TW202219354A - 用於結構之基座及安裝其之方法 - Google Patents

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詹斯 夏普
詹 佩德森
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丹麥商沃旭能源公司
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Abstract

一種用於結構(7)的基座(1)，包括具有側表面(11)和用於插入土壤(2)的遠端(10)的主體(8)，該側表面(11)的至少一個區域形成第一電極，一個或多個第二電極(9)設置在該主體(8)上並且與該側表面(11)齊平或凸出於該側表面(11)，每個第二電極(9)圍繞該側表面(11)橫向延伸並且透過設置在對應的該第二電極和該側表面之間的絕緣條(12)與其電絕緣。在安裝過程中，可在該電極之間施加電壓以引發電滲透效應以降低安裝電阻。

Description

用於結構之基座及安裝其之方法
本發明係關於一種用於結構之基座(foundation)及安裝其之方法及系統。特別地，本發明係關於可插入土壤中以支撐例如建築物、壁(wall)、板樁壁(sheet pile wall)、離岸結構(offshore structure)及風力渦輪機等結構的結構基座，例如樁(pile)、管樁(tubular pile)、末端封閉樁(closed ended pile)、單樁(monopile)、桶基座(bucket foundation)、吸力桶基座(suction bucket foundation)、吸力樁基座(suction pile foundation)、吸力沉箱基座(suction caisson foundation)、吸力錨(suction anchor)、板樁(sheet pile)、基礎錐體(spudcan)、淺基座或重力基礎基座(shallow or gravity base foundation)、以及其他類型的臨時和永久性淺層或深層基座(temporary and permanent shallow or deep foundation)。本發明的基座最適合通常具有高黏土或淤泥含量的低液壓滲透性(low hydraulic permeability)的土壤，如通常與離岸、深海和沿海位置有關的土壤。
結構基座的安裝通常是使用打樁錘(pile hammer)施加一系列軸向衝擊(a series of axial impacts)，以將基座向下推入土壤中而將基座推入地面。當基座被推動時，土壤被基樁移位，從而壓縮周圍的土壤並增加沿基座主體的軸向 摩擦力。這從而增加了基座的軸向承載能力。然而，由於在驅動基座穿過土壤時要克服的剪力(shear forces)非常高，因此出現了幾個問題。首先，打樁所需的高衝擊力對基座本身有顯著的機械要求，以避免基座在安裝過程中發生破壞。此外，衝擊產生的噪音可能非常地高。在離岸安裝的情況下，這對海洋生物造成特別重大的環境隱患。
在這方面，用於離岸結構的基座的安裝可對海洋野生動物造成有害的物理和行為影響。近年來，已作出重大努力來減輕此安裝過程中產生的噪音。例如，通常需要氣泡簾(bubble curtain)或樁中樁(pile-in-pile)系統來降低從打樁位置發出的噪音水平。然而，使用這種噪音減輕措施為離岸結構的安裝增加了相當大的費用。此外，這對較大的基座來說是一個特別的問題，其中，增加的尺寸會使目前的噪音緩解方案變得不足。
為了解決上述問題，已經研究使用電滲透(electro-osmosis)透過將土壤中的水吸引至用作陰極的基座主體來降低離岸安裝中的打樁阻力。在基座主體與周圍土壤之間的界面處的孔隙水(pore water)壓力增加，降低了有效應力，從而降低了土壤顆粒與基座表面之間的摩擦力。這透過降低將基座推入地下所需的剪切阻力(shear resistance)來起到潤滑作用。這反過來允許使用較少次數的衝擊/錘擊能量或甚至僅使用壓載(ballasting)而無需錘擊來實現安裝。這可因此促進更快的安裝和更少的噪音干擾。
