JP3242212U - 海上風力発電単杭基礎の延命服役装置 - Google Patents

Abstract

【課題】海上風力発電ユニット基礎の分野における、海上風力発電単杭基礎の延命服役装置を提供する。【解決手段】海上風力発電単杭基礎の延命服役装置は、第１の杭スリーブ２１及び第２の杭スリーブ２２を備える杭スリーブ構造２を備え、第１の杭スリーブは単杭基礎１の外周に嵌設するのに適し、杭スリーブ構造は単杭基礎と固定的に接続され、第２の杭スリーブは海底内に伸張するのに適し、杭スリーブ構造の自重により、杭スリーブ構造が部分的に海底内に沈み込み、杭スリーブ構造は、単杭基礎の受けた荷重を部分的に分担する。新たな大容量風力発電ユニットを交換した後、従来の単杭基礎が新たな風力発電ユニットを支持できないという欠陥を克服する。【選択図】図１

Description

本考案は、海上風力発電ユニット基礎の分野に関し、具体的には、海上風力発電単杭基礎の延命服役装置に関する。

海上風力発電は極めて重要なクリーンエネルギーとして、国家エネルギー転換の重要な戦略支持である。海上風力発電機はユニット、タワー及びユニット基礎で構成され、海上風力発電ユニット基礎は海上風力発電所設計、建設及び運営メンテナンスのキーリンクの１つである。現在、単杭基礎は国内外海上風力発電所で最も一般的に使用される基礎パターンであり、統計によると、単杭基礎の既設海上風力発電所における占有率は８０％に近い。風力発電機の運転中に、単杭基礎は風力発電機荷重、波荷重、水流荷重、海氷荷重、地震作用等の結合を受けて循環荷重を形成し、長期循環荷重の作用で、単杭基礎の周囲の海洋土が循環弱化を発生し、単杭基礎の耐荷力が徐々に低下し、さらに耐用年数が短くなるという問題がある。

国内海上風力発電所設計の耐用年数は２５年であり、主にファンユニットの耐用年数に依存する。ファンユニットに対し、ユニット基礎は５０年に１回の組み合わせ作業状況に応じて構造設計を行う。２００９年に国内の第一座海上風力発電所が構築されたこと、及び近年の国内海上風力発電の飛躍的な発展により、ファンユニットは徐々に耐用年数に達し、ファンの退役は業界が直面する重要な問題となる。

現在、国内外で風力発電単杭基礎を延長する延命服役技術に対する研究が少なく、ファンが耐用年数に達した後、従来の単杭基礎を採用し、新たなより大容量のファンユニットを交換する総コストは、風力発電所全体を取り外すコストより遥かに低く、新たな大容量のファンユニットを交換した後、従来の単杭基礎の耐荷力が新たな風力発電機ユニットを支持できないという問題が発生しやすい。

したがって、本考案が解決しようとする技術的問題は従来技術における新たな大容量ファンユニットを交換した後、従来の単杭基礎の耐荷力が新たな風力発電ユニットを支持できないという欠陥を克服し、それにより海上風力発電単杭基礎の延命服役装置を提供することである。

上記問題を解決するために、本考案により提供される海上風力発電単杭基礎の延命服役装置は、
第１の杭スリーブ及び第２の杭スリーブを備える杭スリーブ構造を備え、前記第１の杭スリーブは単杭基礎の外周に嵌設するのに適し、前記杭スリーブ構造は単杭基礎と固定的に接続され、前記第２の杭スリーブは海底内に伸張するのに適し、前記杭スリーブ構造の自重により、前記杭スリーブ構造が部分的に海底内に沈み込み、前記杭スリーブ構造は、単杭基礎の受けた荷重を部分的に分担する。

