一种适用于海上风电筒型基础的水上预制装置及方法

1.本发明涉及海上风电技术领域，尤其是一种适用于海上风电筒型基础的水上预制装置及方法。


背景技术：

2.近年来，全球海上风电的规模化开发速度明显加快。欧洲之外，中国迅速成为新的增长引擎。根据国家能源局统计，2019年，我国新增海上风电装机198万千瓦，累计装机容量达到593万千瓦。当前，我国海上风电依然处于规模化开发的初期，为了进一步贯彻落实平价上网的目标，未来我国海上风电必将向深海、大容量、低成本方向发展。
3.相对于陆上风电，海上风电技术的主要难点在于基础结构的稳定。目前，除了常见的单桩基础、多桩承台、导管架等结构，工程人员还开发了更加稳定的筒型基础结构，这类结构的优势在于即不需要深土的承载力，也对表层土没有很高的要求，其成本低廉且施工速度快，海上作业窗口期短。未来，考虑到进一步降低成本，提高吊装、浮运的安全性能及基础运行的承载性能，筒型基础结构逐步由钢筒向混凝土筒发展，而结构形式逐渐由圆形向多边形发展。
4.目前，筒型基础的预制都在港口岸边预制完成。然而，随着混凝土制筒形基础的开发实施，其结构总重将大大增加，陆上预制无配套装备下水，因此需要考虑水上预制，使得基础可在目标海域快速预制、安装，提升效率，并进一步降低成本。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种适用于海上风电筒型基础的水上预制装置及方法，可实现六边形筒型基础结构的快速预制，且可实现预制装置在不同海域的重复利用。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种适用于海上风电筒型基础的水上预制装置，包括预制平台、大浮箱、预制底座、筒壁外钢膜、筒壁内钢膜、浇筑隔仓板、小浮箱和缆绳；所述预制平台为内部中空的钢制方箱结构，所述预制平台的中部嵌入设置有一圈六边形混凝土结构的预制底座；预制平台的四角分别设置有所述大浮箱，所述大浮箱为内部中空的长方体结构，大浮箱内设有供施工人员工作的设施；所述筒壁外钢膜、筒壁内钢膜及浇筑隔仓板均为模块化结构；浇筑六边形筒型基础前，在预制底座上部架设筒壁外钢膜和筒壁内钢膜；筒壁外钢膜和筒壁内钢膜之间设有所述浇筑隔仓板；所述小浮箱通过所述缆绳设置于筒壁外钢膜的外表面用于提供浮力以转移六边形筒型基础。
8.进一步的，所述预制平台的长和宽均为40～50m，高度为1～2m。
9.进一步的，所述预制底座的外轮廓与需要预制的最大六边形筒型基础外轮廓一致，预制底座的内轮廓与需要预制的最小六边形筒型基础的内轮廓一致。
10.进一步的，所述小浮箱共设置6个，每个六边形筒形基础的筒壁各一个。
11.进一步的，所述筒壁内钢膜还设置有六边形立柱，六边形立柱与筒壁内钢膜之间通过分仓板连接。
12.此外本发明还一种适用于海上风电筒型基础的水上预制方法，包括以下步骤：
13.(1)通过预制平台预制沉垫，沉垫为实心混凝土结构；当到达预制地点后，将沉垫逐一漂浮，并下沉至指定位置；
14.(2)浇筑六边形筒型基础前，根据设计的六边形筒型基础选择匹配的筒壁外钢膜、筒壁内钢膜、浇筑隔仓板，并进行组装、焊接；筒壁内钢膜内架设分仓板及六边形立柱并进行焊接；随后进行混凝土浇筑；
15.(3)在浇筑过程中，根据实时浇筑重量，向大浮箱中充水或排水，调节大浮箱所提供的浮力，使得预制平台处于合适的高度，便于浇筑施工；
16.(4)当浇筑重量达到预制平台所能提供的最大浮力或达到指定高度后，利用缆绳将小浮箱与六边形筒型基础的筒壁相连，为筒壁提供浮力，使其漂浮；
17.(5)将筒壁漂浮至沉垫位置后下沉，筒壁稳定坐落在沉垫上后，继续浇筑完成筒壁的剩余浇筑工作，进行养护；随后在筒壁之上继续浇筑筒顶盖，形成封闭筒仓；
18.(6)完成筒顶盖浇筑后，继续在筒顶盖上浇筑过渡段实现六边形筒型基础的预制；
19.(7)对预制完成后的六边形筒型基础内部打气，浮运至指定地点进行沉放；所有六边形筒型基础预制完成后，将沉垫浮起，并逐一放置在预制平台之上；将预制装置整体回收。
20.进一步的，步骤(6)中浇筑过渡段的时间为2～3个月，在这期间向封闭筒仓内打气或排气，以提供适当的顶托力，保护沉垫不受过大的载重而破坏。
21.与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
22.1.本发明预制装置采用预制平台、沉垫配合的方式实现六边形筒型基础结构的两阶段快速预制，并可重复利用。首先，采用预制平台先完成六边形筒型基础筒壁的大部分浇筑工作，最后移至沉垫完成剩余的筒壁浇筑及后期养护，一般筒型基础筒壁浇筑仅需20天～1个月，而其上部过渡段浇筑需2～3个月，将筒壁与上部顶盖及过渡段分阶段分地点浇筑，可实现多个筒形基础结构施工的无缝衔接，极大地提高施工效率。
23.2.预制装置上设置大浮箱，既可保证装置浮运与下沉过程的稳定性，提供较大的回复力矩；同时，大浮箱内部可入住施工人员，并放置必要的施工设备。
24.3.采用的筒壁外钢膜、筒壁内钢膜及浇筑隔仓板均为模块化结构，拼装快捷，且拼装、焊接后形成整体，浇筑前结构稳定，浇筑后还可进一步加强筒壁强度与抗腐蚀能力，一举多得。