US 4,157,287揭露一種這樣使用電滲透的打樁系統。在US 4,157,287中，導電管狀樁在其外側表面上設置有電絕緣塗層，並且其內側表面被暴露出來以形成陰極。然後將一個或多個陽極放置在與樁相鄰的海床上，並施加直流電，使水通過土壤從樁的外部向下遷移至其底部開口端的陰極內部。然 而，這種設置有幾個問題。第一，US 4,157,287的系統要求將陽極安裝在與樁相鄰的海床上。這大大增加了設置時間和安裝費用。第二，為了產生足夠的場強以實現電滲透效應，由於電極之間的距離很長，因此需要非常高的電壓，這本身就是危險的。第三，由於高電壓，為避免短路，樁的整個外部的電絕緣的完整性是至關重要的。這使得用於該系統的此類樁的製造更加昂貴並且對缺陷的容忍度更低。實際上，這意味著該技術在商業上風險太大而無法依賴；如果塗層在安裝過程中失效，位置仍需要氣泡簾和更大的錘子作為應急措施。因此，任何潛在的成本節約都是無效的。
面對這些問題，申請人自己在該領域的發展產生WO2018/115176中所揭露的發明。在該發明中，陽極被提供為固定至基座主體的條帶，當安裝基座時，凹槽或突出部被用作間隔結構以在陽極表面和土壤之間形成間隙。使用上，主體作為陰極，並且由於兩個電極都有效地集成至基座本身中，這避免了在海床中提供和安裝單獨反電極(separate counter-electrode)的需要。同時，儘管陽極周圍的土壤會脫水，間隔結構的作用是防止與脫水土壤黏附。
儘管WO2018/115176中所教導的概念已被證明是有效的，但其商業採用存在一些實質的挑戰。首先，間隔結構已證明實施上具有挑戰性。雖然一些實施例提出將陽極安置在凹槽中以提供與土壤的間隙，但在單極主體中加工出足夠深度的凹槽以產生必要的間距是相對昂貴的。其他實施例涉及使用驅動靴(driving shoe)作為附接至單樁主體的主側表面的間隔突出部。然而，此類突出部容易損壞，而測試已表明，在許多土壤條件下，突出部無法有效地使土壤從陽極充分分離。
本發明因此尋求解決現有技術的上述問題。
根據本發明的第一態樣，提供一種用於結構的基座，包括：主體，具有側表面和用於插入土壤的遠端，其中，該側表面的至少一區域形成第一電極；以及一個或多個第二電極，設置在該主體上並且與該側表面齊平或凸出該側表面，各第二電極圍繞該側表面橫向延伸並且透過設置在對應的該第二電極和該側表面之間的絕緣條與其電絕緣。
以此方式，本發明提供一種設置，其中基座組件本身包括第一電極和第二電極，從而避免了在海床中提供和安裝單獨的反電極(a separate counter-electrode)的需要。同時，由於第二電極提供一個圓周帶(circumferential band)，其與側表面齊平或凸出於側表面，可提供相對大的電極表面面積而不需要或只需對基座主體進行極少的修改。這與早期的解決方案形成對比，早期的解決方案需在主體中加工出深凹槽，或者使用隱藏在驅動靴突出部後面的較小的垂直電極。因此，本發明的實施例可直接且成本有效地實施。
在使用中，可在圍繞基座本身的土壤中的不同區域之間建立電位差(potential difference)，從而引起電滲透並因此影響通過土壤泵送水。同時，由於可在基座的不同區域之間建立電位差，電極之間的距離可相對較短，從而允許使用較低的電壓，同時仍然產生足夠強的電場來誘發電滲透流。在基座安裝過程中，其中，第二個電極是陽極且主體是陰極，周圍土壤中的水被吸引至主體，軟化土壤並在其側表面上形成潤滑膜(lubricating film)。這允許基座更容易地被驅動。儘管第二個電極周圍的脫水土壤的黏附會抵消這一點，淨利益是顯著整體降 低安裝阻力。此外，可提供沿主體軸向分佈的複數個電極，用於在主體的擴大區域上建立電滲透效應。
在實施例中，該一個或多個第二電極包括複數個作為帶片(band)橫跨該主體的第二電極。因此，每個第二電極可由連續的金屬片形成，然後將其包裹在主體的整個或部分或周邊周圍以符合側表面。這可由此簡化製造。
在實施例中，每個絕緣條被提供為橫跨該主體的帶片。這可簡化製造，因為每個絕緣條可例如由絕緣材料的窄片形成，如擠壓聚合物(extruded polymer)或纖維增強塑料片，然後將其黏合至側表面。或者，絕緣條可如透過將絕緣塗料直接塗在主體的側表面上而形成。在這種情況下，絕緣塗料還可提供用來固定第二電極的黏合劑。
在實施例中，每個絕緣條比其對應的第二電極寬。如此，第二電極上方和下方之絕緣條的暴露區域在電極之間的邊界處提供了絕緣緩衝(insulating buffer)，從而有助於調節彼此間的電場。也就是說，絕緣體的寬度的設計是用以限制電流密度。例如，這有助於保持安全溫度水平，否則可能會軟化黏合劑。
在實施例中，該主體是導電的，以作為該第一電極。以此方式，基座主體的粒狀材料(bulk material)可形成共用第一電極(common first electrode)。例如，主體得以0V電位接地，以最大限度地減少與主體接觸的安全問題。
在實施例中，該絕緣條設置在該主體的該側表面上，並且每個第二電極設置在其對應的絕緣條上。以此方式，絕緣條可直接敷設至主體，第二電極安裝在絕緣材料上。
