专利名称：基座结构的制作方法
基座结构
本发明与WO 01/71105 Al:"在海床中建立用于近海设施的基座的方 法和才艮才居该方法的基座(Method for establishing a foundation in a seabed for an offshore facility and the foundation according to the method )，，相关。
本发明的方法是以受控的方式将图l可见的基座结构(基础结构)(1) 安装到具有各种不同特性的土壤(5)中(
图1),该基座结构(1)包括 一个、两个、三个或更多个裙部。该方法可用于海床或海岸位置，在该位 置土壤在地下水的水位以下。该裙部可由金属板、混凝土或复合材料构成， 其形成具有任何端部开口形状的封壳结构，以用于例如桶形基座、单桩 (monopiles)、吸力锚或土壤稳、定结构。
该方法基于设计阶段(图2 )和安装阶段(图3 )，其是在将基座结构 钻入土壤(5)时，控制封壳内的吸入压力和沿裙部的下部周界/边缘(边 沿)(4)的压力和、液流的基础。
本发明使得即使土壤包含不可渗透层一一在该处不能借助于结构内部 的负压围绕边缘形成水流(渗流)一一仍可控制例如吸力锚或桶形基座钻 入海床土壤。
主要结构设计成吸收在安装过程期间和设施操作期间施加的不同的力 和载荷，也就是说，在所述设施的工作寿命期间该结构将要并且设计成要
承受的所有力和载荷。
沿裙部的边缘的附件包括一个或多个、通常为四个具有喷嘴的室，可 通过所述室和喷嘴以受控的方式建立介质例如流体、空气/气体或蒸汽的压 力和/或流，使得在边缘和/或裙部的周围附近的土壤中的剪切强度减小。在 安置期间，即在将结构降低到土壤中时，对于一个、多个或全部室可借助 于阀或正排量泵(3 )控制压力和流。本发明确保将结构的钻入速度和倾斜
4度控制在设计要求内。
在边缘(4)处的室可形成为沿边缘安装的管路的形式，其具有指向预期方向的钻出的或安装的喷嘴。管路通过立管(riser)连接到中央歧管，该中央歧管被供给足够流量和压力的介质。每个立管部分装有控制设备(3 )以便调节流量和压力。
作为一个任选的特征，参见图13，该主要结构可配备包括三个或更多电力和/或液压操作的绞车(34)的系统，该绞车通过线缆(35)连接到预安装的锚(36)。当使用连接到单独的锚的三个绞车时，这三个绞车设置成相互间隔大约120° ,从而它们沿不同方向径向延伸。通过仅仅单独地或合作地操纵绞车，可以调整基座的倾斜度。在极端环境参数例如狂浪的情况下，或者如果边缘压力系统由于任何原因而不可用，此系统可用作倾斜度的冗余的或额外的控制措施。作为校正行为，绞车的操作可沿与倾斜相反的方向引入水平力。
该主要结构装有用于监控和记录用途的转换器(transducer):封壳(23)内部的压力、垂直位置(24)以及倾斜度(26)和(27)。
转换器连接到中央控制系统(15)。
在边缘上的管路的尺寸可以大于、等于或小于边缘的厚度。在桶形结构内部可形成负压。这可通过启动真空泵来实现，该真空泵在桶形结构内产生吸力，即比该结构外部低的压力。该方法包括两个阶段-预测钻入力，称为设计阶段(图2 )。-根据预测控制钻入，称为安装阶段(图3)。
该方法是关于所述基座结构的设计的综合方法，并且基于在物理原位参数方面例如在特定安装地点的基座位置和土壤特性对每个单独的基座结构的精确位置的计算和模拟。
预测(14)由曲线图(图4)表示，其示出根据相关的设计规范对所需的钻入力(31)、可用吸入压力(32)、以及不会造成地面或材料破坏的最大容许吸入压力(33)的计算。
5该计算基于对CPT勘测(CPT =圆锥触探试验)获得的数据(图5)整理分析得到的土壤特性、结构的静重、水的深度和载荷状态。对输入的数据进行估算，并转换成被称为设计基础的设计参数(7)。
载荷分析(8)是解析和/或数值分析，其基于使用裙部上的土压与桶的垂直承载能力的组合的设计方法学，来确定桶的物理尺寸、直径和裙部长度。
