CN207749529U - 一种海上风电复合式单桩基础 - Google Patents

Abstract

一种海上风电复合式单桩基础，属于海上风力发电机组的基础结构及其施工方法。包括基础套筒，基础套筒为圆筒结构，底部与筒顶顶板相接，其内径大于普通预制钢管桩的外径并预留放置下沉施工套筒和抱桩器的空间；筒顶顶板上表面外缘设有配重仓围壁，设有首节下沉预制钢管桩，和普通预制钢管桩外径相同，首节下沉预制钢管桩内壁刻有下沉活塞的条形轨道以供下沉活塞竖直方向自由运动，设有下沉施工套筒连接圆环放置于基础套筒上表面圆环处，与上表面圆环大小相同，且连接圆环上留有用于与基础套筒螺栓连接的穿孔，从而与基础套筒螺栓连接；与现有的海上风机基础相比，具有施工难度低、地质条件适应力强、抗地震能力强、经济性优的特点。

Description

一种海上风电复合式单桩基础

技术领域

本实用新型属于海上风力发电机组的基础结构及其施工方法，该基础结构是以单桩基础形式为主，并复合了筒型基础及重力式基础的新型基础形式。

背景技术

近年来，全球能源危机日益严重，化石燃料等传统能源的不可再生性及污染性使其逐渐不能满足社会发展的需求。风力发电作为一种绿色清洁可再生能源发展迅速，而海上风电具有风场质量好、湍流度小、不占用耕地、年利用小时高，距离用电中心近等显著优势，具有巨大的发展潜力。

目前海上风电场风机基础的结构型式可分为重力式基础、单桩基础、群桩基础、吸力式筒型基础等。以上各种风机基础的结构型式各有特点，也各有不足，对不同地质条件的适应性较差，风机基础的结构选型需从基础结构特点、自然地质条件、海上施工技术与经验以及经济性方面进行分析优选。提高风机基础的地质适应能力对海上风力发电具有重要意义。

海上风机单桩式基础多采用预制钢管桩，在施工时桩基础的倾斜度控制是施工难点，一旦桩基础的倾斜度不符合要求，在海上条件下纠偏方法有限，纠偏较为困难，甚至需要重新打桩。而采用过渡段形式解决垂直度问题则需要特制高粘结性高强度材料，该种材料技术要求高，成本高且粘结效果难以保证。

随着海上风机装机容量不断增大，所需单桩基础的桩径及打桩深度也不断加大，这对不仅对施工能力提出了更高的要求，而且影响了单桩基础方案的经济性，因此，在满足荷载要求的前提下，减小桩径及打桩深度对桩基础具有重要意义。

随着海上风机的发展，其选址越来越向深海进发，这将不可避免地面临在地震带选址问题。而地震导致的土壤液化是威胁海上风机基础的重要因素，海上风机基础对抗液化的需求越来越高。

发明内容

本实用新型旨在针对上述问题，提出一种由单桩、负压筒及配重仓组成的海上风电基础及施工方法，使该基础相对于传统单桩基础减小所需的桩径及打桩深度，并具有更强的地质适应能力及抗地基液化能力。提供一种桩基础纠偏方法及海上干地施工方法，降低桩基础施工难度，提高施工效率。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种海上风电复合式单桩基础，包括基础套筒，为圆筒结构，底部与筒顶顶板相接；

包括筒顶顶板，为圆盘状结构，圆盘中间开洞，洞径与首节下沉预制钢管桩的外径相同，筒顶顶板同时作为配重仓底板；筒顶顶板上表面外缘设有配重仓围壁；

包括肋板，为直角梯形截面四棱柱结构，分别和配重仓围壁内壁、基础套筒外壁、筒顶顶板相接；

包括分仓板，由中间的圆筒形钢板及周边放射状钢板组成，中间圆筒形钢板内径与首节下沉预制钢管桩外径相同，放射状钢板水平位置与肋板水平投影位置重合；

包括筒壁，为圆筒状钢环壁，其外径与筒顶顶板直径相同，与分仓板围出负压仓室；

包括首节下沉预制钢管桩和普通预制钢管桩，其外径相同，首节下沉预制钢管桩内壁刻有下沉活塞的条形轨道以供下沉活塞竖直方向自由运动；

包括密封圈，是截面为梯形的环状结构，与筒顶顶板预制为一体；

包括下沉施工套筒，由直径不同的两个钢管经连接圆环通过螺栓相连，下沉施工套筒的大直径外管可从连接圆环处分为上下两部分，连接圆环之下部分与基础套筒嵌套；下沉施工套筒的小直径内管嵌套在基础套筒内；

