专利名称：一种海上风电潜式基础结构及其整机安装施工方法
技术领域：
本发明涉及海洋结构工程的基础结构体系，具体的说，是涉及一种可浮运的海上风电潜式基础结构及整机安装施工方法。
背景技术：
目前在海洋结构工程中，常用的基础型式包括桩基、支架式基础、导管架式基础、重力基础、筒型基础和浮动平台结构等几种。一般情况下，桩基、支架式基础或导管架式基础所用钢管桩直径较大，重量较重，因此需要费用较高的打桩设备和海上运输设备进行施工。重力式基础需要提前对施工海域的海床设计处理，以使其能够承受较大的重力式基础传递的荷载，而处理海床需要的费用 较高，尤其在水深条件较深时，涉及的机械设备及施工材料成本都比较高。筒型基础主要为长筒状的钢制结构，施工过程虽然对设备要求不高，但其在工作状态下很容易产生钢结构屈曲或下沉不到位的情况，往往难以达到基础上结构物的载荷要求。浮式平台结构目前有Spar平台或张力腿平台，其设计、建造和施工均比较复杂，成本投入非常高，对海域深度也有特别要求，特别是常见的浮式基础结构，施工设备要求较高，海域施工时费用较高。综上所述，现有常见的海上基础结构形式通常结构重量较大，材料成本较高，施工过程对海洋条件、施工机具和施工周期要求也都比较高。
发明内容
本发明要解决的是传统海上潜式基础结构形式通常结构重量较大，材料及施工成本较高的技术问题，提供一种新型的海上风电潜式基础结构及其整机安装施工方法。为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现一种海上风电潜式基础结构，包括密封空心的基础主体，所述基础主体下部为锥体，上部为与锥体一体连接的柱体、锥体或球冠体，所述基础主体顶部固接有过渡连接段，所述过渡连接段为密封中空的圆筒结构，所述圆筒结构中部设置有定位楔体；所述基础主体顶部还设置有进气/水孔、排气/水孔和锚链固定结构，所述基础主体中心设置有由上至下的锚链通道，所述锚链通道内穿有一端连接于所述锚链固定结构的锚链，所述锚链的另一端连接于固定在海床的锚体。所述基础主体内设置有由钢板隔成的分舱结构，各个所述分舱结构之间设置有舱门。所述分舱结构为方格状或蜂窝状。所述基础主体的材料为钢材或混凝土。所述锚体为桩结构、吸力锚、平板锚或重力式锚其中的一种。所述定位楔体的外形为圆台，其顶部直径大于过渡连接段的圆筒结构外径0. 5m-3m，底部直径大于过渡连接段的圆筒结构外径0. 2m_lm，所述定位楔体的高度为lm_3m0
一种海上风电潜式基础结构的整机安装施工方法，包括如下步骤a.根据基础上部的风机载荷进行基础主体浮力设计，预制基础主体、锚体、第一锚链和第二锚链，并预制至少两个相同的浮箱构件，所述浮箱构件能够拼合成密封空心且为外形为宽扁柱体的浮箱，所述浮箱中心设置有与所述过渡连接段的定位楔体相匹配并能够与其楔紧的定位通孔，所述浮箱顶部设置有注水孔；b.基础主体漂浮于水面，将浮箱构件组合拼装于过渡连接段外部，使拼装而成的浮箱的定位通孔套在定位楔体上，采用辅助施工船舶上的泵送水系统通过进气/水孔向基础主体内打入水体,直至基础主体下沉到过渡连接段的定位楔体与浮箱的定位通孔楔紧，关闭泵送水系统，密封进气/水孔；c.在过渡连接段顶部安装风机整机，并将基础主体与风机整机整体拖航至施工场地；d.将锚体沉入海底并固定于海床，锚体与第一锚链连接，第一锚链末端连接第一·浮标作为施工指示标记；e.将第二锚链的一端在基础主体中心的锚链通道由顶部穿入、底部穿出，第二锚链穿出端连接漂浮在海面的第二浮标；f.