实现海上风力机桩基及出口悬空输电海缆防冲刷防护方法

本发明属于桩基防护，具体为实现海上风力机桩基及出口悬空输电海缆防冲刷防护方法。

背景技术：

1、海上风能由于其资源丰富，视觉污染和噪音污染较陆地风能小，近年来发展迅速。桩基基础作为海上固定式风力发电机组的必备支撑结构，其成本约为总成本的35％，因此桩基基础的安全防护尤为重要。研究表明，冲刷现象出现后桩基的极限横向承载力将会下降55％，弯矩将会增加48％～60％，对海上风力机的安全构成严重威胁。

2、海上风力机的冲刷坑主要由两部分组成，如图1所示，首先，来流水流到达桩基后，会在桩基正前方产生向下水流，即下降流。向下水流接触到海床表面时，将会反弹掏蚀桩基前方海床表面泥沙。反弹后的洋流与水平方向的洋流在桩基前汇合，并在桩基弧形表面的引导下，在桩基两侧产生马蹄型旋涡，马蹄型漩涡会不断掏蚀桩基两侧海床表面的泥沙。在桩基前方和两侧被掏蚀的泥沙会在水平方向流动的洋流的裹挟下离开原位，从而在桩基前方和两侧形成冲刷坑。同时，由于桩基正后方的洋流速度低而桩基两侧的洋流速度高，在桩基的后方的洋流会在水平横向剪切应力的作用下形成一对反向旋转的涡流，即桩后对旋涡流。在对旋涡流的旋转作用下，周围的泥沙会向桩基方向聚集，从而在冲刷早期短暂形成桩基后方泥沙的堆积现象。但这一泥沙堆积现象会随着冲刷坑的进一步形成和扩大而消失，并在桩基的后方也形成深度虽浅但尺寸更大的冲刷坑。同时，在洋流速度较大时，桩基后方的对旋涡流会发生周期性的脱落。脱落的对旋涡流也会大面积侵蚀在桩基后方的海床，带走海床表面泥沙，形成大尺寸冲刷坑。这些冲刷坑虽然会改变海床原貌，但由于距离桩基较远且深度较浅，通常不会对海上风力机桩基安全构成直接威胁。但由于桩基与海床接触面周围的冲刷坑深度很深，会直接威胁到风力机的结构安全。

3、为了解决上述冲刷问题，国内外众多学者设计出诸多防冲刷装置。但是这些装置防冲刷机理单一，造价普遍昂贵，施工难度大，增加了海上风力发电机组的运维成本，现场实现桩基冲刷防护效果却并不理想，且不具备对桩基出口悬空输电海揽的保护功能。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供实现海上风力机桩基及出口悬空输电海缆防冲刷防护方法，基于多种防冲刷机理，形成四层防护线，逐步削弱冲刷桩基的洋流能量，降低洋流对桩基底部海床的冲刷作用，防止冲刷坑的形成，实现对桩基的保护；在防冲刷的同时，实现了对桩基出口悬空输电海缆的保护，完全消除了海缆抖动的问题，消除海缆疲劳，提升了海缆的安全性；与桩基连接的框架部和碎石包结构增大了桩基的阻尼和刚度，降低了桩基振动，减轻了结构疲劳问题；用石料量少，节约材料和施工周期；水下施工少，成本低；易于维护，方便退役拆除；适用于不同情况的两种设计方案，方便用户根据需要自由选择；所述防护方法适用于任何海上风力机基础，包括单桩基础、重力基础、吸力筒基础、导管架基础、高桩平台基础等。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、实现海上风力机桩基及出口悬空输电海缆防冲刷防护方法，通过多层防线依次降低洋流对桩基和出口悬空输电海缆的冲刷作用，第一层防线通过碎石过滤吸能降低洋流在水平方向的流速实现，第二层防线通过碎石过滤吸能减弱或彻底消除桩基正前方下降流实现，第三层防线是在洋流穿过第一层和第二层防线后由低流速洋流自然建立的高压水墙实现，第四层防线通过铺设在桩基周围海床表面的碎石形成护底实现。

4、在桩基的长期服役过程中，第三层防线高压水墙中的泥沙颗粒或其它类型的海洋沉积物会在重力作用下沉积在第四层防线的护底表面，从而形成护底的自然生长，进一步强化第四层防线的护底功能。

