提升深水条件海上风电单桩基础承载性能的加固结构及其安装方法与流程

本发明涉及海上风机基础结构设计领域，尤其涉及一种提升深水条件海上风电单桩基础承载性能的加固结构及其安装方法。

背景技术：

1、作为新型清洁能源，海上风电具有邻近高负荷中心城市、节约土地资源等优势，海上风电的大力发展有助于我国早日实现“碳达峰、碳中和”的中长期目标。随着海上风电的迅猛发展，近海资源已接近饱和，而深水海域则拥有更丰富的风能资源及更巨大的开发潜力，海上风电的深远海拓展逐渐成为未来重要的发展方向。

2、目前常用的海上风电机组基础型式为单桩基础，通过沉桩施工贯入海床土中，按上部风机荷载和所处海洋环境设计桩基尺寸、埋深，结构简单、荷载传递方式明确。单桩基础的承载性能受海床地质和环境水深条件的影响较大，深水环境下易出现倾斜和弯曲变形，成为海上风电结构设计的决定性因素。随着海上风电工程所处海洋环境水深及风机荷载的增加，单桩基础结构需通过大幅增加埋深及尺寸来抵抗外部荷载，建设成本及施工难度均大幅度增加；另一方面随着海上风电机组技术的进步，早期建设的小功率海上风机发电量低、经济效益差，造成了海域和风能资源的浪费，需要进行改造以安装更大功率的风电机组。因此，为适应深水条件的海上风电开发，亟需一种承载刚度大、施工便捷、经济性好的风机单桩基础加固措施。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种提升深水条件海上风电单桩基础承载性能的加固结构及其安装方法，适用于深水恶劣海况、风机荷载较大的环境等，通过将单桩基础、浮体结构、锚泊系统、锚固桩形成预张紧的整体结构，在单桩基础发生变形或倾斜时提供额外的水平回复力，约束风机基础结构位移并增加水平承载力，使单桩基础适用于更深的水深条件，或用于已建海上风机单桩基础结构的增容或加固改造，使单桩基础具备抵抗更大的海洋环境以及风机运行荷载的能力。

2、为达到上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明采用如下技术方案：

3、一种提升深水条件海上风电单桩基础承载性能的加固结构，其特征在于：包括环状浮体结构、锚泊系统、锚固桩基础，所述浮体结构套设于单桩基础的桩身外侧并低于海面，所述锚泊系统包括张紧的多条锚链，所述多条锚链上端连接于浮体结构的四周、下端连接至其锚固桩基础，所述锚固桩基础嵌固于海床土体中。

4、所述浮体结构为中空的环状结构，其内直径与单桩的外直径匹配，比所套桩身段的外直径略大，并在内侧沿周向设置柔性接触结构，以保证与桩身的有效接触以及对桩身及防腐涂层进行保护。所述柔性接触结构可以是呈环形，环形柔性接触结构可以是在环形浮体结构的内侧壁设置一层或多层；所述柔性接触结构可以是多段或多点状结构，而沿环形浮体结构内侧壁的周向布置，同样地，也可以是布置为一层或多层，如果布置为多层，层与层之间的点状或段状柔性接触结构可以交错布置。

5、锚链的数量根据工程需要的水平回复力大小确定，锚链上还可进一步设置锚链浮筒以调整锚链形态并增加上端张力的水平分量。所述加固结构也可设置多层环状浮体结构，各层环状浮体结构的锚链长度不同且在周向上错开。

6、所述环状浮体结构还可由多个分段沿周向拼接而成。而可用于已建海上风机单桩基础结构的增容或加固改造。比如，可以根据桩身直径将浮体结构预制为两个半环结构。

7、所述锚链上端通过导缆器与所述浮体结构进行连接，下端通过锚眼连接至锚固桩基础，锚链上设置有锚链浮筒以调整锚链形态并增加上端张力的水平分量，在安装完成后锚链处于预张紧状态以传递海上风机结构受到的环境荷载至锚固桩基础。

8、锚链的下端连接至锚固桩侧的锚眼，锚固桩为打入海床的锚泊基础，用于将整体结构受到的水平力传递至海床。

9、以上进一步的技术方案可以单独使用，或者组合使用。

10、为达到上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明采用如下技术方案：

11、一种提升深水条件海上风电单桩基础承载性能的加固结构的安装方法，其特征在于：在工厂内完成环状浮体结构、锚链以及锚固桩基础的建造；对于新建的海上风机基础结构，在单桩基础和锚固桩沉桩完成后，通过起吊将浮体结构套设于单桩外侧，采用锚泊系统将浮体与锚固桩基础连接并进行预张紧。

