能下贯至海底面以下的吸力锚及其安装方法
【专利摘要】本发明公开了一种能下贯至海底面以下的吸力锚，包括开口向下的锚筒，锚筒顶端上设置有排水孔和若干连通锚筒内外的开口导管，排水孔上部与潜水泵相连接，每个开口导管的下端通过轴承各连接一个与开口导管相连通的喷嘴；喷嘴上部为空心圆管状并与轴承外圈相连接，下部为倒置的正六棱台体；倒置的正六棱台体的下底面上设有用于垂向冲击海底面土体的底部导管；三个斜向导管和三个水平向导管相间设置于六个侧面上，三个斜向导管的中心线与锚筒中轴成30到60度角；三个水平向导管在同一水平面内，且每一个水平向导管末端沿同一圆周同一方向有一定弧度的折弯，利用轴承外圈自由旋转实现喷嘴自旋转。本发明同时还公开了该吸力锚的安装方法。
【专利说明】能下贯至海底面以下的吸力锚及其安装方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及一种能下贯至海底面以下的吸力锚及其安装方法。
【背景技术】
[0003]吸力锚是目前海洋工程中广泛应用、且具有广阔发展前景的基础结构形式。其结构一般为一顶端封闭、下端敞开的钢筒，起初借助重力自由下落，筒下边缘插入土体，然后利用水下潜水栗抽出筒内水体，形成内外压差，使锚筒缓慢下贯。当锚筒顶端与海底接触时，锚筒下贯停止，此时卸去潜水栗，吸力锚安装完成。
[0004]一般吸力锚承载力主要依靠筒内壁与外壁与土体的摩擦力提供，而吸力锚端部与海底面水平时，吸力锚下贯停止，端部不能够提供任何承载力。此外，由于吸力锚为垂直贯入土体，其垂向抗拔承载力远远小于其侧向承载力，因此目前的张力腿平台或利用张力腿原理形成的垂直系泊系统，大多使用粧式锚。
[0005]申请号为201510536267.7的中专利申请公布了伞式海底吸力锚基础的安装设备及安装方法。该专利申请在吸力锚排水孔设置喷射管，利用潜水栗以及喷射管内的换向阀和阀门实现排水和吸水。该专利同样利用了高压水将海底面土体冲击成泥浆浑浊液，随后随潜水栗排出，用于消除吸力锚“土塞”。但是该专利申请并没有将吸力锚下沉至海底面以下，未能有效利用吸力锚端部。其次，喷射管为垂向直导管，并不能大范围冲击锚筒内海底表层土体，容易形成局部冲击，影响锚筒内土体整体结构。另外，安装过程中要控制换向阀和阀门以及潜水栗的抽吸水，操作比较复杂。
[0006]申请号为201210316976.0的中国专利申请公布了深水中吸力锚的安装设备及安装方法。该专利申请利用喷射栗以及多个阀门，实现深水中吸力锚安装，有效解决我国深水吸力锚施工中水下动力设备对水深的限制。该专利申请同样提到了向筒内喷水的想法，但是该专利是利用向锚筒内喷水形成正压，抬起吸力锚，并没有在下贯过程中起到作用。
[0007]申请号为201310566730.3的中国专利申请公布了一种带附着裙边的吸力锚。该吸力锚通过下端裙边展开，提高极限抗拔承载力。但是裙边展开要求苛刻，不易实现。此外，吸力锚未能下贯至海底面以下，其端部未能有效利用。
[0008]申请号为201310091856.X的中国专利申请公布了一种海底吸力锚。该专利通过锚裙和锚枝的组合提高了吸力锚下贯过程的稳定性，同时锚裙贯入海底后，锚裙既可以保护吸力锚周围土体，又可以利用锚裙与土体摩擦提高抗拔承载力。但是该吸力锚也未能下贯至海底面以下，其端部未能有效利用。