好ましくは、前記第１の杭スリーブ、第２の杭スリーブ及び単杭基礎は同軸心に設けられる。

好ましくは、前記第２の杭スリーブの外周壁と海底との間は垂直又は鋭角に設けられる。

好ましくは、前記第２の杭スリーブの外周壁には、等間隔に設けられた複数本の沈下補助杭が設けられる。

好ましくは、前記沈下補助杭の長さは第２の杭スリーブの長さ以上である。

好ましくは、前記第２の杭スリーブの内壁には、単杭基礎に向けて設けられた複数のＴ字型リブが固定的に設けられる。

好ましくは、前記第１の杭スリーブにスポイラーが設けられる。

好ましくは、前記第２の杭スリーブの外壁には、等間隔に設けられた複数の安定翼が設けられる。

好ましくは、前記第１の杭スリーブの内径は単杭基礎の外径より大きく、前記第２の杭スリーブの外径は単杭直径の１．１倍以上である。

好ましくは、前記第１の杭スリーブの内壁と、単杭基礎の外壁及び海底平面との間にキャビティが形成され、前記キャビティ内にグラウト材料が充填される。

本考案の技術案は以下の利点を有する。

１．本考案により提供される海上風力発電単杭基礎の延命服役装置は、第１の杭スリーブ及び第２の杭スリーブが設けられている杭スリーブ構造を備え、第１の杭スリーブは単杭基礎の外周に嵌設するのに適し、杭スリーブ構造は単杭基礎と固定的に接続され、第２の杭スリーブは海底内に伸張するのに適し、杭スリーブ構造の自重により、杭スリーブ構造が部分的に海底内に沈み込み、杭スリーブ構造は、単杭基礎の受けた荷重を低減するために、単杭基礎の受けた荷重を部分的に分担し、それと共に、杭スリーブ構造は単杭基礎の外周が弱化しない土体の水平抗力を調整し、第１の杭スリーブは受けた荷重を第２の杭スリーブに伝達し、第２の杭スリーブにより単杭基礎の部分の受けた荷重を担持することにより、単杭基礎の耐荷力を向上させ、単杭基礎の耐用年数を延長し、その上部により大容量の風力発電ユニットを交換することができる。

２．本考案により提供される海上風力発電単杭基礎の延命服役装置は、第１の杭スリーブ、第２の杭スリーブ及び単杭基礎が同軸心に設けられ、それにより、単杭基礎の受けた荷重が第１の杭スリーブ及び第２の杭スリーブに均一に分布している。

３．本考案により提供される海上風力発電単杭基礎の延命服役装置は、第２の杭スリーブの外周壁と海底との間は垂直又は鋭角に設けられ、それにより、第２の杭スリーブが海底内に円滑に進入することができる。

４．本考案により提供される海上風力発電単杭基礎の延命服役装置は、第２の杭スリーブの外周壁には、等間隔に設けられた複数本の沈下補助杭が設けられ、沈下補助杭は杭スリーブ構造の重量を増加させ、沈下補助杭は杭スリーブ構造の自重により、海底表層以下の一定の深さに沈み込み、負圧沈下方式により杭スリーブ構造全体を単杭周りに海底にアンカー固定し、施工が簡単であり、プロセスが成熟する等の利点を有する。また、沈下補助杭は杭スリーブ装置の幾何学的構造を変更し、杭スリーブ構外周の土アーチ効果を周囲の滑らかな杭スリーブ構造自体より顕著に強くようにする。

５．本考案により提供される海上風力発電単杭基礎の延命服役装置は、沈下補助杭の長さが第２の杭スリーブの長さ以上であり、それにより、延命構造と海底の接触面積を拡大する。

６．本考案により提供される海上風力発電単杭基礎の延命服役装置は、第２の杭スリーブの内壁には、単杭基礎に向けて設けられた複数のＴ字型リブが固定的に設けられ、Ｔ字型リブが、沈下中に杭スリーブが単杭と同軸になることを確保する。

７．本考案により提供される海上風力発電単杭基礎の延命服役装置は、第１の杭スリーブにスポイラーが設けられ、それにより、水流による洗いの影響をより弱める。

８．本考案により提供される海上風力発電単杭基礎の延命服役装置は、第２の杭スリーブの外壁には、等間隔に設けられた複数の安定翼が設けられ、それにより、第２の杭スリーブの担持力を向上させる。

９．本考案により提供される海上風力発電単杭基礎の延命服役装置は、第１の杭スリーブの内径が単杭基礎の外径より大きく、第２の杭スリーブの外径が単杭直径の１．１倍以上であり、それにより、単杭の荷重により最大杭体直径（即ち、杭体直径の０．１倍）による杭周辺の海洋土サイクル弱化を効果的に回避し、サイクル弱化の影響度が小さい外側杭周土体の水平抗力を十分に調整し、杭周辺の海洋土弱化が単杭基礎に与えた影響を最大限に解消し、杭基礎耐荷力を安定化させる。

１０．本考案により提供される海上風力発電単杭基礎の延命服役装置は、第１の杭スリーブの内壁と、単杭基礎の外壁及び海底平面との間にキャビティが形成され、キャビティ内にグラウト材料が充填され、それにより、第１の杭スリーブと単杭基礎、海底との間の固定的な接続を実現する。

