一种海上风机多套筒联合加固式筒型基础结构及其施工方法与流程

本发明属于新型海上风力发电机基础施工工艺领域,特别是涉及一种海上风机多套筒联合加固式筒型基础的施工方法和与之所需要的相关创新基础结构部件。

背景技术：

[1]海上风电具有风场质量好、湍流度小、不占用耕地、年利用小时高等显著优势。近年来，海上风电作为一种绿色清洁可再生能源发展迅速，并逐渐由浅海走向深海，而在水深45米以下的海域，对于使用浮式基础来说还太浅，但对于使用固定式基础来说水深较深，固定式基础面临着较高的技术挑战，需要创新的基础形式；另外，海上风电的不断开发将面临越来越差的地质条件，同样需要适应能力更强、应用范围更广的固定式基础形式；而对筒型基础使用加桩进行加固的方式结合了单桩基础与筒型基础的优势，是一种较为可行的思路。

[2]目前对筒型基础使用加桩的方式存在着传统施工方法难以解决的问题，主要表现在：如果是对筒型基础下沉后后期打桩加固，则存在海上施工期太长，打桩对筒型基础安全性影响较大的问题；如果是将钢桩视为小型负压筒焊接为筒型基础的一部分共同下沉，则由于焊接的钢桩较长，存在难以浮运，对港口水深要求较高的问题；如果是将钢桩视为小型负压筒，参考套筒吸力锚的施工方法分次下沉，则存在基础制造工艺和下沉施工安装要求高，难以保证下沉深度到位和基础水平度，且钢桩与基础之间的有效承力连接难以保证等问题。因此使用目前的施工方法难以解决对筒型基础加桩等加固方式的施工问题，需要经济合理、简单易行、可靠度高的创新性施工方法。

本发明旨在针对上述问题，提出一种海上风机多套筒联合加固式筒型基础施工方法及其相应的配套结构，在保证海上风机筒型基础高效率一步式下沉安装的前提下，简单可靠地实现对筒型基础的加桩加固，提高基础的承载能力与经济性，从而扩大固定式基础的适用水深与地质条件的范围。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种海上风机多套筒联合加固式筒型基础结构，包括塔筒连接桩、支撑杆、基础顶板、宽浅型筒型基础、类桩加固负压筒，其中，塔筒连接桩为钢制管状结构，上部与风机塔筒通过螺栓相连，下部穿过基础顶板与宽浅型筒型基础的钢制顶板焊接，并与基础顶板浇筑为一体；支撑杆为钢制管状结构，一端与塔筒连接桩焊接相连，另一端与基础顶板浇筑为一体；基础顶板下部与宽浅型筒型基础的钢制顶板浇筑为一体，基础顶板上设有预埋的钢制沉入孔，类桩加固负压筒设置在钢制沉入孔内，所述的宽浅型筒型基础为钢制下方开口的筒型结构，内部焊接钢板作为分舱板，并将钢制沉入孔下方的分舱板部分与剪土环状导轨焊接为一体，所述的基础顶板上及类桩加固负压筒顶部设有抽负压孔，基础顶板上的抽负压孔贯穿于宽浅型筒型基础内。

进一步的，基础顶板为预应力钢筋混凝土圆板状结构。支撑杆为根钢制管状结构，一端与塔筒连接桩焊接相连，另一端与基础顶板浇筑为一体，以塔筒连接桩为中心轴对称分布，并使其与水平面的夹角处于35°到60°之间。

进一步的，钢制沉入孔上部为法兰，侧壁留有用于螺栓连接的侧壁螺栓开孔。

进一步的，类桩加固负压筒为细长的底部开口筒型结构，其上部封口钢板直径大于筒身直径，封口钢板的周沿设有法兰面螺栓开孔，类桩加固负压筒内上部浇筑有填充的混凝土，混凝土厚度与钢制沉入孔的高度一致，且填充有混凝土部分的侧壁开有与钢制沉入孔侧壁螺栓开孔相对应的螺栓孔。类桩加固负压筒下部没有混凝土填充部分的筒身外侧具有竖向条状导轨凹槽。

进一步的，密封环垫片为橡胶材质，置于基础顶板上钢制沉入孔法兰上部，保证浮运时宽浅型筒型基础的气密性。

进一步的，剪土环状导轨为钢质结构，位于钢制沉入孔的正下方，是由一定间隔并列放置的圆管和圆管内部的条状导轨焊接组成，圆管内径与类桩加固负压筒的外径相同，圆管外侧居中位置焊接圆环作为剪土环。整体结构同时与分舱板焊接为一体，圆管内部的竖向条状导轨与类桩加固负压筒筒壁外侧的竖向条状导轨凹槽相嵌合。

