一种多分舱复合筒型基础及其施工方法

1.本发明涉及海上风电用复合筒型基础技术领域，具体涉及一种多分舱复合筒型基础及其施工方法。


背景技术：

2.随着海上风电技术的逐步发展，目前已经有多种海上风机基础投入运用，如重力式基础、筒型基础和桩基础等，每种基础都有其适用范围。其中筒型基础凭借其结构形式简单，便于施工和回收，抗滑移稳定性较高等优点，在浅海风电基础领域得到了广泛的应用。
3.我国地质条件十分复杂，上层地基出现软弱土而下层地基土坚硬甚至为基岩是实际工程中非常常见的一种情况，在上述地质条件下进行风机基础施工时，如遇到筒型基础的筒高和筒径受限的情况，会导致传统的吸力式筒型基础无法达到承载要求，进而导致海上风电运行面临着较大的风险。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多分舱复合筒型基础，以解决现有筒型基础在上层软弱土地基上存在的承载力不足技术问题。
5.本发明所采用的技术方案为：一种多分舱复合筒型基础，包括：
6.筒体，所述筒体包括筒盖和筒壁，所述筒盖固定设置于所述筒壁的顶端，以形成顶端封闭、底部开口的所述筒体；
7.径向舱板，所述径向舱板沿所述筒体径向设置于所述筒体内，并与所述筒盖固定连接；
8.同轴设置于所述筒体内的内环舱板和外环舱板，所述内环舱板和所述外环舱板分别与所述筒盖和所述径向舱板固定连接，以使所述内环舱板、所述外环舱板、所述筒盖和所述径向舱板之间形成多个内环分舱，所述外环舱板、所述筒盖、所述筒壁和所述径向舱板之间形成多个外环分舱。
9.优选的，所述外环舱板的下表面设置在所述内环舱板的下表面上方，以使所述内环分舱的底部与所述外环分舱的底部连通。
10.优选的，所述筒体的径向尺寸为d1＝30m～55m，所述筒体的高度h1＝5m～20m；所述外环舱板的径向尺寸为d2＝12m～25m；所述内环舱板的径向尺寸为d3＝5m～15m，所述内环舱板的高度h3和所述径向舱板高度h4与所述筒体的高度h1相同。
11.优选的，所述内环舱板和所述外环舱板为圆形或正多边形。
12.优选的，所述筒盖上安装有用于提高所述筒型基础承载力的压载板。
13.优选的，所述压载板上设有定位凹槽，所述筒盖上表面设有与所述定位凹槽相配合的定位凸起。
14.优选的，所述定位凸起为混凝土柱，并一一对应设置于所述内环分舱上方的筒盖上。
15.优选的，所述筒盖上与所述外环分舱相对应位置设有泵口、灌浆口和出浆口，且所述外环舱板上设有具有连通状态和隔绝状态的过流孔，所述连通状态用于流体在相邻所述内环分舱和所述外环分舱之间的流动，所述隔绝状态用于隔绝流体在相邻所述内环分舱和所述外环分舱之间的流动。
16.本发明的另一目的在于提供一种多分舱复合筒型基础的施工方法，所述施工方法包括如下步骤：
17.s10：陆上预制多分舱复合筒型基础和压载板；
18.s20：吊入水中并检查中间分舱、内环分舱和外环分舱的气密性；
19.s30：将水气比调节为所述中间分舱﹤所述外环分舱﹤所述内环分舱；
20.s40：拖运至预定海域并通过自重下沉和负压下沉进行下沉；
21.s50：对所述中间分舱、所述内环分舱和所述外环分舱进行灌浆；
22.s60：将所述压载板安装至所述多分舱复合筒型基础上。
23.优选的，一种多分舱复合筒型基础的施工方法，其特征在于，所述s40包括：s41：自重下沉时，先将所述外环分舱气体外排，再将所述内环分舱和所述中间分舱气体外排；s42：负压下沉时，先对所述外环分舱进行抽负压，再对所述内环分舱和所述中间分舱进行抽负压。
24.本发明的有益效果：
25.1、本发明在筒型基础的筒体内设有同轴的内环舱板和外环舱板，增加了环形舱板的数量，不仅可以提高筒型基础的筒体顶部的结构强度，便于载荷的向下传递，还可将筒型基础的筒体内腔分割为更多的分舱结构，增多的分舱结构可以增加舱板与地基的接触面积，进而提高舱板的侧摩阻力，增强上层软弱土地基的承载力，扩大了筒型基础的适用范围。
26.2、本发明在筒型基础的筒体内设有同轴的内环舱板和外环舱板，使得筒型基础的筒体内腔形成由外到内依次设置的外环分舱、内环分舱和中间分舱的多分舱结构，多分舱结构不仅便于筒型基础的平稳拖航，也便于控制筒型基础平稳下沉。