在實施例中，該第二電極在該橫向平面中界定該基座的該外邊界。以此方式，第二電極可固定至標準基座的外表面，而無需額外定制基座主體。
在實施例中，基座進一步包括設置在該絕緣條和其對應的第二電極之間的該邊界處的楔形元件(wedge elements)，每個楔形元件從該絕緣條至對應的該第二電極徑向向外逐漸變細。以此方式，可保護第二電極的暴露邊緣，以防止在基座安裝過程中第二電極固定件(fixture)的脫層(delamination)。
在實施例中，該主體包括終止於該遠端的插入區域，該插入區域用於插入該土壤中，且該複數個第二電極沿該插入區域軸向分佈。
在實施例中，該複數個第二電極的一個或多個可獨立於一個或多個其他第二電極而可連接至該電源。因此，可選擇性地啟動第二電極以限制它們的操作，直到各該第二電極在土壤表面以下。在一些實施例中，複數個第二電極配置為在使用中具有不同的電位。例如，在中空基座的內部和外部上都提供電極的情況下，可調整電極電位以在表面之間提供不同程度的潤滑。桶式基座的內部和外部可予控制以解決塞式提升(plug lift)的問題。當吸力輔助安裝階段(suction assisted installation phase)的吸力夠高導致覆蓋砂層的黏土層在桶內被提升時，就會發生塞式提升。為了解決這個問題，可透過使用更高的電位來降低所需的吸力壓力來最大化桶外側的潤滑。同時，可將桶內部的潤滑設在較低的程度或甚至相反，使塞子與桶基座內部之間有足夠的摩擦力，防止塞子向上滑動。
在實施例中，每個絕緣條包括在其對應的第二電極的任一側軸向延伸的電阻性錐形區域，該電阻性錐形區域用於調節第一和第二電極之間的電場強度的空間分佈。
在實施例中，該基座進一步包括複數個流體端口，該複數個流體端口用於將流體供應至該複數個第二電極的一個或多個的該表面。以此方式，當第二電極在安裝期間用作陽極時，可將流體供應至第二電極以在泵送水至土壤中遠離電極時保持電解質導電性。當第二電極在穩定操作期間作為陰極時，流體也可從第二電極位置抽走並通過排氣管泵出別處，這可避免第二電極周圍的土壤過度軟化。較佳地，流體端口連接至流體管道系統以在流體端口和流體泵之間提供流體連通。較佳地，流體管道系統延伸至基座的近端。較佳地，流體管道系統包括用於防止短路的電絕緣孔。安裝後，流體端口和管道系統可用灰漿(grout)或樹脂密封，以防止水在基座承受週期性負載(cyclic loading)時被吸入此區域。此外，在實施例中，還可提供第二流體端口和第二管道系統，使流體可循環。這可用於循環電解質以優化電滲透效應或電化學土壤膠結(electro chemical soil cementation)。
在實施例中，該主體為管狀。例如，基座可以是單樁並且可為具有超過10m或20m長的細長管狀體。在其他實施例中，基座可以是具有圓形軌跡(circular footprint)的桶基座，並且桶基座可具有4-16公尺的直徑和2-30公尺的垂直長度，並且較佳地為直徑為7-12公尺和2-9公尺穿透深度(penetration depth)。在主體具有中空空腔的實施例中，主體可包括內側面。
根據本發明的進一步態樣，提供一種風力渦輪機，包括：用於利用風發電的發電機組件；以及根據任何上述用於支撐該發電機組件的基座。以此方式，基座是做為風力渦輪機的機座(base)，風力渦輪發電機組件的機艙(nacelle)和轉子(rotor)支撐在基座上方。風力渦輪機可安裝在例如離岸。
根據本發明的進一步態樣，提供一種根據上述任一陳述的安裝基座的方法，該方法包括：連接該複數個第二電極的一個或多個至電源的正極端子，以使第二電極用作陽極；連接該第一電極至該電源的負極端子，以使該第一電極用作陰極；將該主體的該遠端插入土壤中，並在該第一電極和該第二電極的至少一個之間施加電位差以產生電滲透效應，以吸引該土壤中的水至該第一電極，以推使該主體插入該土壤中。以此方式，基座可更容易地打入土壤中。
根據本發明的進一步態樣，提供一種提供一種阻止根據上述基座安裝過程的方法，該方法包括：連接該第二電極至電源的負極端子，以使該第二電極用作陰極；連接該第一電極至該電源的正極端子，以使該第一電極用作陽極；在該第一電極和該第二電極之間施加電位差以產生電滲透效應，使該土壤中的水從該第一電極排斥開。在此，當使用壓載物(ballast)安裝基座時，安裝速率主要由提供的下壓力(downforce)支配(govern)。同時，安裝速度越快阻力越大，反之亦然。因此，一旦達到目標穿透深度，有時很難完全停止安裝的進程，因為基座上通常有太多的壓載物。例如，通常使用多個可提升的壓載物單元(例如1000t)將壓載物施加至基座。一旦達到目標安裝深度，就很難快速移除足夠的單元以將下壓力降低至足夠低的水平，從而使基座完全停止穿透。也就是說，即使移除了一些壓載物裝置，基座仍將持續穿透，儘管速度大幅降低。因此，止動方法(arresting method)係透過反轉極性來迅速停止潤滑效果。雖然先前的陽極電極此時可能會部分潤滑，但面積比會有利於增加安裝阻力。此外，在某些土壤條件下，當極性反轉時，在安裝過程中已燒固至第二電極上的土壤會抵消在該區域中的潤滑。