本考案の具体的な実施形態又は従来技術における技術案をより明確に説明するために、以下に具体的な実施形態又は従来技術の記述に利用する必要がある図面を簡単に紹介するが、明らかに、以下に記載する図面は本考案のいくつかの実施形態にすぎず、当業者であれば、創造的な労力を要することなく、これらの図面に基づいて他の図面を得ることができる。
本考案の実施形態により提供される杭スリーブ構造と単杭基礎との接続の正面図である。 本考案の実施形態により提供される杭スリーブ構造と単杭基礎との接続の正面図である。 本考案の実施形態により提供される杭スリーブ構造と単杭基礎との接続の正面図である。 本考案の実施形態により提供されるグラウト材料、コンクリート及び杭スリーブ構造と単杭基礎との接続の正面図である。 本考案の実施形態により提供されるＡ－Ａ方向の沈下補助杭が矩形である断面図である。 本考案の実施形態により提供されるＡ－Ａ方向の沈下補助杭が円形である断面図である。 本考案の実施形態により提供されるＡ－Ａ方向の沈下補助杭が三角形である断面図である。 本考案の実施形態により提供されるＡ－Ａ方向の沈下補助杭が円形である断面図である。

以下、図面を参照し、本考案の技術案を明確で完全に説明し、明らかに、説明された実施例は、全ての実施例ではなく、本考案の実施例の一部にすぎない。本考案における実施例に基づき、当業者が創造な労働をしない前提で得た全ての他の実施例は、本考案の保護範囲に属する。

本考案の説明において、なお、用語「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「垂直」、「水平」、「内」、「外」等で示される方位又は位置関係は、図面に示す方位又は位置関係に基づくものであり、単に本考案を説明し、説明を簡略化するためのものであり、言及される装置又は素子が特定の方位を持たなければならず、特定の方位で構築及び操作されなければならないように示したり暗示したりするのではなく、したがって本考案の限定として理解することができない。さらに、「第１」、「第２」及び「第３」という用語は、説明の目的でのみ使用され、相対的な重要性を示したり暗示したりすると理解することができない。

本考案の説明において、なお、特に明記及び限定されない限り、用語「取り付け」、「連結」及び「接続」は、広い意味で理解されるべきであり、例えば、固定接続であってもよく、取り外し可能な接続又は一体接続であってもよく、機械的接続であってもよく、又は電気的接続であってもよく、直接連結であってもよく、仲介者を介して間接的に連結されてもよく、２つの素子内部の連通であってもよい。当業者にとって、本考案における上記の用語の特定の意味は、特定の状況に応じて理解することができる。

また、以下に説明する本考案の異なる実施形態に係る技術的特徴は、相互に矛盾しない限り、相互に組み合わせることができる。

図１～図８に示す海上風力発電単杭基礎の延命服役装置の具体的な一実施形態は、単杭基礎１の外周に嵌設された杭スリーブ構造２を備え、且つ単杭基礎１と杭スリーブ構造２との間の隙間内にグラウト材料４が充填される。

図１、図２、図３及び図４に示すように、杭スリーブ構造２は第１の杭スリーブ２１及び第２の杭スリーブ２２を含み、ここで、第１の杭スリーブ２１、第２の杭スリーブ２２及び単杭基礎１は同軸心に設けられ、且つ第１の杭スリーブ２１と第２の杭スリーブ２２とは一体成形され、そのうち、第２の杭スリーブ２２の底端の直径は先端の直径より大きく、それにより、単杭基礎１の外壁と第２の杭スリーブ２２の内壁との間の間隔が小さすぎることによる重沈下による単杭基礎１及び杭スリーブ構造２に顕著な土塞効果が発生する問題を回避し、沈下抵抗を低減させる。図１、図２、図４に示すように、第２の杭スリーブ２２と海底との接触面積を拡大することを容易にするために、第２の杭スリーブ２２は海底に斜めに挿入され、すなわち、第２の杭スリーブ２２の外周面と海底との間は鋭角に設けられ、第２の杭スリーブ２２の第１の杭スリーブ２１から離れる方向の外径は、第２の杭スリーブ２２と第１の杭スリーブ２１との接続箇所の外径より大きく、第２の杭スリーブ２２の長さは、単杭基礎１の直径と同じである。杭スリーブ構造２の全体重量を増加させるために、図１～図５に示すように、第２の杭スリーブ２２の外周壁に４本の沈下補助杭２３が設けられ、隣接する沈下補助杭２３の間は等間隔に設けられ、沈下補助杭２３の断面は円形であり、直径は２ｍであり、且つ沈下補助杭２３の軸線と第１の杭スリーブ２１の外郭線とが平行している。沈下補助杭２３が海底内に挿入しやすくするために、沈下補助杭２３の長さは第２の杭スリーブ２２の長さより大きい。単杭基礎１をさらに揺動させることを回避するために、第２の杭スリーブ２２の内壁には、単杭基礎１に向けて設けられた複数のＴ字型リブ２４が固定的に設けられ、Ｔ字型リブ２４はさらに、沈下中に第２の杭スリーブ２２が単杭基礎１と同軸になることを確保できる。水流の干渉を解消するために、第１の杭スリーブ２１にスポイラー３が設けられる。第２の杭スリーブ２２を安定化させるために、図５に示すように、第２の杭スリーブ２２の外壁に安定翼２５が設けられ、安定翼２５は、隣接する沈下補助杭２３の間に等間隔に設けられ、すなわち、隣接する沈下補助杭２３の間に１つの安定翼２５が設けられ、また、安定翼２５の幅は沈下補助杭２３の幅より大きく、且つ安定翼２５の長さは第１の杭スリーブ２１の長さに等しい。

