一种组合式复合筒浮箱基础结构及其施工方法与流程

本发明涉及一种海洋工程的基础结构技术领域，具体的说，是涉及一种复合筒组合基础结构及其施工方法。

背景技术：

目前在海上风电发电领域，风机基础的形式主要有重力式基础，导管架基础，筒型基础，桩基础，浮式基础等。

传统的重力式基础结构简单，整体造价相对较低，主要通过自重和内部填料来抵抗水平力和倾覆力矩以保持结构稳定，但重力式基础仅适用于水深较浅的海域，随着水深的增加，其经济性不仅不能体现，造价反而比其他类型基础要高。同时，重力式基础需要地基具有较高的承载力，因此在淤泥质海域无法进行施工安放。吸力式筒型基础形式简单，承载力强，运输安装简单，回收容易，筒裙抗滑移稳定性较高，适用于土质较软渗透系数较低的浅海地区。随着水深的增加，风浪流荷载变大，大弯矩荷载需要的筒型基础直径较大，运输和安装等过程需要大型设备，同时在土质分布极不均匀以及岩石分布的地区难以适用。而导管架结构可避免海上浇筑混凝土等繁琐程序，具有海上施工量小、安装速度快、造价低、环境承载力较强、能够适用于较大水深等特点。

技术实现要素：

本发明着力于解决上述技术问题，结合导管架结构适应水深大，筒型基础安装方便、造价低廉、可回收利用，以及重力式基础成本低，承载力强的特点，提出了一种组合式复合筒浮箱基础结构及其施工方法，同时具有浮式基础、重力式基础以及导管架基础的优点，承载力高、安装运输方便，适用范围广，成本大大降低。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种组合式复合筒浮箱基础结构，包括带有多个舱室的钢筒结构，多个舱室包括一个中间舱和围在中间舱周边的多个边舱；所述钢筒结构连接有钢制浮箱；所述钢制浮箱中心开设有通孔，所述通孔使所述钢筒结构的中间舱与外界连通；所述钢制浮箱内部设置有中环肋板、内环肋板和径向肋板，所述中环肋板、所述内环肋板和所述径向肋板将所述钢制浮箱分隔为多个区域；所述中环肋板上圆周均匀设置有第一连接件，所述所述内环肋板上圆周均匀设置有第二连接件；

所述钢制浮箱上部连接有过渡段塔架，所述过渡段塔架用于连接上部风电设备；所述过渡段塔架包括多根相同的立柱，所述立柱的数量与所述第一连接件的数量相同；多根所述立柱的底部分别与所述第一连接件一一对应连接；相邻两根所述立柱之间连接有支撑杆构成桁架式钢结构；所述立柱和所述第二连接件之间连接有斜杆；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，所述气液管道由所述立柱分别延伸至所述钢筒结构的各个边舱内部，所述灌浆管道由所述立柱延伸至所述钢制浮箱的各个区域内部。

进一步地，所述钢筒结构的各个边舱内部设置有用于监测气压变化的气压传感器。

进一步地，所述钢筒结构的直径为10-50m，高度为其直径的四分之一到二分之一。

进一步地，所述钢制浮箱的横截面为圆形，该圆形与所述钢筒结构的直径一致；所述钢制浮箱中心开设的通孔为圆形，并且直径为所述钢制浮箱的外径的十分之一到五分之一。

进一步地，所述第一连接件和第二连接件均为钢制圆管，高度均为所述钢制浮箱高度的1.1-1.5倍，超出所述钢制浮箱高度的部分管径逐渐变小。

进一步地，多根所述立柱均由下至上以相同的角度向基础结构中心倾斜。

一种上述组合式复合筒浮箱基础结构的施工方法，按照如下步骤进行：

(1)陆上预制带有分舱结构的钢筒结构、钢制浮箱、过渡段塔架后，将所述钢筒结构与所述钢制浮箱、所述过渡段塔架进行焊接，完成组合式复合筒浮箱基础结构的组装；

(2)将所述组合式复合筒浮箱基础结构吊入水中，检查气密性，根据拖航要求利用所述过渡段塔架的所述立柱内部的所述气液管道从多个所述钢筒结构的各个边舱中抽气或打气调节所述钢筒的吃水；最后所述过渡段塔架的所述立柱注水液封；

(3)将所述组合式复合筒浮箱基础结构进行浮运拖航；

(4)将所述组合式复合筒浮箱基础结构运到指定海域后，先利用基础自重进行自重下沉，再利用所述立柱内部的气液管道从多个所述钢筒中抽水对基础结构进行负压下沉，下沉到指定位置；