根據本發明的進一步態樣，提供一種根據上述穩定地基的方法，該方法包括：連接該第二電極至電源的負極端子，以使該第二電極用作陰極；連接該第一電極至該電源的正極端子，以使該第一電極用作陽極；在該第一電極和該第二電極之間施加電位差以產生電滲透效應，使該土壤中的水從該第一電極排斥開。以此方式，可加固基座主體周圍的土壤，以增強基座主體與土壤之間的剪切阻力，而使基座穩定。確實，不僅土壤和基座之間的界面強度可恢復至正常水平，而且潛在的額外土壤固化(additional soil consolidation)的影響可能會使界面強度改善至超出這個水平。此外，這種影響也可延伸至基座附近以外的地方。此外，穩定過程還有助於至少部分地中和在安裝過程中可能在土壤中產生的酸度。也就是說，在第二電極作為陰極的情況下，於周圍土壤中的孔隙中的水會產生OH-離子，而可中和安裝過程中殘留的H+。
根據本發明的進一步態樣，提供一種用於調整根據上述已插入土壤中的基座的方法，該方法包括：連接該第二電極至電源的正極端子，以使該第二電極用作陽極；連接該第一電極至該電源的負極端子，以使該第一電極用作陰極；在該第一電極和該第二電極之間施加電位差以產生電滲透效應，使該土壤中的水吸引至該第一電極；以及在該土壤中移動該主體。以此方式，可更容易地調整基座，例如允許基座從土壤中拉回。此方法也可用於調整基座的位置，例如重置因極端負載而移動的基座。透過减少摩擦力來重新調平桶以拉直結構，這可能與桶基座特別相關。在強黏土類型的土壤中，重新平整桶基座的傳統方法可能非常困難，因為卸載桶所需的水壓可能會使下面的土壤破裂。這通常意味著傾斜的桶基座無法救起(salvage)，而必須在泥線(mudline)處切割桶以將其移除。本發明 的實施例因此提供在結構傾斜超過可接受的極限之後校正單個桶的高度的方法。
1:基座
2:土壤
3:水位
4:第一端子、端子
5:第二端子陣列、第二端子
7:離岸風力渦輪機、風力渦輪機
8:基座主體、主體、中空管狀主體
9:第二電極
10:遠端
11:側表面、外側表面
12:絕緣條、橫向絕緣條
13:楔形結構
14:楔形結構
15:起重機
16:安裝船
17:壓載物
18:灌溉泵
19:DC電源單元
20:AC發電機
21:流體通道
22:第二電源線
23:第一電源線
24:電場線、電場
25:蓋
26:第二電極
27:空腔
現在將參照圖式描述本發明的示例性實施例，其中：
圖1顯示根據本發明第一實施例在安裝過程中的基座的剖面示意圖；
圖2顯示圖1所示的基座主體的插入區域的放大圖；
圖3顯示透過根據第一實施例的第二電極的剖面圖；
圖4顯示透過圖3中所示的第二個電極的等距剖面圖；
圖5A至圖5C顯示使用根據本發明實施例的基座、系統和方法安裝的離岸風力渦輪機的示意圖；
圖6顯示根據本發明第一實施例安裝的基座的示意圖，其中顯示電場線；
圖7顯示透過根據第二實施例的第二電極的剖面圖；
圖8顯示透過圖7中所示的第二個電極的等距剖面圖；
圖9顯示透過根據第三實施例的第二電極的剖面圖；
圖10顯示透過圖9中所示的第二個電極的等距剖面圖。
圖1顯示根據本發明第一實施例在安裝過程中的基座的剖面示意圖。在本實施例中，基座1是用於離岸風力渦輪機7的單樁。基座1包括中空管狀主體8，中空管狀主體8具有用於將風力渦輪機7支撐在水位3上方的近端 和已插入土壤2中的遠端10。主體8是導電的，以允許其外側表面11用作第一電極。在本實施例中，主體8由金屬形成以在整個材料中提供導電性，但其他配置也是可能的。例如，可使用其他材料、及/或可透過將導電塗層施加至暴露的表面來形成導電區域。在主體8的近端設有第一端子4，用於將端子4電性連接至電源(未顯示)。
如下文將進一步詳細描述的，複數個第二電極9形成在主體的插入區域上朝向主體的下遠端。第二電極9形成為圍繞外側表面11延伸的圓周帶並且透過佈線(未顯示)單獨地可切換地連接至主體8的近端處的第二端子陣列5。因此，第二電極9可各自作為電滲透電路的一部分被啟動。
