CN208136938U - 一种海上四浮筒-浮箱组合式基础结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于海洋工程的基础结构技术领域，公开了一种海上四浮筒‑浮箱组合式基础结构，包括四个相同的浮筒、四个相同的浮箱和一个过渡段塔架；四个浮筒在水平面上按照其中心点依次相连围成正方形进行布置，每相邻两个浮筒由一个浮箱连接，浮箱沿长度方向的中心线穿过其两端浮筒的轴线；浮筒和浮箱上部连接过渡段塔架，过渡段塔架用于连接上部风电设备。本实用新型兼具重力式基础和吸力筒型基础的特点，承载力提高的同时，运输安装方式简便，可回收再利用，施工成本大大降低。

Description

一种海上四浮筒-浮箱组合式基础结构

技术领域

本实用新型属于海洋工程的基础结构技术领域，具体的说，是涉及一种应用于海上风电和海上测风设施的基础结构。

背景技术

海上风电产业的发展带动了一系列风电场的建设。作为海上风电工程的先导工程，海上测风塔结构是一种高耸结构建筑物，目前大多采用的基础型式为钢管桩基础。这种基础型式的施工工艺复杂，运输安装需要大型机具进行运输、吊装，因而工期长，且施工费用较高；钢管桩的沉桩定位及扭角等难以准确把握，沉桩效率比较低。上部测风塔结构所处的海洋环境一般均包含波浪、流以及主要的风荷载。上部荷载的传递到底部会形成较大弯矩，需要设计一种新型的基础结构型式满足承载力要求的同时，施工成本能够降低。传统的基础型式有重力式基础，整体依靠结构自重以及其上填料和压载的重量抵抗外荷载，维持结构稳定性，施工原理简明，填料和压载材料成本低，但对于基础自重和几何尺寸都很大，基础占据海床的范围比较广，对海床条件也有要求的深水域而言，施工、运输方式及成本均受到限制。较为新型的筒型基础结构形式简单，适用的海床条件广泛，同时筒裙抗滑移稳定性较高，施工安装原理简明，但是下沉过程存在下沉不到位以及调平控制困难的问题，同时工作状态下存在裙板等钢结构发生屈曲等问题，同样制约着筒型基础的发展。以上这些问题在海上风力发电机中同样存在，风机单机容量的增加以及深水域海床地质条件的多样性对海上风电设备的基础结构型式提出新的挑战。

实用新型内容

为了综合采用重力式基础成本低、承载力强和吸力筒基础运输方便、适应性广等方面的特点，同时为了避免单一结构型式因基础尺寸过大所造成的施工工艺以及建造成本方面的负担，本实用新型提供了一种海上四浮筒-浮箱组合式基础结构，兼具重力式基础和吸力筒型基础的特点，承载力提高的同时，运输安装方式简便，可回收再利用，施工成本大大降低。

为了解决上述技术问题，本实用新型通过以下的技术方案予以实现：

一种海上四浮筒-浮箱组合式基础结构，包括四个相同的浮筒、四个相同的浮箱和一个过渡段塔架；四个所述浮筒在水平面上按照其中心点依次相连围成正方形进行布置，每相邻两个所述浮筒由一个所述浮箱连接，所述浮箱沿长度方向的中心线穿过其两端所述浮筒的轴线；所述浮筒和所述浮箱上部连接过渡段塔架，所述过渡段塔架用于连接上部风电设备；

所述浮筒由浮筒顶盖、筒壁、筒裙、径向肋板、环向肋板、分舱板构成；所述浮筒顶盖上部边沿设置所述筒壁、下部边沿设置所述筒裙；所述浮筒顶盖与所述筒壁构成所述浮筒的上部结构，所述浮筒的上部结构内设置所述径向肋板和所述环向肋板；所述浮筒顶盖与所述筒裙构成所述浮筒的下部结构，所述浮筒的下部结构内设置有环形内裙板；

