一种基于锚泊定位控制的漂浮式稳桩平台装置及沉桩方法与流程

本发明属于海洋工程施工相关技术领域，尤其是涉及一种基于锚泊定位控制的漂浮式稳桩平台及沉桩方法。

背景技术：

我国目前正处于海上风电场大规模开发建设阶段，并逐渐由近海海域向深远海方向发展，风力机组的功率以及相应的大直径单桩直径持续增加。稳桩定位平台常用于沉桩施工过程中的垂直度控制，并具有一定的纠偏能力。在建设过程中，首先由吊装机械将大直径单桩起吊至安装位置，并下放穿过稳桩平台的抱桩架，然后由打桩锤将桩身沉入海床中，同时由稳桩平台保证桩身的垂直度。传统的固定式稳桩定位平台多采用四根定位桩固定在海平面上，在深水海域，定位桩的长度进一步增加，稳桩平台自身的稳定性不足，无法在施工过程中提供足够的水平反力用于沉桩纠偏，同时存在倾覆危险；另外，稳桩平台的定位桩插入和拔出需要消耗大量的作业时间，导致沉桩作业的机动性不足，对海上作业的窗口期要求较高，工作效率低。因此，改进传统的沉桩施工稳桩平台结构及工艺，对我国深远海风电场的大规模开发具有重要的工程实际意义。

技术实现要素：

本发明第一个目的在于，针对上述存在的问题，提供一种基于锚泊定位控制的漂浮式稳桩平台。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：

一种基于锚泊定位控制的漂浮式稳桩平台装置，所述基于锚泊定位控制的漂浮式稳桩平台装置包括抱桩架、漂浮式平台、锚泊系统以及监测系统；

所述抱桩架用于固定施工过程中的大直径单桩，所述抱桩架为钢结构桁架，所述抱桩架上设有抱箍和千斤顶，所述抱桩架和抱箍布置为与大直径单桩的桩身外径相匹配以保证施工过程中大直径单桩的桩身上端与漂浮式平台协同运动，所述抱桩架下部固定于漂浮式平台的平台甲板上，所述抱桩架内侧中空形成喂桩口且内侧布置有多片柔性抱箍和相应的千斤顶以适应一定范围内不同直径的大直径单桩；

所述漂浮式平台包括：平台甲板、浮筒和撑杆，所述漂浮式平台用于固定和运送抱桩架和大直径单桩，所述平台甲板中心设有供大直径单桩穿过的月池，所述平台甲板下设有为漂浮式平台提供浮力的浮筒，撑杆用于连接固定浮筒，保证在水平纠偏力下的结构安全性；

所述锚泊系统包括：布置于平台甲板的多个锚机、与锚机相对应的导缆器、锚链和锚体，所述锚泊系统用于定位漂浮式平台以及提供调整大直径单桩桩身垂直度所需要的水平反力；所述锚链的上端连接锚机，锚链的中间通过导缆器调节固定并下放至海床，锚链的下端连接于锚体，所述锚机为液压控制，通过绞盘控制锚链的张紧和放松，从而改变锚链的张力大小以调整漂浮式平台及其内部的大直径单桩的位移；

所述监测系统包括：倾角计、激光测斜仪和数据采集仪，所述倾角计设置在大直径单桩的外侧且用于监测沉桩过程中大直径单桩桩身的垂直度，所述激光测斜仪设置在抱桩架上且用于监测抱桩架与大直径单桩的桩身之间的相对倾斜角度，所述数据采集仪用于采集倾角计、激光测斜仪所采集的数据以及每台锚机的绞拉力数据。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案：所述浮筒内设有压载舱和压载水泵，以在不同的工况下调整漂浮式平台的吃水深度和平台甲板的高程。

作为本发明的优选技术方案：所述数据采集仪与远程传输数据采集仪相连接以实现稳桩沉桩过程的远程监测控制。

本发明还有一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种基于锚泊定位控制的漂浮式稳桩平台装置的沉桩方法。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：

一种基于锚泊定位控制的漂浮式稳桩平台装置的沉桩方法，所述基于锚泊定位控制的漂浮式稳桩平台装置的沉桩方法基于前文所述的基于锚泊定位控制的漂浮式稳桩平台装置，并包括如下：首先，由吊装船机设备竖直起吊大直径单桩，并自上而下穿过抱桩架中心、平台甲板中心的月池后下沉至海床面，待大直径单桩的桩身自稳后，由抱桩架上的千斤顶在水平面内顶升抱箍直至抱箍与大直径单桩的桩身相接，使得大直径单桩与漂浮式平台相对固定；接着在大直径单桩的桩身顶端布置锤击或者静压沉桩器开始沉桩施工；在沉桩施工过程中，通过设置在大直径单桩外侧的倾角计和设置在抱桩架上的激光倾斜仪以监测大直径单桩的倾斜情况，当大直径单桩的桩身向一侧倾斜时，使用锚机调整锚链长度，放松改侧的锚链，减小该侧锚链的张力，并收紧另一侧锚链以增大张力，使得大直径单桩的桩身向反方向倾斜，得以保证大直径单桩的桩身在整个沉桩施工过程中的垂直度；所述倾角计用于监测沉桩过程中大直径单桩桩身的垂直度，所述激光测斜仪用于监测抱桩架与大直径单桩的桩身之间的相对倾斜角度，并通过数据采集仪采集倾角计、激光测斜仪所采集的数据以及每台锚机的绞拉力数据；所述平台甲板下设有为漂浮式平台提供浮力的浮筒；

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案：所述浮筒内设有压载舱和压载水泵，以在不同的工况下调整漂浮式平台的吃水深度和平台甲板的高程。