27.3、本发明将外环舱板的下表面设置在内环舱板的下表面上方，不仅可以将减少钢材的用量，降低建造成本，还可将内环分舱和外环分舱的底部连通，并使内环分舱和外环分舱连接为一体，有利于提高筒型基础的稳定性和抗滑移能力。
28.4、本发明在筒体的顶部安装有压载板，在筒型基础灌浆后将压载板安装于筒体的顶部，可通过压载板增加筒型基础的重力作用，用于将筒体内部的软弱土压实，进一步提高筒型基础的承载力。
29.5、本发明在外环舱板上设有过流孔，该过流孔可将外环舱板两侧的外环分舱和内环分舱连通，以便于在自重下沉和负压下沉时通过外环分舱将内环分舱中的气体和液体分别抽出，进而减少筒盖上泵口、灌浆口和出浆口及相关设备的设置，进一步降低筒型基础的建造成本。
附图说明
30.图1为本发明的多分舱复合筒型基础的第一视角立体图；
31.图2为本发明的多分舱复合筒型基础的第二视角立体图。
32.图3为本发明的多分舱复合筒型基础的俯视图；
33.图4为本发明的多分舱复合筒型基础的仰视图；
34.图5为压载板的结构示意图；
35.图6为本发明的多分舱复合筒型基础拖航状态示意图；
36.图7为本发明的多分舱复合筒型基础下沉状态示意图。
37.图中附图标记说明：
38.10、筒体；
39.11、筒盖；12、筒壁；13、定位凸起；14、泵口；15、灌浆口；16、出浆口；17、备用泵口；
40.20、径向舱板；
41.30、内环舱板；
42.40、外环舱板；
43.50、内环分舱；
44.60、外环分舱；
45.70、中间分舱；
46.80、压载板；
47.81、定位凹槽；
48.90、过流孔。
具体实施方式
49.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
50.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
51.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
52.此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
53.实施例，如图1-图7所示，一种多分舱复合筒型基础，该筒型基础用于将海上风电的塔筒固定在海中，并为海上风电的塔筒和风机提供充足的承载力；该筒型基础包括：
54.筒体10，该筒体10包括钢材质的筒盖11和筒壁12，筒盖11通过焊接固定设置于筒壁12的顶端，以使筒盖11和筒壁12之间形成一顶端封闭、底部开口的筒体10。
55.径向舱板20，该径向舱板20沿筒体10径向设置于筒体10内，且多个径向舱板20圆周均布于筒体10内并与筒盖11固定连接。
56.内环舱板30，该内环舱板30同轴设置于筒体10内并分别与筒盖11和径向舱板20固定连接，以使内环舱板30与筒盖11之间形成一底部开口的中间分舱70。
57.外环舱板40，该外环舱板40设置于筒体10与内环舱板30之间，并分别与筒盖11和径向舱板20固定连接，以使内环舱板30、筒盖11、径向舱板20和外环舱板40之间形成多个圆周均布、底端开口的内环分舱50，外环舱板40、筒盖11、径向舱板20和筒壁12之间形成多个圆周均布、底端开口的外环分舱60。
58.本技术通过在筒型基础的筒体10内设置同轴的内环舱板30和外环舱板40，增加了环形舱板的数量，不仅可以提高筒型基础的筒体10顶部的结构强度，便于载荷的向下传递，还可将筒型基础的筒体10内腔分割为更多的分舱结构，增多的分舱结构可以增加舱板与地基的接触面积，进而增加舱板的侧摩阻力，增强上层软弱土地基的承载力，扩大了筒型基础的适用范围。同时本技术中的内环舱板30和外环舱板40可使得筒型基础的筒体10内腔形成由外到内依次设置的外环分舱60、内环分舱50和中间分舱70的多分舱结构，该多分舱结构不仅便于控制筒型基础的平稳拖航，也便于控制筒型基础平稳下沉。