圖2顯示主體8的插入區域的放大圖。如圖所示，第二電極9作為複數個圓周帶橫向延伸穿過主體8的外側表面11。第二電極固定至設置在主體的側表面11上的絕緣材料的橫向絕緣條12，橫向絕緣條12用於將第二電極9與主體8電絕緣。如圖所示，絕緣條11比第二電極9的帶片更寬，使得絕緣材料在第二電極9的上下邊界的任一側垂直延伸。在使用中，第二電極9可選擇性地啟動以透過第二端子陣列5內的端子將它們電性連接至電源，從而在每個啟動的第二電極9和用作第一電極的主體8之間建立電位差。在這方面，產生的電場將隨著距啟動的第二電極的軸向距離的增加而減小。因此，當兩個相同的相鄰第二電極9以相同的電壓啟動時，在這兩個電極之間會形成一個電壓梯度(voltage gradient)，在電極之間的中點附近的場強最低，這取決於土壤的均勻性。第二電極9之間的距離以及絕緣條12的寬度可因此優化電壓梯度以沿著插入區域的長度實現足夠的場強，並限制否則將導致土壤過度加熱的電流密度尖峰(current density spike)。
圖3和圖4顯示透過第二電極9的剖面和等距剖面圖。在本實施例中，絕緣條12作為玻璃增強塑料片，其應用為使用環氧膠(epoxy glue)圍繞主體8的側表面11的橫向帶。玻璃增強塑料片較佳地為1-2mm厚，且在本實施例中為1.3mm厚。在其他實施例中，可將絕緣塗料塗佈至側表面11以形成絕緣條。
環氧膠的兩個楔形結構14設置在絕緣條12的上下邊界處，以在表面之間提供錐形接頭(tapered joint)，從而降低使用中脫層的風險。第二電極9做為黏合至絕緣條12並符合(conform)圍繞主體的側表面11的鋁片。因此，第二電極9凸出(sits proud of)側表面。環氧膠的兩個另外的楔形結構13設置在第二電極9的上下邊界處，以在絕緣層12的表面和第二電極9之間提供錐形接頭，以減輕脫層的風險。在本實施例中，第二電極9從其底部至頂部邊界為200mm寬，而絕緣條12從其底部至頂部邊界為500mm寬。因此，絕緣條12在第二電極12的上方和下方軸向延伸，在側表面11和第二電極9之間形成兩個絕緣帶。因此，當跨電極施加電位差時，絕緣材料的暴露區域用作為引導電場並限制電流密度的緩衝器。
圖5A至圖5C顯示正在安裝圖1和圖2的基座的示意圖。如圖5A所示，基座1的主體8透過起重機(crane)15定位在安裝船(installation vessel)16上，主體8的遠端10略微浸入土壤2中。如下文進一步詳細描述的，一旦第一第二電極9被土壤覆蓋，安裝船16上的直流電源(DC power supply)可用於透過第一端子4和第二端子5施加電位差以建立電滲透效應。隨著土壤和主體8的側面之間的剪切阻力減小，主體8可然後更深地穿透至土壤2中。穿透可在基座本身的重量下、或透過施加額外的壓載物或打樁錘衝擊(pile driving hammer impact)下實施。有利地，透過本發明的實施例，可充分地降低安裝阻力，從而無需施加錘子衝擊即可實現安裝。
一旦基座的遠端5達到所需的深度，如圖5B所示，土壤2和主體8之間的剪切阻力可透過關閉電源來恢復。這會停止了電滲透效應並透過減少基座潤滑來穩定基座。然而，這種穩定可能需要時間。這是因為黏土具有非常低的滲透性，因此基座旁的多餘孔隙壓力(excess pore pressure)需要時間才能消散回土壤中。因此，可選擇性地透過暫時反轉電源的極性來進一步增強穩定性，使得主體8用作陽極並且第二電極9用作陰極。這使電場反向，使得孔隙水被驅離主體8的側表面11，從而增強主體8和土壤2之間的界面的黏附強度。如圖5C所示，風力渦輪機7可然後安裝在基座1上方。可理解的是，穩定效應也可用於去除軸向或單樁基座周圍的多餘孔隙壓力，這些多餘孔隙壓力可能在週期性負載期間累積。穩定維護(stabilisation maintenance)可替代地使用一個或多個遠程陽極(remote anodes)來實現。
圖6顯示安裝過程中基座1的一部分的示意圖。因此，電場線24顯示在第二電極9和側表面11之間。
如上所述，在安裝過程中，主體8透過起重機15被提升到位，並在其近端施加壓載物17，以促進其穿透土壤2中。當主體8的遠端被向下推時，埋在土壤2中的第二電極9依次啟動成為陽極。為此，透過設置在安裝船上並由AC(交流)發電機20供電的DC(直流)電源單元19施加電位差。第二電極9的順序啟動有助於避免在電極9仍在土壤2上方的安裝初始階段透過海水吸取過多電流。因此，第二電極9可保持未充電直到第二電極9安全地低於土壤線，之後，第二電極9可連接至DC電源單元19以在該區域中產生電滲透效應。
在這方面，具體地，DC電源單元19係用於透過第一電源線23將主體8接地，使得其具有0V電位，從而可用作陰極。由於主體8本身具有零電位，因此在安裝過程中主體8不會呈現與其他主體接觸的安全隱患。同時，較佳地約+40V至+400V，並且最佳地低於約+200V的正電壓透過第二電源線22施加至每個啟動的第二電極9。在低於約+80V的電壓下，電壓係有利地低於危險水平。此外，由於第二電極9的選擇性啟動，基座的帶電區域被隔離至埋在土壤2下面的主體的安裝區域。每個被啟動的第二電極9和主體8之間的電位差的應用產生了一個通過它們之間的土壤的電場24。