借助第一浮标和第二浮标的指示作用，将连接第一浮标的第一锚链端部和连接第二浮标的第二锚链端部相互连接，同时拆除第一浮标和第二浮标，使第一锚链和第二锚链连接为一根新的锚链，称为第三锚链；g.采用辅助施工船舶上的泵送水系统通过进气/水孔向基础主体内打入水体，直至基础主体下沉潜入水中并到达设计深度，关闭泵送水系统，密封进气/水孔；h.采用辅助施工船舶上的绞锚机将第三锚链从基础主体的锚链通道顶部带出，直至第三锚链呈初步张紧的直立状态，将第三锚链伸出锚链通道顶部以外的部分拆解回收，并将剩余部分的第三锚链端头与基础主体顶部的锚链固定结构连接固定；i.采用辅助施工船舶上的泵送气系统通过进气/水孔向基础主体内打入气体，打入的气体将基础主体内部的水体通过排气/水孔置换出基础主体，基础主体整体的浮力增加至设计值后，关闭泵送气系统，密封进气/水孔和排气/水孔；j.采用辅助施工船舶上的泵送水系统通过注水孔向浮箱内充水，使浮箱下沉，直至浮箱的定位通孔与过渡连接段的定位楔体脱离，将浮箱拆解为浮箱构件并拖离施工场地。当基础主体设置分舱结构时，基础主体中分舱结构之间的舱门在施工过程中全部打开，在施工之后的工作状态下全部关闭。本发明的有益效果是(一)本发明设计构思完整巧妙，核心技术原理明确，使用结构自身的浮力所提供的恢复力矩来抵抗使用过程中出现的倾覆力矩，当风电结构物传来弯矩等荷载时，基础的浮心与锚点之间的力臂可有效恢复基础的稳定状态，能够保证基础上部风电结构系统使用的稳定条件。(二)本发明的基础主体、辅助安装的浮箱为中空结构，材料用量较少；锚体为海洋工程中较为通用的锚体形式，施工简单，成本较低；锚链也为普通锚泊系统的锚链，目前国产的锚链即可满足要求，不需进口昂贵的张力腿系统所需的锚链，因此整体基础以及辅助安装浮箱的结构材料成本很低。(三)本发明的施工方法仅需较为通用的设备即可完成，基础主体及风电整机的运输也可自浮拖航，安装过程通过基础结构以及辅助安装浮箱自身的浮力调节实现下沉和锚链张紧，所需施工设备较少，并且涉及的都是较为常见的海上施工设备，施工过程简便、快速，大幅度降低了基础结构的海上安装成本和现场施工费用，能够显著节省综合造价。
图I是本发明所提供的海上风电潜式基础结构的示意图；图2是本发明所提供的基础主体的结构示意图；图3是本发明所提供的基础主体的横向剖切图；图4是本发明所提供的浮箱的结构示意图； 图5是本发明所提供的浮箱的纵向剖切图；图6是本发明所提供的海上风电潜式基础结构的整机安装施工方法中第二步的施工示意图；图7是本发明所提供的海上风电潜式基础结构的整机安装施工方法中第四步和第五步的施工示意图；图8是本发明所提供的海上风电潜式基础结构的整机安装施工方法中第十步的施工示意图。图中1，锚体；21，第一锚链；22，第二锚链；23，第三锚链；31，第一浮标；32，第二浮标；4，基础主体；5，分舱结构；6，锚链通道；7，进气/水孔；8，排气/水孔；9，过渡连接段；10，定位楔体；11，浮箱；111，浮箱构件；12，定位通孔；13，风机整机。
