海上风电负压桶防冲刷和水平度调整装置及其运作方法

1.本发明涉及水下滑翔机技术领域，尤其是涉及海上风电负压桶防冲刷和水平度调整装置及其运作方法。


背景技术：

2.海上风能资源丰富，海上风机的发展也得到大力支持,负压桶基础在国内外海上工程中广为利用。
3.负压桶基础可事先在陆地上预制好基础，再拖到安装海域，该基础不需要打桩，施工速度快，有效利用海上施工作业窗口期。
4.负压桶基础安装时抽气下沉，故对桶体的下沉控制要求较高。在负压下沉过程中，桶内外将产生水压差，引起土体渗流，但过大的渗流会导致桶内土体液化或者流动，从而发生结构倾斜。在一些海域，水流冲刷对负压桶的影响很大，也有可能发生结构倾斜。
5.某沿海海域，在海上风机负压桶沉放结束后，由于受到水流的冲刷以及施工过程中存在的误差的影响，其负压桶桶顶水平度偏差不符合桩顶水平度允许偏差，采用诸多补救措施也没能达到桩顶水平度允许偏差，使吸力桶基础始终承受较大的偏心荷载，最后致使在该海域有两台海上风机发生倒塌，造成严重损失。


技术实现要素：

6.发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种海上风电负压桶防冲刷和水平度调整装置，解决水流冲刷和施工过程中负压桶发生倾斜等问题，避免倒塌事故再次发生。并提供了其运作方法。
7.技术方案：一种海上风电负压桶防冲刷和水平度调整装置，包括负压桶、下沉倾斜检测机构、防水流冲刷机构、水平度调整机构、控制系统、塔筒、对接管，下沉倾斜检测机构安装于负压桶内部并将其内部划分为多个独立隔舱，两者构成的整体置于防水流冲刷机构内部，三者同轴设置，塔筒封盖三者上方并固定，控制系统安装于塔筒上，负压桶的外壁与防水流冲刷机构固定，负压桶内部的每个隔舱中分别设有一个水平度调整机构，每个水平度调整机构分别与下沉倾斜检测机构连接，每个隔舱匹配有一个对接管，对接管垂直间隔穿设安装于塔筒上并通向对应的隔舱，每个对接管分别连接抽气泵，抽气泵、下沉倾斜检测机构、水平度调整机构分别与控制系统信号连接。
8.本装置能够在负压桶下沉过程中防止倾斜，提高施工精度；负压桶下沉后受到水流冲刷时能够抵抗侧向荷载，减少水流冲刷的危害；负压桶倾斜后桶顶水平度不满足要求时能够用有效方法来解决问题，进行纠正。
9.进一步的，下沉倾斜检测机构包括支撑组件、矩形隔舱板、圆形隔舱板、横撑、梯形台、土体位移检测件，圆形隔舱板置于负压桶中部，其底端与负压桶同轴固定，将负压桶中部划为一个圆形的独立隔舱，矩形隔舱板在圆形隔舱板与负压桶之间间隔设有六块，将两者之间的环形墙体等分为六个扇形的独立隔舱，矩形隔舱板的两侧边分别与圆形隔舱板外
壁、负压桶内壁固定，每个隔舱中设有一个支撑组件，支撑组件由六块矩形钢板依次焊接构成的六边形筒状结构，其外周壁分别与矩形隔舱板、圆形隔舱板外壁、负压桶内壁固定，每个矩形钢板朝内侧的上部设有一个梯形台，土体位移检测件通过横撑安装于梯形台上，水平度调整机构设置于支撑组件内并与六个梯形台依次连接。
10.进一步的，土体位移检测件包括激光发射器、激光接收器，分别安装于插片的一端上，横撑固定于梯形台内，其上设有凹槽，凹槽的其中一内侧面上通过多个上锁紧弹簧间隔安装有多个卡块一，另一内侧面上通过多个下锁紧弹簧间隔安装有多个卡块二，插片的相对两侧分别对应设有多个缺口，插片插入凹槽中并通过卡块一、卡块二卡接于横撑上，激光发射器、激光接收器分别与控制系统信号连接。
11.进一步的，防水流冲刷机构包括外部套桶、侧隔板、下肋板，负压桶同轴放置于外部套桶内，两者之间具有空心区，负压桶的外壁与外部套桶的内壁通过多个间隔设置的侧隔板固定，下肋板为环状结构，其截面为等腰直角三角形，外部套桶的内桶底边沿设有一圈倾斜45