灌溉泵(irrigation pump)18也可設置在安裝船上以透過流體通道21將流體饋送至設置在第二電極9中或與第二電極9相鄰的端口。該流體可以是例如海水，並且其輸送可有助於減少在第二電極9的表面摩擦和土壤固化。
圖6中所示的電場效應是由基座周圍土壤中的電場24感生的電滲透效應。具體地，在土壤中，帶負電荷的土壤顆粒被位於雙層內及/或顆粒之間的非結合水區(unbound water zone)中的孔隙水流體包圍。電場24的應用使該孔隙水的一部分朝向由主體8的側表面11提供的帶負電荷的陰極移動。這具有增加與側表面11相鄰的土壤中的土壤水分的作用，從而潤滑主體8和土壤2之間的界面。
與上述同時，由第二電極9提供的帶正電荷的陽極起到將孔隙水從其排出的作用。這導致周圍土壤中土壤水分的相應減少，脫水區域黏附在第二電極9的表面並且最終將本身燒固至該表面。然而，雖然這種增加的土壤黏附增加了安裝主體8的軸向阻力，但意外地發現，在大部分的側表面11上的整體減少界面阻力遠遠彌補了增加的安裝主體8的軸向阻力。也就是說，雖然土壤可能 會黏附至第二電極9，但申請人的測試表明，在基座主體的其餘插入區域上的潤滑仍顯著淨減少安裝阻力。黏附，例如，係限於圍繞每個第二電極9的水平環形土壤。
有利地，由於第二電極不需要與土壤間隔開並且可在基座主體8的主側表面11上或凸出(proud of)該主側表面11，所以不需要定制基座以提供凹槽或間隔突出部。因此，不僅改善了可靠性，還可降低基座成本。例如，另外傳統的單樁可容易地透過使用黏合劑將絕緣條12和第二電極9固定至其表面11修改。
應當理解，替代配置可用於第二電極9，這些配置的運作與上述關於第一實施例所描述的運作基本相同。例如，圖7和圖8顯示根據本發明第二實施例的透過第二電極的剖面和等距剖面圖。在這種情況下，絕緣條12係被施加為1.5mm的絕緣塗料層，並且第二電極9座於設置在側表面中的凹槽內。因此，第二電極9基本上與基座主體8的主側表面11齊平。這種淺凹槽(可能只有3-5mm深)的提供可保護第二電極9免從主體8脫層，而不需要更深的凹槽，否則，需要更深的凹槽來與相鄰的土壤產生間隙。
圖9和圖10顯示根據本發明第三實施例的透過第二電極的剖面和等距剖面圖。在本實施例中，第二電極26由包括面向內的空腔27和通向外表面的複數個狹縫(slits)的機加工鋁件(machined aluminium piece)形成。蓋25裝配在第二電極26的外表面上並且包括無紡芳族聚酰胺纖維(non-woven aramid fibre)，由編織的克維拉(芳族聚酰胺纖維)頂片覆蓋。在本實施例中，第二電極26黏合至形成施加到主側表面11的絕緣條12的絕緣塗料層上。在其他實施例中，電極可替代地座於凹槽中。在使用中，可使用灌溉泵18將流體饋送至空腔27， 進而通過槽而吸入。蓋25用作吸住(wick)流體，從而在暴露的表面上分配和釋放流體。因此，克維拉(Kevlar)頂部用作防止土壤燒固至第二電極26上。同時，流體的輸送用作使鄰近分別的第二電極26的土壤重新水化，從而有助於維持陽極和陰極之間的電解質流體連接。在一些實施例中，可進一步將添加劑引入從灌溉泵18泵出的流體中，例如，以增強流體的導電性或提供化學穩定性。在其他實施例中，流體端口也可用於透過提供用於密封管道系統的灰漿或類似材料並排出困在空腔27中的任何剩餘水來完成安裝。
就此而言，在第二電極26處的流體輸送也可用於中和或稀釋在陽極處產生的酸性。也就是說，除了電滲透效應外，電解還會分別在陽極和陰極產生化學氧化和還原反應。可能的反應範圍取決於可用或存在的離子種類，因此定制調節劑(tailored conditioning agent)的引入可用於增強或抑制特定反應。例如，在帶有惰性電極的純水中，在陰極產生H2氣體和OH-陰離子，且在陽極產生O2氣體和H+陽離子。作為電場的結果，陽離子和陰離子分別向陰極和陽極遷移。由於H+陽離子的流動性較高，與氫氧化物陰離子掃過的相比，相關的酸鋒(acid front)通常會橫掃更大體積的土壤。土壤中的這種酸性可有多種不受歡迎的影響，包括降低生物活性、降低土壤的電滲滲透性和加速基座本身的腐蝕。為了應對這些影響，可從端口泵送化學調節液(chemical conditioning fluid)以中和或稀釋帶正電的H+離子。此外，可選擇調節液來改變黏土顆粒的表面化學，或在孔隙空間中沉澱(precipitate)水泥。這種變化可增加土壤的強度和剛度。例如，在正常極性階段，石灰或氯化鈣溶液可作為改性劑(modifying agent)透過端口引入，在反極性時，此類調節劑可包括矽酸鈉以參與膠結反應。
