CN211621666U - 满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种满铺长短桩复合地基‑筒海上风电基础。该风电基础，包括混凝土过渡段、复合筒型基础和混凝土圆形底板。本实用新型结合水下深层水泥搅拌桩(或挤密砂桩)和筒型基础的优点，筒型基础承载面积大，稳定性好，无需打桩，但在软弱土质条件下，筒型基础沉降和倾斜较大，水泥桩(或挤密砂桩)布置在筒型基础内，解决了筒型基础的地基变形问题，缩小了吸力筒的制造尺寸，减小基础造价。整体筒型基础均在陆上制作，采用一体化拖航和安装，到达泥面后配以负压下沉，施工方便，桩可在筒型基础制作期间提前使用水下成桩船到海上风机位成桩，不占用筒型基础施工窗口期，工期灵活，施工难度小。

Description

满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础

技术领域

本实用新型涉及一种海上风电基础结构，尤其是涉及一种满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础。

背景技术

基于我国近海区域较大部分是淤泥、粉质黏土等软弱地基条件，一般为满足地基承载力和基础变形要求，通常采用传统的桩基础如单桩基础和导管架基础，这两种基础形式需要大型吊装船和打桩船辅助施工，通过锤击打桩，桩穿透软弱土层进入较好的持力层，这种传统桩式基础造价较高且工期长。

随着海上风电机组单机容量的增大，采用传统单桩及导管架基础需要增大基础的尺寸和材料用量，且大直径单桩打桩受到施工设备的限制成为难以逾越的问题，针对这个问题，如专利CN107761755A和专利CN106759445所述的吸力式复合筒型基础逐渐被用于海上风电，筒型基础的负压下沉安装方式(如专利CN105926661A所示)避免了繁琐的打桩流程，筒型基础由于其受力特性和施工方法，适用于有一定承载力的黏土、砂土等土层，针对承载能力较差的淤泥及淤泥质土层，采用筒型基础需要增大筒的直径，且由于筒型基础的重量和风机载荷增大，带来了基础沉降和倾斜变形较大的问题，如果过度增大筒型基础尺寸，不仅增加了造价，且无法实现一步式安装(如专利 CN102926949A所示)，经济性上相比单桩和导管架的优势不再存在。

针对我国近海覆盖层较厚的冲积型软土地质条件及以上传统基础形式的弊端，提出了一种吸力筒-满铺长短桩复合海上风电基础及施工方法，这种复合基础解决了海上风电软弱地基承载力和变形问题，且无需打桩施工，在施工工艺上具有极大的优势，在筒型基础陆上制作时提前进入风电场场区进行成桩，筒型基础采用一步式整体安装工艺，经济性好，适用于淤泥、淤泥质土、粉土等软弱地基。

实用新型内容

为解决以上问题，本实用新型提供一种满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，该筒型基础采用一步式整体安装工艺，经济性好，适用于淤泥、淤泥质土、粉土等软弱地基。

本实用新型采用的技术方案是：一种满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，其特征在于：包括混凝土过渡段和设置在混凝土过渡段下端的复合筒型基础，以及设置在混凝土过渡段和复合筒型基础之间的混凝土圆形底板；所述复合筒型基础包括筒壁、分仓板和筒顶盖，所述筒壁与筒顶盖围合成一个上端封闭、下端开口的筒型空腔，所述分仓板设置在筒型空腔内，将筒型空腔沿轴线分割成多个分仓腔；每个所述分仓腔内均设有筒内长桩和筒内短桩，所述空腔结构外设有筒外长桩和筒外短桩。

作为优选，所述混凝土过渡段和混凝土圆形底板采用分体浇筑，所述混凝土圆形底板内预埋剪力栓钉，所述混凝土过渡段、混凝土圆形底板和复合筒型基础通过剪力栓钉连接成整体。

作为优选，所述混凝土过渡段为内部空腔结构，壁厚不小于0.5m，混凝土内布置钢筋增强其抗拉强度，上部与塔筒对接。

作为优选，所述混凝土圆形底板的直径与筒型基础的直径相等。

作为优选，所述分仓板和筒壁采用坡口焊缝或浇筑形式连接，所述筒壁内侧和分仓板单侧均等距布置加劲肋，布置间距为0.5m～1.0m，加劲肋长度与筒壁高度一致。

作为优选，所述筒内长桩、筒内短桩、筒外长桩和筒外短桩均采用双轴或多轴水泥搅拌桩型，或采用挤密砂桩。

作为优选，所述筒内长桩和筒外长桩穿透软弱地质层到达土层；若软弱地质层较厚，桩长未穿透软弱地质层且承载力满足要求时，桩底“悬浮”于软弱层中，悬浮桩长不超过25m。

作为优选，所述筒内短桩布置于同一分仓腔内的筒内长桩之间，所述筒外短桩布置于筒外长桩的外周；所述筒内短桩和筒外短桩的桩底与筒型基础的筒底齐平。

作为优选，所述筒内长桩、筒外长桩、筒内短桩和筒外短桩的桩顶与筒顶保留0～2.0m的距离，桩间距大于桩径布置；所述筒内长桩与筒壁和分仓板的间距为0.2m～2.0m，筒外长桩与筒壁的间距为 0.2m～2.0m。