所述浮箱由浮箱顶板、浮箱底板、侧板、肋板、阻滑裙板构成，所述浮箱顶板、所述浮箱底板、所述侧板构成长方体空腔结构的箱体，所述浮箱的箱体内部设置有横向和纵向的多块肋板，多块所述肋板将所述浮箱的箱体分成相互连通的区域；所述浮箱顶板两端预设有气孔，所述浮箱底板两端预设有水孔，利用所述气孔和所述水孔通过气液置换实现所述浮箱的箱体内部的充水和排水；所述浮箱底板下部边沿设置所述阻滑裙板；

所述过渡段塔架由四根相同的立柱、若干支撑杆、八根斜杆构成；四根所述立柱底端分别灌入四个所述浮筒的浮筒顶盖中心并与其焊接在一起，且均由下至上以相同的角度向基础结构中心倾斜；多根所述支撑杆连接在四根所述立柱之间构成桁架式钢结构；所述斜杆连接在所述立柱与其相邻的所述浮箱之间，所述斜杆下端由所述浮箱顶板中心通入所述浮箱内部，所述斜杆内部设置有延伸至浮箱底板以下的气液管道和灌浆管道；每根所述立柱内部分别设置有气液管道、灌浆管道以及液面检测装置，其中气液管道由所述立柱延伸至所述浮筒的浮筒顶盖以下，其中灌浆管道由所述立柱延伸至所述浮筒的上部结构和所述浮箱的箱体内部，其中液面检测装置用于在拖航过程中通过观察所述立柱内部液封后液体的液面高度变化，判断所述立柱底部所对应所述浮筒内的气压状态。

优选地，所述浮筒的所述筒壁高度为所述浮筒顶盖直径的三分之一到二分之一，所述浮筒的所述筒裙高度与所述浮筒顶盖直径的高径比为0.8-1.5；所述浮筒的所述环形内裙板的直径为所述浮筒顶盖直径的三分之一到三分之二，所述环形内裙板的高度为所述筒裙高度的三分之一到三分之二。

优选地，所述浮箱的侧板与所述浮筒的筒壁高度一致，所述浮箱的所述阻滑裙板的高度为所述侧板高度的三分之一到二分之一。

优选地，所述筒裙的中部至底端范围内设置有剪土环，所述剪土环可以布置在筒裙的内回转面和/或外回转面，所述剪土环的截面外轮廓可以是角形或者弧形。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的海上四浮筒-浮箱组合式基础结构，由四个浮筒、四个浮箱以及过渡段塔架组合而成；浮筒上部结构作为压载舱室、下部结构作为吸力筒型基础，兼具重力式结构和吸力筒型基础结构的特点，同时四浮筒组合的形式使得每个浮筒的直径相对于相同规模的筒型基础或者重力式基础的几何形状尺寸大大减小；浮箱作为连接件将四个独立的浮筒组合成一体结构，其上部箱体承重，下部阻滑裙板增加结构抗滑移稳定性，且下沉完成后上部箱体内灌浆成为整体结构的基座；因此浮箱也兼具重力式结构和吸力裙板结构的特点；浮箱和浮筒组合结构使得浮筒之间的相互作用加强，同时浮箱下部阻滑裙板的支撑作用提高了浮筒筒裙的侧向刚度，防止下沉过程中筒裙发生屈曲现象；过渡段塔架结构除了作为上部风电设备的连接结构外，其主要功能在于内部设置有管路系统，可以实现运输过程中的检测、调平以及安装完成后的灌浆固结操作。上部风电设备安装完成后，过渡段塔架结构的支撑点作用将上部结构荷载均匀的分散到四个浮筒和四个浮箱上，充分发挥组合式基础结构中各个部件的承载力。