59.在一具体实施例中，如图2、图6所示，在竖直方向上，外环舱板40的下表面设置在内环舱板30的下表面上方，以使内环分舱50的底部与外环分舱60的底部连通。如此设置，通过将外环舱板40的下表面设置在内环舱板30的下表面上方，可以使内环分舱50的顶部与外环分舱60的顶部处于互不连通状态，同时使内环分舱50的外环分舱60的底部处于连通状态，从而使筒体10内腔的顶部分舱数量多于底部分舱数量。例如，当外环舱板40为8m高的正六边形管，内环舱板30和筒壁12为8m高的圆管时，自筒盖11向下0～6m范围的筒体10内腔包括1个中间分舱 6个内环分舱50 6个外环分舱60的13分舱结构，而筒盖11向下6m～8m范围的筒体10内腔只包括1个中间分舱 6个连通腔的7分舱结构。如此，不仅可以将减少钢材的用量，降低筒型基础的建造成本，还可将内环分舱50和外环分舱60的底部连通，使得内环分舱50和外环分舱60连接为一体，进而有利于提高筒型基础的整体稳定性和抗滑移能力。
60.具体的，筒体10的径向尺寸为d1＝30m～55m，筒体10的高度h1＝5m～20m；筒盖11的厚度为0.01m～0.1m，筒壁12厚度为0.01m～0.06m；外环舱板40的径向尺寸为d2＝12m～25m；内环舱板30的径向尺寸为d3＝5m～15m，且内环舱板30的高度h3和径向舱板20高度h4均与筒体10的高度h1相同；外环舱板40、内环舱板30和径向舱板20的厚度均为0.01m～0.06m。
61.其中，内环舱板30和外环舱板40均可为圆形或正多边形。
62.在一具体实施中，如图1、图2、图3和图5所示，筒盖11上安装有用于提高筒型基础承载力的压载板80。如此设置，在筒盖11上设置可拆卸安装的压载板80，当筒型基础拖航和下沉时可以降低筒型基础的重量，以便于控制筒型基础平稳拖航和平稳下沉；当筒型基础灌浆后，可通过将多个压载板80圆周均布的安装在筒型基础的筒盖11上增加筒型基础的重量，进一步压实筒型基础下方的地基，从而提高筒型基础的承载力。
63.优选的，压载板80为扇形的混凝土压载板，多个混凝土压载板圆周均布的安装在筒型基础的筒盖11上，形成一个环形并压载于筒盖11的承载区(主要是筒盖11上与内环分舱50和外环分舱60相对位置)上，筒盖11的中部为用于与上部结构(导管架或单柱型过渡段)连接的连接区(筒盖11上与中间分舱70对应位置)。
64.具体的，在混凝土压载板的下表面上设有定位凹槽81，同时在筒盖11的承载区上
圆周均布有多个与定位凹槽81相配合的定位凸起13，且该定位凸起13与定位凹槽81为一一对应关系，并位于内环分舱50的正上方，用于对压载板80的正确安装进行快速定位。定位凸起13为混凝土浇筑而成的圆柱体或多边棱柱体，其尺寸为直径1.5m～2.5m，高度为0.3m～1.0m。
65.在一具体实施例中，如图1、图3和图4所示，在筒盖11上与中间分舱70和外环分舱60相对应位置均设有泵口14、灌浆口15、出浆口16和备用泵口17。其中，泵口14和备用泵口17用于泵系统，在负压下沉过程中泵系统可通过抽水抽气形成舱内负压以保证筒型基础下沉，每个泵口14和备用泵口17都连通有调压管路，在负压下沉过程中可通过调压管路独立调节各分舱的气压，实现筒型基础负压下沉的精细调平；筒型基础下沉到位后，筒盖11下部地基不平的情况会影响筒型基础的顶承效果，此时需要向筒内灌浆以避免筒盖11与地基土体之间存在空隙，以保证筒盖11充分发挥顶承作用。如此设置，泵口14和备用泵口17用于筒型基础各分舱的气体填充、外排以海水外排；灌浆口15和出浆口16用于筒型基础各分舱的灌浆和出浆。
66.优选的，内环分舱50与外环分舱60为一一对应关系，且在外环舱板40上设有具有连通状态和隔绝状态的过流孔90，连通状态用于流体(气体和海水)在相邻内环分舱50和外环分舱60之间的流动，隔绝状态用于隔绝流体在相邻内环分舱50和外环分舱60之间的流动。如此设置，当过流孔90处于隔绝状态时，可以隔绝气体和海水在内环分舱50和外环分舱60之间的流动，进而使得内环分舱50与外环分舱60处于互不连通的独立状态；当过流孔90处于连通状态时，可以使气体和海水在内环分舱50和外环分舱60之间相互流动，以便于内环分舱50的气体和海水经外环分舱60进出筒型基础，减少筒盖11上泵口14、灌浆口15和出浆口16及辅助设备的设置，以降低筒型基础的建造成本。