一种本发明海上风机多套筒联合加固式筒型基础结构的施工方法，包括以下步骤：

1)完成塔筒连接桩、支撑杆、基础顶板、宽浅型筒型基础、密封环垫片、剪土环状导轨标准化生产，并在陆上安装预制为一体，并通过安装船在码头将其浮于海中；2)在陆上完成类桩加固负压筒的标准化生产，并将其穿过已浮于海中的基础结构中的钢制沉入孔，沿着条状导轨插入剪土环状导轨中，并通过类桩加固负压筒上部的抽负压孔调节筒内的气压，使其一同浮于海中且下方入水深度不超过宽浅型筒型基础的入水深度；3)完成风机塔筒及机头、叶片的吊装工作；4)将完成安装的整机浮运至安装地点；5)通过类桩加固负压筒上部的抽负压孔调节筒内的气压先使类桩加固负压筒下沉至与基础顶板，此时视当地水深条件，类桩加固负压筒可能已插入海床泥面，也可能未插入海床泥面，但并不影响施工，在通过螺栓使类桩加固负压筒与基础顶板上的钢制沉入孔固定连接后，再通过类桩加固负压筒上部及基础顶板上的抽负压孔调节气压，使整机一同下沉直至完全插入海床。

进一步的，类桩加固负压筒抽负压下沉至与基础顶板后，通过上部法兰和侧壁螺栓开孔使类桩加固负压筒与基础顶板上的钢制沉入孔实现固定连接。

本发明的有益效果是：本发明海上风机多套筒联合加固式筒型基础施工方法，将筒型基础的加固桩以负压筒的形式实现，免去了海上打桩施工环节，避免了后期打桩对风机的不利影响，并大大降低了施工成本；

受益于宽浅型筒型基础与加固用负压筒的共同浮运，且加固用负压筒的下部入水深度不超过宽浅型筒型基础的入水深度，使浮运施工不用受制于水深条件；

受益于加固用负压筒先行下沉然后在海面上与宽浅型筒型基础固定连接后再一同下沉的施工工艺，实现了加固用负压筒与宽浅型筒型基础之间连接时的干地施工，极大保证了加固用负压筒与宽浅型筒型基础之间连接的可靠度；

受益于创新结构剪土环状导轨，加强了加固用负压筒下沉时的角度保证，减小了与宽浅型筒型基础一同下沉时的沉贯阻力，并优化了加固用负压筒与宽浅型筒型基础之间的传力，有利于充分发挥加固用负压筒的承载力。

附图说明

图1为本发明海上风机多套筒联合加固式筒型基础整体浮运施工示意图；

图2为本发明海上风机多套筒联合加固式筒型基础整体下沉施工示意图；

图3为本发明海上风机多套筒联合加固式筒型基础整体安装完成示意图；

图4为本发明海上风机多套筒联合加固式筒型基础拆分示意图；

图5为本发明类桩加固负压筒细节示意图；

图6为本发明钢制沉入孔细节示意图；

图7为本发明剪土环状导轨细节示意图。

图中1、塔筒连接桩；2、支撑杆；3、基础顶板；4、宽浅型筒型基础；5、类桩加固负压筒；6、密封环垫片；7、抽负压孔；8、钢制沉入孔；9、分舱钢板；10、宽浅型筒型基础侧壁；11、剪土环状导轨；12、钢制顶板；13、法兰面螺栓开孔；14、侧壁螺栓开孔；15、混凝土填充筒段；16、空心钢筒段；17、导轨凹槽；18、法兰；19、加强肋板；20、预埋钢管；21、剪土环；22、条状导轨；23圆管。