本实用新型的海上四浮筒-浮箱组合式基础结构，使得单个浮筒的水线面面积更小，拖航过程容易精确控制调平，同时结合浮箱结构增加了四浮筒之间的协同作用，增大了基础底面与海床的接触面积，端部承载力增大，再者浮箱作为上部过渡段塔架的支撑结构，优化了结构的传力体系，使得基础各部分受力更为均匀。由于浮筒上部和浮箱箱体内部最后需要压载灌浆处理，增加基础结构的自重，提高抗倾覆稳定性，整体承载力性能提升，因此浮筒和浮箱的下裙板高度可以大大降低，节约了材料成本，同时基础下沉深度减小，下沉过程中发生倾斜的概率减小，下沉调平操作大大简化，整体施工措施得到了优化。

附图说明

图1是本实用新型所提供的海上四浮筒-浮箱组合式基础结构的立体结构示意图；

图2是本实用新型所提供的海上四浮筒-浮箱组合式基础结构的俯视视角示意图；

图3是本实用新型所提供的海上四浮筒-浮箱组合式基础结构的仰视视角示意图；

图4是本实用新型所提供的海上四浮筒-浮箱组合式基础结构的浮筒结构示意图；

图5是本实用新型所提供的海上四浮筒-浮箱组合式基础结构的浮箱结构示意图；

图6是本实用新型所提供的海上四浮筒-浮箱组合式基础结构的过渡段塔架结构示意图。

图中：1、浮筒，11、浮筒顶盖，12、筒壁，13、筒裙，14、径向肋板，15、环向肋板，16、环形内裙板，17、剪土环；2、浮箱，21、浮箱顶板，22、浮箱底板，23、侧板，24、肋板，25、阻滑裙板；3、过渡段塔架，31、立柱，32、支撑杆，33、斜杆。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1至图3所示，本实施例公开了一种海上四浮筒-浮箱组合式基础结构，主要包括四个相同的浮筒1、四个相同的浮箱2、一个过渡段塔架3。

四个浮筒1在水平面上按照其中心点依次相连能够围成正方形进行布置。

如图4所示，每个浮筒1由浮筒顶盖11、筒壁12、筒裙13、径向肋板14、环向肋板15、环形内裙板16、剪土环17构成。圆形的浮筒顶盖11上部边沿设置有环形的筒壁12、下部边沿设置有环形的筒裙13；筒壁12的高度较小，一般为浮筒顶盖11直径的三分之一到二分之一；筒裙13的高度与浮筒顶盖11的直径尺寸接近，比值(高径比)约为0.8-1.5。浮筒顶盖11与筒壁12构成的浮筒1上部结构具有重力筒型基础的特点，可以作为安装完成后的压载区域。浮筒1上部结构内设置有均布的径向肋板14和均布的环向肋板15，主要是为了防止筒壁12在压载后发生变形。浮筒1下部结构内设置有高度较小的环形内裙板16，起到阻滑件和肋板的作用；环形内裙板16的直径一般在浮筒顶盖11直径的三分之一到三分之二，环形内裙板16的高度一般在筒裙13高度的三分之一到三分之二范围内。浮筒顶盖11与筒裙13构成的浮筒1下部结构具有宽浅式吸力筒型基础的特点，一方面用于在浮拖过程中浮筒1下部结构可以充气，形成空腔以增加基础结构浮力以及实现拖航过程中的控制调平；另一方面在下沉安装过程中将浮筒1下部结构排气减小浮力，以保证其正常下沉，下部筒裙13以及环形内裙板16最终插入地基内部，通过抽负压的方式不仅使基础能够紧密贴合，同时能够加固地基基础，在保证结构具有抗倾覆稳定性的同时，也发挥了水平抗滑移稳定性。筒裙13的中部至底端的区段任意高度设置有剪土环17，剪土环17可以布置在筒裙13的内回转面或外回转面，或内、外回转面同时布置，其截面外轮廓可以是角形或者弧形。剪土环17的主要作用是减小下沉过程中筒裙的侧摩阻力，保证基础结构下沉到设计要求深度。