包括预制连接钢管桩，位于基础套筒内。

还包括抱桩器，焊接在下沉施工套筒的小直径内管的内壁上，抱桩器至少有均匀布置的四个滚轮。

所述的下沉活塞为实心全钢圆柱体，其半径与首节下沉预制钢管桩内径相差轨道高度，可在首节下沉预制钢管桩内自由滑动。

还包括防冲刷配重物，由防冲刷土工布包裹碎石而成的袋装配重物，设置在配重仓中。

所述的基础套筒为预应力钢筋混凝土圆筒结构，顶部圆环处预制螺杆，内壁为螺纹面，内径大于普通预制钢管桩的外径并预留放置下沉施工套筒和抱桩器的空间；下沉施工套筒连接圆环放置于基础套筒上表面圆环处，与上表面圆环大小相同，且连接圆环上留有用于与基础套筒螺栓连接的穿孔，从而与基础套筒螺栓连接；连接圆环之上外侧焊有加强肋板，钢管外径加上加强肋板的高度等于基础套筒的外径。

所述的肋板设有六个或八个，底部与筒顶顶板相接，筒顶顶板留有用于抽负压的开洞。

所述的密封圈为橡胶制品，内径稍小于预制桩外径，以保证密封效果，是截面为梯形的环状物。

所述的下沉施工套筒连接圆环之下与基础套筒嵌套部分的钢管是不连续的栅栏状，用于避开肋板。

所述的预制连接钢管桩外侧焊有肋板，肋板位于抱桩器滚轮之间，沿预制连接钢管桩长度均匀分布。

本实用新型的优点和有益效果

1.相对于传统的单桩基础及其施工方法，它不需要建造及拆除打桩塔架但同样能够保证打桩垂直度，不需要过渡段从而也不再需要特种连接材料，提高了水平承载力，减少了打桩深度，增强了基础抗冲刷能力。

2.相对于传统的筒型基础，降低了所需的海床覆盖层深度，具有更强的地质适应能力；同时降低了下沉深度，从而降低了下沉施工难度；与单桩基础与上覆配重结合，增强了抵抗地震时土壤液化的能力。

3.相对于传统的重力式基础，不需要对海床进行开挖、铣平至基岩等前期地基处理工作，所需的配重材料也有所减少，在深覆盖层亦可以使用，具有更强的地质适应能力。

4.施工过程中可实现干地施工，避免了混凝土水下浇筑，有利于保证水下打桩的施工质量。

综合而言，与现有的海上风机基础相比，具有施工难度低、地质条件适应力强、抗地震能力强、经济性优的特点。

附图说明

图1一种由单桩、负压筒及配重仓组成的海上风电基础下沉前直观图；

图2一种由单桩、负压筒及配重仓组成的海上风电基础下沉前俯视图；

图3一种由单桩、负压筒及配重仓组成的海上风电基础下沉前截面图；

图4一种由单桩、负压筒及配重仓组成的海上风电基础打桩完成直观图；

图5一种由单桩、负压筒及配重仓组成的海上风电基础打桩完成截面图；

图6一种由单桩、负压筒及配重仓组成的海上风电基础打桩完成俯视图；

图7一种由单桩、负压筒及配重仓组成的海上风电基础施工完成直观图；

图8一种由单桩、负压筒及配重仓组成的海上风电基础施工完成前视图；

图9一种由单桩、负压筒及配重仓组成的海上风电基础施工完成俯视图；

图中1、基础套筒；2、肋板；3、筒顶顶板；4、配重仓围壁；5、分仓板；6、筒壁；7、首节下沉预制钢管桩；8、普通预制钢管桩；9、预制连接钢管桩；10、密封圈；11、防冲刷配重物；12、下沉施工套筒；13、下沉活塞；14、抱桩器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