(5)下沉结束继续抽水，直至对所述钢筒结构内部的土体进行加固；

(6)加固处理完成后，利用所述立柱内部的灌浆管道向所述钢制浮箱内部进行灌水处理或灌浆处理；

(7)灌水处理或灌浆处理处理完成后，吊装上部风电设备，进行水上安装，施工完成。

进一步地，步骤(3)的浮运拖航的过程中，通过内部注水液封后的所述立柱及其内部的液面检测设备，观察各个所述立柱内部液封后液体的变化情况，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。

进一步地，步骤(4)的自重下沉的过程中，通过向所述钢制浮箱内注水或抽水来调节基础结构的下沉速率。

进一步地，步骤(4)的负压下沉的过程中，通过在上倾的所述钢筒结构的边舱增加抽水速率和/或在下倾的所述钢筒结构的边舱充气或充水，进行调平操作。

本发明的有益效果是：

本发明的组合式复合筒浮箱基础结构及其施工方法，由带有多个舱室的钢筒结构、一个钢制浮箱以及过渡段塔架组合而成；上部过渡段塔架作为导管架结构、中间钢制浮箱结构作为压载舱室、下部钢筒结构作为吸力筒型基础，兼具导管架结构、重力式结构和吸力筒型基础结构的特点。

上部的过渡段塔架通过连接件与钢制浮箱连接，可以将过渡段塔架所受到的风、浪、流和风机塔筒等荷载均匀地传递给钢制浮箱，避免了应力集中，提高了过渡段塔架的承载能力和疲劳强度。

中间的钢制浮箱承受过渡段塔架传递的荷载，其中，环形肋板通过连接件与过渡段塔架根部焊接到一起，环形肋板又与径向肋板相互连接，使传递下来的荷载均匀的分散至整个钢制浮箱上，并传递给下部的钢筒结构。基础结构在进行下沉时钢制浮箱作为实浮体，为结构提供了大小恒定的浮力，使基础结构在自重下沉过程中更加稳定，同时可以通过向基础结构内注/抽水使下沉速率始终保持在一个可控而稳定的范围内，避免了因结构下沉速率过大撞击海底使基础发生破坏。在沉放结束后，向钢制浮箱内部灌浆或灌水，可以进一步夯实基础，并使其成为整体结构的基座，提高了基础结构的自重，使其抵抗倾覆力矩的能力大大增加，因此本发明的组合式复合筒浮箱基础结构具有重力式基础的特点。

下部的钢筒结构在进行整体浮运的过程中，通过向多个边舱内部打气，可以实现结构的整体自浮拖航，同时结构发生倾斜晃动时多个钢筒内气压发生变化，形成回复力矩，可以在很大程度上保持结构的自浮稳性。在进行负压下沉的过程中，可以通过改变多个边舱的抽水速率对结构进行调平，钢筒结构分为中间舱和围在中间舱周边的多个边舱，提高了钢筒的侧向刚度，防止下沉过程中筒裙发生屈曲现象，有利于均匀地将钢制浮箱传递下来的荷载传递到土体中，因此本发明的组合式复合筒浮箱基础结构具有筒型基础的特点。

附图说明

图1是本发明所提供的组合式复合筒浮箱基础结构的立体结构示意图；

图2是本发明所提供的组合式复合筒浮箱基础结构的俯视视角示意图；

图3是本发明所提供的组合式复合筒浮箱基础结构的仰视视角示意图；

图4是本发明所提供的组合式复合筒浮箱基础结构的结构分解示意图；

图5是本发明所提供的组合式复合筒浮箱基础结构中钢制浮箱的结构示意图；

图6是本发明所提供的组合式复合筒浮箱基础结构中过渡段的结构示意图；

图中：1、钢筒结构；2、钢制浮箱，21、顶板，22、底板，23、外侧板，24、内侧板，25、中环肋板，26、内环肋板，27、径向肋板，28、第一连接件，29、第二连接件；3、过渡段塔架，31、立柱，32、支撑杆，33、斜杆。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、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4所示，本实施例公开了一种组合式复合筒浮箱基础结构，主要包括带有多个舱室的钢筒结构1、一个钢制浮箱2、一个过渡段塔架3。

钢筒结构1为上下敞口的钢制圆筒形结构，直径为10-50m，高度为其直径的四分之一到二分之一。钢筒结构1内部被十二块相同的钢板分成七个舱室，包括一个正六边形的中间舱和围在中间舱周边的六个边舱。钢筒结构1的每个边舱内部设置有一个气压传感器，用于监测安装过程中边舱内部的气压变化。

钢筒结构1顶部共同与一个钢制浮箱2连接。钢制浮箱2的中心开设有通孔，该通孔使钢筒结构1的中间舱与外界连通，以避免其在浮运拖航和负压下沉过程中产生干扰。钢制浮箱2的横截面为圆形，该圆形与钢筒结构1的直径一致。钢制浮箱2的高度通常为钢制浮箱2外径的十分之一到十五分之一。钢制浮箱2中心开设的通孔为圆形时，其直径通常为钢制浮箱2的外径的十分之一到五分之一。