四个浮箱2将四个浮筒1相互连接，每相邻两个浮筒1之间连接有一个浮箱2。浮箱2两端焊接在浮筒1上，以使四个浮箱2和四个浮筒1构成一个整体，浮箱2的沿长度方向的中心线穿过其两端浮筒1的轴线，使上部结构荷载能够均匀传递到基础结构的每个浮筒1和浮箱2上。

如图5所示，浮箱2由浮箱顶板21、浮箱底板22、侧板23、肋板24、阻滑裙板25构成。浮箱顶板21、浮箱底板22、侧板23构成长方体空腔结构的箱体，箱体的高度(即侧板23高度)与浮筒1上部结构(即筒壁12高度)一致，即浮筒1的上部结构、浮箱1的箱体底面齐平，保证沉贯完成后基础与海床面完全贴合。浮箱2箱体内部设置有横向和纵向的多块肋板24，多块肋板24将浮箱2内部分成相互连通的多个区域，肋板24的作用是加强浮箱2内部刚度，防止在灌浆后钢结构的侧板23发生屈曲变形。浮箱顶板21两端预设有阀门控制的气孔，用于气水置换时充气或者排气；浮箱底板22两端预设有阀门控制的水孔，用于调节浮箱内充水量。气孔和水孔均可设置多个备用，以防止个别发生堵塞现象。气孔连接有独立的管道系统，而水孔不设置管道，可通过气液置换实现浮箱2的箱体内部充水、排水。浮箱底板22下部边沿设置有阻滑裙板25，阻滑裙板25的高度大致为侧板23高度的三分之一到二分之一。浮箱2的箱体在拖航过程中可以充水增加自重，并且通过调节不同的吃水深度，达到拖航稳性的要求；在下沉安装时，完全注水，保证下沉速率，基础沉贯完成后，浮箱2的箱体内部通过过渡段塔架3的灌浆管道进行灌浆固结，增加结构自重使其具有重力式基础结构的特点。浮箱2下部周围一圈的阻滑裙板25主要提供抗滑移、抗倾覆承载力，同时浮箱底板22面积较大，可作为主要的基础底座结构。

如图6所示，过渡段塔架3由四根相同的立柱31、若干支撑杆32、八根斜杆33构成。四根立柱31底端分别灌入四个浮筒1的浮筒顶盖11中心并与其焊接在一起，四根立柱31均由下至上以相同的角度向基础结构中心倾斜；四根立柱31之间焊接有多根支撑杆32构成桁架式钢结构。由于过渡段塔架3的立柱31插入到浮筒1内部，因此应该在立柱31插入段范围内部设有十字形加劲肋板防止变形。过渡段塔架3主要是用于连接组合式基础结构和上部风电设备，其塔架高度根据实际的水深进行相应的调整。每根立柱31内部分别设置有气液管道、灌浆管道以及液面检测装置，其中气液管道由立柱31延伸至浮筒1的浮筒顶盖11以下，可以对浮筒1下部结构充水、排水，也可以对浮筒1下部结构充气、排气，从而实现拖航过程中浮力不够时增加浮力，以及基础结构倾斜后调节充气量或压载水量，使其相应的浮筒1升高或下沉，从而调节整体基础结构的平衡；其中灌浆管道的接口可以开设在立柱31侧壁的一定高度，灌浆管道由立柱31延伸至浮筒1上部结构和浮箱2的箱体内部。每根立柱31与其相邻的浮箱2之间连接有斜杆33，斜杆33下端由浮箱顶板21中心通入浮箱2内部，斜杆33除起到传递上部结构的荷载到浮箱1的作用之外，其内部也设置有气液管道和灌浆管道，其气液管道可紧贴浮箱2内处于中间位置的肋板24设置，延伸至浮箱底板22以下，用于对阻滑裙板25内部进行充气；其灌浆管道延伸至浮箱顶板21以下，用于对浮箱1的箱体内部灌浆。

