海上风电桩基础防冲刷柔性吹砂袋滚滑垒叠施工方法与流程

1.本发明涉及海上风电桩基防冲刷的技术领域，更具体地涉及海上风电桩基础防冲刷柔性吹砂袋滚滑垒叠施工方法。


背景技术：

2.海上风电桩基会使该区域原来波浪、海流等水动力条件发生改变,打破原本已经建立的泥沙输运平衡,从而使桩基
3.周围海底发生冲刷。海流遇到桩的阻碍发生绕流,桩周围流速加大,在桩周围形成的马蹄形漩涡以及桩后方的剥蚀漩涡是对桩基形成冲刷的主要动力。马蹄形漩涡形成的原因是水流受阻而发生旋转。当海底表层土颗粒所受重力及颗粒间粘结力无法抵御漩涡对其施加的作用力,则土颗粒发生起动,从而在桩周围形成了冲刷坑,桩两侧流体流动时发生绕流,流速加大,将会使已起动的泥沙处于悬浮状态。桩后方的水质点发生裂流,形成向海面运动的尾流,进而将泥沙颗粒带出冲刷坑，水体的含沙量的变化受制于地形、潮流、径流、波浪、水深、风速和地质等诸多因素，不同海域的含沙量有较明显的变化。在波浪的联合作用下,更有利于漩涡的形成与发展。当漩涡紊流带走的泥沙总量与推移质和悬移质带入冲刷坑的泥沙总量相等时，冲刷坑就达到了平衡，冲刷停止，这时冲刷坑保持稳定的形状。
4.目前，针对冲刷坑的防治做了一些尝试，比如抛石护桩，由于块石抛入桩基坑内，石头之间缝隙仍然阻止不了潮汐抽流带走下面的沙土后导致块石下沉，由于块石有棱角沉至电缆后，电缆被潮汐抽空流荡使电缆受损，通过一年后扫测发现，块石下沉、基坑仍在增大，其防冲刷效果并不好，而且成本很大。


技术实现要素：

5.本发明的目的提供海上风电桩基础防冲刷柔性吹砂袋滚滑垒叠施工方法，解决上述现有技术问题中的一个或者多个。
6.本发明提供海上风电桩基础防冲刷柔性吹砂袋滚滑垒叠施工方法，包括以下步骤：
7.(1)铺设砂袋：吹砂袋在沉放前，先用gps定位，充灌砂袋，采用铺排船施工，砂袋铺放在滑板上，利用水力冲挖机组充灌砂袋，充满后利用高压水流辅助下放滑板使得砂袋下放至指定位置；
8.(2)砂袋抛填：桩基冲刷坑为漏斗状，坑内砂袋充填时，先抛填桩基附近砂袋，使得砂袋缓慢下沉且与基桩结合紧密，然后再抛填外部砂袋，直至冲刷坑填满，由内而外、由下而上逐层错开，确保表层砂袋充填平整，且与海床面柔性结合；
9.(4)充填控制：充填砂袋设置一个充填袖口，一个排水袖口，采用多次充填确保砂袋充填饱满且相对平整，砂袋袖口用聚丙烯扎带绑扎牢固；
10.(5)分层分段，对回填区域进行网格划分定量抛投：网格划分按40m长
×
2m宽或40m长
×
4m宽的网格进行划分，每次移船距离控制为2m，每个网格根据相应厚度的断面面积用
横断面法计算相应网格方量，并按照网格方量除以单个砂袋方量，得到每个网格所需抛砂袋的数量，根据网格面积计算砂袋抛投数量，抛完一个网格立即作好记录，然后采用gps控制绞船移位，进行下一个网格的抛投，每抛完一层砂袋，立即用测深仪进行检测，符合要求后进行下一层的抛投施工；
11.(6)海缆从钢管桩牵出部分有20米悬空段，牵出口距离泥面1.5
‑
3米，悬空段海缆敷设时留有部分余量，海缆牵出范围防冲刷砂袋回填以3m*3m的小型砂袋充填后平行电缆线方向投放。
12.在一些实施方式中，所述砂袋为半柔性结构，该砂袋布料采用380g/m2编织复合布，所述编织复合布为230g/m2编织布和150g/m2无纺布针刺复合。
13.在一些实施方式中，所述编织复合布的单位面积质量≥380g/m2，cbr顶破强力≥1.8kn，经向断裂强力≥24kn/m，经向断裂伸长率≤28％，纬向断裂强力≥16kn/m，纬向断裂伸长率≤28％，纵向梯形撕破强力≥0.3kn，有效孔径o
95
为0.08～0.50mm，垂直渗透系数≥1.0
×
10
‑3。
14.在一些实施方式中，所述砂袋采用工业缝纫机缝制，缝制线采用锦纶线，强度不小于150n，所述砂袋缝缝或拼缝采用包缝或丁缝，缝缝处折叠三道，折叠宽度5
‑
10cm，所述砂袋尺寸为6m长
×
5m宽或3m长
×
3m宽。
15.在一些实施方式中，所述砂袋设置一个充填袖口，一个排水袖口，所述袖口伸出所述砂袋表面长1m，所述袖口采用230g/m2机织布，所述袖口与所述砂袋缝制连接平顺紧密。