25.4.小浮箱可在筒壁由预制平台向沉垫转移时提供浮力，为下一个筒形基础的浇筑施工腾出施工场地；此外，该装置结构极其简单，设计与施工单独不大，且可重复利用，具有良好的运用前景。
附图说明
26.图1是在预制平台上进行沉垫预制的结构示意图；
27.图2是沉垫转移后预制平台的结构示意图；
28.图3是在预制平台上进行六边形筒型基础的模板架设后的结构示意图；
29.图4是六边形筒型基础部分浇筑成型后的结构示意图；
30.图5是对部分浇筑成型后的筒壁结构移动至沉垫的过程示意图；
31.图6是部分浇筑成型后的筒壁结构移动至养护沉垫后的状态示意图；
32.图7是六边形筒型基础的筒壁浇筑完毕后的示意图；
33.图8是六边形筒型基础整体浇筑完毕后的结构示意图。
34.附图标记：1
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预制平台；2
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大浮箱；3
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预制底座；4
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沉垫；5
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筒壁外钢膜；6
‑
筒壁内钢膜；7
‑
浇筑隔仓板；8
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分仓板；9
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小浮箱；10
‑
缆绳；11
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筒壁；12
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筒顶盖；13
‑
过渡段。
具体实施方式
35.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
36.如图1至图8所示，本发明提供一种适用于海上风电筒型基础的水上预制装置，由预制平台1、大浮箱2、预制底座3、沉垫4、筒壁外钢膜5、筒壁内钢膜6、浇筑隔仓板7、分仓板8、小浮箱9、缆绳10构成。其中，本实施例中预制平台1为内部中空的钢制方箱结构，其长、宽均为50m，高度1.2m，可通过向预制平台内部充水或排水来调节其在浮沉过程中的整体稳定性；预制平台1四角分别布置长方体的大浮箱2，大浮箱截面边长、宽分别为7.8m、6m，高度12m，可根据目标海域水深条件改变大浮箱高度；大浮箱2中空，可通过向大浮箱2内部充水或排水来调节其所能提供的浮力；大浮箱2的设定在提供浮力的同时还可保证预制平台下沉过程中倾斜时提供足够的回复力，保证水上预制过程的浮稳性；大浮箱2内部可入住施工人员，并放置浮运、下沉、预制、浇筑、养护等设备。
37.本实施例中大浮箱2与预制平台1总重1200t，大浮箱2与预制平台1漂浮状态的临界承载为1500t；预制平台中部设置一圈六边形的预制底座，预制底座为混凝土结构，嵌入到预制沉垫当中；预制底座的外轮廓与需要预制的最大六边形筒型基础外轮廓一致，对边距离40m；内轮廓与需要预制的最小六边形筒型基础内轮廓一致，对边距离30m；预制的沉垫4为混凝土实心结构，平面尺寸为45m x 45，数量根据实际预制需求进行调整，一般为2～4个。
38.浇筑时，在预制底座上部架设筒壁外钢膜5、筒壁内钢膜6及浇筑隔仓板7；筒壁外钢膜5、筒壁内钢膜6及浇筑隔仓板7均为模块化结构；浇筑隔仓板7设置18个。筒壁内钢膜6内部设有中空的六边形立柱，六边形立柱与筒壁内钢膜之间通过分仓板连接，共设置6个分仓板。浇筑到8～8.5m高度左右时，浇筑重量约1100t，此时通过缆绳10将小浮箱9连在筒壁上，小浮箱9截面尺寸为15m x 2m，高度8m，数量6个，每吃水1m可提供浮力为180t，下沉8m共可提供1440t浮力；扣除小浮箱9自身总重量300t，剩余浮力恰好可将1100t重量的筒壁浮起并由预制平台转移至沉垫4；随后在筒壁之上继续浇筑筒顶盖12，形成封闭筒仓；完成筒顶盖浇筑后，继续在筒顶盖上浇筑过渡段13，施工过程中由于海水潮位变化、浇筑重量的变化等，需向封闭筒仓内打气或排气，以提供适当的顶托力，保护沉垫不受过大的载重而破坏。本实施例中打气孔设置在顶盖上，即顶盖浇筑完成后，筒型基础就变成了类似开口朝下盖在水中的结构，此时从顶盖向各个封闭仓筒内打气可提供一定的气压顶托作用；在筒型基础预制完成后，通过对其内部打气，使筒型基础漂浮并浮运至指定地点进行沉放安装等后续施工；所有筒型基础预制完成后，将沉垫浮起，并逐一罗列在预制平台之上；将整体装置
回收。
39.本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做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。