一种海上风电变径螺旋桩复合筒型基础及其施工方式的制作方法

1.本发明涉及海上风电基础结构领域，特别涉及一种海上风电变径螺旋桩复合筒型基础及其施工方式。


背景技术：

2.目进入21世纪以来，全球经济进入高速增长，而伴随着经济高速增长的是能源消耗的大幅提高，所以可再生能源的研究开发越来越受到人们的重视。在可再生能源开发中，风能发电由于具有储量大、分布广的优势，成为目前全球新能源开发的重点。海上风电相较于陆上发电，具有风向稳定、风速较高、不占用耕地等优势，已成为专家学者研究的重点。未来，海上风电必将由近海向深水海域发展、且面临着承受更加复杂多变的风、浪、流等荷载，故海上风电基础结构的研究成为海上风电行业发展的决定性因素。
3.海上风电基础结构形式多样，单桩基础由于其结构简单、承载机理研究相对成熟，故应用最为广泛。目前海上风电逐步向深海发展，受力情况更为复杂，故对于风电基础结构的承载性能要求更为严格，为了增大桩承受水平、竖向、弯矩和抗倾覆荷载的能力，通常需要增大桩的直径和长度，这样无疑会增大单桩基础自身成本和打桩的费用，同时为安装过程带来了一定的难度，增加了工期。螺旋桩作为一种桩身外安装有螺旋叶片的桩型，安装时使用简单的扭矩装置，将桩拧入土层中，故安装迅速。与相同直径的直轴桩相比，它们同样具有显著的抗拉拔力和抗压能力，使用这类基础可以降低海上风力涡轮机结构的成本。
4.近年来，随着海洋岩土领域的不断发展，筒型基础作为一种施工安装方便、对海洋生态环境影响小的风电基础结构，关于其承载机理等相关内容的逐步完善，目前同样成为了研究和应用的热点。筒型基础靠自重及负压下沉，能够有效抵抗波浪、海流等产生的水平荷载，同时具有较好的抗倾覆能力，施工费用较小。相较于单桩基础，筒型基础竖向承载力相对较弱，针对目前大容量的风力发电机组，通常需要较高的竖向承载能力，通常选择增加筒型基础的裙板深度，但是这种措施必定会造成风机建造、施工成本的提高与施工难度的增加，同时也在一定程度上增加了工期。在筒型基础安装过程中，由于海底地质情况复杂、负压下沉计算错误、筒体下沉产生土塞效应等原因导致筒型基础无法安装到指定位置，进而造成负压下沉失败时有发生。除了采用负压下沉这一措施，目前对于筒型基础下沉问题，尚未得到更好地解决方案。
5.因此，为解决海上风电基础竖向、水平、弯矩承载力及抗倾覆能力不足和安装困难的问题，本发明提出一种变径螺旋桩和中间开口的筒型基础组合的结构形式。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种海上风电变径螺旋桩复合筒型基础及其施工方式。
7.本发明是通过以下技术方案实现的：
8.一种海上风电变径螺旋桩复合筒型基础，包括变径螺旋桩和筒型基础；
9.所述变径螺旋桩包括宽径部、窄径部和旋叶，所述窄径部位于所述宽径部下方，二者连为一整体，所述宽径部外壁上设置有快速接扣
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公扣，所述旋叶环绕设置于所述窄径部的外壁上；
10.所述筒型基础包括筒裙、顶盖和护筒，所述筒裙和顶盖组成筒型，所述顶盖中心处形成开口，在所述顶盖上围绕开口竖直设置护筒，所述护筒内壁设置有快速接扣
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母扣；
11.所述变径螺旋桩安装于所述筒型基础的开口中，所述宽径部的下沿与所述顶盖齐平，所述宽径部的快速接扣
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公扣与所述护筒的快速接扣
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母扣对接固定。
12.在上述技术方案中，所述变径螺旋桩上端通过法兰盘连接风力机塔筒护筒。
13.在上述技术方案中，所述变径螺旋桩为内部空心。
14.在上述技术方案中，所述变径螺旋桩为钢管桩。
15.在上述技术方案中，所述旋叶最大外径小于所述宽径部直径。
16.在上述技术方案中，所述快速接扣
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公扣包括本体、卡簧、防转销和密封圈，所述本体上设在有2个卡簧以及1个防转销，在所述卡簧、防转销的上方、下方分别设置有一密封圈。
17.一种海上风电变径螺旋桩复合筒型基础的施工方法，按照下述步骤进行：
18.首先预制变径螺旋桩和筒型基础，然后将筒型基础通过自重下沉和负压沉放两个步骤放入海床中；再在筒型基础中间护筒部分钻入螺旋桩，待快速接扣完成连接后，形成统一整体。若筒型基础负压沉放不到位，则在快速接扣完成连接后，整个基础借助螺旋桩旋叶旋转的贯入力，一同到达指定位置，完成基础沉放。最后安装风机塔筒。
19.本发明的优点和有益效果为：
20.1、通过快速接扣将变径螺旋桩和中部开口的筒型基础连为一体，使桩筒能够协同作用，充分发挥各自的承载能力。原本桩基础具有良好的竖向承载能力，在水平、弯矩、抗倾覆承载能力方面较弱，而筒型基础的增加增强了基础整体抵抗水平、弯矩和倾覆的能力，同时也弥补了其作为单一结构受力时竖向承载能力相对较弱的问题。同时筒型基础的存在也可以有效减少桩的直径和长度，极大地减小了桩自身的预制和安装成本。二者的有效结合，极大的提高了结构整体的复合承载能力，进而增大了基础在复杂海洋条件下的适用性。