在本发明的一种实施方式中，如图5所示，钢制浮箱2由顶板21、底板22、外侧板23、内侧板24、中环肋板25、内环肋板26、径向肋板27、第一连接件28、第二连接件29组成。顶板21和底板22的直径与钢筒结构1的直径一致，顶板21和底板22的中心有直径相同的圆孔，该圆孔的直径为顶板21或底板22直径的十分之一到五分之一。顶板21、底板22、外侧板23、内侧板24围成中间有圆形通孔的圆柱体空腔结构，圆柱体空腔结构的内部设置有一个中环肋板25、一个内环肋板26、多个径向肋板25，将钢制浮箱2内部空间分割为多个区域。中环肋板25设置在钢制浮箱2内部中间位置，中环肋板25向下投影形成的圆外接于钢筒结构1中间舱的正六边形。三个第一连接件28竖向设置，并在中环肋板25上圆周均匀分布。这样，用于与立柱31连接的第一连接件28均位于钢筒结构1的正六边形中间舱三个顶点的正上方，由于中间舱的顶点附近刚度较大，可以有效减少钢制浮箱2底板的变形。三个第二连接件29竖向设置，并在每相邻两个第一连接件28连线的中点位置设置一个。内环肋板26外接于三个第二连接件29，三个第二连接件29在内环肋板26上圆周均匀分布。十八个径向肋板25从内侧板24沿径向延伸至外侧板23并沿钢制浮箱2的径向设置。第一连接件28和第二连接件29均为钢制圆管，其高度一般为钢制浮箱2高度的1.1-1.5倍，第一连接件28或第二连接件29超出钢制浮箱2高度的部分管径逐渐变小，以便于与过渡段塔架3焊接。

钢制浮箱2上部连接有过渡段塔架3，过渡段塔架3用于连接上部风电设备。在本发明的一种实施方式中，如图6所示，过渡段塔架3由三根相同的立柱31、若干支撑杆32、六根斜杆33构成，立柱31的数量应当与第一连接件28的数量相同。三根立柱31的底部分别位于三根第一连接件28的正上方，并与第一连接件28一一对应连接，三根立柱31均由下至上以相同的角度向基础结构中心倾斜。若干支撑杆32连接在每相邻两根立柱31之间，构成桁架式钢结构。每相邻两根立柱31之间设置有两根斜杆33，两根斜杆33上端连接在立柱31上，两根斜杆33下端交汇在一起并与第二连接件29(第二连接件29居中于两根相邻的第一连接件28)相连。

每根立柱21内部分别设置有气液管道、灌浆管道以及液面检测装置。气液管道由每根立柱21分别延伸至钢筒结构1的各个边舱内部，灌浆管道由每根立柱延伸至钢制浮箱2的各个区域内部。液面检测装置用于在拖航过程中通过观察立柱21内部液封后液体的液面高度变化，判断立柱21底部所对应钢筒结构1各边舱内的气压状态。

上述组合式复合筒浮箱基础结构的施工方法，具体按照如下步骤进行：

(1)陆上分舱结构的钢筒结构1、钢制浮箱2、过渡段塔架3后，将钢筒结构1与钢制浮箱2、过渡段塔架3进行焊接，完成组合式复合筒浮箱基础结构的组装。

(2)将组合式复合筒浮箱基础结构吊入水中，检查气密性，根据拖航要求利用过渡段塔架3的立柱31内部的气液管道从钢筒结构1的各个边舱中抽气或打气，调节钢筒结构1的吃水；最后过渡段塔架3的立柱31注水液封。

(3)将组合式复合筒浮箱基础结构进行浮运拖航；在浮运拖航的过程中，通过内部注水液封后的立柱21及其内部的液面检测设备，观察各个立柱21内部液封后液体的变化情况，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)将组合式复合筒浮箱基础结构运到指定海域后，先利用基础自重进行自重下沉，此过程中通过向钢制浮箱2内注水或抽水来调节基础结构的下沉速率。再利用立柱21内部的气液管道从钢筒结构1的各个边舱中抽水对基础结构进行负压下沉，下沉到指定位置；负压下沉过程中通过在上倾的钢筒结构1边舱增加抽水速率和/或在下倾的钢筒结构1边舱充气或充水，进行调平操作。

(5)下沉结束继续抽水，直至对钢筒结构1内部的土体进行加固；

(6)加固处理完成后，利用过渡段塔架3的立柱21内部的灌浆管道，向钢制浮箱2内部进行灌水处理或灌浆处理；

(7)灌水处理或灌浆处理处理完成后，吊装上部风电设备，进行水上安装，施工完成。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明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发明的启示下，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，这些均属于本发明的保护范围之内。