°
凸起，下肋板的斜边与外部套桶的底部固定，两直角边分别与多个侧隔板底边、负压桶的外壁固定，外部套桶的外周面上间隔分布有多个孔洞，空心区内填充与桶外级配相同的砂子和碎石的混合物。
12.孔洞与空心区内填充物是经过工程地质勘探出来与周围土体级配相同的砂子，并辅以一定量的石块来保证砂子的有效填充，避免从孔洞中流出。
13.最佳的，负压桶与外部套桶之间的间距为0.5～0.55m。
14.进一步的，水平度调整机构包括圆平板、转动杆、转动轴一、转动轴二、连接杆、液压杆、支撑架，圆平板设置于负压桶的上部并靠近塔筒，圆平板的周向间隔设有多个转动杆，转动杆的一端通过转动轴一与圆平板的外周面铰接，另一端通过转动轴二分别铰接有一个连接杆，每个连接杆分别与一个液压杆连接，每个液压杆分别通过一个支撑架安装于下沉倾斜检测机构上，液压杆与控制系统信号连接。
15.最佳的，水平度调整机构还包括方向限制器、缓冲橡胶，方向限制器包括两个限位块，在转动杆与连接杆的连接处相对平行间隔安装于转动杆端部的上侧，连接杆对应端部的上侧固定有缓冲橡胶，两个限位块的侧面分别与缓冲橡胶抵合。
16.方向限制器是限制转动杆向上转动的装置，限位块为两条直角边和一段圆弧组成的三边形块状结构，当转动杆有向上的转动趋势时，焊接的方向限制器会挤压连接杆上面贴的缓冲橡胶，使转动杆无法向上转动；为了使圆平板在受到液压杆液压时更好的向下运动，可以给转动杆一个向下旋转小角度再焊接方向限制器。
17.一种上述的海上风电负压桶防冲刷和水平度调整装置的运作方法，包括以下步骤：
18.步骤一：抽气泵通过对接管对各隔舱进行抽气，使负压桶的桶内形成负压，负压桶开始施工下沉，下沉倾斜检测机构开始检测，控制系统先通过下沉倾斜检测机构的反馈信息计算出扇形隔舱内的土体距桶顶位移平均值，然后通过每个隔舱距桶顶位移的差值来调整整个负压桶在下沉过程中的位移，使负压桶在下沉过程中满足要求，防止在下沉过程发生倾斜；
19.步骤二：下沉完成后，当负压桶受到水流的冲刷时，通过防水流冲刷机构增加负压桶周边的桩侧摩擦力，提高负压桶的水平承载力，同时，防水流冲刷机构抵消水流的部分波
浪力，装置外部的砂子可以在水流的冲刷下流入防水流冲刷机构中，保持自重，使负压桶不会被水流冲走；
20.步骤三：负压桶到达指定位置后，当发现桶顶的水平度不满足要求时，通过控制系统对水平度调整机构发出指令，对应的隔舱上的水平度调整机构接收指令，对负压桶内的填充物进行挤压，通过作用力与反作用力来调节负压桶顶水平度在误差允许范围内，消除负压桶基础受到的偏心载荷。
21.有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：
22.1.能够避免负压桶在下沉过程中发生倾斜，确保下沉过程中桶体位移不会出现较大的偏差，提高施工过程的精度。
23.2.在负压桶沉放结束后，能够抵抗因水流等冲刷而产生的侧向荷载和倾覆力矩，加固桶周围的砂子，避免因水流冲刷而使负压桶发生倾斜。
24.3.负压桶若出现倾斜，在水平度上不满足设计要求，通过液压装置下压调节扇形隔舱内圆平板的位移，使桶顶端水平度满足要求，充分考虑了施工和使用过程中存在的问题。
附图说明
25.图1是本发明的立体结构示意图；
26.图2是本发明内部结构俯视图；
27.图3是梯形台的连接结构示意图；
28.图4是土体位移检测件安装结构示意图；
29.图5是土体位移检测件在各个隔舱布置图；
30.图6是土体位移检测件下沉过程检测流程图；
31.图7是外部套桶连接结构示意图；
32.图8是水平度调整机构结构示意图；
33.图9是方向限制器与缓冲橡胶分散结构示意图；
34.图10是方向限制器与缓冲橡胶抵合结构示意图；