如果桶形基座被看作两个箍紧的壁(cramp wall)，其中可在基座的前侧和后侧建立稳定的土压，则可使用用于设计具有直径D和裙部深度d的桶形基座的解析模型。
假定在具有裙部深度d的桶上的土压作用作为实体(solid body)围绕旋转点O旋转，该旋转点O被发现位于土壤表面以下的深度dr处。土压和承载能力的反作用的机制对于该旋转点来说，或者预期被置于基座平面以下(图6a)，或者预期被置于基座平面上方(图6b)。如果假设桶形基座由两个箍紧的壁构成，其中可在基座的前侧和后侧建立稳定的土压，则可通过以下近似法计算土压。在用于垂直壁的传统计算中，旋转点被发现位于壁的平面中，这在此情况下是不可行的。因此，桶的变形由对应于旋转点被发现位于壁的平面内这一事实的具有旋转点的两个平行的壁描述，(图7)示出破裂的等效模式。
单位土压大致可计算为
<formula>formula see original document page 6</formula> (1)由于桶是具有延伸长度D的圆形，垂直于水平力H,并且建于摩擦土
壤c=c，=0中，所以总的土压E，被写成
<formula>formula see original document page 6</formula> (2)其中， 是相关水平面内的垂直有效应力。
对于z-0，即土壤表面，Kr对应于在粗制壁(rough wall)的两侧上的破裂区域(平面情况〔plancase〕)，并且可被写为
<formula>formula see original document page 6</formula> (3)应用上标p和a用于净皮动土压和主动土压，并且r用于^EL制壁。如果应用Rankine 土压，则不能找到Kr的准确表述。但是，已发现下面的等
式以优于0.5。/o的精度描述了精确的计算出的Kr值，Hansen.B (1978.a):
<formula>formula see original document page 7</formula>(4)
其中
<formula>formula see original document page 7</formula>
(5)
受到力矩和水平载荷的组合的桶形基座显示出明显不同的空间破裂区域(图8)。桶周围的洞穴空间影响可被解释为桶的有效直径5^D, 土压
可从平面状态作用于其上。在此情况下，土压的绝对大小可根据(2)和(3)被写成<formula>formula see original document page 7</formula>(6)
有效直径由下式给出
<formula>formula see original document page 7</formula>
(7)
土压的绝对大小是深度Z的函数，并且假定与O的位置无关。可以作为围绕其最低点旋转的粗制壁上的被动土压和主动土压之间的差值一次性地计算出该绝对大小。(图6b)示出土压被假定在桶的旋转点的水平面内从主动变为被动。作为一种合理的、可允许的静态近似法，可应用(6)来计算该差值。
<formula>formula see original document page 7</formula> (8)
Ei和E2可使用近似法单独计算，(3)，当通过O的水平面时在主动土压和被动土压之间改变。剪切力Fi和F2起稳定作用。由于垂直的基座表面被假定为粗制壁，如果O完全位于基座表面的下方，则可通过常规方式计算剪切力<formula>formula see original document page 8</formula>(9)
但是，如果O的位置在基座表面上方，则此计算将是不安全的。对应于应用(2) - (6)计算E的安全的计算包括以下求和计算
Frf=《+F2=^tanp (I0)
此式直接结合在垂直平衡方程式中。在力矩方程式中，围绕基座的中心线上的点，其与力矩杠杆D/2结合。
当计算桶的承载能力时，首先的计算必须处理位于桶的对称线上的不
同i走转点。土压以及外力(Vm， Hult, Mult)必须;f皮转换成在桶的底部的力的三个合成分量(图6)。这通过要求垂直的、水平的和力矩的平衡来实现。