在结构安装完成后，对浮筒1上部结构抛石压载或者通过灌浆管道进行灌浆，同时对浮箱2的箱体内部通过灌浆管道将灌入砂浆，立柱31内部不进行灌浆，各管道系统保持通畅。浮箱2的箱体内部各区域是连通的因此可以保证砂浆充满整个浮箱2的箱体，一般每根立柱31的灌浆管道设有两个出口，分别对连接在同一浮筒1上的两个浮箱2同时灌浆，从而保证同一浮箱2实现由两端向中间的灌浆速度，提高施工速度与灌浆均匀程度。每根立柱31与其相邻的浮箱2之间连接有斜杆33也可以实现由浮箱2的箱体中部向两端的延伸灌浆，这种灌浆方式可以与通过浮筒1的灌浆同时进行也可以分别进行。

利用液面检测装置，过渡段塔架3的四根立柱31还可以作为调平观测系统，主要原理是在立柱31内部充入液体液封气体，一方面保证了浮筒1底部充气不泄露，另一方面在拖航过程中通过观察立柱31内部液封后液体的液面高度变化情况，可以判断立柱31底部所对应浮筒1内的气压大小以及是否漏气，从而控制四个浮筒1内部的气压平衡，保证整个基础结构处于直立状态。

在结构整体进行回收时，立杆1内部的气液管道对浮筒1的筒裙13内部进行注水或充气，斜杆33内部的气液管道对浮箱2的阻滑裙板25内部进行注水或充气，这样使浮筒1的筒裙13以及浮箱2的阻滑裙板25内部气压增强，总压差减小逐渐将基础结构顶起，待筒裙13和阻滑裙板25脱离海床后基础将缓慢上浮，最后拖运至岸边即可。

四个浮筒1和四个浮箱2依次焊接在一起，彼此之间独立，各部分之间的充气、排水、灌浆等措施均可以独立同时进行，互不干扰，缩短了施工周期。

上述组合式海上四浮筒浮箱基础结构的施工方法，按照如下步骤进行：

(1)预制结构：陆上工厂预制加工好各个部件，并将浮筒1、浮箱2、过渡段塔架3安装成一体的组合式海上四浮筒浮箱基础结构。

(2)初调准备：组合式海上四浮筒浮箱基础结构吊装到海面，利用基础结构自重沉入一定深度，通过对浮筒1的筒裙13内充气而增大浮力，并根据拖航需要的吃水深度进行调节，吃水不够时将浮箱2内部充水压载，吃水过大时对浮筒1下部结构充气增大排水量或者浮箱2内充气排出一定量的压载水，减小自重。

之后立柱31内注水液封，为后续水上托运做准备。

(3)水上托运：利用拖船设备通过拖缆绳对组合式海上四浮筒浮箱基础结构进行单点拖航，系缆点布置在其中一个或两个浮筒1上，一般与水面齐平，拖航速度不宜过快。

在拖航之前，需要对另外三个或两个浮筒1内部进行充水压载，使结构具有一定的后倾角度，在整体拖航过程中系缆点的浮筒1会产生比较明显的埋首现象，因此初始的后倾角可以中和埋首形成的前倾现象，从而保证拖运过程中的稳性要求，减小动力响应。

在托运过程中，通过内部注水后的立柱31和立柱31内的液面检测设备，观察各立柱31内部液面的变化情况，初步判断基础结构是否保持平衡状态，如有偏离平衡位置的倾斜即进行调平。

(4)基础入水：托运至指定位置后下沉安装，对浮筒1下部排气处理以减小浮力使基础结构下沉，同时浮箱2的箱体内充水，基础结构自重增加，使基础结构进一步下沉，直至浮筒1的筒裙13以及浮箱2的阻滑裙板25接触海床。

(5)负压沉贯：待浮筒1的筒裙13以及浮箱2的阻滑裙板25插入地基一定深度后，对浮筒1的下部结构抽水，基础结构进一步下沉直至浮筒顶盖11和浮箱底板22完全接触泥面，继续对浮筒1的下部结构抽水持续一段时间，对土体进行负压加固处理。

