拆卸的四个部分通过螺纹拼接而成。

对于材料优选及准备，其中普通硅酸盐水泥应符合GB 175-2019《普通硅酸盐水泥》标准、水玻璃应符合GB/T 14014-2018《无机胶凝材料及制品》标准、丙烯酸酯类聚合物应符合GB/T 9264-2018《丙烯酸酯共聚物乳液》标准、硫铝硅酸盐水泥应符合GB 8085-2017《硫铝硅酸盐水泥》标准、聚氨酯应符合GB/T 8819-2017《聚氨酯橡胶及塑料发泡剂》标准、海域淤泥质黏土可参考JGJ 11-2010《建筑用地基与基础设计规范》和GB 50021-2001《建筑结构荷载规范》等相关标准。

对于材料优选及准备，优选后的材料应当合理储存和避免失效，且应当进行预实验来验证所选材料的有效性和优越性。

对于浆液充填要点包括但不限于：桩基周围应均匀设置4 ~ 6 个充填点，即应保证浆液能够均匀地布满冲刷坑；充填施工最佳时间为高平潮间或低平潮间前后1 ~ 2 h，即海水流速应该相对平稳；所用水泥浆液应在配置1 h内使用完毕，且施工期间要不断搅拌浆液，超过规定时间不能使用，即应保证浆液的流动度符合要求；浆液充填的顺序应从下往上进行，即应确保良好的浆液填充效果。

如图5和图6所示，侵蚀型冲刷坑和冲刷型冲刷坑防护前后对比，充填浆液自然向外侧流出以形成坡状，从而达到良好的防护效果。

实施例

广东深圳Ｃ＃海上风电场位于南海海域，距离陆地约25km，水深约35m。根据地勘实测数据，全年波高均值为1.4m，最大波高可达6.8m，实测最大流速为1.3ｍ/ｓ。海底底质主要为淤泥和砂质粉砂，整体地形起伏较小。利用多波束测深系统和声速剖面仪对风电场桩基周围水下地形数据进行采集，发现冲刷坑主要为腐蚀侵蚀型，最大扩展范围可达4倍桩径，深度最深可达2.8m。可见桩周冲刷坑发展较快，在工程建设中，应及时采取措施加固土壤，防止因时间的拖延而产生更大的冲刷坑。

根据上述相关的参考数据分析，推荐选用快凝型浆液——体积比为普通硅酸盐水泥：水玻璃=4：1进行充填，以快速形成稳定的防护层。同时充填浆液的温度应符合施工要求，建议在20℃至30℃之间；浆液的流动度应适中，宜控制在12-20 cm之间，以确保能够充分填满冲刷坑且不产生空隙；表观密度应该足够高，建议控制在2.1-2.3 g/cm³之间，以保证充填后能够形成均匀、紧密的防护层；最后将所优选材料置于施工船上以待后续施工使用；

实施例

浙江宁波Ａ＃海上风电场位于东海海域，距离陆地约35km，水深约30m。根据地勘实测数据，全年波高均值为1.6m，最大波高可达7.2m，实测最大流速为2.4ｍ/ｓ。海底底质主要为细沙和粉砂，整体地形起伏较小。利用多波束测深系统和声速剖面仪对风电场桩基周围水下地形数据进行采集，发现冲刷坑主要为冲刷侵蚀型，最大扩展范围可达3倍桩径，深度最深可达4m。可见桩周冲刷坑发展较快，在工程建设中，应及时采取措施加固土壤，防止因时间的拖延而产生更大的冲刷坑。

根据上述相关的参考数据分析，推荐选用快凝型浆液——各组分重量比为：环氧树脂100份、固化剂40份、稀释剂30份、填料400份进行充填，以快速形成稳定的防护层。同时充填浆液的温度应符合施工要求，建议在10℃至25℃之间；浆液的流动度应适中，宜控制在12-20 cm之间，这将确保浆料能够充分填满坑洞并达到所需的密实度，不会产生空隙;表观密度应该足够高，建议控制在2.0-2.5 g/cm³之间，以确保充填后形成的防护层具有足够的密实性和强度；最后将所优选材料置于施工船上以待后续施工使用；

实施例

山东威海Ｙ＃海上风电场位于黄海海域，距离陆地约20 km，水深约25 m。根据地勘实测数据，全年波高均值为1.5 m，最大波高可达9.2 m，实测最大流速为2.6ｍ/ｓ。海底底质主要为粉砂和淤泥土，整体地形起伏较大。利用多波束测深系统和声速剖面仪对风电场桩基周围水下地形数据进行采集，发现冲刷坑主要为冲刷型，最大扩展范围可达2.5倍桩径，深度最深可达4.5 m。可见桩周冲刷坑发展较快，在工程建设中，应及时采取措施加固土壤，防止因时间的拖延而产生更大的冲刷坑。