[0009]申请号为01143244.6的中国专利申请公布了一种自安装式吸力锚或粧。该专利申请通过吸力锚顶端增加的密闭顶仓实现吸力锚的下贯。同时，当海底面与吸力锚接触时，通过潜水栗抽干密闭顶仓海水，形成负压，使得吸力锚克服端部与海底面的正应力，继续下沉，提高吸力锚下沉深度。该装置虽然将吸力锚下贯至海底面以下，但是克服吸力锚端部与海底面正应力形成的下贯深度有限。此外，吸力锚承载力依然主要来源于内外筒壁与海底土体的摩擦，其端部未能有效利用。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种能下贯至海底面以下的吸力锚及其安装方法，其能够提高吸力锚下贯深度，使端部埋入海底面以下，从而有效利用端部极大提高吸力锚极限抗拔承载力。
[0011 ]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
一种能下贯至海底面以下的吸力锚，包括开口向下的锚筒，锚筒顶端上设置排水孔和有若干连通锚筒内外的开口导管，每个开口导管的下端通过轴承各连接一个与开口导管相连通的喷嘴；
所述排水孔设置在锚筒端部圆心处，排水孔上部与潜水栗相连接。
[0012]所述喷嘴上部为空心圆管状并与轴承外圈相连接，下部为倒置的正六棱台体;倒置的正六棱台体的下底面上设有用于垂向冲击海底面土体的底部导管；
六个侧面上设有用于提高喷嘴对土体的冲击范围的三个斜向导管和三个水平向导管；三个斜向导管和三个水平向导管相间设置于六个侧面上，即每个侧面上只有一个水平向导管或斜向导管;使得斜向导管水平力相互抵消，防止喷嘴发生倾斜；
三个斜向导管的中心线与锚筒中轴成30到60度角，使得喷嘴能够斜向冲击海底面土体；
三个水平向导管在同一水平面内，且每一个水平向导管末端沿同一圆周同一方向有一定弧度的折弯，高压海水自喷头喷出时，通过对水平向导管的反作用力，利用轴承外圈能自由旋转的特点，实现喷嘴自旋转，配合斜向导管，能极大提高高压海水对于海底面土体的冲击范围，有效避免了局部冲击。
[0013]所述每个开口导管分为位于锚筒外部的控制吸力锚下贯深度的外延伸段以及通过轴承连接喷嘴的内延伸段。
[0014]所述开口导管有三根，且三根开口导管以锚筒顶部圆心为中轴成正三角形分布，开口导管材质和厚度与吸力锚锚筒一致。
[0015]所述喷嘴通过轴承与开口导管内延伸段相连接，以此实现喷嘴水平面的自由转动。
[0016]所述开口导管为空心圆管，开口导管直径需满足:三个开口导管进水流量与吸力锚负压下贯过程中土体渗水量的和必须小于潜水栗的抽水流量。
[0017]所述开口导管整体与吸力锚为一体，开口导管在吸力锚外的延伸长度由预定下贯深度决定，在吸力锚内部延伸部分长度大于轴承厚度。
[0018]所述轴承内圈的内径与开口导管内延伸段外径相同，两者采用过渡配合，起到较好的密封作用。
[0019]—种能下贯至海底面以下的吸力锚安装方法，包括以下步骤:
1)吸力锚依靠自重插入海底面，此时潜水栗开启，锚筒内海水自排水孔排出，海水由三个开口导管进入吸力锚，通过喷嘴喷向锚筒内；
2)随着锚筒内海水不断被抽出，同时吸力锚在自重作用下持续下贯入土体；当锚筒内海水基本抽干时，海底面露出水面，喷嘴喷出海水形成高压水柱直接冲击筒内海底面上层土体；
3)海底面上层土体被冲刷形成泥浆浑浊液，通过潜水栗将浑浊液排出，吸力锚继续下贯，随着浑浊液不断排出，露出表层的土体继续受到高压水柱冲击形成泥浆浑浊液，继续随潜水栗排出，以此实现吸力锚不断下贯；
