深水吸力式桶形基础间歇沉贯设备以及安装方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及吸力式桶形基础的安装设备与安装方法，特别涉及深水当中吸力式桶形基础的沉贯设备以及安装方法。
【背景技术】
[0002]二十一世纪全球油气资源勘探开发的重点目标在海洋，而未来油气总储量的44%将来自海洋的深水区。南中国海海域油气储量丰富，是当前我国油气开发的重要前沿阵地，也是深海资源开发的热点。
[0003]吸力式桶形基础是一种大型圆柱薄壁钢制结构，其底端敞开、上端封闭并设有抽水口，具有定位精确、费用经济、方便施工、可重复利用等特点，是目前国际上深水系泊工程中应用最为广泛的基础型式，在砂型土、粘土或分层土海床中均具有良好的适用性。用于深水系泊的吸力式桶形基础其长大多为5m到30m，长径比在3到6之间。作为一种新型的海洋工程基础型式，深海中吸力式桶形基础在施工技术方面仍存在许多问题亟待解决，特别是在深水开发中常面临更为复杂的海床地层条件。
[0004]在吸力式桶形基础安装时，首先将其竖直放置于海床上，在自重与压载的作用下沉贯入海床至一定深度，然后封闭排水口，在桶形基础内部形成足够的密封环境；通过潜水泵持续地向外抽水以降低桶形基础内部的压力，利用压差产生的下贯力使得吸力式桶形基础继续向下沉贯；随着持续不断的抽水，桶形基础保持沉贯，直至桶形基础顶盖与海床泥面相接触为止；最后，卸去潜水泵，桶体内外压差逐渐消散，吸力式桶形基础安装结束。
[0005]内部吸力的控制和最终贯入深度是目前国际上吸力式桶形基础安装技术研宄的热点，也是评估吸力式桶形基础基础现场安装质量的重要指标。〈详见API RP-2SK,Designand Analysis of Stat1n keeping Systems for Floating Structures，2005>。在吸力式桶形基础的安装过程当中，桶体贯入海床和内部吸力的持续作用，都将对周围海床土体造成较大的扰动。研宄发现，由吸力式桶形基础桶壁下插所置换土体的50%以上将流入内部，甚至有可能全部流入，这将带来桶形基础内部土体的隆起，即“土塞现象”。〈详见Chen W,Zhou H, Randolph M F.Effect of installat1n method on external shaft frict1nof caissons in soft clay [J].Journal of Geotechnical and GeoenvironmentalEngineering, 2009, 135(5): 605-615.和 Andersen K H, Jeanjean P, Luger D, etal.Centrifuge tests on installat1n of suct1n anchors in soft clay [J].0ceanEngineering, 2005, 32(7): 845-863.>
从大量的工程实际经验和研宄结果来看，当持续施加的内部吸力超过最大设计允许吸力后，很可能导致筒内土体破坏或液化失稳，过量土塞在短时间内快速隆起。由于吸力式桶形基础安装的最终贯入深度受到其内部土塞高度的直接限制，过高的土塞对于吸力式桶形基础现场安装来讲是绝对不容许的。然而，随着吸力式桶形基础沉贯深度的增加，受到的海床沉贯阻力也逐渐增大，这时需要施加更大的内部吸力才能克服沉贯阻力，使得桶形基础不断向下沉贯。而较大的内部吸力必将带来内部土塞隆起高度增大。由此可见，安装时的内部吸力大小决定了吸力式桶形基础最终可以贯入海床的深度。
