一种海上风电负压筒基础及其沉贯方法

本发明涉及海上风电基础，具体涉及一种海上风电负压筒基础及其沉贯方法。

背景技术：

1、负压筒基础通常包括上端封闭、下端开口的筒体。安装时首先依靠基础自重使筒体下端初步进入海床土体，在筒口与海床形成能够维持压力差的初始密封条件后，抽排筒体内部的水体形成筒体内外压力差，并利用该压力差使筒体继续向海床深部沉贯。

2、随着海上风电机组大型化，负压筒基础的直径和筒壁高度逐渐增大。为控制基础重量和材料用量，筒壁通常趋向薄壁化。

3、在负压沉贯过程中，筒壁会受到筒内外压力差、不均匀土压力、局部贯入阻力以及制造初始缺陷等因素共同作用。对于尚未充分进入海床土体、缺少有效侧向土体约束的筒壁区域，容易产生径向变形甚至局部屈曲。

4、现有技术通常通过在筒壁内侧固定设置轴向加强件、环向加强件或者其他内加强结构提高筒体稳定性。例如，公开号为cn112647529a的专利文献公开了一种海洋风电基础平台及其负压筒，其在筒体内侧壁沿周向均匀布置若干沿筒体轴向延伸的第一加强件，并在隔板表面布置与筒体固定连接的第二加强件，以提高筒体抵抗屈曲的能力和结构稳定性。

5、由于上述加强结构与筒壁固定连接，在负压筒继续向下沉贯时，突出于筒内的加强结构也随筒壁同步向下运动，并持续与筒内土体发生相对运动，可能对筒内土体产生额外挤压、切入和绕流作用，并增加局部沉贯阻力。

6、同时，随着筒体沉贯深度增加，较深位置的筒壁逐渐受到筒内、筒外土体的侧向约束，对附加机械径向支撑的需求下降。如果机械支撑始终固定在筒体上的同一轴向位置，则难以随筒体入土区域的扩大重新配置机械支撑位置。

7、因此，需要一种结构相对简单的活动支撑方式，使机械径向支撑能够利用筒内土体相对于筒体的位置变化进行轴向迁移，并在安装末期能够以简单、可靠的方式结束相对随动，避免采用主动升降驱动、复杂锁止、主动释放或者多级终端转换机构。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：如何在负压筒沉贯过程中利用进入筒体内部的土体直接承托筒内活动支撑结构，使径向机械支撑位置能够随筒内土体相对于筒体的位置变化发生轴向迁移，并在安装末期可靠结束相对随动，从而在减少水下活动机构数量的情况下改善未充分获得土体侧向约束区域的筒壁稳定性。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种海上风电负压筒基础，包括上端由顶盖封闭、下端形成贯入口的筒体，所述筒体具有筒壁，所述顶盖上设有与所述筒体内部连通的抽排接口；所述筒体内设有能够相对于所述筒体沿轴向移动的随动支撑组件，所述随动支撑组件包括承力架、设置于所述承力架外周的多个径向支撑部以及设置于所述承力架靠近所述贯入口一侧、与所述承力架连接并保持确定轴向位置关系的环状土体承托构件；所述径向支撑部与所述筒壁的内侧形成滚动支撑配合，以传递径向支撑力并允许所述随动支撑组件相对于所述筒体沿轴向移动，该滚动支撑配合所处的轴向位置为径向支撑位置；所述环状土体承托构件具有允许所述筒体内的流体沿轴向通过的通流结构，所述环状土体承托构件的土体承托作用面位于所述径向支撑位置靠近所述贯入口的一侧，并与所述径向支撑位置沿所述筒体的轴向间隔设置；所述筒体内设有初始位置限定部，所述初始位置限定部用于限制所述随动支撑组件向所述贯入口方向移动，并使处于初始位置的所述环状土体承托构件的土体承托作用面与所述贯入口在轴向间隔设置；所述筒体内还设有终端承载部，所述终端承载部用于在所述随动支撑组件相对于所述筒体移动至预定终端位置后限制所述随动支撑组件继续向远离所述贯入口的方向相对移动。

3、进一步地，所述环状土体承托构件的中部形成沿轴向贯通的通流区域，所述环状土体承托构件的外周缘与所述筒壁的内侧间隔设置并形成环形间隙；所述环状土体承托构件包括内环段、外环段和多个承托部，所述内环段为围绕所述通流区域设置的独立环状件，所述外环段为位于所述内环段径向外侧的独立环状件，多个所述承托部沿周向间隔设置，每个所述承托部的径向内端与所述内环段固定连接、径向外端与所述外环段固定连接，从而将所述内环段、所述外环段和多个所述承托部连接为整体；相邻所述承托部之间形成沿所述筒体的轴向贯通的通流开口。