4)吸力锚上端部下贯至海底面以下，此时由于海底土体在海底潜流作用下冲刷导致的流动特性，吸力锚周围土体会逐渐向其端部靠拢，形成新的海底面，将吸力锚全部掩埋；
5)当土体将开口导管掩埋后，海水无法再进入锚筒，喷嘴无法形成高压水柱，锚筒内无法形成新的泥浆浑浊液，潜水栗逐渐将筒内剩余海水以及泥浆浑浊液排光，吸力锚最终下贯稳定。
[0020]吸力锚下贯原理为:在吸力锚下贯过程中，由于深海海水高水压特点，水体通过三个开口导管进入锚筒，由喷嘴向吸力锚内部喷出，进而冲击由于负压吸入锚筒内部的土层，使其与水体充分混合，成为泥浆浑浊液。在潜水栗持续抽吸筒内水体过程中，泥浆浑浊液随其排出。随着浑浊液的不断排出，露出表层的土体持续受到海水冲击化为泥浆，土体高度减小，继续随潜水栗排出，以此实现吸力锚不断下贯，并且可以使得吸力锚下贯到海底平面以下。同时，由于海底土体在海底潜流作用下冲刷导致的流动特性，当吸力锚下贯到海底平面以下时，周围土体向吸力锚靠拢，同时，当土体完全掩埋吸力锚顶部三个开口导管上端时，海水无法再进入吸力锚，锚筒内部土体不再受到海水冲击，锚筒内剩余海水以及泥浆浑浊液逐渐由潜水栗排出，随即将吸力锚以及导管上部延伸段掩埋，使得吸力锚下贯停止并最终保持稳定。此时，吸力锚下贯至海底面以下，从而有效利用端部极大提高吸力锚极限抗拔承载力。
[0021]与传统吸力锚以及其他新型吸力锚相比，本发明提供的一种可下贯至海底平面以下的吸力锚有以下优点:
第一，充分利用了海底潜流作用，使得海底土体逐渐掩埋吸力锚端部导管，吸力锚下贯逐渐停止，有效控制了吸力锚下贯深度。
[0022]第二，吸力锚下贯至海地平面以下，其端部被海底土体掩埋，从而有效利用端部极大提高吸力锚极限抗拔承载力。
[0023]第三，充分利用深水中高压海水实现喷嘴自旋转，极大提高了高压海水对海底面土体的冲击范围，有效避免了局部冲击。
[0024]第四，在下贯过程中仅需控制潜水栗开关，与一般吸力锚安装操作无异，相对于其他新型吸力锚，安装操作十分简便。
【附图说明】
[0025]图1为本发明的能下贯至海底平面以下的吸力锚A-A剖面立体视图；
图2-1、2_2分别为本发明的能下贯至海底平面以下的吸力锚俯视图和仰视图；
图3-1、3-2、3-3分别为喷嘴三维结构的立体图、俯视图和仰视图；
图4-1为本发明的能下贯至海底平面以下的吸力锚最初下贯状态图；
图4-2为本发明的能下贯至海底平面以下的吸力锚下贯至锚内水体基本抽干状态图； 图4-3为本发明的能下贯至海底平面以下的吸力锚的锚内土体被冲刷成泥浆浑浊液状态图；
图4-4为本发明的能下贯至海底平面以下的吸力锚全部下贯至海底平面以下状态图； 图4-5为本发明的能下贯至海底平面以下的吸力锚最终下贯稳定后的状态图；
图中:1_开口导管、2-锚筒、3-喷嘴、4-开口导管内延伸段、5-轴承、6-倒置的正六棱台体、7-斜向导管、8-水平向导管、9-底部导管、10-高压水柱、11-海水、12-海底面、13-泥浆浑浊液、14-排水孔。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0027]本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间，，及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0028]—种可下贯至海底平面以下的吸力锚，包括顶部开口导管1、锚筒2、排水孔14以及喷嘴3。排水孔设14置在锚筒端部圆心处，其上部与潜水栗相连接。开口导管I与锚筒3相连，每个开口导管I分为位于锚筒外部的控制吸力锚下贯深度的外延伸段以及通过轴承5连接喷嘴3的内延伸段4。开口导管I在锚筒2的内延伸段4通过轴承5与喷嘴3相连。轴承内圈的内径与开口导管内延伸段4外径相同，两者采用过渡配合，起到较好的密封作用。