负压沉贯过程中，当土质不均匀时或浮筒1下部结构的抽水速率不一致，导致各浮筒1下沉深度发生差异，从而使基础结构发生倾斜，因此需要进行调平操作，通过在上倾的浮筒1下部结构增加抽水速率和/或在下倾的浮筒1下部结构充气或充水，进行调平操作。

(6)灌浆压载：负压加固完成后，通过立杆31和斜杆33的灌浆管道对浮箱2的箱体内部进行灌浆处理，而浮筒1的上部结构可以抛石压载或者灌浆压载。

(7)安装上部结构：灌浆处理完成后，吊装上部风电设备，进行水上安装。

(8)回收利用：首先拆除吊装上部风电设备，其次通过立杆31内部的气液管道对浮筒1的筒裙13内部注水或充气增大内部压强，以及通过斜杆33内部的气液管道对浮箱2的阻滑裙板25内部进行注水或充气增大内部压强，使得浮筒1的筒裙13以及浮箱2的阻滑裙板25与地基基础分离，浮力进一步增加，整个基础结构缓慢上浮，浮至海面上后可通过拖船将其拖回陆上。

尽管上面结合附图对本实用新型的优选实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种海上四浮筒-浮箱组合式基础结构，其特征在于，包括四个相同的浮筒、四个相同的浮箱和一个过渡段塔架；四个所述浮筒在水平面上按照其中心点依次相连围成正方形进行布置，每相邻两个所述浮筒由一个所述浮箱连接，所述浮箱沿长度方向的中心线穿过其两端所述浮筒的轴线；所述浮筒和所述浮箱上部连接过渡段塔架，所述过渡段塔架用于连接上部风电设备；

所述浮筒由浮筒顶盖、筒壁、筒裙、径向肋板、环向肋板、分舱板构成；所述浮筒顶盖上部边沿设置所述筒壁、下部边沿设置所述筒裙；所述浮筒顶盖与所述筒壁构成所述浮筒的上部结构，所述浮筒的上部结构内设置所述径向肋板和所述环向肋板；所述浮筒顶盖与所述筒裙构成所述浮筒的下部结构，所述浮筒的下部结构内设置有环形内裙板；

所述浮箱由浮箱顶板、浮箱底板、侧板、肋板、阻滑裙板构成，所述浮箱顶板、所述浮箱底板、所述侧板构成长方体空腔结构的箱体，所述浮箱的箱体内部设置有横向和纵向的多块肋板，多块所述肋板将所述浮箱的箱体分成相互连通的区域；所述浮箱顶板两端预设有气孔，所述浮箱底板两端预设有水孔，利用所述气孔和所述水孔通过气液置换实现所述浮箱的箱体内部的充水和排水；所述浮箱底板下部边沿设置所述阻滑裙板；

所述过渡段塔架由四根相同的立柱、若干支撑杆、八根斜杆构成；四根所述立柱底端分别灌入四个所述浮筒的浮筒顶盖中心并与其焊接在一起，且均由下至上以相同的角度向基础结构中心倾斜；多根所述支撑杆连接在四根所述立柱之间构成桁架式钢结构；所述斜杆连接在所述立柱与其相邻的所述浮箱之间，所述斜杆下端由所述浮箱顶板中心通入所述浮箱内部，所述斜杆内部设置有延伸至浮箱底板以下的气液管道和灌浆管道；每根所述立柱内部分别设置有气液管道、灌浆管道以及液面检测装置，其中气液管道由所述立柱延伸至所述浮筒的浮筒顶盖以下，其中灌浆管道由所述立柱延伸至所述浮筒的上部结构和所述浮箱的箱体内部，其中液面检测装置用于在拖航过程中通过观察所述立柱内部液封后液体的液面高度变化，判断所述立柱底部所对应所述浮筒内的气压状态。