[0006]由以上分析可知，在吸力式桶形基础的吸力安装过程中，增大内部吸力来克服下贯阻力以完成安装，与减小吸力以减少内部土塞，保证吸力式桶形基础最终沉贯深度，两者成为一对矛盾的问题。如何控制安装时的内部负压，使其在减小沉贯阻力的同时尽可能少的引起土塞隆起，是关乎吸力式桶形基础沉贯安装的关键技术问题。
【发明内容】
[0007]本发明为了解决现有的技术问题，提供了一种新的吸力式桶形基础间歇沉贯设备。为此，本发明采用以下技术方案:
一种新的吸力式桶形基础间歇沉贯设备，其特征在于，它包括:
用于连接在吸力式桶形基础顶盖的负压罐，通过负压罐来施加吸力式桶形基础桶内的吸力，从而得以控制吸力的施加方式；所述负压罐具有与吸力式桶形基础之间采用机械连接的部位，以在吸力式桶形基础安装完成以后，能拆开连接而回收负压罐；
安装在负压罐内的潜水泵，包括了配套的供电系统以及连接罐内和罐外的管道，可以在海洋环境下进行向外抽水，从而形成负压；
负压罐内的负压区，负压区通过抽水管道和潜水泵连接，负压区与吸力式桶形基础顶盖上的抽水口通过连接抽水口管道相连接；负压区内设置有负压传感器，实时监测压力变化情况，并通过数据线与主控板连接；
连接抽水口管道上设置的电动阀门，电动阀门与主控板相连接，使电动阀门接受主控板的控制命令而打开和关闭管道，从而控制负压的施加方式；
设置于负压罐内的所述主控板，具有配套的电源，可以控制其它设备以及实时采集数据；所述主控板与海洋工程安装船之间通过数据传输设备进行数据和命令的传输；
所述负压罐内在自重较轻位置布置配重块，以避免偏心荷载影响吸力式桶形基础安装的垂直度；
所述主控板还设置位置定位仪、倾角仪，定位仪用于确定吸力式桶形基础所处的位置，倾角仪用于在安装过程中测量桶形基础的倾斜度，从而得以调整施加吸力纠正偏差使桶形基础竖直下贯。
[0008]进一步地，负压罐与桶形基础的直径一致。
[0009]进一步地，所述主控板配备有海洋环境的声学数据传输设备或者工业级WiFi数据传输设备，用于与海洋工程安装船之间的数据和命令传输。
[0010]本发明还提出了一种应用上述设备的吸力式桶形基础海底安装工法。其技术方案如下:
在现场施工时，首先在海洋工程安装船上机械连接负压罐以及吸力式桶形基础，然后吊装两者使其平稳置于海床上开始安装；通过负压罐内的潜水泵向外抽水使负压罐负压区产生负压，然后由主控板控制电动阀门打开和闭合，以对吸力式桶形基础内施加一定周期的间歇性吸力；在安装吸力式桶形基础的过程中，通过负压传感器、倾角仪传来的数据实时监测负压罐内以及桶形基础的桶体内的负压变化以及吸力式桶形基础的垂直度，并由主控板采集传输给海洋工程安装船，进而调整负压到设计数值；待吸力式桶形基础安装到预定深度以后，封闭电动阀门，并断开负压罐与桶形基础的机械连接，回收负压罐，从而完成全部安装工作。
[0011]本发明提出的吸力式桶形基础间歇沉贯设备及工法，主要具有以下优点:
本发明所提供的吸力式桶形基础负压罐，可以作为安装设备如潜水泵、传感器以及电子设备的载体，克服深水环境对安装条件的限制。负压罐内的设备允许控制施加的吸力为间歇式，可以在不增加安装时间的条件下有效减小对海床土体的扰动，抑制吸力式桶形基础内土塞的发展，从而提高安装质量。
[0012]沉贯设备配置的测量传感器允许在安装过程中实时监测安装进度和质量，从而控制施加负压大小、持续和间隔时间，改进安装质量。
[0013]可以为吸力式桶形基础的安装提供水下动力，解决深水环境对传统设备的限制。通过负压罐作为设备的载体，上端通过锚链连接至安装船上，用于下放以及回收，并用于附着电缆，可以给内部潜水泵等设备供电。
[0014]与传统的吸力式桶形基础安装方法相比。本发明的技术方案具有以下技术效果，
(I)通过增加自重保证初始贯入的效果，提高桶形基础底部的密封性；(2)减小安装过程对海床土体的扰动；(3)根据现有的文献资料以及室内模型试验结果