圖9和圖10中所示的設置也可在沒有主動灌溉的情況下使用。在這方面，在安裝過程中，基座在透入土壤之前首先通過水下降。該步驟用作用海水部分地填充第二電極26中的空腔27。同時，剩餘在空腔27中的空氣被壓縮。因此，當海水在電滲透過程中從空腔27中被抽出時，被壓縮的空氣會膨脹回來，從而防止在空腔27中立即形成真空。
應當理解，本文公開的創造性設置允許更容易地將基座打入土壤中，而不會顯著地延長在基座位置所需的設置時間。這降低了成本、提供了更穩定的基座、並允許在樁基座的情況下降低安裝噪音，這對於離岸應用特別重要。同時，本發明的實施例可容易地實施，而不需要對現有基座設計進行實質性修改。
應當理解，上述實施例僅出於示例目的而展示本發明的應用。實際上，本發明可應用於許多不同的態樣，詳細的實施例對於本技術領域中具有通常知識者而言很容易實現。
例如，雖然在上述說明性實施例中，基座是例如單樁的空心體，本發明可應用於其他基座，如桶基座、軸樁和板樁、基礎錐體和其他重力基礎基座。
除風力渦輪機外，本發明還可用於其他結構，例如離岸平台和板壁或繫樁(dolphin piles)。
此外，雖然在上述說明性實施例中，系統已被描述為使用提供在安裝船上的電源，應當理解，其他設置也是可能的。例如，位於基座或結構本身上的電池或發電機可用作電源。
此外，雖然本發明已參照離岸位置進行了描述，應當理解，本發明可用於土壤具有足夠高的水分含量以進行電滲透的其他位置。這可包括，例如，細粒黏性黏土沉積物(fine-grained,cohesive clay sediment)、低滲透性問題土壤(low permeable problem soil)、膨脹土壤(expansive soil)、分散性土壤(dispersive soil)、高壓縮性黏土(high compressible clay)、海洋黏土(marine clay)、敏感黏土(sensitive clay)、快速黏土(quick clay)、鹽鹼/鈉化土壤(saline/sodic soil)、以及軟泥炭(soft peat)。這種軟黏土壤(soft clay soil)通常與沿海土壤(costal soil)以及河口、河流和湖邊位置有關。
還應當理解，本發明允許透過重新啟動電滲透效應以從主體排斥水並排出在第二電極處收集的水來週期性地重新強化基座周圍的土壤。同樣地，本發明可透過重新啟動電滲透效應以在主體上形成流體潤滑膜(fluid lubricating film)，從而使主體易於從土壤中撤出而允許在退役(decommissioning)期間簡化基座的縮回。
在這方面，根據本發明，透過跨基座的不同部分施加DC電壓，在周圍土壤中產生兩個電滲透效應。首先，電滲透導致水的運動，根據流動方向，水的運動在封閉邊界處用作削弱或加強土壤。因此，在安裝或拆除過程中，可產生過量的土壤孔隙壓力(soil pore pressure)以用水膜(water film)潤滑土壤/基座界面。替代地，可使用負孔隙壓力(negative pore pressure)來恢復或改善土壤結構和界面摩擦(interface friction)，以穩定基座。例如，軟黏土或其他黏性土壤可透過電滲透將水從土壤中推出來加固基座周圍的強度。電滲透的第二個效應是電滲透相對於基座移動土壤中的離子。離子效應可允許膠結電解質滲入以將基座固結到位，這對顆粒狀土壤(granular soil)可能特別有用。
絕緣條還可進一步包括在第二電極的任一側垂直延伸的錐形電阻率區域(tapered resistivity region)。錐形電阻率區域可用於控制在主體和第二電極之間產生的土壤中的電場強度分佈。也就是說，當跨電極施加電位差時，錐形電阻率區域可用於降低或減輕電場強度，以避免由於電極之間相對較小的距離而在直接鄰近絕緣條和主體之間的交界處的區域中出現過高的場強。在一些實施例中，形成絕緣條的絕緣材料可隨著與第二電極的距離增加而逐漸變化(graduated)以減少(taper down)電阻效應。以此方式，電阻的逐漸減小(taper)可用於逐漸抵消由於接近而增加的電場強度以實現從第二電極延伸的更均勻的電場。
最後，雖然說明性示例示出了具有設置在外側表面上的第二電極的本發明的實施例，應當理解，對於中空基座，第二電極可設置在內側表面上。
1:基座
2:土壤
8:基座主體、主體、中空管狀主體
9:第二電極
11:側表面、外側表面
12:絕緣條、橫向絕緣條
15:起重機
17:壓載物