[0029]开口导管I如图1、图2所示以锚筒顶部圆心为中轴成正三角形分布，开口导管I材质和厚度与吸力锚锚筒2—致，为保证吸力锚正常下贯，开口导管I的开口直径与潜水栗功率或数量需满足:潜水栗抽水量应当远大于开口导管I进水量与吸力锚负压下贯过程中土体渗水量之和。开口导管I外延伸段长度可控制吸力锚最终下贯深度，因此，可以通过预定下贯深度设计导管外延伸段长度。
[0030]开口导管I整体与吸力锚为一体，开口导管I在吸力锚外的延伸长度由预定下贯深度决定，在吸力锚内部延伸段4长度大于轴承厚度。
[0031]如图3-1、3-2、3-3所示，喷嘴3通过轴承5与开口导管内延伸段4相连接，以此实现喷嘴3水平面的自由转动。喷嘴3上部为空心圆管状，直径与轴承5外径相同。下部是倒置的正六棱锥台体6，倒置的正六棱锥台体6的下底面存在一个垂向设置的底部导管9，高压水喷出时，可冲刷筒内土体;倒置的正六棱锥台体6的六个侧面上设有用于提高喷嘴对土体的冲击范围的三个斜向导管7和三个水平向导管8;三个斜向导管7和三个水平向导管8相间设置于六个侧面上，即每个侧面上只有一个水平向导管8或斜向导管7;使得斜向导管7水平力相互抵消，防止喷嘴3发生倾斜；
其中三个斜向导管7与锚筒中轴成30?60度角，当高压水喷出时，冲刷周围土体。
[0032]三个水平向导管8在同一水平面内，且每一个水平向导管8末端沿同一圆周同一方向有一定弧度的折弯，高压海水自喷头喷出时，通过对水平向导管8的反作用力，利用轴承外圈能自由旋转的特点，实现喷嘴3自旋转，扩大三个斜向导管7的冲刷范围，能极大提高高压海水对于海底面土体的冲击范围，有效避免了局部冲击。
[0033]图4-1至图4-5描述了吸力锚的安装过程:
图4-1显示吸力锚依靠自重插入海底面12，此时潜水栗开启，销筒2内海水11自排水孔14排出锚筒，筒外海水11由导管I进入吸力锚，通过喷嘴3喷向锚筒2内。
[0034]如图4-2所示随着锚筒2内海水11不断被抽出，同时吸力锚持续下贯入土体。当锚筒2内海水11基本抽干时，海底面12露出水面，喷嘴3喷出海水形成高压水柱10直接冲击筒内海底面12上层土体。
[0035]如图4-3所示，海底面12上层土体被冲刷形成泥浆浑浊液13，通过潜水栗将浑浊液13排出，吸力锚继续下贯。随着浑浊液13不断排出，露出表层的土体继续受到高压水柱10冲击形成泥浆浑浊液13，继续随潜水栗排出，以此实现吸力锚不断下贯。
[0036]如图4-4所示，吸力锚端部下贯至海底面12以下。此时由于海底土体在海底潜流作用下冲刷导致的流动特性，吸力锚周围土体会逐渐向其端部靠拢，形成新的海底面12，将吸力锚全部掩埋。
[0037]如图4-5所示当土体将导管I掩埋后，海水11无法再进入锚筒2，喷嘴3无法形成高压水柱10，锚筒2内无法形成新的泥浆浑浊液13，潜水栗逐渐将筒内剩余海水11以及泥浆浑浊液13排光，吸力锚最终下贯稳定。
[0038]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【主权项】