具体实施例方式为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下如图I所示，本实施例披露了一种海上风电潜式基础结构，主要由锚体I、锚链和基础主体4构成。锚体I是直径为3. 6m、长度为35m的钢管桩锚体1，用于沉入海底，固定于海床。锚体I可以选用桩结构、吸力锚、平板锚或重力式锚等。基础主体4为可提供2500t有效浮力的钢制密闭空心结构，共25m高，基础主体4可选用由钢板焊接而成或者混凝土浇筑而成。基础主体4外形分两部分一体式构成，下部为底端聚拢的锥体，包括圆锥体和棱锥体；上部为能够与圆锥体相接的圆柱体、圆锥体或球冠体，或者能够与棱锥体相接的棱柱体或棱锥体，从而使基础主体4外形呈竖向纺锤状或水滴状的形式。如图2所示，基础主体4顶部焊接或法兰连接有过渡连接段9，过渡连接段9顶部用于焊接或法兰连接风机塔筒。过渡连接段9主体为密封中空的圆筒结构，制作材料与基础主体4相同,其直径为5m,结构长度为15m,圆筒结构的中部设置有一个定位楔体10。定位楔体10上宽下窄，外形为圆台结构，其顶部直径为7m,底部直径为5. 5m,定位楔体10的结构高度为3m。
如图3所示，基础主体4的空心结构中最好能够设有分舱结构5，分舱结构5由钢板组成，可以为方格状或蜂窝状。各个分舱结构5之间留有可以相互贯通的舱门，舱门的开启和关闭可以由手动控制，也可以由电动阀门控制。基础主体4在投入使用时，舱门是关闭的，以保证在基础主体4受到一定破坏而有部分分舱结构5进水时，其余的分舱结构5不会进水。基础主体4的顶部设置有可以密封的进气/水孔I和排气/水孔8，进气/水孔7用于向基础主体4通入水或气体，排气/水孔8用于将基础主体4内部的水或气体排出。基础主体4顶部还设置有用于固定锚链的锚链固定结构，锚链固定结构具体可以采用卡环连接、铰链连接、锁紧连接等各种方式，只要是能够将锚链固定牢固的均可。基础主体4中心设置有锚链通道6，锚链通道6由基础主体4顶部竖直的贯通到其底部，用于使锚链从中穿过，并可在锚链通道6中自由滑动。在锚体I和基础主体4之间连接有破断力为3500t的第三锚链23，第三锚链23由基础主体4的锚链通道6中穿过并固定于其顶部的锚链固定结构。 本发明的海上风电潜式基础结构在施工时，需要结合一种用于辅助安装的浮箱11。如图4和图5所示，浮箱11为密封空心结构，外形为长方体，长度为60m、宽度为40m，高度为3m。浮箱11的的外形为宽扁柱体，也可以理解为箱型结构，即其整体横向尺寸大于其整体纵向尺寸的规则形体，而横截面可以是多边形、如三角形、矩形、五边形、六边形等，也可以是圆形、捕圆形等。浮箱11中心设置有定位通孔12，定位通孔12为上大下小的圆台形状，与过渡连接段9的定位楔体10相匹配，可以完全咬合楔紧，其顶部直径为5. 5m，底部直径为7m，高度为3m o浮箱11顶部需设置可以密封的注水孔。浮箱11由两个相同的浮箱构件111拼合而成，两个浮箱构件111之间方便安装和拆卸。上述海上风电潜式基础结构的整机安装施工方法，包括如下步骤第一步，根据基础上部的风机载荷进行基础主体4所需提供的浮力设计，浮力大小决定了基础主体4的结构大小以及第三锚链23破断力的大小，根据设计预制基础主体4、锚体I、浮箱构件111、第一锚链21和第二锚链21，第一锚链21和第二锚链21的破断力大小同第三锚链23，浮箱构件111的尺寸通过风机整机13浮运过程中所需要的回覆力矩进行设计。第二步，将基础主体4漂浮于水面，然后将浮箱构件111组合拼装于过渡连接段9的外部，使拼装而成的浮箱11的定位通孔12套在定位楔体10上。在基础主体4中分舱结构5之间的舱门全部打开的状态下，采用辅助施工船舶上的泵送水系统通过进气/水孔7向基础主体4内打入一定量的水体，使基础主体4稍稍下沉，直至基础主体4下沉到过渡连接段9上的定位楔体10与浮箱11的定位通孔12完全咬合楔紧，也就是使过渡连接段9与浮箱11达到紧密连接的状态时，关闭泵送水系统，密封进气/水孔7，如图6所示。