4、进一步地，所述径向支撑部包括支撑座、径向活动件、弹性预紧件、滚轮架、滚动支撑件以及径向承载限位部；所述弹性预紧件设置于所述支撑座与所述径向活动件之间，用于向所述径向活动件施加朝向筒壁方向的预紧作用，使所述滚动支撑件与所述筒壁的内侧保持接触；当所述径向活动件向承力架方向移动达到预设径向行程后，所述径向活动件与所述径向承载限位部抵接并形成刚性承载配合。

5、进一步地，所述滚动支撑件包括沿所述筒体的轴向间隔设置的第一宽面支撑滚轮和第二宽面支撑滚轮，所述第一宽面支撑滚轮和所述第二宽面支撑滚轮的滚动工作面具有与所述筒壁内侧弧度相适配的凹弧轮廓；所述第一宽面支撑滚轮和所述第二宽面支撑滚轮分别与所述筒壁的内侧形成沿轴向间隔的两个滚动支撑位置。

6、进一步地，所述承力架为具有轴向流通区域的开放式承力结构，所述承力架内设有多个相互隔离的密闭浮力腔，所述密闭浮力腔用于降低所述随动支撑组件需要由筒内土体承担的轴向载荷。

7、进一步地，所述初始位置限定部包括多个沿所述筒壁周向间隔设置的固定挡块，所述固定挡块由所述筒壁的内侧向内凸出，其远离所述贯入口的一侧具有用于支承所述环状土体承托构件的轴向支承面，其靠近所述贯入口的一侧具有导入斜面；在所述随动支撑组件处于初始位置时，所述环状土体承托构件支承于所述轴向支承面上，且所述环状土体承托构件的最低土体承托作用面与所述贯入口之间具有初始缩进距离。

8、进一步地，所述顶盖朝向所述筒体内部的一侧设有环形加强结构，所述环形加强结构与所述顶盖共同限定朝向所述贯入口一侧敞开的终端容纳部；所述终端容纳部位于所述承力架的轴向移动路径上，以在所述随动支撑组件接近所述预定终端位置时容纳所述承力架的至少一部分；所述径向支撑部的轴向移动路径位于所述终端容纳部的径向外侧。

9、进一步地，所述终端承载部设置于所述终端容纳部的轴向顶部，并具有朝向所述贯入口的轴向承载面；所述承力架具有与所述轴向承载面相对应的上端承载面，在所述随动支撑组件移动至所述预定终端位置时，所述上端承载面与所述轴向承载面形成轴向承载配合。

10、进一步地，所述顶盖上还设有灌浆口，所述灌浆口贯穿所述顶盖并与所述筒体内部连通。

11、本发明还提供一种海上风电负压筒基础的沉贯方法，包括以下步骤：使筒体的贯入口接触海床，并使筒壁初始进入海床土体以形成继续负压沉贯所需的初始密封条件；抽排筒体内部的水体，降低筒体内部的水压力，使筒体继续向海床土体沉贯；在筒体继续沉贯的过程中，使进入筒体内部的土体与环状土体承托构件接触；利用筒内土体对环状土体承托构件的承托作用，使随动支撑组件脱离初始位置限定部，并相对于继续沉贯的筒体向远离贯入口的方向移动，在随动支撑组件移动的过程中，使径向支撑部沿筒壁改变轴向支撑位置；当随动支撑组件移动至预定终端位置时，使随动支撑组件与终端承载部形成轴向承载配合，以限制随动支撑组件继续相对于筒体移动；使筒体以及受到终端承载部限制的随动支撑组件继续向海床土体沉贯，使环状土体承托构件相对于筒内土体产生终端阶段的有限贯入；在筒体达到设计贯入深度后停止继续沉贯。

12、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

13、第一，利用进入筒体内部的土体直接承托环状土体承托构件，使随动支撑组件无需设置独立升降驱动机构即可相对于筒体产生轴向迁移，径向机械支撑位置能够随筒内土体相对于筒体的位置变化而重新配置；

14、第二，通过设置周向离散的初始位置限定部，使筒壁下缘能够优先进入海床并形成初始密封条件；固定挡块靠近贯入口的一侧采用导入斜面且控制径向突出量，在实现初始轴向支承的同时降低后续沉贯阻力；

15、第三，通过设置无主动动作的终端承载部，使随动支撑组件在完成主要自由随动行程后直接结束相对移动，并与筒体共同完成剩余末段沉贯，从结构上消除固定轴向偏置与有限筒内高度之间的行程矛盾；

16、第四，径向支撑部采用弹性径向补偿和刚性承载限位相结合的结构，兼顾制造容差适应能力、轴向随动顺畅性以及径向承载刚度。