参见附图1-9，本实用新型由基础套筒1、肋板2、筒顶顶板3、配重仓围壁4、分仓板5、筒壁6、首节下沉预制钢管桩7、普通预制钢管桩8、预制连接钢管桩9、密封圈10及防冲刷配重物11组成，另外在施工阶段还涉及到施工部件：下沉施工套筒12、下沉活塞13和抱桩器14。基础套筒1为预应力钢筋混凝土圆筒结构，顶部圆环处均匀分布16个预制螺杆，螺杆为不锈钢材质且不与混凝土内的钢筋接触，套筒内壁为螺纹面，内径(直径)比普通预制钢管桩8的外径大2m，套筒壁厚1m；基础套筒1在径向上预留放置下沉施工套筒12和抱桩器14的空间，底部与筒顶顶板3相接。肋板2为预应力钢筋混凝土直角梯形截面四棱柱结构、四棱柱高1m，沿圆周均匀分布八个；肋板2的梯形上下底边分别和配重仓围壁4内壁、基础套筒1外壁相接，底部与筒顶顶板3相接。筒顶顶板3为预应力钢筋混凝土圆盘状结构，圆盘中间开洞，洞径与首节下沉预制钢管桩7的外径相同，顶板厚度为1m，筒顶顶板3同时作为配重仓底板，与基础套筒1、肋板2、配重仓围壁4围起配重仓空间；配重仓围壁4为预应力钢筋混凝土圆筒结构，位于筒顶顶板3上表面外缘，外径与筒顶顶板3直径相同，高度为3m；分仓板5为涂有防腐涂料的钢板，由中间的圆筒形钢板及周边放射状钢板组成，中间圆筒形钢板内径与首节下沉预制钢管桩7外径相同，放射状钢板水平位置与肋板水平投影位置重合，钢板厚度应介于30mm—40mm；筒壁6为涂有防腐材料的圆筒状钢环壁，所用钢板厚度应介于35mm-45mm，其外径与筒顶顶板3直径相同，与分仓板5围出负压仓室；筒顶顶板3留有用于抽负压的开洞，每个负压仓室上方开有一个，洞径为0.4m；首节下沉预制钢管桩7和普通预制钢管桩8外径相同，壁厚相同，但首节下沉预制钢管桩7内壁凸出四条半圆截面的条形轨道以供下沉活塞13竖直方向自由运动(参见附图2和附图3)，条形轨道在桩底终止，以防活塞漏出；密封圈10为橡胶制品，内径稍小于预制桩外径，以保证密封效果，是截面为梯形的环状物，与筒顶顶板3预制为一体；防冲刷配重物11为由防冲刷土工布包裹碎石而成的袋装配重物，可由水下抛投至配重仓中；下沉施工套筒12由直径不同的两个钢管经连接圆环通过螺栓相连，连接圆环与大直径外管预制为一体，连接圆环的厚度应大于螺栓直径，通过径向的螺栓实现小直径内管与连接圆环的连接，径向螺栓应不少于16个；连接圆环放置于基础套筒1上表面圆环处，与上表面圆环大小相同，且连接圆环上留有用于与基础套筒1螺栓连接的穿孔，该穿孔与径向螺栓连接点为均匀间隔设置，从而与基础套筒1螺栓连接；下沉施工套筒12的大直径外管可从连接圆环处分为上下两部分，连接圆环之上外侧焊有加强肋板，加强肋板应不少于32根，钢管外径加上加强肋板的高度等于基础套筒1的外径，连接圆环之下部分嵌套在基础套筒1外，一直到筒顶顶板3处，但由于需要避开肋板2，连接圆环之下与基础套筒嵌套部分的钢管是栅栏状，不连续的；下沉施工套筒12的大直径外管高度应高于沉桩处最大海水深度；下沉施工套筒12的小直径内管的外径与基础套筒1内径相同，嵌套在基础套筒1内，并且其内壁上焊有抱桩器14(参见附图2和附图5)；抱桩器14的位置和数量由实际工程情况再行确定，但根据两点确定一条直线的原理，抱桩器至少有两个，本实用新型抱桩器14共有两组，两组相距5m，每组配有均匀布置的四个滚轮；打桩顺序为先打首节下沉预制钢管桩7，再打普通预制钢管桩8，最后是预制连接钢管桩9，钢桩之间为焊接连接；普通预制钢管桩8均打至基础套筒1以下，最浅的普通预制钢管桩8的顶部应位于分仓板5处；预制连接钢管桩9位于基础套筒1内，其外侧焊有肋板，肋板位于抱桩器滚轮之间，沿预制连接钢管桩9长度均匀分布，肋板高度为0.5m；拆除下沉施工套筒12后，预制连接钢管桩9与基础套筒1之间通过高强混凝土灌浆连接；首节下沉预制钢管桩7长度应由具体施工条件计算而得，应保证首节下沉预制钢管桩7全部打入海床后桩顶处的水头小于1米，且大于基础套筒1的长度；下沉活塞13应为实心全钢圆柱体，其半径与首节下沉预制钢管桩7内径相同，但其外缘有四条半圆截面的内凹轨道，可在首节下沉预制钢管桩7内自由滑动，但不可从首节下沉预制钢管桩7下方滑出轨道，只可从上方滑出，其所受重力应能够与最大水压力平衡。