67.更优选的，在外环舱板40与径向舱板20的连接处设有3个过流孔90，而3个过流孔90可将径向舱板20两侧的两个内环分舱50和两个外环分舱60连通为一个独立分舱，也就是通过在三个径向舱板20和外环舱板40上设置过流孔90，从而将6个内环分舱50和6个外环分舱60连通成3个等体积的独立分舱。
68.具体的，过流孔90包括设置在外环舱板40与径向舱板20顶部的连通孔、以及固定设置在连通孔内的阀门，过流孔90内的阀门可根据需要开启和关闭。
69.实施例：上述多分舱复合筒型基础的施工方法，如图6、图7所示，该施工方法包括如下步骤：
70.s10：于陆上预制多分舱复合筒型基础和压载板80。
71.s20：将多分舱复合筒型基础与上部结构、塔筒和风机组装调试完成后吊入水中，并检查多分舱复合筒型基础的中间分舱70、内环分舱50和外环分舱60的气密性。
72.s30：将中间分舱70、内环分舱50和外环分舱60的水气比调节为中间分舱70﹤外环分舱60﹤内环分舱50。
73.具体为：如图6所示(图中虚线为液面位置)，调节满足气密性要求的多分舱复合筒型基础的中间分舱70、内环分舱50和外环分舱60的水气比；其中，可通过抽水和打气的方式将中间分舱70内的海水全部外排而充满空气，这样可使中间分舱70形成气垫效果，能够更好的为筒型基础提供浮力；同时调节筒型基础的吃水，并使外环分舱60内的水气比﹤内环分舱50内的水气比，此处的水气比指各分舱内海水体积与空气体积的比值，也就是使外环分
舱60内液面位于内环分舱50内液位之下。
74.s40：拖运至预定海域后，先后通过自重下沉和负压下沉使多分舱复合筒型基础下沉。
75.具体为，s41：自重下沉时，先开启筒盖11上与外环分舱60相对应的泵口14阀门，通过对外环分舱60的放气使筒型基础开始自重下沉，自重下沉过程中需要实时观察筒型基础的下沉姿态，若发生倾斜可以通过调节不同分舱的泵口14阀门进行调平(筒型基础向某一方向向下倾斜时，可以调小该方向分舱的泵口阀门，减缓排气速度；或者调大对面方向分舱的泵口阀门，增大排气速度；二者也可以同时进行，具体调平策略可以视实际情况而定)。为控制下沉速度可同时调节各分舱阀门大小。筒型基础姿态调整至水平且自重下沉过程稳定后，可将中间分舱70的泵口14阀门和外环舱板40上所有过流孔90阀门全部打开，并通过调节泵口14阀门大小继续控制筒型基础的下沉姿态和下沉速度，直至筒型基础自重下沉至海底泥面内(如图7所示，图中虚线为液面位置，实现为地基上表面)，且筒型基础受力平衡不再下沉。
76.s42：负压下沉时，通过泵系统抽取负压的方法为基础提供下沉动力。先打开外环分舱60的泵口14阀门，外环舱板40上的过流孔90阀门保持关闭状态，利用潜水泵对外环分舱60进行抽负压，当抽取负压至筒型基础不再继续下沉或倾斜角度较大难以调平时，再打开中间分舱70泵口14阀门和外环舱板40上的过流孔90阀门继续抽负压或进行调平，使筒型基础继续下沉直至到位。负压下沉过程中同样需要控制筒型基础的姿态，若向某一方向发生向下倾斜时，可通过向对面方向分舱抽水或向该方向分舱打气的方法进行调平。
77.s50：下沉结束后，通过灌浆口15向筒体10内各舱进行灌浆，直至浆料从出浆口16溢出，表明此时灌浆料已填满筒型基础的各个分舱内地基与筒盖11的间隙，并停止灌浆。
78.s60：灌浆结束后，将压载板80安装至多分舱复合筒型基础上。
79.具体的：利用浮吊将压载板80下放至筒盖11上方，继续下放直至筒型基础筒盖11上的定位凸起13进入压载板80的定位凹槽81内，压载板80安装于筒型基础上，用于对筒型基础内部的土体产生压实加固的效果。
80.与现有技术相比，本技术至少具有以下有益技术效果：
81.本技术解决了上层地基存在软弱土导致的承载力不足问题，且本技术中的筒型基础适用范围广、运输安装方便、可回收利用、承载力高，既可以将上部风机荷载转换为筒型基础结可控的拉压应力，又可以作为重力式结构，通过自身的重力及压载板来抵抗上部荷载，筒型基础内部精细化分舱提高了浅层软弱土地基的承载能力，大大降低了运行风险。
82.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。