根据上述相关的参考数据分析，推荐选用耐冲刷型浆液——硫铝硅酸盐水泥+8%质量比的聚氨酯进行充填，以抵抗较大的海水冲刷流速。同时充填浆液的温度应符合施工要求，建议在5℃至30℃之间；浆液的流动度应适中，宜控制在10-15 cm之间，以确保充填均匀、密实;表观密度应该足够高，建议控制在2.0-2.5 g/cm³之间，以确保充填后形成的防护层具有足够的密实性和强度；最后将所优选材料置于施工船上以待后续施工使用。

以上所述的一系列施工方法、装置及优选实施例的详细说明，应当指出，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明的等效实施例或若干改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种海上风电基础冲刷防护充填加固的施工方法，其特征在于，包括：

1) 施工前检测和数据分析：海上风电桩基础冲刷坑修复前，进行地形扫测、检测桩周水流速度和测试土壤类型，为桩周地形、滩涂标高差和充填工程量等提供参考数据；根据具体桩周围冲刷情况和防护设计要求，确定待施工桩充填点的数量及位置，预估每个充填点的充填施工方量；

2) 材料优选及准备：根据地形扫测和水流速度检测提供的相关参考数据，充分考虑充填浆液的温度、流动度和表观密度，选用最优的充填材料和配比，并将所优选材料置于施工船上以待后续施工使用：

①当桩周为侵蚀型冲刷坑，即冲刷坑深度较浅，但宽度相对较大时，应用快凝型浆液进行充填，以快速形成稳定的防护层。当桩周最大冲刷深度为h ≤ 3 ｍ、最大冲刷宽度为3~5D（D为桩基直径）时，选用V _{普通硅酸盐水泥}：V _水玻璃体积比为3：1 ~ 4：1的普通硅酸盐水泥-水玻璃双液浆；当水流速度为0.5 ~ 1.5 m/s且主要为沙质海床时，选用V _{丙烯酸酯类聚合物乳液}：V _水体积比为1：0.8 ~ 1：1.2的聚合物乳液，且V _{聚合物乳液}：V _填充材料体积比为1:10 ~ 1:15；

②当桩周为冲刷型冲刷坑，即冲刷坑深度较大，但宽度相对较小时，需采用耐冲刷性能较强的浆液来充填。当桩周最大冲刷深度为h > 3 ｍ且最大冲刷宽度为D ~3 D时，选用硫铝硅酸盐水泥+7~8%质量比的聚氨酯浆液；当水流速度为1.5~3.0 m/s且主要为黏土质海床时，选用含水量为60~120%的海域淤泥质黏土+20~40%质量比且水灰比为0.5的普通硅酸盐水泥；

3) 施工船抛锚及定位：根据海上风机桩基和待充填点的位置，施工船准确定位于离风电桩3~6 m的位置，利用锚艇进行抛锚固定；

4) 桩周环形卡扣装置安装：根据实际海水深度和桩冲刷状况，从上到下在风电桩基上依次安装带有弹簧的环形卡扣装置a和带有可伸缩刚性支撑圆管的环形卡扣装置b，且装置连接的弹簧和圆管均可绕桩基础进行环形移动；

5) 双层浆液输送管道布设：在施工船上组装双层浆液输送管道，管道的进料端连接输送泵并置于施工作业船的搅拌池内，输送管道依次与带有弹簧的环形卡扣装置a、带有可伸缩刚性圆管的环形卡扣装置b连接，通过卡扣连结，靠近管道尖端处设置可转动的爪形支撑装置伸入海床平面，三者协同作用使输送管道以不同角度倾斜指向冲刷坑；同时，保证输送管道出料端口距离海床面0.5 ~ 1.5 m；

6) 清水润管：在输送浆液之前，用清水充满管道系统，检查管道系统和设备是否正常运行，并确保整个管道得到充分清洗。在操作完成之后，将液体彻底排空；

7) 浆液配置：按照最优配比，在施工船的搅拌池内将优选材料的粉料加水均匀搅拌，搅拌速率为60 ~ 120 r/min；

8) 浆液充填：根据输送管道充填点的预估充填方量，在冲刷坑区域，使用喷射头将浆液均匀地喷射到冲刷坑内部，在确保充分填满并覆盖冲刷坑表面的基础上，以较小的喷射速度（1 ~ 3 m/s）在靠近桩周的内侧继续充填浆液，使之自然向外侧流出以形成坡状，最优坡度范围为1：2 ~ 1：4；

9) 换点充填：该充填点施工完成后，将爪形支撑装置脱离海床，然后船通过环形卡扣装置带动运输管道，绕风电桩基环形移动至另外一个充填点，重复上述浆液充填操作，并依次完成所有充填点的施工；

10) 装置拆除和清洗：施工完成后，拆除并收回运输管道、爪形支撑装置和环形卡扣装置等，并将管道进行拆卸和充分清洗；

11) 施工后检测和后续加固：施工后3天和28天分别对施工区域进行检查，验证浆液固化效果是否符合预期要求，其中抗压强度应为10 ~ 15 MPa，抗拉强度应为1.0 ~ 1.5 MPa，浆液充填密实度应不小于90 %，若不符合上述设计要求，则需要考虑进行后续加固处理或二次充填防护。