一种满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：

a、在陆上基地预制混凝土过渡段、混凝土圆形底板、复合筒型基础，并将混凝土过渡段、混凝土圆形底板、复合筒型基础通过剪力栓钉连接成整体；

b、复合筒型基础陆上制作的过程中，使用水下成桩船到风机位进行成桩作业，为不影响复合筒型基础下沉，布桩点需要通过GPS精准定位，给筒壁与分仓板预留下沉通道，相邻桩位距离筒壁和分仓板净距均为0.2m～2.0m，其余桩在分仓范围内按设计桩间距成桩；

c、待长桩和短桩安装完成并达到强度后，将复合筒型基础运输至指定风机位，利用GPS定位，调整复合筒型基础位置和角度，使筒壁和分仓板在步骤b预留的相邻围桩间的通道进行负压下沉，通过调平完成复合筒型基础安装。

本实用新型取得的有益效果是：本实用新型结合了水下深层水泥搅拌桩(或挤密砂桩)和筒型基础的优点，筒型基础承载面积大，稳定性好，无需打桩，但在软弱土质条件下，筒型基础沉降和倾斜较大，水泥桩(或挤密砂桩)布置在筒型基础内，解决了筒型基础的地基变形问题，缩小了吸力筒的制造尺寸，减小基础造价。整体筒型基础均在陆上制作，采用一体化拖航和安装，到达泥面后配以负压下沉，施工方便，桩可在筒型基础制作期间提前使用水下成桩船到海上风机位成桩，不占用筒型基础施工窗口期，工期灵活，施工难度小。整个施工过程避免了使用大型海上吊装和打桩设备，并实现了海上风机整机的一体化安装，降低了安装成本，节省的基础制造费、安装费用远大于满铺长短桩的成桩费用，相比于同一场地的常规复合筒型基础可减少综合造价10％～25％，适用于我国近海大部分具有软弱覆盖层的海域。

附图说明

图1为本实用新型的立面剖视图；

图2为本实用新型的布桩俯视图；

图3为本实用新型的水下成桩船示意图；

附图标记：1、混凝土过渡段；2、混凝土圆形底板；3、复合筒型基础；31、筒顶盖；32、筒壁；33、分仓板；34、加劲肋；4、筒内长桩；5、筒内短桩；6、筒外长桩；7、筒外短桩；8、水下成桩船； 9、搅拌钻杆(或砂桩套管)；10、搅拌翼(或沉桩振动锤)；11、送料仓。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作更进一步的说明。

如图1-3所示，本实用新型的一种满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，包括混凝土过渡段1、复合筒型基础3和混凝土圆形底板 2，混凝土过渡段1为内部空腔结构，壁厚可自由选定，不宜小于0.5m，混凝土内布置钢筋增强其抗拉强度，上部开口直径可根据塔筒直径调整，使混凝土过渡段1能与塔筒对接；混凝土过渡段1下端设有复合筒型基础3，混凝土过渡段1和复合筒型基础3之间设有混凝土圆形底板2。本实施例中，混凝土过渡段1和混凝土圆形底板2采用分体浇筑，混凝土圆形底板2内预埋剪力栓钉，混凝土过渡段1、混凝土圆形底板2和复合筒型基础3的筒顶盖31通过剪力栓钉连接成整体。混凝土圆形底板2的直径与筒型基础3的直径相等，厚度根据筒型基础的直径和机组载荷来确定。

复合筒型基础3包括筒壁32、分仓板33和筒顶盖31，筒壁32 与筒顶盖31围合成一个上端封闭、下端开口的筒型空腔，分仓板33 设置在筒型空腔内，将筒型空腔沿轴线分割成多个分仓腔；每个分仓腔内均设有筒内长桩4和筒内短桩5，空腔结构外设有筒外长桩6和筒外短桩7。

分仓板33和筒壁32采用坡口焊缝或浇筑形式连接，筒壁32内侧和分仓板33单侧均等距布置加劲肋34，以防止钢板屈曲，布置间距为0.5m～1.0m，加劲肋34长度与筒壁32高度一致。筒壁32、分仓板33、筒顶盖31和加劲肋34均为薄壁件，分仓腔可采用正多边形形式。