16.在一些实施方式中，所述砂袋充填料采用砂土，所述砂土中粒径d≥0.05mm的颗粒含量≥60％，粘粒d≤0.005mm的颗粒含量≤10％，充填施工时，所述砂袋内充填饱满度为80％～85％，并经排水密实后，用于抛投施工。
17.在一些实施方式中，3m长
×
3m宽的小型砂袋充填完成后尺寸为2.5m长
×
2.5m，6m长
×
5m宽的砂袋充填完成后尺寸为5.5m长
×
4.5m。
18.在一些实施方式中，所述铺排船施工包括以下步骤：
19.铺排船：铺排船顺水流布设，采用6锚定位法，铺排船上采用6个液压绞车控制6根钢缆，从而控制铺排船的定位和移动，铺排船沿铺设方向移船，抛锚避让开海缆位置，抛锚位置远离海缆线路不小于50m，铺排船滑板距风电桩不小于2m，其在，冲刷坑抛填以桩为界分为左半幅、右半幅，分别进行抛填；
20.定位：施工前先利用大比例水下地形测量图，通过绘制横断面图，根据地形计算层数、每层排列个数和充砂袋排列组合方式，确定铺排船位置及相应袋装砂工程量；
21.水下充砂管袋施工时，首先利用gps
‑
rtk软件绘制袋体平面位置图，指导铺排船在下袋位置进行定位；
22.充砂量根据袋体尺寸及计划充填厚度确定，砂袋由岸边按照要求叠置好，运至铺排船上。
23.在一些实施方式中，所述左半幅采取转角施工，分五次转角抛填，中间移一次锚，抛填范围为220
°
，所述右半幅采取平移施工分4次进行，距基桩边分别为3m、5m、10m、15m。
24.在一些实施方式中，所述左半幅和右半幅对称抛投，每半幅施工分六次抛填，距基桩边3m转角2次，采取平移施工分4次进行，距基桩边分别为3m、5m、10m、15m，，每个基桩防护抛移锚2次。
25.在一些实施方式中，所述砂袋施工时分层充填，每层厚度为0.5至0.7m，所述砂袋袋体堆叠整齐，上下层错缝搭接，所述砂袋袋体之间紧靠、挤密。
26.有益效果：本技术的海上风电桩基础防冲刷柔性吹砂袋滚滑垒叠施工方法，施工工艺简单、原材料不复杂、编织充填砂袋在水下不腐烂、水土保持稳定性强、施工周期短、施工过程中对海缆和风电口桩基不受影响，且施工成本低、投资小。
附图说明
27.图1为一实施例中海上风电桩基础防冲刷柔性吹砂袋滚滑垒叠施工方法的步骤示意图；
28.图2为一实施例中抛填网格示意图；
29.图3为一实施例中抛法一的抛填示意图；
30.图4为一实施例中抛法二的抛填示意图；
31.图5为一实施例中分层抛填示意图；
32.图6为一实施例中海缆悬空段示意图；
33.图7为一实施例中h1
‑
20#风机基础周边地形第二次监测三维图；
34.图8为一实施例中h2
‑
17#风机基础周边地形第二次监测三维图；
35.图9为一实施例中h2
‑
29#风机基础周边地形第二次监测三维图；
36.图10为一实施例中h2
‑
35#风机基础周边地形第二次监测三维图；
37.图11为一实施例中h2
‑
39#风机基础周边地形第二次监测三维图。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.本发明施工前，2020年9月进行桩基首次冲刷监测后，邀请具有相应资质的第三方单位于2021年4月24日至4月26日对预备首批并网发电的风机基础冲刷情况进行了多波速扫测，扫测情况见下表：
40.[0041][0042]
本发明提供海上风电桩基础防冲刷柔性吹砂袋滚滑垒叠施工方法的实施例，其施工工艺如图1所示，包括以下步骤：
[0043]
(1)袋体加工:土工织物袋采用工业缝纫机缝制，缝制线应采用锦纶线，强度不得小于150n；砂袋缝缝或拼缝宜采用“包缝”或“丁缝”，缝缝处折叠三道，折叠宽度5
‑
10cm，袋的缝制做到叠接到位，线脚顺直，均匀牢固，本工程砂袋规格尺寸为6m长*5m宽和3m长*3m宽两种砂袋规格；
[0044]
(2)根据本工程情况土工织物袋上表面设置袖口，砂袋设置一个充填袖口一个排水袖口，袖口伸出砂袋表面长1m，采用230g/m2机织布，袖口与砂袋缝制要求连接平顺紧密，避免砂袋充填时袖口损坏跑；
[0045]
(3)土工织物袋在运输、储存和施工过程中，均不能长期暴露在太阳光下，以免老化变脆、强度降低。特别是在施工中，上一层袋体不能及时充填覆盖，坡面未及时相应铺护时，应及时覆盖和保护；