21.2、传统的桩筒复合结构采用灌浆材料进行连接，水下灌浆材料的研究尚未成熟，同时水下施工难度大，耗时长。而螺旋桩与筒型基础通过快速接扣进行连接，施工简便，便于操作，极大地缩短了施工周期。
22.3、螺旋桩设置变径的目的在于安装方便，施工难度小，同时可以解决筒型基础负压沉放不到位的问题。假定螺旋桩不进行变径，针对单一直径的螺旋桩会在与筒型基础组合安装的过程中出现2种安装状况：1)若先将筒型基础负压沉放到位，然后在中间开口部分安装螺旋桩，此时筒型基础开口大小应保证旋叶能够通过，那么螺旋桩安装到指定位置后，护筒与桩身外表面空隙过大，无法采用快速接扣，只能使用灌浆材料，此时将增大施工难度，增加安装时间，同时若筒型基础此前无法负压下沉到指定位置，那么整个基础将面临安装失败的风险。2)若先将螺旋桩安装到位，此时筒型基础沉放时，应先吊装到桩头高度，在一定程度上增加了安装难度。同时由于筒体护筒内部存在快速接扣，所以留给桩身外表面安装的空隙较小，筒型基础在安装沉放过程中难免会遭受海流影响，进而对桩体碰撞造成扰动，极大地增加了筒型基础安装沉放的难度，若筒型基础负压下沉无法达到指定位置，则
整个基础安装失败。而螺旋桩设置变径后，先对筒型基础进行沉放安装，解决螺旋桩的安装定位问题，然后在护筒位置钻入螺旋桩，使桩筒二者采用快速接扣进行连接，极大的缩短海上风电基础的施工周期，同时若筒型基础负压沉放难以达到指定位置时，可借助螺旋桩旋叶选装产生的下贯力一同到达指定位置，解决筒型基础单一沉放问题。相较于传统单桩基础，增加了旋叶后的螺旋桩，能够充分发挥深层土体的抗力，具有良好的抗拔性。
附图说明
23.图1为海上风电变径螺旋桩复合筒型基础的平面结构示意图。
24.图2为变径螺旋桩平面结构示意图。
25.图3为筒型基础正视结构示意图。
26.图4为筒型基础俯视结构示意图。
27.图5为快速接扣结构示意图(纵断面图)。
28.其中：1、变径螺旋桩；2、筒型基础；3、法兰盘；4、风力机塔筒护筒；5、旋叶；6、筒裙；7、护筒；8、快速接扣；9、快速接扣
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公扣；10、防转销；11、卡簧；12、密封圈；13、顶盖；14、快速接扣
‑
母扣；l1、宽径部；l2、窄径部。
29.对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
30.下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
31.实施例1
32.如图1所示，一种海上风电变径螺旋桩复合筒型基础，包括变径螺旋桩1和筒型基础2；变径螺旋桩1和中间开口的筒型基础2通过快速接扣8进行连接。
33.如图2所示，所述变径螺旋桩为空心钢管桩，共分为宽径部l1和窄径部l2两部分；l1段的螺旋桩直径为d，其底部与筒型基础2的顶盖13底部齐平；旋叶5设置于l2段螺旋桩，将该段螺旋桩旋叶5外端最大范围定义为d，要求d≤d。变径螺旋桩1桩身直径，长度、壁厚及旋叶数量和间距均由基础整体受力平衡和安装要求确定。
34.宽径部l1外壁上设有快速接扣
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公扣9，用于与筒型基础2配套的快速接扣
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母扣14进行连接，使二者形成整体，协同受力，更好地完成基础整体安装。
35.如图3、图4所示，所述筒型基础为中间开口、由顶盖13、筒裙6和护筒7组成。顶盖13、筒裙6及护筒7的壁厚和筒裙6、护筒7高度均根据实际受力情况所确定。护筒内部设有快速接扣
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母扣14，用于连接变径螺旋桩1。
36.如图5所示，所述变径螺旋桩1的快速接扣8是整个海上风电变径螺旋桩复合筒型基础的关键，快速接扣8分为公扣9和母扣14，其中公扣9设置于变径螺旋桩1上，母扣14设置于筒型基础2护筒7内部。
37.公扣9内部设有两个卡簧11，用于在螺旋桩1与筒型基础2连接时弹出，使二者连为一体，增大其连接强度，避免发生竖向错动。同时设有防转销10，可承受较高扭矩，故在连接好二者后，筒型基础2可借助变径螺旋桩1向下旋转的贯入力，一并到达指定位置。
38.公扣9内部设有两道密封圈12，可承受较高的压力，同时能够有效阻止海水侵入连
接部位，保证连接构件正常运行，进而保障海上风电基础的的正常工作状态。
39.目前海上风电施工安装耗时较长，同时组合基础多采用高强灌浆材料进行连接，通常组合基础的连接处位于海床面以下，因此给施工带来了极大的不便，而位于桩身和筒型基础护筒内部的快速接扣是在陆地完成预制，这样在通过螺旋桩钻入海底时，直接与筒型基础完成连接，极大地缩短了安装时间。
40.实施例2
41.如实施例1所述的一种海上风电变径螺旋桩复合筒型基础的施工过程如下所述：
42.首先预制变径螺旋桩和筒型基础，然后将筒型基础通过自重下沉和负压沉放两个步骤放入海床中；再在筒型基础中间护筒部分钻入螺旋桩，待快速接扣完成连接后，形成统一整体。若筒型基础负压沉放不到位，则在快速接扣完成连接后，整个基础借助螺旋桩旋叶旋转的贯入力，一同到达指定位置，完成基础沉放。最后安装风机塔筒。
43.以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。