本实施例中，筒内长桩4、筒内短桩5、筒外长桩6和筒外短桩 7均采用双轴或多轴水泥搅拌桩型，或采用挤密砂桩。筒内长桩4和筒外长桩6穿透软弱地质层到达土层；若软弱地质层较厚，桩长未穿透软弱地质层且承载力满足要求时，桩底“悬浮”于软弱层中，悬浮桩长不超过25m。

本实施例中，筒内短桩5布置于同一分仓腔内的筒内长桩4之间，筒外短桩7布置于筒外长桩6的外周；筒内短桩5和筒外短桩7的桩底与复合筒型基础3的筒底齐平。

本实施例中，筒内长桩4、筒外长桩6、筒内短桩5和筒外短桩 7的桩顶与筒顶保留0～2.0m的距离，桩间距大于桩径布置；筒内长桩4与筒壁32和分仓板33的间距为0.2m～2.0m，筒外长桩6与筒壁32的间距为0.2m～2.0m。

一种满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础的施工方法，包括如下步骤：

a、在陆上基地预制混凝土过渡段1、混凝土圆形底板2、复合筒型基础3，并将混凝土过渡段1、混凝土圆形底板2、复合筒型基础3 通过剪力栓钉连接成整体；

b、复合筒型基础3陆上制作的过程中，使用水下成桩船8到风机位进行成桩作业，为不影响筒型基础下沉，布桩点需要通过GPS精准定位，给筒壁32与分仓板33预留下沉通道，相邻桩位距离筒壁 32和分仓板33净距均为0.2m～2.0m，其余桩在分仓范围内按设计桩间距成桩；

c、待长桩和短桩(筒内长桩4、筒内短桩5、筒外长桩6和筒外短桩7)安装完成并达到强度后，将复合筒型基础3运输至指定风机位，利用GPS定位，调整复合筒型基础3位置和角度，使筒壁32和分仓板33在步骤b预留的相邻围桩间的通道进行负压下沉，通过调平完成复合筒型基础3安装。

针对某风电场某机位采用吸力筒—水泥搅拌桩复合基础，如图2 所示。该机位浅层为18.3m厚的淤泥质粉质粘土，淤泥质粉质粘土以下为稍密-中密的粉砂层，将该层粉砂层作为水泥桩持力层，则该机位的水泥桩桩长为20.0m。

根据长短桩的布置规则，筒内长桩4和筒内短桩5布置于筒下七个分仓内，每个分仓内成桩顺序采用先沿筒壁32内侧一圈筒内长桩 4，形成一圈围桩，再在筒内长桩4间进行定点成桩，安装相应的筒内短桩5；筒外长桩6和筒外短桩7位于复合筒型基础3外周，安装时先沿筒壁32外侧安装一圈筒外长桩6，再在筒外长桩6外侧进行定点成桩，安装相应的筒外短桩7；成桩时需要使用GPS精准定位，误差不大于0.3m。

为减少桩数，降低工作量，水泥搅拌桩采用双轴或四轴搅拌桩等多轴桩式，桩之间相互交错。

水泥桩成桩步骤为：桩位放样→水下成桩船8就位→检验、调整钻机→搅拌钻杆9正循环钻进至设计深度→搅拌钻杆9反循环提升并喷水泥浆→至泥面以下0.3m→重复搅拌下钻至设计深度→反循环提钻并喷水泥浆至泥面以下0.3m→成桩结束。

成桩完成后养护不少于28天，需进行静力触探和钻孔取芯检测水泥长、短桩(筒内长桩4、筒内短桩5、筒外长桩6和筒外短桩7) 的强度。

水泥长、短桩的成桩和养护时期，同时在陆上制作组装复合筒型基础3，桩强度达到要求后，将复合筒型基础3运输至指定机位，通过GPS定位，调整复合筒型基础3方向，使筒壁32和分仓板33避开灌入水泥桩的区域，依靠自重下沉入泥一段深度，配以负压下沉的技术手段使复合筒型基础3下沉至筒顶盖31与泥面齐平接触，施工完毕。