一种海上风电复合式单桩基础施工方法：(1)完成基础套筒1、肋板2、筒顶顶板3、配重仓围壁4、分仓板5、筒壁6的标准化、一体化生产，并在陆上安装预制为一体；(2)将下沉施工套筒12在陆上生产完成，与抱桩器14焊接后，下放至基础套筒1内，并完成螺栓连接；(3)将首节下沉预制钢管桩7通过密封圈10，插入筒顶顶板3中间的开洞中，并将首节下沉预制钢管桩7上部与下沉施工套筒12大直径外管连接固定，将下沉活塞13上部连接钢索绳后滑入首节下沉预制钢管桩7；(4)将上述预制成型的结构拖航至沉放地点，进行沉放、调平工作；(5)放开首节下沉预制钢管桩7与下沉施工套筒12的连接固定，进行首节下沉预制钢管桩7的打桩施工，施工过程中可通过对负压仓室充吸气来随时进行可能需要的纠偏；(6)首节下沉预制钢管桩7全部打入海床后，从钢管桩上部通过钢索绳取出下沉活塞13，继续进行普通预制钢管桩8及预制连接钢管桩9的打桩施工，施工过程中可通过对负压仓室充吸气来随时进行可能需要的纠偏；(7)向配重仓对称地下放配重物，并在施工过程中可通过对负压仓室充吸气来随时进行可能需要的纠偏；(8)配重物填充完毕后，取出在基础套筒1内的下沉施工套筒12的小直径内管，对基础套筒1和预制连接钢管桩9进行灌浆连接施工；(9)放松下沉施工套筒12与基础套筒1之间的螺栓连接，取出下沉施工套筒12大直径外管，向基础周边抛投防冲刷配重物11(参见附图7、附图8、附图9)，施工完毕。该实施例中：基础套筒1内径为8m，外径为10m，高为10m；肋板2厚为1m，其他尺寸依所接部件尺寸而定；筒顶顶板3厚为1m，外径为20m，内径为6m；配重仓围壁4厚0.5m，高为3m；分仓板5中，中间的筒形分仓板内径为6m，钢板厚度为35mm，高度视地质条件而定，但应大于3m；筒壁外径与筒顶顶板3同样为20m，钢板厚度为40mm；首节下沉预制钢管桩7长度至少为15m，壁厚为40mm；预制连接钢管桩9长度至少为14m，外侧所焊肋板高度为0.5m，与桩壁自然过渡连接；普通预制钢管桩8长度视所需打桩深度而定；密封圈10内径为5.96m，外径为7m，高度为7m；防冲刷配重物11单袋重量为100Kg；下沉施工套筒12小直径内管外径为8m，高为9.5m，壁厚为20mm，大直径外管内径为10m，壁厚为20mm，高度视水深而定；下沉活塞13直径为6m，半圆轨道直径0.5m。