12、或者，采用以下技术方案：

13、一种提升深水条件海上风电单桩基础承载性能的加固结构的安装方法，其特征在于：所述环状浮体结构由多个分段沿周向拼接而成；在工厂内完成浮体结构的分段、锚链以及锚固桩基础的建造；对于改造升级的海上风电单桩基础，现场在已建单桩外侧将多个分段沿周向拼接而成环状浮体结构，采用锚泊系统将浮体与锚固桩基础连接并进行预张紧。

14、本发明的有益效果为：

15、1、通过在单桩外侧增加浮体并连接预张紧的锚泊系统，在单桩结构受到环境荷载作用发生变形时提供额外的水平回复力，提高单桩基础的水平承载性能，使得常规单桩基础适用于深水海洋环境以及大容量风电机组的海上风电工程建设和增容或加固改造工程中。

16、2、在单桩基础外围设置浮体结构并使浮体位于海面以下一定深度，可保证浮体结构提供的水平抗力不受水位变动的影响，减小作用于浮体结构上的波流力荷载。加固浮筒能确保锚链保持预张紧状态，增强海上风机基础稳定性。

17、3、与现有技术相比，本发明可用于深水环境、大容量风电机组的海上风电工程中，较传统使用的桁架式导管架基础、漂浮式基础结构简单，本发明结构简单、建造成本低且施工方便，并可直接用于已建海上风机的增容、加固改造。

技术特征：

1.一种提升深水条件海上风电单桩基础承载性能的加固结构，其特征在于：包括环状浮体结构、锚泊系统、锚固桩基础，所述浮体结构套设于单桩基础的桩身外侧并低于海面，所述锚泊系统包括张紧的多条锚链，所述多条锚链上端连接于浮体结构的四周、下端连接至其锚固桩基础，所述锚固桩基础嵌固于海床土体中。

2.根据权利要求1所述的加固结构，其特征在于：所述浮体结构为中空的环状结构，其内直径与单桩的外直径匹配，并在内侧沿周向设置柔性接触结构，以保证与桩身的有效接触以及对桩身及防腐涂层进行保护。

3.根据权利要求1所述的加固结构，其特征在于：锚链上设置有锚链浮筒以调整锚链形态并增加上端张力的水平分量。

4.根据权利要求1所述的加固结构，其特征在于：其设置有多层环状浮体结构，各层环状浮体结构的锚链长度不同且在周向上错开。

5.根据权利要求1所述的加固结构，其特征在于：所述环状浮体结构由多个分段沿周向拼接而成。

6.根据权利要求1所述的加固结构，其特征在于：所述锚链上端通过导缆器与所述浮体结构进行连接，下端通过锚眼连接至锚固桩基础，锚链上设置有锚链浮筒以调整锚链形态并增加上端张力的水平分量，在安装完成后锚链处于预张紧状态以传递海上风机结构受到的环境荷载至锚固桩基础。

7.根据权利要求1所述的加固结构，其特征在于：所述锚固桩基础采用打入桩或吸力桩，安装于海床土体中，且桩侧设置有锚眼板以连接锚链，用于提供浮式加固结构所需要的锚固力。

8.根据权利要求1所述的加固结构的安装方法，其特征在于：在工厂内完成环状浮体结构、锚链以及锚固桩基础的建造；对于新建的海上风机基础结构，在单桩基础和锚固桩沉桩完成后，通过起吊将浮体结构套设于单桩外侧，采用锚泊系统将浮体与锚固桩基础连接并进行预张紧。

9.根据权利要求1所述的加固结构的安装方法，其特征在于：所述环状浮体结构由多个分段沿周向拼接而成；在工厂内完成浮体结构的分段、锚链以及锚固桩基础的建造；对于改造升级的海上风电单桩基础，现场在已建单桩外侧将多个分段沿周向拼接而成环状浮体结构，采用锚泊系统将浮体与锚固桩基础连接并进行预张紧。

技术总结
本发明公开一种提升深水条件海上风电单桩基础承载性能的加固结构及其安装方法，将单桩基础、浮体结构、锚泊系统、锚固桩形成预张紧的整体结构，其中，在单桩基础上设置提高水平承载性能的浮体结构，并通过若干预张紧的锚链连接至海床内的锚固桩，从而在单桩基础发生变形或倾斜时提供额外的水平回复力，约束风机基础结构位移并增加水平承载力，使单桩基础适用于更深的水深条件，或用于已建海上风机单桩基础结构的增容改造，使单桩基础具备抵抗更大的海洋环境以及风机运行荷载的能力。

技术研发人员：李瑜,沈侃敏,孙启然,王滨,高山,王永发,梁宁,许光明,张权,陈金忠,任修迪
受保护的技术使用者：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/19