水平的
垂直的
=r —f
rf "' rf (12)
其中
K壶是风轮机的重量
(F/"+《f是由于浮力而减少的桶的铁和土壤的重量。
力矩
Mrf 风,("五2("2)一，一zJ一, 2
2 (13)
关于在基座底部的承载能力，应指出，其特征在于大的离心率e和由《/W描述的大的q-部分(q-part)。
容许载荷Hd是由土压Ed和剪切力Sd获得的，该剪切力Sd在此情况下可由下式计算为了确保不会由于滑动而造成破裂，必须满足以下不等式
A^+^ (15)
此外，必须证明足够安全以防止承载能力破裂
7rf" (16)
在如(图9a)中所示的正常承载能力破裂中，假设b，/l，接近于零以至于所有形状因数可被设定为等于1,则可使用一般的承载能力方程
」2 (17)
由于当考虑基座的平衡时Ei和Fi两者都包含在其中，所以没有使用深度因数。这种破裂对应于低于裙部水平面的旋转点O,即Ei是完全的被动土压而E2是完全的主动土压。通过使用容许的平面摩擦角(Pd由下式确定无量纲因数N和i。
4
(18)
、^ )
(19)
如果e变得足够大，则会发现危险得多的一种可选择的破裂(图9b )
如果e^',则已经证明这种破裂是可能的，其中
S*0,45sin(l,5prf)
" (20)
对应的承载能力可^L写成:
^2 " (21)
9其中
rf (22)应指出，指向裙部边缘的水平力Hd此时起稳定作用。另一方面，由于
线式失效(line failure)在桶下方终止，所以不存在q-led。
承载能力方程中使用的有效面积A，是在裙部的深度d的面积，并且被计算为通过Vd的弓形的面积的两倍。然后，将A，转换成具有相等面积的矩形(图10 ):
180 '
v = 2 arccos
6' 」tan
、
,￡〕、'J
(23)
在计算桶的力矩能力的方法中，对土压和桶的承载能力的精确计算要求运动条件已经被遵守。作为(图9b)中的线式失效的中心的旋转点O必须也是土压计算中使用的旋转点(图6b)。但是，在这些条件下的精确计
算极为复杂。为了确定具有固定维度D、 d和Vm的桶的力矩能力，下文的静态容许近似方法是根据Hansen.B (1978.b)，并且是安全的。如果在全部深度上使用Ed，则可获得最大力矩能力(相等的稳定力，但是较大的力矩)
1. 选择O的水平面(压力跳变)，以便在基座的底部HfO
2. 最关键的是控制线式失效的承载能力。
3. 如果不是O,则必须通过增加HuK来升高。4.
5. 当已经增加EU从而Vd-Rd时，已经达到桶的力矩能力，其中Ra
10已由等式(21)确定。6.作为控制，已经进行以下计算
=&+五《/ (24)
M , i , + &令+五("!) 一《"> 一 ￡2 ("2)
2 (25)
对于小的载重，在基座的下部边缘处产生的栽荷将釆取负值。这是由于被动土压超过外部载荷这一事实造成的。由于被动土压不能用作驱动力，所以引入如下对产生的载荷以及离心率的要求
0<e< —
2 (26)用于载荷分析的输入数据是设计参数(7 )。分析过程使用基于对直径
在100mm到2000mm范围内的桶的系列测试的^^式和方法执4亍。评估该结构/土i裒相互作用以处理载荷状态例如静态载荷和动态载荷的能力。如果相关设计规范中规定的安全等级未在给定的限制内，则增加直径和/或桶的相应裙部的长度(10),并且重复进行载荷分析。
如果安全等级在设计规范中给定的限制内，则利用计算出的桶的尺寸进行钻入分析(11)。该计算遵循传统的嵌入式重力基座的设计程序。首先从桩(pile)围住的土壤体积获得基座的重量，其还在裙部末端水平面处产生有效基座深度。通过与沿裙部高度形成的抵抗性土压相结合的传统的离心承载压力来获得基座的力矩能力。因此，可使用将公知的承载能力公式与同样公知的土压理论相结合的设计模型来进行设计。将基座设计成使
得旋转点位于基座水平面上方，即，在裙部所包围的土壤和承载能力内。破裂作为在基座下方形成的线式失效出现。