第三步，在基础主体4的过渡连接段9顶部安装风机整机13，并将基础主体4与风机整机13整体拖航至施工场地。第四步，安装锚体1，锚体I沉入海底并固定于海床，锚体I与第一锚链21连接，第一锚链21的末端与第一浮标31连接，第一浮标31漂浮于海面，作为施工指示标记，如图7所示。第五步，干拖或湿拖基础主体4至施工场地，将第二锚链22的一端在基础主体4中心的锚链通道6由顶部穿入、底部穿出，第二锚链22的穿出端连接第二浮标32，第二浮标32在浮力的作用下漂浮至海面，如图7所示。第六步，借助第一浮标31和第二浮标32的指示作用，将连接第一浮标31的第一锚链21端部和连接第二浮标32的第二锚链22端部相互连接，同时拆除第一浮标31和第二浮标31，使第一锚链21和第二锚链22连接为一根新的锚链，称为第三锚链23。第七步，在基础主体4中分舱结构5之间的舱门全部打开的状态下，采用辅助施工船舶上的泵送水系统，通过基础主体4顶部的进气/水孔7向基础主体4内打入一定量的水体，使基础主体4全部没入海水中；进一步打水入基础主体4，直至基础主体4下沉到达设计深度，关闭泵送水系统，密封进气/水孔7。第八步，采用辅助施工船舶上的绞锚机将第三锚链23从基础主体4的锚链通道6顶部带出，直至第三锚链23呈不吃力或者说初步张紧的直立状态。将第三锚链23伸出锚链通道6顶部的部分与基础主体4的锚链固定结构连接固定，即将第三锚链23与基础主体4连接为一体。而第三锚链23与基础主体4的锚链固定结构连接以上的部分在拆解后可以通过绞锚机回收。第九步，在基础主体4中分舱结构5之间的舱门全部打开的状态下，采用辅助施工船舶上的泵送气系统通过进气/水孔7向基础主体4内打入一定量的气体，打入的气体将基础主体4内部的水体由通过排气/水孔8置换出基础主体4，基础主体4整体的浮力增加至设计值后，关闭泵送气系统，密封进气/水孔7与排气/水孔8，并关闭在基础主体4中分舱结构5之间的舱门。基础主体4整体的浮力是否达到设计值，可以通过第三锚链23上的传感器测定，第三锚链23的张紧力与基础主体4的浮力为平衡状态。第十步.采用辅助施工船舶上的泵送水系统通过注水孔向浮箱11内充水，使浮箱11下沉，直至浮箱11的定位通孔12与过渡连接段9的定位楔体10由楔紧状态变成相互脱离状态，如图8所示，将浮箱11拆解为浮箱构件111并拖离施工场地。至此，海上风电潜式基础结构的整机安装施工施工完毕，如图I所示。
权利要求
1.一种海上风电潜式基础结构，其特征在于，包括密封空心的基础主体，所述基础主体下部为锥体，上部为与锥体一体连接的柱体、锥体或球冠体，所述基础主体顶部固接有过渡连接段，所述过渡连接段为密封中空的圆筒结构，所述圆筒结构中部设置有定位楔体；所述基础主体顶部还设置有进气/水孔、排气/水孔和锚链固定结构，所述基础主体中心设置有由上至下的锚链通道，所述锚链通道内穿有一端连接于所述锚链固定结构的锚链，所述锚链的另一端连接于固定在海床的锚体。
2.根据权利要求I所述的一种海上潜式基础结构，其特征在于，所述基础主体内设置有由钢板隔成的分舱结构，各个所述分舱结构之间设置有舱门。
3.根据权利要求2所述的一种海上潜式基础结构，其特征在于，所述分舱结构为方格状或蜂窝状。
4.根据权利要求I所述的一种海上潜式基础结构,其特征在于,所述基础主体的材料为钢材或混凝土。
5.根据权利要求I所述的一种海上潜式基础结构，其特征在于，所述锚体为桩结构、吸力锚、平板锚或重力式锚其中的一种。