1.一种能下贯至海底面以下的吸力锚，包括开口向下的锚筒，其特征是，锚筒顶端上设置有排水孔和若干连通锚筒内外的开口导管，每个开口导管的下端通过轴承各连接一个与开口导管相连通的喷嘴； 所述喷嘴上部为空心圆管状并与轴承外圈相连接，下部为倒置的正六棱台体;倒置的正六棱台体的下底面上设有用于垂向冲击海底面土体的底部导管； 六个侧面上设有用于提高喷嘴对土体的冲击范围的三个斜向导管和三个水平向导管；三个斜向导管和三个水平向导管相间设置于六个侧面上，即每个侧面上只有一个水平向导管或斜向导管，使得斜向导管水平力相互抵消，防止喷嘴发生倾斜； 三个斜向导管的中心线与锚筒中轴成30到60度角，使得喷嘴能够斜向冲击海底面土体； 三个水平向导管在同一水平面内，且每一个水平向导管末端沿同一圆周同一方向有一定弧度的折弯，高压海水自喷头喷出时，通过对水平向导管的反作用力，利用轴承外圈能自由旋转的特点，实现喷嘴自旋转。2.如权利要求1所述的能下贯至海底面以下的吸力锚，其特征是，所述每个开口导管分为位于锚筒外部的控制吸力锚下贯深度的外延伸段以及通过轴承连接喷嘴的内延伸段。3.如权利要求1所述的能下贯至海底面以下的吸力锚，其特征是，所述排水孔设置在锚筒端部圆心处，排水孔上部与潜水栗相连接。4.如权利要求1所述的能下贯至海底面以下的吸力锚，其特征是，所述开口导管有三根，且三根开口导管以锚筒顶部圆心为中轴成正三角形分布，开口导管材质和厚度与吸力销销筒一致。5.如权利要求2所述的能下贯至海底面以下的吸力锚，其特征是，所述喷嘴通过轴承与开口导管内延伸段相连接。6.如权利要求1所述的能下贯至海底面以下的吸力锚，其特征是，所述开口导管为空心圆管，开口导管直径需满足:三个开口导管进水流量与吸力锚负压下贯过程中土体渗水量的和必须小于潜水栗的抽水流量。7.如权利要求2所述的能下贯至海底面以下的吸力锚，其特征是，所述开口导管整体与吸力锚为一体，开口导管在吸力锚内部延伸部分长度大于轴承厚度。8.如权利要求1所述的能下贯至海底面以下的吸力锚，其特征是，所述轴承内圈的内径与开口导管内延伸段外径相同，两者采用过渡配合。9.一种能下贯至海底面以下的吸力锚安装方法，其特征是，包括以下步骤: 1)吸力锚依靠自重插入海底面，此时潜水栗开启，锚筒内海水被抽出，海水由三个开口导管进入吸力锚，通过喷嘴喷向锚筒内； 2)随着锚筒内海水不断被抽出，同时吸力锚在自重作用下持续下贯入土体；当锚筒内海水基本抽干时，海底面露出水面，喷嘴喷出海水形成高压水柱直接冲击筒内海底面上层土体； 3)海底面上层土体被冲刷形成泥浆浑浊液，通过潜水栗将浑浊液排出，吸力锚继续下贯，随着浑浊液不断排出，露出表层的土体继续受到高压水柱冲击形成泥浆浑浊液，继续随潜水栗排出，以此实现吸力锚不断下贯； 4)吸力锚上端部下贯至海底面以下，此时由于海底土体在海底潜流作用下冲刷导致的流动特性，吸力锚周围土体会逐渐向其端部靠拢，形成新的海底面，将吸力锚全部掩埋；5)当土体将开口导管掩埋后，海水无法再进入锚筒，喷嘴无法形成高压水柱，锚筒内无法形成新的泥浆浑浊液，潜水栗逐渐将筒内剩余海水以及泥浆浑浊液排光，吸力锚最终下贯稳定。
【文档编号】E02D27/52GK105926627SQ201610308627
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】陈旭光, 许建鹏, 姜育科
【申请人】中国海洋大学