5、作为上述技术方案的进一步改进：

6、第一层防线为框架前防护部，框架前防护部上有碎石之间的多个供洋流流过的不规则间隙

7、第三层防线为框架结构的框架部，被防护的桩基底端及海床表面碎石护底均位于框架部内。

8、框架前防护部包围框架部及框架底部边缘。

9、框架部的表面为倾斜面，所述倾斜面的一端连接桩基、另一端通过隔板支撑在海床上，所述倾斜面包围桩基的底端和其周围的碎石形成的护底。

10、框架前防护部包括多个碎石包，碎石包通过将多个碎石装在袋子里形成，海水能通过碎石间的不规则空隙流过碎石袋。

11、框架前防护部支撑在框架部的所述倾斜面上。

12、框架部外缘及底部支撑隔板下方设有众多耙钉，在结构重力作用下通过耙钉自然实现与海床的固定。

13、第四层防线为海床防护部，即海床护底。海床防护部铺设在桩基底部周围的海床上，海床防护部包围桩基和海床的连接处。

14、海床防护部由多个碎石组成。

15、本发明的有益效果是：形成四层防护线，基于多种机理，逐步削弱冲刷桩基的洋流能量，降低洋流对桩基底部的冲刷作用，防止冲刷坑的形成，实现对桩基的保护；在防冲刷的同时，实现了对出口悬空输电海缆的保护，完全消除了海缆抖动的问题，消除海缆疲劳，提升了海缆的安全性；框架部和碎石包结构增大了桩基的阻尼和刚度，降低了桩基振动，减轻了结构疲劳问题；用石料量少，节约材料和施工周期；水下施工少，成本低；易于维护，方便退役拆除；适用于不同情况的两种设计方案，方便用户根据需要自由选择；所述防护方法适用于任何海上风机基础，包括单桩基础、重力基础、吸力筒基础、导管架基础、高桩平台基础等。

技术特征：

1.实现海上风力机桩基及出口悬空输电海缆防冲刷防护方法，其特征在于，通过多层防线依次降低洋流对桩基和输电海缆(6)的冲刷作用，第一层防线通过碎石过滤吸能降低洋流在水平方向的流速实现，第二层防线通过碎石过滤吸能减弱或彻底消除桩基正前方下降流实现，第三层防线是在洋流穿过第一层防线和第二层防线后由低流速洋流自然建立的水墙实现，第四层防线通过铺设在桩基(4)周围海床(7)表面的碎石形成护底实现。

2.根据权利要求1所述的防护方法，其特征在于：第一层防线为框架前防护部，框架前防护部上有碎石之间的多个供洋流流过的不规则间隙。

3.根据权利要求2所述的防护方法，其特征在于：第三层防线为框架结构的框架部(2)，被防护的桩基(4)底端位于框架部(2)内。

4.根据权利要求3所述的防护方法，其特征在于：框架前防护部包围框架部(2)。

5.根据权利要求4所述的防护方法，其特征在于：框架部(2)的表面为倾斜面，所述倾斜面的一端连接桩基(4)、另一端支撑在海床(7)上，所述倾斜面包围桩基(4)的底端和其周围的碎石形成的护底。

6.根据权利要求5所述的防护方法，其特征在于：框架前防护部包括多个碎石包(11)，碎石包(11)通过将多个碎石装在袋子里形成，海水能通过袋中碎石间的空隙穿过碎石包(11)。

7.根据权利要求6所述的防护方法，其特征在于：框架前防护部支撑在框架部(2)的所述倾斜面上。

8.根据权利要求1所述的防护方法，其特征在于：碎石形成的所述护底为海床防护部(3)，海床防护部(3)支撑在桩基(4)底部的海床(7)上，海床防护部(3)包围桩基(4)和海床(7)的连接处。

技术总结
本发明提供了实现海上风力机桩基及出口悬空输电海缆防冲刷防护方法，第一层防线通过碎石过滤吸能降低洋流在水平方向的流速实现，第二层防线通过碎石过滤吸能减弱或彻底消除桩基正前方下降流实现，第三层防线是在洋流穿过第一层和第二层防线后由低流速洋流自然建立的高压水墙实现，第四层防线通过铺设在桩基周围海床表面的碎石形成护底实现。本发明通过利用多种防冲刷机理建立多层防线，利用多种防冲刷机理，逐步削弱冲刷桩基的洋流能量，实现对桩基的保护；同时实现对悬空海缆的保护，完全消除了海缆抖动的问题，提升了海缆的安全性；适用于任何海上风机基础，包括单桩基础、重力基础、吸力筒基础、导管架基础、高桩平台基础等。

技术研发人员：杨文献,魏克湘,杨博,周舟,何清波,宋晓萍,宁立伟
受保护的技术使用者：湖南工程学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15