図１、図２、図３及び図４に示すように、第２の杭スリーブ２２の外径は単杭１の直径の１．１倍以上であり、好ましくは第２の杭スリーブ２２の外径が１．２倍の単杭基礎１の直径に等しく、それにより単杭基礎１の荷重作用で最大の杭体変形（すなわち、０．１倍の杭体直径）による単杭基礎１の杭周辺の海洋土サイクル弱化を回避し、それにより、サイクル弱化の影響の少ない外側杭周土体の水平抗力を十分に調整し、また、第２の杭スリーブ２２の底端の直径は先端の直径より大きく、それにより、単杭基礎１の外壁と第２の杭スリーブ２２の内壁との間の間隔が小さすぎて沈下プロセスにおいて単杭基礎１及び杭スリーブ構造２に顕著な土塞効果が発生する問題を回避し、沈下抵抗を大きくする。

海上風力発電単杭基礎の延命服役装置の施工方法は、以下のステップ１～６を含み、
１）海上風力発電の単杭基礎１のデジタル双生モデルを確立し、単杭基礎１の耐荷力減衰程度、単杭基礎１構造の疲労損傷程度及び杭周辺の海洋土サイクル弱化程度及び弱化範囲を分析し、採用しようとする大容量ユニットと延命時間に基づき、単杭基礎１の延命に必要な余分な耐荷力を計算し、最後に計算結果に基づいて延命構造の形式及び寸法設計を行い、同時に単杭周辺に既存のフラッシング防止構造の延命構造の沈下プロセスに対する影響を評価する。
２）単杭基礎１の上部の技術改造予定のファンと塔筒を徐々に取り外す。
３）負圧ローディング装置を沈下補助杭２３のトップカバーに取り付ける。
４）負圧ローディング装置の取り付けが完了した後、クレーン船を利用して杭スリーブ構造２を垂直に吊り上げ、且つ杭スリーブ構造２を単杭基礎１の直上に移動させ、杭スリーブ構造２の中心軸線と単杭基礎１の中心軸線とをほぼ共線になるようにし、続いて杭スリーブ構造２を海底泥面に徐々に下ろし、杭スリーブ構造２は自重により沈下補助杭２３を海底泥面以下の一定の深さに沈み込ませる。
５）負圧ローディング装置を起動し、沈下補助杭２３は負圧作用で杭スリーブ構造２を駆動して海底に徐々に嵌め込み、沈下補助杭２３が設計標高まで沈下すると、負圧ローディング装置を取り外す。
６）第１の杭スリーブ２１の内壁、単杭基礎１の外壁と海底面との間のキャビティにグラウト材料４を充填し、杭スリーブ構造２を単杭基礎１に接続させる。

なお、本施工方法は単杭基礎の杭周にフラッシングピットが存在する場合に適用し、ステップ１）～５）が同じであるが、ステップ６）は、杭スリーブ構造２の外部フラッシングピット内にブロック石を充填し、杭スリーブ構造２の内部フラッシングピットにコンクリート６を海底泥面まで充填し、沈下補助杭２３の内部にグラウト材料４を充填し、杭スリーブ構造２と単杭基礎１との間のキャビティにグラウト材料４を充填し続け、第２の杭スリーブ２２と単杭基礎１の頂部隙間から第２の杭スリーブ２２の外壁に沿ってグラウト材料４をブロック石に注入してセメントブロック石５の防護構造を形成するまで停止する。