估算偵"基座钻入土壤的能力(12)。如果桶不能在预测(图4)给定的参数范围内钻入，则增加桶的直径(13)并且重复载荷分析(8)。此设计阶段被称为概念设计。所述预测在曲线图中示出(图4)，将由用于构造基座结构和用于安装过程的详细设计使用。所述预测作为操作员使用的操作指南给出，或者作为数据输入被直接提供给计算机化控制系统。
所述预测包括用于以下的参数钻入力、将导致土壤破坏的临界吸入压力、将导致基座结构压曲的临界吸入压力、由于泵系统中的限制而随着钻入深度变化的可用吸入压力。
所述基座结构的安装是受控操作钻入过程。基于对上述数据(14)的整理分析而手动地、半自动地或全自动地执行控制系统(15)的操作。为了使过程部分或全部自动化，必须投资合适的设备，但是该过程中的任何步骤可用手动装置执行。基于高精度仪器得到的结构的实际钻入深度和倾斜度的读数来执行控制。
控制行为可通过不同模式引入土壤(5):.在一个或多个室(4)中的恒定介质流。.在一个或多个室(4)中的由介质建立的恒定压力-在一个或多个室(4)中的由介质建立的流或压力的变化。.在一个或多个室(4)中的由介质建立的脉动的流/压力。根据预测选择模式，其取决于土壤特性例如颗粒尺寸、颗粒分布、可渗透性等。
土壤对所启动的控制行为的反应或者是减小了在裙部(30)的边缘处的剪切强度，或者是减小了裙部表面上的表皮摩擦，或者这两者相结合。
控制系统(15)包括流程图(图3)中所示的元件，以及有关实际读数的用户界面的示例(图12)。
输入元件是用于垂直位置(24 )、在X方向的倾斜度(26 )、在Y方向的倾斜度(27)、以及在桶内部的压力例如吸入压力(23)的测量装置。
输出元件/要素是调整吸入压力(16)的数据、调整裙部边缘(4)处的一个或多个室中的各压力/流(17)的数据、以及用于事件记录(18)以便进行安装过程验证的数据。
一种任选的输出元件/要素是操作参见图13的任选的绞车(34)的数
12据。上文说明了包含绞车的可选的或附加的系统。
在控制系统中执行不同的控制程序以启动确保安装过程在预计公差内
的操作。最少需要三个程序1)验证垂直位置(19) ， 2)验证钻入速度/ 吸入压力(20)，和3)验证倾斜度(25)。可将控制程序的顺序排列成 适合实际的安装情况。
用于垂直位置(19)的程序以海床为参照测量结构的垂直位置(24)， 如果该位置在最终水平面的公差内；即+Z-200mm，则安装过程完成。
用于验证钻入速力吸入压力(20)的程序利用足以计算钻入速度的采 样率测量垂直位置(24)。在边缘(4)处的室内没有压力/流的模式下开 始安装过程。如果钻入速率低于最小水平，即0.5m/h，则增加吸入压力 (22)。测量吸入压力(23);必须保持吸入压力低于土壤破坏的安全等 级，即在预测中计算出的临界吸入压力的60%。如果吸入压力处于最大水 平并且钻入速度没有增加，则改变控制模式(21)为在全部室(4)中具有 恒定的或脉动的压力/流。
倾斜度的發汪(25)测量在X方向的倾斜度(26)和在Y方向的倾斜 度。如果倾斜度不在设计基准中所规定的公差内，则启动校正行为(28)。 如果在室(4)内没有压力/流的控制模式下运行，则启动在与希望的校正 处于相同方向的区域内的控制设备(3)。如果在室(4)内具有恒定的/ 脉动的压力/流的控制模式下运行，则启动在与希望的校正处于相反方向的 区域内的控制设备(3 )。可通过操作绞车系统(34)启动任选的控制措施。
优点
与用于安置带裙部的基座/锚的通常使用的方法相比，使用上述方法的 优点有三个方面
对于实施例的给定的物理维度，使用较小的钻入力就能够钻入较大的 深度，同时不会扰乱整个土壤状况和强度。
可将这种类型的基座结构钻入不可渗透材料例如淤泥/软粘土形成的 层下方的可渗透层。
确保能够在钻入过程期间控制基座结构的倾斜度。使用示例
桶形基座可用于例如近海基地的风电发电场，其中风轮机或计量桅杆 安装在设在海床的基座结构上。在以下范围内的各种地点和载荷状态下都
可有利地使用该桶形基座
海床土壤松散的到非常致密的沙和/或软的到非常硬的粘土 水深0-50m
载荷状态垂直载荷500-20.000kN