35.图11是本发明的爆炸图。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
37.本发明公开了一种海上风电负压桶防冲刷和水平度调整装置，如图1、11所述，包括下沉倾斜检测机构1、防水流冲刷机构2、水平度调整机构3、控制系统4、塔筒5和对接管6。对接管6是与海上风机作业下沉时抽气泵对接进行抽气的装置。控制系统4位于塔筒5内部。下沉倾斜检测机构1安装于负压桶1-1内部并将其内部划分为多个独立隔舱，两者构成的整体置于防水流冲刷机构2内部，三者同轴设置，塔筒5封盖三者上方并固定，负压桶1-1的外壁与防水流冲刷机构2固定，负压桶1-1内部的每个隔舱中分别设有一个水平度调整机构3，每个水平度调整机构3分别与下沉倾斜检测机构1连接，每个隔舱匹配有一个对接管6，对接管6垂直间隔穿设安装于塔筒5上并通向对应的隔舱，每个对接管6分别连接抽气泵，抽气
泵、下沉倾斜检测机构1、水平度调整机构3分别与控制系统4信号连接。
38.如图2和图3所示，下沉倾斜检测机构1包括支撑组件1-2、矩形隔舱板1-3、圆形隔舱板1-4、横撑1-5、梯形台1-6、土体位移检测件1-7，圆形隔舱板1-4置于负压桶1-1中部，其底端与负压桶1-1同轴固定，将负压桶1-1中部划为一个圆形的独立隔舱，矩形隔舱板1-3在圆形隔舱板1-4与负压桶1-1之间间隔设有六块，将两者之间的环形墙体等分为六个扇形的独立隔舱，矩形隔舱板1-3的两侧边分别与圆形隔舱板1-4外壁、负压桶1-1内壁固定，每个隔舱中设有一个支撑组件1-2，支撑组件1-2为六块矩形钢板相互焊接呈六边形放置，与负压桶1-1的顶面进行焊接，且与负压桶1-1侧面、矩形侧隔板1-3侧面、圆形侧隔板1-4侧面进行焊接，在支撑组件1-2的每块矩形钢板上都焊有一个梯形台1-6，梯形台1-6上焊有一横撑1-5，横撑1-5上通过弹性锁紧装置安装一个土体位移检测件1-7。
39.如图4所示，土体位移检测件1-7包括激光发射器1-7-3、激光接收器1-7-4，分别安装于插片的一端上，横撑1-5固定于梯形台1-6内，其上设有凹槽，凹槽的其中一内侧面上通过多个上锁紧弹簧1-7-1间隔安装有多个卡块一，另一内侧面上通过多个下锁紧弹簧1-7-2间隔安装有多个卡块二，插片的相对两侧分别对应设有多个缺口，插片插入凹槽中并通过卡块一、卡块二卡接于横撑1-5上，激光发射器1-7-3、激光接收器1-7-4分别与控制系统4信号连接。横撑1-5内凸起的部位可以通过上锁紧弹簧1-7-1和下锁紧弹簧1-7-2进行上下移动，土体位移检测件1-7上有与之对应的凹陷部位，在土体位移检测件1-7的顶端有激光发射器1-7-3和激光接收器1-7-4。工作方式如下：土体位移检测件1-7向横撑1-5上安装，向里滑动时可以顶开圆形凸起部位，安装完成后上锁紧弹簧1-7-1和下锁紧弹簧1-7-2会弹出凸起部位，方形凸起的一侧会锁紧土体位移检测件1-7，在下沉时可以通过土体位移检测件1-7前端的激光发射器1-7-3和激光接收器1-7-4来进行记录数据。
40.如图5和图6所示，土体位移检测件1-7与控制系统4连接，六个扇形隔舱分别记为a、b、c、d、e、f，在控制系统内分别对扇形隔舱以及扇形隔舱内的土体位移检测件1-7进行具体标号：在扇形隔舱a中对应土体位移检测件1-7具体标号为1-7-a1、1-7-a2、1-7-a3、1-7-a4、1-7-a5、1-7-a6；在扇形隔舱b中对应土体位移检测件1-7具体标号为1-7-b1、1-7-b2、1-7-b3、1-7-b4、1-7-b5、1-7-b6；在扇形隔舱c中对应土体位移检测件1-7具体标号为1-7-c1、1-7-c2、1-7-c3、1-7-c4、1-7-c5、1-7-c6；在扇形隔舱d中对应土体位移检测件1-7具体标号为1-7-d1、1-7-d2、1-7-d3、1-7-d4、1-7-d5、1-7-d6；在扇形隔舱e中对应土体位移检测件1-7具体标号为1-7-e1、1-7-e2、1-7-e3、1-7-e4、1-7-e5、1-7-e6；在扇形隔舱f中对应土体位移检测件1-7具体标号为1-7-f1、1-7-f2、1-7-f3、1-7-f4、1-7-f5、1-7-f6；。