一种海上风电吸力桩基础免灌浆顶板结构及其安装方法与流程

1.本发明涉及海上风电设备技术领域，特别是一种海上风电吸力桩基础免灌浆顶板结构及其安装方法。


背景技术：

2.和陆上风电相比，海上风电风资源储备丰富、发电稳定、电网接入便利。中国水深5-50米海域，100米高度海上风资源可开放量约5亿千瓦，拥有广阔的发展前景。
3.但同时受复杂海洋环境的影响，海上风电的建设难度也更大。目前常用的基础型式有重力式基础、单桩基础、多柱基础、吸力桩基础等。吸力桩基础能够适用于海底基岩埋藏浅、传统风电桩基础需海上嵌岩施工的海域，避免嵌岩桩施工工期长、风险高、造价高的问题；亦能够适用于海底淤泥层深厚、土体承载力低的区域，避免大直径单桩基础加工工艺要求高、产能不足、适用性不足的缺点；又因为吸力桩基础对施工窗口期要求低，能够有效缩短工程工期，近期得到了迅速的发展，国内外已有多个海上风电场采用该基础型式。
4.现有技术中的吸力桩基础吸力沉贯时，如图1与图2所示(箭号为水流方向) 由于水流一致向吸力泵口流，带动部分表层土体流动，吸力桩筒体内部上表面会在吸力泵附近产生局部隆起，或者海床面原来就不够平整，导致吸力桩顶板与内部土体不能有效接触，这会影响其上部荷载有效传递到基础土体。因此，沉贯完成后常常还需要进行二次灌浆作业，填充吸力桩顶板与土体间的空隙，提高施工安装成本。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种海上风电吸力桩基础免灌浆顶板结构，能够使吸力桩与内部土体有效接触，沉贯完成后无需进行灌浆作业。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种海上风电吸力桩基础免灌浆顶板结构，其特征在于：包括内部中空且下表面敞开的吸力桩筒体，所述吸力桩筒体的内部上端设置有一下层顶板，所述下层顶板上设置有吸力桩连接段，所述吸力桩连接段穿过所述吸力桩筒体的顶板并延伸至所述吸力桩筒体的上方，所述吸力桩连接段的上端设置有上部基础结构；所述下层顶板上以所述吸力桩连接段为中心环形阵列设置有若干隔板，所述隔板位于所述下层顶板与所述吸力桩筒体的顶板之间，所述隔板上开设有若干第一通水孔；所述下层顶板经所述隔板划分为通水区域与非通水区域，所述通水区域内开设有若干第二通水孔；所述吸力桩筒体的顶板上开设有用于安装吸力泵的吸力泵口，所述吸力泵口位于所述非通水区域上方。
7.进一步的，所述吸力桩连接段包括中心圆柱与加劲板，所述中心圆柱设置于所述下层顶板上，所述隔板位于所述中心圆柱的外周侧，所述中心圆柱的上端贯穿所述吸力桩筒体的顶板并延伸至所述吸力桩筒体的上方，所述中心圆柱的顶部与所述上部基础结构连接设置；所述吸力桩筒体的顶部以所述中心圆柱为中心环形阵列设置有所述加劲板。
8.进一步的，所述上部基础结构为大直径单桩或导管架，且所述上部基础结构与所
述吸力桩筒体的数量相同。
9.进一步的，所述下层顶板与所述吸力桩筒体连接构成密闭结构。
10.本发明的另一目的是提供一种能够便于工作人员更好的使用和安装海上风电吸力桩基础免灌浆顶板结构的方法。
11.一种海上风电吸力桩基础免灌浆顶板结构的安装方法，包括以下步骤：
12.步骤s1、制造时，将上部基础结构、吸力桩连接段、下层顶板、吸力桩筒体通过焊接连接成一整体，并完成其他附属构件加工及防腐涂层工作；
13.步骤s2、加工好后将上部基础结构和吸力桩筒体、吸力桩连接段、下层顶板整体运输至指定施工海域位置后，在吸力泵口安装智能化吸力泵；
14.步骤s3、吊装沉放到海床表面，在自重作用下完成吸力桩筒体初步沉贯，逐步释放吊具吊力；
15.步骤s4、海水通过第二通水孔进入各通水区域，再通过第一通水孔进入非通水区域，最后从吸力泵口通过吸力泵将海水抽出，形成内外压力差和渗流场；
16.步骤s5、沉贯到位后，继续施加负压，使吸力桩下层顶板充分接触海床面，
17.完成施工沉贯。
18.本发明的有益效果：本发明在装置中加入了下层顶板，同时在下层顶板与吸力桩筒的顶板之间通过隔板分成多个区域，除吸力泵口对应区域的下层顶板上的非通水区域外其余区域上均开设有第二通水孔，隔板上开设多个第一通水孔；吸力桩筒体自重下沉完成后，进入吸力下沉阶段，吸力桩筒体继续往下沉贯，直到沉贯到位，沉贯到位后，继续施加一定负压，使吸力桩下层顶板充分接触海床面，完成施工沉贯，由于不是单个吸力泵口直接抽水，而是通过下层顶板的竖第二通水孔抽水，整个负压沉贯时是均匀抽水，避免了吸力桩基础吸力沉贯过程中内部土体表面产生的局部隆起，同时下层顶板与吸力桩筒的顶板之间的空间可沉淀少量的流土，沉贯到位继续施压负压后，可消除下层顶板与海床面之间的空隙，保证充分接触，后续可有效传递荷载到海底，沉贯完成后无需进行灌浆作业，减小了施工工序，提高了施工效率，降低了建造成本。
附图说明
19.图1为现常规吸力桩立面结构图；
20.图2为常规吸力桩沉贯过程海水流向示意图；
21.图3为本发明立面结构示意图；