(图11)中示出用于近海风轮机设施的典型的桶形基座的示例。在海 床水平面处的倾覆力矩是160.000kNm，垂直载荷是4.500kN，水平载荷是 1000kN。
海床包含中等密度的沙和中等硬度的粘土。
基座结构包括直径为llm且裙部长度为11.5m的桶，该桶在海床之上 的总高度为28m。基座结构的总吨位为大约270吨。在结构的各个部分中 钢板材料的厚度为15-60mm。
裙部以l-2m/h的速度钻入海床，这样除了必要时的防侵蚀工作以外， 基座的总安装时间为18-24小时。
100-2.000kN
1权利要求
1. 一种以受控方式将包含一个、两个、三个或更多个裙部的桶形基座结构安装到具有不同特性的土壤中的方法，其中该方法包括两个阶段第一阶段是设计阶段并且第二阶段是安装阶段，因此在第一阶段中确定设计参数，该参数与完成的基座结构上的载荷、安装位置的土壤剖面、容许的安装公差有关，该参数用于估算桶的裙部的最小直径和长度，桶的尺寸用于模拟载荷状况和向基座土壤中的钻入，以便预测必要的钻入力、桶内所需吸力以及临界吸入压力，所述钻入力、所需吸力以及临界吸入压力用作第二阶段中的控制系统的输入，在所述第二阶段中使用在第一阶段确定的参数以便控制桶的安装；并且，在安装设备例如泵、管道中以及在所述结构上设置的传感器向该控制系统提供输入，其中将来自该传感器的输入与从第一阶段得到的参数进行比较，并且该控制系统启动和/或停用设置在所述桶形基座结构内部和周围的不同装置，以便产生所需的钻入力。
2. 根据权利要求l的方法，其中，所述桶形基座结构具有一个、两 个、三个或更多个裙部，并且如在使用情况下看到的，该裙部限定桶形结 构的下部边缘；并且，沿桶形结构的下部边缘分布有与合适的管路互联的 多个孔口或喷嘴，从而可从所述孔口或喷嘴流出介质例如流体、气体、空 气、蒸汽等的流和/或射流。
3. 根据权利要求2的方法，其中，所述孔口和/或喷嘴设置在形状为 一个或多个室的附件中，所述室沿桶形结构的下部边缘的至少一部分没置。
4. 根据权利要求1、 2或3的方法，其中，通过根据输入控制系统 的控制参数对阀和泵例如正排量泵进行受控操纵，从而依据来自第一阶段 的输入控制压力和介质流。
5. 根据权利要求l的方法，其中，所述控制系统在第二阶段期间通 过启动控制行为例如创建以下中的 一个或多个来控制结构的钻入-在一个或多个室或管路中的恒定的介质流；-在一个或多个室或管路中的由介质建立的恒定压力；-在一个或多个室中的由介质建立的流或压力的变化；-在一个或多个室或管路中的由介质建立的脉动的流和/或压力。
6. 根据权利要求1的方法，其中，所述传感器选自转换器、倾斜计、 加速计、压力传感器。
7. 根据任何前述权利要求的方法，其中，手动操作、半自动操作或 者利用计算机全自动操作所述第二阶段。
8. 根据权利要求l的方法，其中，包含三个或更多个绞车的系统设 置在基座的上部，并且在绞车和预先安装的锚之间设有线缆，所述锚沿径 向围绕基座结构基本等距设置，并且绞车可响应来自控制系统的数据被启 动以便实现巻绕或退绕线缆，从而所述系统在第二阶段中提供了用于安置 基座结构的附加的导向控制。
全文摘要
一种以受控方式将包含一个、两个、三个或更多个裙部的桶形基座结构安装到土壤中的方法。该方法包括两个阶段作为设计阶段的第一阶段和作为安装阶段的第二阶段。在第一阶段中确定设计参数，该参数与完成的基座结构上的载荷、安装位置的土壤剖面、容许的安装公差有关，该参数用于估算桶的裙部的最小直径和长度。桶的尺寸用于模拟载荷状况和向基座土壤中的钻入，以便预测必要的钻入力、桶内所需吸力和临界吸入压力，所述钻入力、所需吸力和临界吸入压力被用作第二阶段中的控制系统的输入，在所述第二阶段中使用在第一阶段确定的参数以便控制桶的安装。
文档编号E02D27/32GK101466900SQ200780021646
公开日2009年6月24日 申请日期2007年4月10日 优先权日2006年4月10日
发明者B·沙肯达, L·B·易卜生, S·A·尼尔森 申请人:马科有限公司