其工作方式如下：当海上风机进行下沉时，先通过六个扇形隔舱内对接管6与抽气泵连接，通过抽气使负压桶1-1的桶内形成负压进行下沉，此时控制系统4先分别测得每个扇形隔舱内的土体位移检测件1-7的位移，例如在扇形隔舱a中，测得隔舱内各个土体位移检测件的位移为1-7-a1、1-7-a2、1-7-a3、1-7-a4、1-7-a5、1-7-a6，通过控制系统4内计算出扇形隔舱内土体距桶顶位移的均值1-7-a，同理可在控制系统4中求得b、c、d、e、f隔舱内土体距桶顶位移的均值1-7-b、1-7-c、1-7-d、1-7-e、1-7-f并记录，在下沉过程中控制系统4会不定时测量各个隔舱内土体距桶顶的位移的均值，并比较记录的六个位移均值之间是否有较大的差别，若比较后结果一致，则证明下沉过程中负压桶1-1，没有发生倾斜；若比较后结果相差较大，则通过所对应的每个隔舱内对接管4所对接的抽气泵调节负压来控制下降速度、位移，控制系统4通
过土体位移检测件1-7在下沉过程中的实时检测，来保证整个负压桶在下降过程中不会发生倾斜。
41.防水流冲刷机构2包括外部套桶2-1、侧隔板2-2、下肋板2-4，负压桶1-1同轴放置于外部套桶2-1内，两者之间具有空心区2-3，负压桶1-1的外壁与外部套桶2-1的内壁通过多个间隔设置的侧隔板2-2固定，下肋板2-4为环状结构，其截面为等腰直角三角形，外部套桶2-1的内桶底边沿设有一圈倾斜45
°
凸起，下肋板2-4的斜边与外部套桶2-1的底部固定，两直角边分别与多个侧隔板2-2底边、负压桶1-1的外壁固定，外部套桶2-1的外周面上间隔分布有多个孔洞，空心区2-3内填充与桶外级配相同的砂子和碎石的混合物。
42.结合图1和图2，负压桶1-1通过矩形侧隔板1-3与圆形侧隔板1-4将负压桶分为7个隔舱，包括6个扇形隔舱和1个圆形隔舱。在距离负压桶1-1外、周向间隔0.5～0.55m的位置设置了一个外部套桶2-1，外部套桶2-1的结构为上端开口，底部封闭，在侧壁上开有诸多圆形小孔。
43.结合图2和图7，外部套桶2-1的侧面和负压桶1-1的侧面通过侧隔板2-2进行焊接连接，外部套桶2-1的底部与下肋板2-4的斜边焊接，下肋板2-4的直角边一端焊接在侧隔板2-2上，一端焊接在负压桶1-1上，在外部套桶2-1和负压桶1-1之间的区域称之为空白区2-3，空白区2-3会填充级配相同的砂子。底部做成45
°
斜向链接，可减小负压桶1-1在入泥过程中的阻力，提高负压桶在入泥过程中的速度，降低外部套桶2-1对负压桶1-1入泥时的影响。其工作原理如下：外部套桶2-1侧面开有诸多孔洞，空白区2-3里面填充级配相同的砂石，当负压桶1-1开始受到水流冲刷时，孔洞和空白区2-3的砂石会抵抗水流的冲刷，提高侧向荷载承载力；外部套桶2-1周围的砂子可通过侧面孔洞进入侧壁之间，加固桶与土体周围的砂子；外部套桶2-1上的孔洞增加了土与桶体之间的摩擦，提高桶与周围土体侧向摩阻力。
44.如图8所示，水平度调整机构3包括圆平板3-1、转动杆3-2、转动轴一3-3、转动轴二3-4、连接杆3-5、液压杆3-6、支撑架3-7、方向限制器3-2-1、缓冲橡胶3-2-2，圆平板3-1通过转动轴一3-3与转动杆3-2进行连接，转动杆3-2通过转动轴二3-4与连接杆3-5进行连接，连接杆3-5焊接到液压杆3-6顶端，液压杆3-6套在支撑架3-7上并进行焊接，支撑架3-7直接焊接到梯形台1-6上。