具体实施方式

参见附图1和附图2，本发明施工方法所涉及的基础结构，包括塔筒连接桩1、支撑杆2、基础顶板3、宽浅型筒型基础4、类桩加固负压筒5、密封环垫片6、剪土环状导轨11，其中，塔筒连接桩1为钢制管状结构，半径与风机塔筒半径相同，上部与风机塔筒通过螺栓相连，下部穿过基础顶板3与宽浅型筒型基础4的钢制顶板12焊接，并与基础顶板3浇筑为一体；支撑杆2为6根钢制管状结构，一端与塔筒连接桩1焊接相连，另一端与基础顶板3浇筑为一体，以塔筒连接桩为中心轴对称分布，并使其与水平面的夹角处于35°到60°之间；基础顶板3为预应力钢筋混凝土圆板状结构，其底面与宽浅型筒型基础4的钢制顶板浇筑为一体，并在支撑杆2与基础顶板3浇筑的位置开圆孔，使圆孔内侧圆周与支撑杆2在基础顶板3上浇筑点相切，并在开孔处预埋钢制沉入孔8，钢制沉入孔8高度高于基础顶板3的厚度，并穿过宽浅型筒型基础4的顶部的钢制顶板12。参见附图6，钢制沉入孔8上部焊接法兰18，法兰18与外侧壁之间焊有加强肋板19，高出基础顶板3的侧壁部分轴对称地留有用于螺栓连接的侧壁螺栓开孔14，开孔数量视具体工程所需的开孔直径而定，但不应少于4个，在相邻两个钢制沉入孔8之间的扇形区域留有用于抽负压的抽负压孔7，该开孔同样穿过宽浅型筒型基础4的钢制顶部12。参见附图5，宽浅型筒型基础4为钢制下方开口的筒型结构，内部居中焊接六边形钢制分舱板9，并用分舱板9隔开剪土环状导轨11放射状地连接六边形夹角与宽浅型筒型基础侧壁10，分舱板9的高度与筒壁高度相同，从而使宽浅型筒型基础4内部划分为7个舱室，在剪土环状导轨11处将放射状钢板打断，留出剪土环状导轨11的位置，并将该处分舱板9与剪土环状导轨11焊接为一体。参见附图4及附图5，类桩加固负压筒5为较为细长的底部开口钢制筒型结构，顶部用钢板封口后留有用于抽负压的抽负压孔7，且顶部钢板直径大于筒身直径，使其周沿设有法兰面螺栓开孔13，从而使其与钢制沉入孔8的上部法兰18可通过螺栓固定连接。筒壁内侧上部浇筑有混凝土，混凝土厚度与钢制沉入孔8的高度一致并留有用于抽负压的开口，且填充有混凝土部分的侧壁开有与钢制沉入孔8侧壁螺栓开孔14相对应的螺栓孔，通过上部法兰18和侧壁螺栓开孔14使类桩加固负压筒5与基础顶板3上的钢制沉入孔8实现固定连接，下部没有混凝土填充部分的筒身外侧具有四条均布竖向条状导轨凹槽17，导轨凹槽17深度和宽度与剪土环状导轨11上的条状导轨22的高度和宽度一致。参见附图4，密封环垫片6为橡胶材质，在置于基础顶板3上钢制沉入孔8的法兰上部，与法兰的内外径一致，用于浮运和下沉期间密封类桩加固负压筒5与钢制沉入孔8之间的缝隙，保证宽浅型筒型基础4的气密性。参见附图7，剪土环状导轨11为钢质结构，位于钢制沉入孔8的正下方，剪土环状导轨11是由一定间隔并列放置的圆管23和圆管23内部的条状导轨22焊接组成，并列的圆管23之间的间距与圆管23高度相同，圆管23内径与类桩加固负压筒5的外径相同，整体结构同时与分舱板9焊接为一体，并列的圆管23内部的四条竖向条状导轨22与类桩加固负压筒5筒壁外侧的四条竖向条状导轨凹槽17相嵌合，圆管23同时在其中间位置的外周沿径向位置焊接圆环作为剪土环24，在下沉时具有减小下沉阻力的作用。

该实施例中：塔筒连接桩1直径6m，壁厚0.06m，高度35米，支撑点在高28m处；支撑杆2直径1.8m，壁厚0.06m，与水平面角度为50°；基础顶板3直径为30m，厚度为1.2m，选用c30混凝土，抽负压孔7直径为0.8m，钢制沉入孔8内径为4.5m，壁厚为0.01m，高出顶板0.8m，法兰18外径为5.2m，厚度为0.02m，螺栓开孔直径为0.2m，加强肋板19厚度为0.02m，侧壁螺栓开孔14高出顶板0.4m；宽浅型筒型基础4直径为30m，壁厚为0.025m，高度为8m，六角形分舱板9边长为8m，厚度为0.02m；类桩加固负压筒5直径为4.5m，长度为20m，壁厚为0.025m，选用c25混凝土，侧壁导轨凹槽17深度为0.08m，宽度为0.01m；密封环垫片6厚度为0.1m，其他尺寸与钢制沉入孔8上的法兰18尺寸一致；剪土环状导轨11圆管高度为2m，内径4.5m，壁厚0.01m，外侧焊接剪土环24位于并列的圆管23中部，直径5.5m，厚度0.05m，并列的圆管23相隔2m，圆管23内部竖向条状导轨22高度为0.08m，宽度为0.01m。

本发明海上风机多套筒联合加固式筒型基础结构的施工方法是：(1)完成塔筒连接桩1、支撑杆2、基础顶板3、宽浅型筒型基础4、密封环垫片6、剪土环状导轨11标准化生产，并在陆上安装预制为一体，并通过安装船在码头将其浮于海中；(2)在陆上完成类桩加固负压筒5的标准化生产，并将其穿过已浮于海中的基础结构中的钢制沉入孔8，沿着条状导轨22插入剪土环状导轨11中，并通过类桩加固负压筒5上部的抽负压孔7调节筒内的气压，使其一同浮于海中且下方入水深度不超过宽浅型筒型基础4的入水深度；(3)完成风机塔筒及机头、叶片的吊装工作；(4)将完成安装的整机浮运至安装地点；(5)通过类桩加固负压筒5上部的抽负压孔7调节筒内的气压先使类桩加固负压筒5下沉至与基础顶板3，此时视当地水深条件，类桩加固负压筒5可能已插入海床泥面，也可能未插入海床泥面，但并不影响施工，在通过螺栓使类桩加固负压筒5与基础顶板3上的钢制沉入孔8固定连接后，再通过类桩加固负压筒5上部基础顶板3上的抽负压孔7调节气压，使整机一同下沉直至完全插入海床。整体安装完成示意图如附图3所示。