结构性对比：若仅采用吸力筒，筒型基础的直径需44.0m，入土深度需10.0m，基础总重量6200.0吨，该尺寸下基础在极限荷载组合作用下结构应力水平在规范规定的范围内，基础倾斜率(差异沉降) 为5.99‰，在规范规定的8.7‰以内，经计算得基础的竖向承载力安全系数为5.32，抗滑安全系数为6.31，抗倾覆安全系数为1.71，承载力满足规范要求。而采用吸力筒—满铺长短水泥桩复合基础，先期打入的双轴搅拌桩等效为双轴搅拌桩等效为直径D＝1.778m的圆形桩体，实际桩簇面积A_p＝2.483m³，实际周长u_p＝6.36m，面积置换率m＝15％。经计算，单根水泥桩的竖向承载力特征值R_a＝856kN，水泥桩体压缩模了E_p＝50MPa，根据规范所述复合地基的承载力及变形计算方法，打入水泥桩后该机位水泥影响区的压缩模量E＝15％×50+85％× 1.04＝8.38MPa，经计算，该工况下吸力筒的直径仅需36.0m，入土深度需10.0m，基础总重量3600.0吨，该类型基础在极限荷载组合作用下结构应力水平在规范规定的范围内，基础倾斜率(差异沉降)为 6.02‰，在规范规定的8.7‰以内，经计算得该复合基础的竖向承载力安全系数为4.23，抗滑安全系数为6.24，抗倾覆安全系数为1.60，承载力满足规范要求。

经济性分析：若仅采用吸力式筒型基础，44m直径的筒型基础的制造成本为1200万，由于基础过重直径过大，已有安装船不能满足施工要求，因此不可采用基础-塔筒-风机机头一体化一步式安装，需要特大型海上浮吊进行安装，安装时需将筒型基础安装到位，再将塔筒和风机机头进行海上吊装，总安装费为1300万，因此仅采用吸力式筒型基础时该机位的总成本为2500万。而采用吸力筒—满铺长短桩复合基础时，吸力式筒型基础直径从44米减小到36米，吸力式筒型基础制造成本为1000万。基础重量和直径减小，可采用已有安装船进行一体化一步式安装，不需要特大型海上浮吊，安装费用为100 万，而满铺长短桩的成桩费用经计算为300万，因此采用吸力筒—满铺长短桩复合基础时该机位的总成本为1400万，相较于目前最经济的吸力式筒型基础单台风机整机制造和安装费用可减少1100万(节约44.0％)。除此之外，由于采用吸力筒—满铺长短桩复合基础可实现一体化一步式安装，减少海上吊装时间，亦可减少部分工期成本。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要结构特征。本实用新型不受上述实例的限制，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，其特征在于：包括混凝土过渡段和设置在混凝土过渡段下端的复合筒型基础，以及设置在混凝土过渡段和复合筒型基础之间的混凝土圆形底板；所述复合筒型基础包括筒壁、分仓板和筒顶盖，所述筒壁与筒顶盖围合成一个上端封闭、下端开口的筒型空腔，所述分仓板设置在筒型空腔内，将筒型空腔沿轴线分割成多个分仓腔；每个所述分仓腔内均设有筒内长桩和筒内短桩，所述筒型空腔外设有筒外长桩和筒外短桩。

2.根据权利要求1所述的满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，其特征在于：所述混凝土过渡段和混凝土圆形底板采用分体浇筑，所述混凝土圆形底板内预埋剪力栓钉，所述混凝土过渡段、混凝土圆形底板和复合筒型基础通过剪力栓钉连接成整体。

3.根据权利要求1所述的满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，其特征在于：所述混凝土过渡段为内部空腔结构，壁厚不小于0.5m，混凝土内布置钢筋增强其抗拉强度，上部与塔筒对接。

4.根据权利要求1所述的满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，其特征在于：所述混凝土圆形底板的直径与筒型基础的直径相等。

5.根据权利要求1所述的满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，其特征在于：所述分仓板和筒壁采用坡口焊缝或浇筑形式连接，所述筒壁内侧和分仓板单侧均等距布置加劲肋，布置间距为0.5m～1.0m，加劲肋长度与筒壁高度一致。

6.根据权利要求1所述的满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，其特征在于：所述筒内长桩、筒内短桩、筒外长桩和筒外短桩均采用双轴或多轴水泥搅拌桩型，或采用挤密砂桩。

7.根据权利要求1所述的满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，其特征在于：所述筒内长桩和筒外长桩穿透软弱地质层到达土层；若软弱地质层较厚，桩长未穿透软弱地质层且承载力满足要求时，桩底“悬浮”于软弱层中，悬浮桩长不超过25m。

8.根据权利要求1所述的满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，其特征在于：所述筒内短桩布置于同一分仓腔内的筒内长桩之间，所述筒外短桩布置于筒外长桩的外周；所述筒内短桩和筒外短桩的桩底与筒型基础的筒底齐平。

9.根据权利要求1所述的满铺长短桩复合地基-筒海上风电基础，其特征在于：所述筒内长桩、筒外长桩、筒内短桩和筒外短桩的桩顶与筒顶保留0～2.0m的距离，桩间距大于桩径布置；所述筒内长桩与筒壁和分仓板的间距为0.2m～2.0m，筒外长桩与筒壁的间距为0.2m～2.0m。

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