2.一种海上风电基础冲刷防护充填加固的施工装置，其特征在于，所述施工装置主要包括桩周环形卡扣装置a和b、双层浆液运输管道、爪形支撑装置和水下探测系统；

所述桩周环形卡扣装置内圈设有多个滚动圆珠，外圈设有与之匹配的滑动环形槽，使得其能够绕着风电桩旋转；

所述桩周环形卡扣装置a是在桩周环形卡扣装置的一端安装良好的刚性弹簧，弹簧的另一端与浆液运输管道连接，使得其具有良好的伸缩性；

所述桩周环形卡扣装置b是在桩周环形卡扣装置的一端安装可伸缩的支撑圆管，圆管的另一端与浆液运输管道连接，使得其具有良好的支撑性；

所述浆液运输管道采用双层结构，若优选浆液为双液浆，内层为一种浆液的输送管，外层为另一种浆液的输送管，两者通过特定的分隔结构相互隔离；每个浆液输送管都设有入口和出口连接口；若优选浆液为单液浆，内外层可同时运输一种浆液；同时所述双层浆液运输管道末端设置浆液混合段，通过设置双侧旋转叶片装置，使两种浆液在此处混合均匀；

所述爪形支撑装置通过扇形转动装置设置于浆液运输管道的尖端处，该装置为轻质坚硬且耐海水腐蚀材料，通过尖端主轴和周围三个尖端爪形部件牢牢伸入海床；

所述水下探测系统包括水下摄像装置、声纳装置和深度探测器：

所述水下摄像装置用于监测施工现场的实时情况，可以通过潜水员操作或者远程遥控来进行观测和录像；

所述声纳装置是利用声纳技术来检测风电桩基周围的海底地形、地质情况、以及可能存在的障碍物或危险因素；

所述深度探测器设置于浆液运输管道的尖端位置，基于物联网技术，实现对充填浆液施工过程的远程深度监测，当完成预期充填要求时，自动控制阀门关闭，同时可及时调整施工参数。

3.如权利要求2所述的海上风电基础冲刷防护充填加固的施工装置，其特征在于，所述环形卡扣装置a、b和爪形支撑装置三者共同作用下可以灵活地调节双层浆液运输管道的充填角度，以满足现场充填需要。

4.如权利要求2所述的海上风电基础冲刷防护充填加固施工装置，其特征在于，所述双层浆液运输管道在管道的入口处和出口出均设置有控制装置，所述入口处采用流量调节阀控制两种浆液的进入比例，根据需要调整两种浆液的流量比例。所述出口处采用自动控制阀，当检测到一处充填点作业完成时，控制阀会自动关闭。

5.如权利要求2所述的海上风电基础冲刷防护充填加固施工装置，其特征在于，所述双层浆液运输管道的出口管道设计为可调节速度的喷射嘴，使混合后的浆液准确地喷刷坑内部。

6.如权利要求2所述的海上风电基础冲刷防护充填加固施工装置，其特征在于，所述双层浆液运输管道为分段式结构，由可拆卸的四个部分通过螺纹拼接而成。

7.如权利要求1所述的海上风电基础冲刷防护充填加固施工方法，其特征在于，所述材料优选及准备，其中普通硅酸盐水泥应符合GB 175-2019《普通硅酸盐水泥》标准、水玻璃应符合GB/T 14014-2018《无机胶凝材料及制品》标准、丙烯酸酯类聚合物应符合GB/T 9264-2018《丙烯酸酯共聚物乳液》标准、硫铝硅酸盐水泥应符合GB 8085-2017《硫铝硅酸盐水泥》标准、聚氨酯应符合GB/T 8819-2017《聚氨酯橡胶及塑料发泡剂》标准、海域淤泥质黏土可参考JGJ 11-2010《建筑用地基与基础设计规范》和GB 50021-2001《建筑结构荷载规范》等相关标准。

8.如权利要求1所述的海上风电基础冲刷防护充填加固施工方法，其特征在于，所述材料优选及准备，优选后的材料应当合理储存和避免失效，且应当进行预实验来验证所选材料的有效性和优越性。

9.如权利要求1所述的海上风电基础冲刷防护充填加固施工方法，其特征在于，所述浆液充填要点包括但不限于：桩基周围应均匀设置4 ~ 6 个充填点，即应保证浆液能够均匀地布满冲刷坑；充填施工最佳时间为高平潮间或低平潮间前后1 ~ 2 h，即海水流速应该相对平稳；所用水泥浆液应在配置1 h内使用完毕，且施工期间要不断搅拌浆液，超过规定时间不能使用，即应保证浆液的流动度符合要求；浆液充填的顺序应从下往上进行，即应确保良好的浆液填充效果。