[0046]
(4)铺排船：铺排船顺水流布设，采用6锚定位法，铺排船上采用6个液压绞车控制6根钢缆，从而控制铺排船的定位和移动，铺排船沿铺设方向移船，抛锚注意避让开海缆位置，抛锚位置远离海缆线路不小于50m，铺排船滑板最近距风电桩2m，本工程冲刷坑抛填以桩为界左半幅、右半幅分别抛填到位(如图2所示，图中横线上下分别为左半幅、右半幅，箭头方向为水流方向)；
[0047]
(5)定位：施工前先利用大比例水下地形测量图，通过绘制横断面图，根据地形计算层数、每层排列个数和充砂袋排列组合方式，确定铺排船位置及相应袋装砂工程量；
[0048]
水下充砂管袋施工时，首先利用gps
‑
rtk软件绘制袋体平面位置图，指导铺排船在滚滑沉放位置进行定位；
[0049]
充砂量根据袋体尺寸及计划充填厚度确定，砂袋由工作船滑板上按照要求滚滑沉放叠置好，运至铺排船上；
[0050]
(6)铺设砂袋，充砂袋在沉放前，先用gps定位，充灌砂袋，采用铺排船施工，砂袋铺放在滑板上，利用水力冲挖机组充灌砂袋，充满后利用高压水流辅助下放滑板使得砂袋滚滑沉放至指定位置；
[0051]
(7)模袋铺设过程中应尽量避免施工机械或人为破坏，一旦发现模袋被破坏，应立即报告发包人和监理人并按照监理人的指示更换破损部分或进行补强；
[0052]
(8)砂袋抛填，由于桩基冲刷坑为漏斗状，坑内砂袋充填时先桩基附近砂袋，使得砂袋缓慢下沉且与基桩结合紧密，然后再抛填外部砂袋，直至冲刷坑填满，由内而外、由下而上逐层错开，确保表层砂袋充填平整，且与海床面柔性结合，起到应有的防护作用；
[0053]
抛填方法，可采取如下两者方法，以6m
×
5.5m砂袋为例：
[0054]
如图3所示，抛法一，所述左半幅采取转角施工，分五次转角抛填，中间移一次锚，抛填范围为220
°
，所述右半幅采取平移施工分4次进行，距基桩边分别为3m、5m、10m、15m。
[0055]
如图4所示，抛法二，所述左半幅和右半幅对称抛投，每半幅施工分六次抛填，距基桩边3m转角2次，采取平移施工分4次进行，距基桩边分别为3m、5m、10m、15m，，每个基桩防护抛移锚2次。
[0056]
两种抛法相比较：抛法一施工时间略长于抛法二，两种抛法都能对已铺海缆进行保护性垫填，抛填效果无明显差异，可采取抛法二进行大面积施工，
[0057]
(9)充填控制，本工程充填砂袋设置一个充填袖口，一个排水袖口，采用多次充填确保砂袋充填饱满且相对平整。砂袋袖口用聚丙烯扎带绑扎牢固，充填施工时，砂袋内充填饱满度宜为80％～85％，并经排水密实后方可用于抛投施工；
[0058]
(10)分层分段，对回填区域进行网格划分定量抛投，如图5所示，网格划分原则上按40m长
×
2m(4.0m)宽(长度根据铺排船滑板长度定，宽度根据砂袋尺寸考虑搭接定，3m*3m小型砂袋充填完成后尺寸为2.5m*2.5m，6m*5m充填后为5.5m*4.5m，排搭接0.5m)的网格进行划分，每次移船距离控制为2m，其余不规则部分以方便现场施工为原则进行划分，每个网格根据相应厚度的断面面积用横断面法计算相应网格方量，并按照网格方量除以单个砂袋方量，得到每个网格所需抛砂袋的数量，根据网格面积计算砂袋抛投数量。抛完一个网格立即作好记录，然后采用gps控制绞船移位，进行下一个网格的抛投，每抛完一层砂袋，立即用测深仪进行检测，符合要求后才能进行下一层的抛投施工；
[0059]
(11)海缆从钢管桩100牵出部分由20米悬空段200(如图6所示)，其中，牵出口距离泥面约1.5
‑
3米，悬空段200海缆敷设时留有部分余量，海缆牵出范围防冲刷袋装砂回填以3m*3m的小型砂袋充填后平行电缆线方向投放，减少对海缆可能产生的影响。
[0060]
其中，施工过程中还包括：
[0061]
(1)施工前对采砂地点进行实地勘查，选用优质砂源，施工过程中加强对出泥口的检查测定，确定吹填砂和含泥量，当含泥量高于设计要求时，停止吹填，寻找新的砂源点实施吹填，以满足充填砂袋充填要求。
[0062]
(2)砂袋充填施工的加载速率控制
[0063]