45.如图9、图10所示，转动杆3-2上靠近负压桶1-1顶端焊有一方向限制器3-2-1，方向限制器3-2-1是防止转动杆向上转动，并给转动杆3-2-1一个初始向下的角度，使圆平板3-1更容易向下运动，在方向限制器3-2-1与连接杆3-5连接的位置贴了缓冲橡胶3-2-2，保护方向限制器3-2-1，避免受到过大的挤压。其工作方式：在负压桶1-1沉降结束后，使用水准仪测量桩顶水平度，若水平度满足要求，则土体位移检测件1-7测量位移并在控制系统4中记录数据，若水准仪测量的水平度不满足要求时，控制系统4通过控制各个扇形隔舱内液压杆3-6液压，连接杆3-5被推动，然后转动杆3-2绕着转动轴二3-4向下转动，转动轴一3-3处的圆平板3-1开始向下挤压土体，通过圆平板3-1与土体的相互作用力，调整负压桶的倾斜，使其水平度满足要求，土体位移检测件1-7测量土体据桶顶的位移，并在控制系统4中记录此时的数据，此后土体位移检测件1-7实时检测土体到桶顶的位移并与之前记录在控制系统4中的数据作对比，如果出现偏差，控制系统4及时控制液压杆3-6进行调整，使其不要受到过大的偏心载荷而使风机发生倒塌。
46.上述的海上风电负压桶防冲刷和水平度调整装置的运作方法，包括以下步骤：
47.步骤一：当负压桶开始施工下沉时，土体位移检测件开始检测，控制系统先通过土体位移检测件计算出扇形隔舱内的土体距桶顶位移平均值，然后通过六个扇形隔舱距桶顶位移的差值来调整整个负压桶在下沉过程中的位移，使负压桶在下沉过程中满足要求，防止在下沉过程发生倾斜。
48.步骤二：在下沉结束后，外部套筒与负压桶之间填充勘查工程地质所得到与土层级配相同的砂子，当负压桶受到水流的冲刷时，一方面多孔洞的外部套筒增加了桶周边的桩侧摩擦力，提高桶的水平承载力，另一方面多孔洞外部套筒能够依靠孔洞抵消水流的部分波浪力，空白区的砂子也可以减少水流对桶的冲刷，当水流被桶冲刷时，套筒外面的部分砂子会通过孔洞进入空白区，使负压桶周围的砂子始终保持一定的量，不会被水流冲走
49.步骤三：在沉降结束后，若发现桶顶的水平度不满足要求时，通过控制中心对液压装置实施液压指令，液压杆推动连接杆向水平方向移动，转动杆通过转动轴转动，圆平板会进行下移，通过土与圆平板之间的作用力与反作用力来调节桶顶水平度在误差允许范围内，避免负压桶基础受到较大的偏心载荷。
50.本发明能够对于负压桶在沉放过程中避免发生倾斜，提高施工过程中沉降的精确性以及施工过程安全性；外部套桶2-1对负压桶1-1在沉放结束后，能够通过提高砂子和外部套桶2-1之间的桩侧摩阻力以及加固土与外部套桶2-1之间的砂子的连接来抵抗侧向荷载，提高抵抗水流的冲刷能力；水平度调整机构3对负压桶1-1在沉放结束后水平度不满足要求时，通过圆平板3-1与土体的相互作用能够小幅度调节负压桶1-1的竖向位移，防止发生倾斜。本发明在负压桶施工和使用过程中均能避免负压桶发生倾斜，减少海上风电事故的发生。
51.负压桶在下沉过程中土体位移检测件通过控制系统比较各个扇形隔舱的位移，当出现土体距桶顶的位移在扇形隔舱内出现一定的位移差时，通过调节对接管上的抽气泵调节负压来控制负压桶的下降速度、位移；外部套桶通过其结构可以抵抗侧向荷载；当负压桶在沉降结束后其桶顶水平度通过水准仪测量不满足要求时，通过控制系统控制各个扇形隔舱内的液压杆作用力的不同来调整负压桶的水平度使其满足要求，并通过控制系统记录土体位移检测件当前土体距桶顶的位移，当土体位移检测件距桶顶的位移较之前记录数据发生变化的，控制系统及时通过液压杆来调整水平度。