作为本发明的优选技术方案：所述数据采集仪与远程传输数据采集仪相连接以实现稳桩沉桩过程的远程监测控制。

作为本发明的优选技术方案：根据悬链线方程理论，单根锚链提供的水平反力h可以定义为：

v＝wl(3)

其中：l为锚链长度，w为锚链的单位长度浮重度，ae代表锚链单位长度的刚度，x为导缆器与海床触底点之间的水平距离，t为导缆器位置的锚链张力，因此，通过锚机对锚链进行绞拉，减小长度l，水平反力h相应增大；同理，放松锚链，增加长度l，水平反力h相应减小。

本发明提供一种基于锚泊定位控制的漂浮式稳桩平台装置及沉桩方法，具有如下有益效果：

(1)通过液压锚机绞拉锚链，可以为大直径单桩的扶正提供巨大的水平反力，且方向容易控制，从而起到主动控制的效果，克服传统的固定式稳桩平台被动控制；

(2)漂浮式平台通过拖航移动，并由锚泊系统定位，相比于固定式平台需要打入定位桩，海上作业的机动性更强；

(3)漂浮式平台适用于各种水深，在不同工况下可以通过调整浮筒内压载水量改变漂浮式平台的吃水深度，尤其在深海海域具有更好的稳定性，保证海上施工的安全性。

附图说明

图1为本发明所提供的基于锚泊定位控制的漂浮式稳桩平台的总体布置图；

图2为本发明所提供的基于锚泊定位控制的漂浮式稳桩平台的主视图；

图3为本发明所提供的基于锚泊定位控制的漂浮式稳桩平台的俯视图；

图4为监测系统的布置图；

图5为锚泊系统的布置图；

图中：1-抱桩架；2-抱箍；3-千斤顶；4-大直径单桩；5-打桩锤；6-平台甲板；7-锚机；8-锚链；9-导缆器；10-锚体；11-浮筒；12-压载舱；13-压载泵；14-撑杆；15-倾角计；16-激光测斜仪；17-数据采集仪。

具体实施方式

参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。

本实施例用于大直径单桩在沉桩施工过程中的垂直度控制，如图1-5所示。大直径单桩4通过起吊和下放，自上而下通过抱桩架1内部空间、平台甲板6中心的月池，大直径单桩的桩底沉入海床面以下，完成沉桩前的布置。沉桩施工时，在大直径单桩4的顶部安装液压或静压打桩锤5，并逐渐锤击使大直径单桩4下沉至海床内。通过布置于大直径单桩4桩身的倾角计15和测斜仪16实时监测大直径单桩4桩身的垂直度和倾斜度。

根据悬链线方程理论，单根锚链提供的水平反力h可以描述为：

v＝wl(3)

其中：l为锚链长度，w为锚链的单位长度浮重度，ae代表锚链单位长度的刚度，x为导缆器与海床触底点之间的水平距离，t为导缆器位置的锚链张力，因此，通过锚机对锚链进行绞拉，减小长度l，水平反力h相应增大；同理，放松锚链，增加长度l，水平反力h相应减小。

当施工过程中倾角计15和测斜仪16测得大直径单桩4向一侧倾斜时，可以通过锚机7的绞拉施加水平反力，使漂浮式平台向反方向平移，并由抱桩架1调整大直径单桩4的垂直度。例如，大直径单桩4向西北侧倾斜时，控制西北侧的锚机7-1来放松锚链8-1，减小西北侧的锚链水平反力；同时控制东南侧的锚机7-3来绞拉锚链8-3，增加东南侧水平反力，从而使稳桩平台带动大直径单桩的桩身向东南侧偏移，起到调整垂直度的作用。沉桩施工完成后，利用压载泵13排除压载舱12内的压载水，使浮式稳桩的平台甲板6上升到大直径单桩4顶端以上，并通过拖航调遣到下一个施工位置开展作业。

抱桩架1为空间钢桁架结构，下端固定于稳桩平台的平台甲板6，钢桁架结构空间内侧沿垂直方向布置有4层抱箍，每层包括柔性结构抱箍管片及对应千斤顶3，为正八边形中心对称布置，抱箍2形成的空间与大直径单桩的外径相匹配，且具有一定范围的调节能力。工作时，通过水平顶升千斤顶3使抱箍2与大直径单桩4外侧相接，固定大直径单桩的桩身与稳桩平台共同位移。

漂浮式平台包括平台甲板6、浮筒11和撑杆14，平台甲板6上固定有抱桩架1和锚机7，平台甲板6中空形成月池作为喂桩口。浮筒11内设置有压载舱12和压载泵13，通过调整压载水的容量可以改变稳桩平台的吃水深度和平台甲板高程，以适应不同的工况，如打桩作业时增加压载水，提高平台的稳性；调遣时减少压载水，便于平台移动。

如图3所示，锚泊系统由布置于平台甲板6的四个角的锚机7、锚链8、导缆器9和锚体10组成，锚链8的布置如图5所示，呈45度角对称布置。锚泊系统具有定位和提供水平回复力的功能，通过绞拉和放松锚链8可以调整其提供的水平反力，从而使稳桩平台和桩身移动。锚机7的控制集成至控制平台，可以通过无线网络控制或者由脐带缆在打桩船上控制。

如图4所示，监测系统包括布置于大直径单桩4桩身的倾角计15，布置于抱桩架1的激光测斜仪16、以及数据采集仪17组成。倾角计15、激光测斜仪16用于测量大直径单桩4桩身的垂直度和倾斜度，并通过数据采集仪17转化为数字信号进行监测。同时锚机7绞拉锚链8的张力变化也可以通过数据采集仪17，同步记录，便于控制调整。采集的数字信号可以由无线或有线传输至打桩船，便于远程控制。

以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。