18:灌溉泵
19:DC電源單元
20:AC發電機
21:流體通道
22:第二電源線
23:第一電源線
24:電場線、電場

Claims (15)

  1. 一種用於結構的基座，包括：
    主體，具有側表面和用於插入土壤的遠端，其中，該側表面的至少一區域形成第一電極；以及
    一個或多個第二電極，設置在該主體上並且與該側表面齊平或凸出該側表面，各該第二電極圍繞該側表面橫向延伸並且透過設置在各該第二電極和該側表面之間的絕緣條與其電絕緣。
  2. 如請求項1所述之基座，其中，該一個或多個第二電極包括複數個作為橫跨該主體之帶片的第二電極。
  3. 如請求項1或2所述之基座，其中，各該絕緣條係做為橫跨該主體的帶片。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之基座，其中，各該絕緣條比其對應的第二電極寬。
  5. 如請求項1至4中任一項所述之基座，其中，該主體是導電的以用作該第一電極。
  6. 如請求項5所述之基座，其中，該絕緣條設置在該主體的該側表面上，並且各該第二電極設置在其對應的該絕緣條上。
  7. 如請求項6所述之基座，其中，該第二電極在橫向平面中界定出該基座的外邊界。
  8. 如請求項1至7中任一項所述之基座，進一步包括設置在該絕緣條和其對應的第二電極之間的邊界處的楔形元件，各該楔形元件從該絕緣條至該對應的第二電極徑向向外漸細。
  9. 如請求項1至8中任一項所述之基座，其中，該主體包括終止於該遠端的插入區域，該插入區域用於插入該土壤中，以及
    其中，該複數個第二電極沿該插入區域軸向分佈。
  10. 如請求項1至9中任一項所述之基座，進一步包括用於將該第一和第二電極連接至電源的端子。
  11. 如請求項10所述之基座，其中，複數個該第二電極的一個或多個可獨立於一個或多個其他該第二電極連接至該電源。
  12. 如請求項1至11中任一項所述之基座，其中，各該絕緣條包括沿其對應的第二電極之任一側軸向延伸的電阻性錐形區域，該電阻性錐形區域用於調節該第一和第二電極之間之電場強度的空間分佈。
  13. 如請求項1至12中任一項所述之基座，進一步包括用於將流體供應至該複數個第二電極的一個或多個的表面之複數個流體端口。
  14. 一種風力渦輪機，包括：
    用於利用風發電的發電機組件；以及
    如請求項1至13中任一項所述之基座，該基座用於支撐該發電機組件。
  15. 一種如請求項1至13中任一項所述之安裝基座的方法，該方法包括：
    連接該複數個第二電極的一個或多個至該電源的正極端子，以使該第二電極用作陽極；
    連接該第一電極至該電源的負極端子，以使該第一電極用作陰極；
    將該主體的該遠端插入該土壤中，並在該第一電極和該第二電極的至少一個之間施加電位差以產生電滲透效應，以吸引該土壤中的水至該第一電極，俾利該主體插入該土壤中。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4046657A (en) * 1976-05-05 1977-09-06 Phillip Andrew Abbott Apparatus and method of assisting pile driving by electro-osmosis
US4119511A (en) * 1977-01-24 1978-10-10 Christenson Lowell B Apparatus and method of assisting pile driving by electro-osmosis
US4157287A (en) 1978-08-25 1979-06-05 Christenson Lowell B Method of assisting pile driving by electro-osmosis
EP3338878A1 (en) 2016-12-24 2018-06-27 Ørsted Wind Power A/S Wind turbine foundation

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115387414A (zh) * 2022-09-21 2022-11-25 江苏徐工工程机械研究院有限公司 挖斗和挖掘机
CN115387414B (zh) * 2022-09-21 2024-02-02 江苏徐工工程机械研究院有限公司 挖斗和挖掘机

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