本願により提供される海上風力発電単杭基礎の延命服役装置において、単杭基礎１は受けた一部の荷重（風力発電荷重、水流荷重、波荷重、海氷荷重等）を杭スリーブ構造２に伝達し、杭スリーブ構造２は外側に明らかな弱化が発生しない土体の水平抗力を調整し、沈下補助杭２３は杭内負圧及び杭周土体抗力を利用し、単杭基礎１の水平担持能力を共に提供し、また、沈下補助杭２３は杭スリーブ構造２の幾何学的外形を変更し、杭スリーブ構造２の外側の土アーチ効果を周囲の滑らかな杭スリーブ構造２自体より顕著に強くようにする。

代替的な実施形態として、沈下補助杭２３の断面形状は三角形、矩形等の他の形状であってもよい。

代替的な実施形態として、沈下補助杭２３の数は３本、５本、６本又はそれ以上であってもよい。

代替的な実施形態として、沈下補助杭２３の直径は１ｍ、１．５ｍ、２．５ｍ、３ｍ、４ｍ等の他のサイズであってもよい。

代替的な実施形態として、第２の杭スリーブ２２の長さと単杭基礎１の直径との比例関係はさらに０．５倍、１．５倍、２倍であってもよい。

代替的な実施形態として、沈下補助杭２３の長さは第２の杭スリーブ２２の長さに等しくてもよい。

代替的な実施形態として、安定翼２５の幅は沈下補助杭２３の幅に等しくてもよい。

明らかに、上記実施例は単に明確に説明するための例示であり、実施形態を限定するものではない。当業者であれば、上記説明に基づいて他の異なる形態の変化又は変動を行うことができる。ここでは全ての実施形態を網羅する必要がなく、網羅することもできない。これらから導き出される明らかな変化又は変動は依然として本考案創造の保護範囲にある。

１ 単杭基礎
２ 杭スリーブ構造
２１ 第１の杭スリーブ
２２ 第２の杭スリーブ
２３ 沈下補助杭
２４ Ｔ字型リブ
２５ 安定翼
３ スポイラー
４ グラウト材料
５ セメントブロック石
６ コンクリート

Claims (10)

1. 第１の杭スリーブ（２１）及び第２の杭スリーブ（２２）を備える杭スリーブ構造（２）を備え、前記第１の杭スリーブ（２１）は単杭基礎（１）の外周に嵌設するのに適し、前記杭スリーブ構造（２）は単杭基礎（１）と固定的に接続され、前記第２の杭スリーブ（２２）は海底内に伸張するのに適し、前記杭スリーブ構造（２）の自重により、前記杭スリーブ構造（２）が部分的に海底内に沈み込み、前記杭スリーブ構造（２）は、単杭基礎（１）の受けた荷重を部分的に分担することを特徴とする海上風力発電単杭基礎の延命服役装置。
2. 前記第１の杭スリーブ（２１）、第２の杭スリーブ（２２）及び単杭基礎（１）は同軸心に設けられることを特徴とする請求項１に記載の海上風力発電単杭基礎の延命服役装置。
3. 前記第２の杭スリーブ（２２）の外周壁と海底との間は垂直又は鋭角に設けられることを特徴とする請求項１に記載の海上風力発電単杭基礎の延命服役装置。
4. 前記第２の杭スリーブ（２２）の外周壁には、等間隔に設けられた複数本の沈下補助杭（２３）が設けられることを特徴とする請求項３に記載の海上風力発電単杭基礎の延命服役装置。
5. 前記沈下補助杭（２３）の長さは第２の杭スリーブ（２２）の長さ以上であることを特徴とする請求項４に記載の海上風力発電単杭基礎の延命服役装置。
6. 前記第２の杭スリーブ（２２）の内壁には、単杭基礎（１）に向けて設けられた複数のＴ字型リブ（２４）が固定的に設けられる、ことを特徴とする請求項４に記載の海上風力発電単杭基礎の延命服役装置。
7. 前記第１の杭スリーブ（２１）にスポイラー（３）が設けられることを特徴とする請求項６に記載の海上風力発電単杭基礎の延命服役装置。
8. 前記第２の杭スリーブ（２２）の外壁には、等間隔に設けられた複数の安定翼（２５）が設けられることを特徴とする請求項７に記載の海上風力発電単杭基礎の延命服役装置。
9. 前記第１の杭スリーブ（２１）の内径は単杭基礎（１）の外径より大きく、前記第２の杭スリーブ（２２）の外径は単杭直径の１．１倍以上であることを特徴とする請求項８に記載の海上風力発電単杭基礎の延命服役装置。
10. 前記第１の杭スリーブ（２１）の内壁と、単杭基礎（１）の外壁及び海底平面との間にキャビティが形成され、前記キャビティ内にグラウト材料（４）が充填されることを特徴とする請求項９に記載の海上風力発電単杭基礎の延命服役装置。

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