Claims (9)

1.一种海上风电复合式单桩基础，其特征是：

包括基础套筒(1)，为圆筒结构，底部与筒顶顶板(3)相接；

包括筒顶顶板(3)，为圆盘状结构，圆盘中间开洞，洞径与首节下沉预制钢管桩(7)的外径相同，筒顶顶板(3)同时作为配重仓底板；筒顶顶板(3)上表面外缘设有配重仓围壁(4)；

包括肋板(2)，为直角梯形截面四棱柱结构，分别和配重仓围壁(4)内壁、基础套筒(1)外壁、筒顶顶板(3)相接；

包括分仓板(5)，由中间的圆筒形钢板及周边放射状钢板组成，中间圆筒形钢板内径与首节下沉预制钢管桩(7)外径相同，放射状钢板水平位置与肋板(2)水平投影位置重合；

包括筒壁(6)，为圆筒状钢环壁，其外径与筒顶顶板(3)直径相同，与分仓板(5)围出负压仓室；

包括首节下沉预制钢管桩(7)和普通预制钢管桩(8)，其外径相同，首节下沉预制钢管桩(7)内壁刻有下沉活塞(13)的条形轨道以供下沉活塞(13)竖直方向自由运动；

包括密封圈(10)，是截面为梯形的环状结构，与筒顶顶板(3)预制为一体；

包括下沉施工套筒(12)，由直径不同的两个钢管经连接圆环通过螺栓相连，下沉施工套筒(12)的大直径外管可从连接圆环处分为上下两部分，连接圆环之下与基础套筒嵌套部分与基础套筒(1)嵌套；下沉施工套筒(12)的小直径内管嵌套在基础套筒(1)内；

包括预制连接钢管桩(9)，位于基础套筒(1)内。

2.根据权利要求1所述的海上风电复合式单桩基础，其特征是：还包括抱桩器(14)，焊接在下沉施工套筒(12)的小直径内管的内壁上，抱桩器(14)至少有均匀布置的四个滚轮。

3.根据权利要求1所述的海上风电复合式单桩基础，其特征是：下沉活塞(13)为实心全钢圆柱体，其半径与首节下沉预制钢管桩(7)内径相差轨道高度，可在首节下沉预制钢管桩(7)内自由滑动。

4.根据权利要求1所述的海上风电复合式单桩基础，其特征是：还包括防冲刷配重物(11)，由防冲刷土工布包裹碎石而成的袋装配重物，设置在配重仓中。

5.根据权利要求1所述的海上风电复合式单桩基础，其特征是：基础套筒(1)为预应力钢筋混凝土圆筒结构，顶部圆环处预制螺杆，内壁为螺纹面，内径大于普通预制钢管桩(8)的外径并预留放置下沉施工套筒(12)和抱桩器(14)的空间；下沉施工套筒(12)连接圆环放置于基础套筒(1)上表面圆环处，与上表面圆环大小相同，且连接圆环上留有用于与基础套筒(1)螺栓连接的穿孔，从而与基础套筒(1)螺栓连接；连接圆环之上外侧焊有加强肋板，钢管外径加上加强肋板的高度等于基础套筒(1)的外径。

6.根据权利要求1所述的海上风电复合式单桩基础，其特征是：所述的肋板(2)设有六个或八个，底部与筒顶顶板(3)相接，筒顶顶板(3)留有用于抽负压的开洞。

7.根据权利要求1所述的海上风电复合式单桩基础，其特征是：密封圈(10)为橡胶制品，内径稍小于预制桩外径，是截面为梯形的环状物。

8.根据权利要求1所述的海上风电复合式单桩基础，其特征是：下沉施工套筒(12)连接圆环之下部分的钢管是不连续的栅栏状，用于避开肋板(2)。

9.根据权利要求1所述的海上风电复合式单桩基础，其特征是：预制连接钢管桩(9)外侧焊有肋板，肋板位于抱桩器滚轮之间，沿预制连接钢管桩(9)长度均匀分布。