由于砂袋充填在海底泥面上填筑，因此需要严格控制施工加载速率在一定范围内，施工时应分层均匀缓填。从冲刷基坑填到海床面时，适当考虑袋装砂的自然泄水密实沉降系数。
[0064]
(3)充砂袋应分层充填，每层(充填)厚度一般为0.5～0.7m，袋体应堆叠整齐，上下层错缝搭接，袋体之间应紧靠、挤密，尽量不出现通缝。
[0065]
(4)充填袋在垂直于轴线方向须整块制作，袋布应选择较宽布幅，采用锦纶线拼接缝制，拼接处折叠三层，宽度约5～10cm，缝三道线(先缝一道，折叠后再缝两道)针脚间距≤7mm，缝制后强度不低于原织物设计强度的70％。
[0066]
(5)袋体在运输、堆放和铺设过程中，应注意保护，不得出现破损和老化现象，否则应及时采取补救措施。
[0067]
(6)施工完毕后，为保证施工效果，潜水员水下检查施工情况，确保防护效果。
[0068]
对实施例中380g/m2的编织复合布进行性能检测：
[0069][0070][0071]
施工完成后，5月22日下午组织潜水员对h2
‑
39号桩抛填情况进行探摸，潜水员探摸后反应砂袋抛填基本能覆盖防护区域，未发现防护范围内有无砂袋的区域，表面无高低悬殊区域，抛填效果较好。结合监测结果，证明施工方案可行，可达到防护要求。
[0072]
同时，2021年5月26日、2021年6月1日由具有相应资质的第三方单位对防护后的机位进行了扫测，扫测结果如下：
[0073]
[0074][0075]
其中，h1
‑
20#风机第二次监测日期为2021年6月1日，距桩壁16米范围内(不包含风机)，海底高程范围为
‑
11.95～
‑
11.51m，平均高程为
‑
11.72米，风机周边距离桩壁16米范围内填方量约为54.87立方米，方量计算基准为周边泥面高程
‑
11.7米。该风机基础周边地形第二次监测三维图如图7所示。
[0076]
h2
‑
17#风机第二次监测日期为2021年5月26日。距桩壁16米范围内(不包含风机)，海底高程范围为
‑
15.95～
‑
15.63m，平均高程为
‑
15.84米，风机周边距离桩壁16米范围内填方量约为155.32立方米，方量计算基准为周边泥面高程
‑
15.7米。该风机基础周边地形第二次监测三维图如图8所示。
[0077]
h2
‑
29#风机第二次监测日期为2021年5月26日，距桩壁16米范围内(不包含风机)，海底高程范围为
‑
14.69～
‑
14.20m，平均高程为
‑
14.37米，风机周边距离桩壁16米范围内填方量约为35.75立方米，方量计算基准为周边泥面高程
‑
14.4米。该风机基础周边地形第二次监测三维图如图9所示。
[0078]
h2
‑
35#风机第二次监测日期为2021年5月26日，距桩壁16米范围内(不包含风机)，海底高程范围为
‑
15.24～
‑
14.76m，平均高程为
‑
14.98米，风机周边距离桩壁16米范围内填方量约为39.40立方米，方量计算基准为周边泥面高程
‑
15.0米。该风机基础周边地形第二次监测三维图如图10所示。
[0079]
h2
‑
39#风机第二次监测日期为2021年5月26日，，距桩壁16米范围内(不包含风机)，海底高程范围为
‑
15.14～
‑
14.70m，平均高程为
‑
14.87米，风机周边距离桩壁16米范围内填方量约为25.23立方米，方量计算基准为周边泥面高程
‑
14.9米。该风机基础周边地形第二次监测三维图如图11所示。
[0080]
综上：抛填施工结束后，经第三方检测单位对抛填结果进行了检测，场区内风机基础周边冲刷情况较防护前明显得到改观，扫测时h2风场的四个机位已经历过一次大潮，相比于作业前状况，风机基础周边海底地形冲刷程度相对较轻，冲刷规模相对较小。
[0081]
因此，该实施例的海上风电桩基础防冲刷柔性吹砂袋滚滑垒叠施工方法，施工工艺简单、原材料不复杂、编织充填砂袋在水下不腐烂、水土保持稳定性强、施工周期短、施工
过程中对海缆和风机桩不受影响，且施工成本低、投资小。
[0082]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。