6.根据权利要求I所述的一种海上潜式基础结构，其特征在于，所述定位楔体的外形为圆台，其顶部直径大于过渡连接段的圆筒结构外径O. 5m-3m,底部直径大于过渡连接段的圆筒结构外径O. 2m-lm,所述定位楔体的高度为lm_3m。
7.—种如权利要求I所述海上风电潜式基础结构的整机安装施工方法，其特征在于，包括如下步骤 a.根据基础上部的风机载荷进行基础主体浮力设计，预制基础主体、锚体、第一锚链和第二锚链，并预制至少两个相同的浮箱构件，所述浮箱构件能够拼合成密封空心且为外形为宽扁柱体的浮箱，所述浮箱中心设置有与所述过渡连接段的定位楔体相匹配并能够与其楔紧的定位通孔，所述浮箱顶部设置有注水孔； b.基础主体漂浮于水面，将浮箱构件组合拼装于过渡连接段外部，使拼装而成的浮箱的定位通孔套在定位楔体上，采用辅助施工船舶上的泵送水系统通过进气/水孔向基础主体内打入水体，直至基础主体下沉到过渡连接段的定位楔体与浮箱的定位通孔楔紧，关闭泵送水系统，密封进气/水孔； c.在过渡连接段顶部安装风机整机，并将基础主体与风机整机整体拖航至施工场地； d.将锚体沉入海底并固定于海床，锚体与第一锚链连接，第一锚链末端连接第一浮标作为施工指示标记； e.将第二锚链的一端在基础主体中心的锚链通道由顶部穿入、底部穿出，第二锚链穿出端连接漂浮在海面的第二浮标； f.借助第一浮标和第二浮标的指示作用，将连接第一浮标的第一锚链端部和连接第二浮标的第二锚链端部相互连接，同时拆除第一浮标和第二浮标，使第一锚链和第二锚链连接为一根新的锚链，称为第三锚链； g.采用辅助施工船舶上的泵送水系统通过进气/水孔向基础主体内打入水体，直至基础主体下沉潜入水中并到达设计深度，关闭泵送水系统，密封进气/水孔； h.采用辅助施工船舶上的绞锚机将第三锚链从基础主体的锚链通道顶部带出，直至第三锚链呈初步张紧的直立状态，将第三锚链伸出锚链通道顶部以外的部分拆解回收，并将剩余部分的第三锚链端头与基础主体顶部的锚链固定结构连接固定； i.采用辅助施工船舶上的泵送气系统通过进气/水孔向基础主体内打入气体，打入的气体将基础主体内部的水体通过排气/水孔置换出基础主体，基础主体整体的浮力增加至设计值后，关闭泵送气系统，密封进气/水孔和排气/水孔； j.采用辅助施工船舶上的泵送水系统通过注水孔向浮箱内充水，使浮箱下沉，直至浮箱的定位通孔与过渡连接段的定位楔体脱离，将浮箱拆解为浮箱构件并拖离施工场地。
8.根据权利要求7所述的海上潜式基础结构的施工方法，其特征在于，当基础主体设置分舱结构时，基础主体中分舱结构之间的舱门在施工过程中全部打开，在施工之后的工作状态下全部关闭。
全文摘要
本发明公开了一种海上风电潜式基础结构及其整机安装施工方法，基础结构包括密封空心且连接有过渡连接段的基础主体，基础主体中心设置有锚链通道，锚链通道内穿有一端固定于基础主体顶部、另一端连接于锚体的锚链，其施工方法是安装锚体并将预先安装好风机整机的基础主体运至施工场地；锚体与基础主体通过锚链相连接；向基础主体内打入水体直至下沉至设计深度，将锚链从锚链通道顶部带出直至呈初步张紧状态，将锚链固定；向基础主体内打入气体，将其内部水体置换出来，基础主体整体的浮力达到设计值后，密封基础主体。本发明核心技术原理明确，基础结构运行可靠稳定，材料成本较低，施工简单、快速，所需施工设备少，施工成本低，节省综合造价。
文档编号E02D27/50GK102677694SQ20121017342
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者丁红岩, 张浦阳, 朱奇, 练继建 申请人:天津大学