22.图4为本发明负压沉贯过程内部海水流向示意图；
23.图5为本发明的俯视图；
24.图6为所述下层顶板的俯视图；
25.图7为吸力桩导管架基础结构整体布置图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明做进一步说明。
27.请参阅图3至图7，本发明提供了一实施例：一种海上风电吸力桩基础免灌浆顶板结构，包括内部中空且下表面敞开的吸力桩筒体1，所述吸力桩筒体1的内部上端设置有一
下层顶板2，所述下层顶板2上设置有吸力桩连接段3，所述吸力桩连接段3穿过所述吸力桩筒体1的顶板并延伸至所述吸力桩筒体1的上方，所述吸力桩连接段3的上端设置有上部基础结构4；所述下层顶板2上以所述吸力桩连接段3为中心环形阵列设置有若干隔板5，所述隔板5位于所述下层顶板2与所述吸力桩筒体1的顶板之间，所述隔板5上开设有若干第一通水孔6；所述下层顶板2经所述隔板5划分为通水区域7与非通水区域8，所述通水区域7 内开设有若干第二通水孔9；所述吸力桩筒体1的顶板上开设有用于安装吸力泵的吸力泵口10，所述吸力泵口10位于所述非通水区域8上方。上部基础结构4 和吸力桩筒体1均为钢结构，吸力桩筒体1的顶板与下层顶板2的间距可根据吸力桩尺寸和所需抽吸负压调整，吸力泵口10可根据施工沉贯的吸力泵要求设置其型式，多个吸力桩筒体1上的吸力泵口10之间也可通过管道连接合并成一个吸力出口，减少所需吸力泵的数量；现场施工时，吸力桩筒体1在自重下沉完成后，通过安装在吸力泵口10上的吸力泵进行负压吸力沉贯阶段，在内外压差作用下吸力桩筒体1继续往下沉贯，直到沉贯到位，沉贯到位后，继续施加一定负压，使下层顶板2充分接触海床面，完成施工沉贯。图4中箭头表示水流方向，由于不是单个吸力泵口10直接抽水，通过下层顶板2的第二通水孔9抽水，整个负压沉贯时是均匀抽水，避免了吸力桩基础吸力沉贯过程中内部土体表面产生的局部隆起(图1所示)，同时下层顶板2与吸力桩筒体1的顶板之间的空间可沉淀少量的流土，沉贯到位继续施压负压后，可消除下层顶板2与海床面之间的空隙，保证充分接触，后续可有效传递荷载到海底，常规吸力桩基础沉贯完成后顶板与海床面的空隙不能有效传递荷载，需进行二次灌浆作业。
28.请继续参阅图4与图5所示，本发明一实施例中，所述吸力桩连接段3包括中心圆柱31与加劲板32，所述中心圆柱31设置于所述下层顶板2上，所述隔板5位于所述中心圆柱31的外周侧，所述中心圆柱31的上端贯穿所述吸力桩筒体1的顶板并延伸至所述吸力桩筒体1的上方，所述中心圆柱31的顶部与所述上部基础结构4连接设置；所述吸力桩筒体1的顶部以所述中心圆柱31为中心环形阵列设置有所述加劲板32。加劲板32数量和型式可根据吸力桩受力和尺寸大小采用不同方案
29.请继续参阅图3至图6所示，本发明一实施例中，所述上部基础结构4为大直径单桩或导管架，且所述上部基础结构4与所述吸力桩筒体1的数量相同。上部连接结构可竖直或倾斜一定角度与吸力桩连接段3连接，上部基础结构4与吸力桩连接段3之间通过螺栓连接、焊接或铆接的方式固定连接
30.请继续参阅图3所示，本发明一实施例中，所述下层顶板2与所述吸力桩筒体1连接构成密闭结构。
31.实施例一
32.如图3至图7所示，上部基础结构4为三腿导管架型式，上部基础结构4 与吸力桩连接段3相连，吸力桩筒体1的数量与上部导管架基础结构的主腿数量一致，吸力桩筒体1的顶板和下层顶板2之间设置有多个隔板5，将吸力桩筒体1的顶板和下层顶板2之间的空间分隔成多个区域，所述吸力桩筒体1与基础中心距离完全一样。
33.上部基础结构4与吸力桩筒体1等各部分材质均为钢材，各部分之间均通过焊接连成整体，吸力桩筒体1形状为下端开口上端封闭的圆柱体，吸力桩筒体1 的顶板上设置有吸力泵口10，下层顶板2除与吸力泵口10相对的非通水区域8 外的其他区域开设有多个第一通水孔6和隔板5开设有多个第二通水孔9。
34.一种海上风电吸力桩基础免灌浆顶板结构的安装方法，包括以下步骤：
35.步骤s1、制造时，将上部基础结构、吸力桩连接段、下层顶板、吸力桩筒体通过焊接连接成一整体，并完成其他附属构件加工及防腐涂层工作；
36.步骤s2、加工好后将上部基础结构和吸力桩筒体、吸力桩连接段、下层顶板整体运输至指定施工海域位置后，在吸力泵口安装智能化吸力泵；
37.步骤s3、吊装沉放到海床表面，在自重作用下完成吸力桩筒体初步沉贯，逐步释放吊具吊力；
38.步骤s4、海水通过第二通水孔进入各通水区域，再通过第一通水孔进入非通水区域，最后从吸力泵口通过吸力泵将海水抽出，形成内外压力差和渗流场；
39.步骤s5、沉贯到位后，继续施加负压，使吸力桩下层顶板充分接触海床面，
40.完成施工沉贯。
41.本发明中的上部基础结构为现有技术，本领域中的技术人员已经能够清楚了解，在此不进行详细说明。
42.以上所述仅为本发明的较佳实施例，不能理解为对本技术的限制，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。