一种生态型风电桩基护底结构及设计方法

技术领域

本发明属于桩基护底技术领域，具体涉及一种生态型风电桩基护底结构及设计方法。

背景技术

海上风力发电机大直径钢管桩基础在海流和波浪作用下，会在桩周局部海域引发强劲的水流或高速旋转的旋涡，这些水流或旋涡具有较高的冲刷能力，从而在局部范围内形成冲刷坑，减弱桩基础承载力，危及桩基础。

关于海上风电桩基的防冲刷技术，国内外已经有不少学者做了大量的理论研究工作。现有公开技术有：(1)抛填法是目前采用最广泛的方法，主要有抛填砂袋、抛填石块等。施工中准备好砂包或级配碎石，按照设计的范围和厚度抛填至基础桩周围。抛填法具有取材范围广、船舶机械要求不高、施工时间短、施工方便的特点，但其施工精度差，流失量大，防护层成型效果差。(2)土工布法主要有砂被覆盖或连锁排覆盖，尤其是砂被法在国内早期的海上风电场应用实例较多，砂被或连锁排整体加工制作，通过吊架或敷设船整体安装铺设，海上施工周期相对较短，铺设位置及均匀性的控制相对较好，但是该方法会导致有风电桩基的地方寸草不生，破坏海底的生态。(3)仿生海草技术是基于海洋仿生学开发研制的海底防冲刷技术，其作用机理是：仿生海草锚固在海底需要防止冲刷的预定位置，海底水流流经这一片仿生海草时，由于海草的柔性粘滞阻尼作用，流速降低，使得水流中携带的泥沙在重力作用下不断沉积到仿生海草安装基垫上。但是某些海域由于海底流速较快，沙粒粒径较小，无法形成有效沉积覆盖的仿生草区域。(4)根据冲刷机理可知，桩周冲刷在初始阶段冲深发展很快，之后会趋于恒定，不同海域的水流和地质情况对冲深的发展速度和极限平衡冲深影响非常显著。工程实践中也有充分考虑冲刷余量，不进行基础防护的做法。预留冲刷长度在海上风电工程实际中应用较少，在桥墩、海洋平台支柱工程中有较多应用。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种生态型风电桩基护底结构及设计方法。该生态型风电桩基护底结构及设计方法分析了0～10m近岸不同波高、波长以及水深与底流速的关系，并拟合公式得出了底流速、水深与稳定块石质量之间的关系，为生态型风电桩基护底结构的生态性提供了理论依据。

本发明的第一目的是提供一种生态型风电桩基护底结构的设计方法，包括如下步骤：

S1、获取基础数据，所述基础数据包括：沿海0～10m近岸的波高H、波长L、水深D、风电桩基的基础宽度d；

S2、获取底流速、水深与块石质量之间的关系；具体为：

根据上述波高H、波长L和水深D，计算底流速V；

计算出不同底流速下稳定块石的质量W：并拟合出底流速V、水深D与块石质量W之间的关系；

W＝2.276×D+21.488×V (2)

S3、确定块石防护范围，所述块石防护范围应不小于2倍基础宽度；

S4、在块石间填充级配石；

S5、在级配石上固定大叶藻；

S6、在块石上表面铺设加固网，将加固网的四周固定。

优选地，所述S5具体为：

S501、准备移植单元：取2～3株大叶藻，把其中任意一株的地下茎与叶鞘相连的节点作为基准点，将其余大叶藻的节点与该基准点对齐，叶鞘与叶片共保留20cm；

S502、将所述移植单元分生组织以下部分与级配石通过棉绳绑扎；绑扎的方法为：首先将棉绳绕着级配石和大叶藻植株4～5圈，然后在棉绳端部打结；

S503、调整大叶藻的地下茎，使地下茎摆放至水平状态。

优选地，所述大叶藻的密度范围是8～12株/m

优选地，所述级配石为50～150g的卵石。

优选地，在S6中，通过麻绳将加固网与级配石绑扎；绑扎的方法为：先在麻绳上准备两个十字活结，然后将级配石放入十字活结中，最后系紧十字活结。

优选地，所述麻绳的直径为2～3mm，长度为30～40cm。

优选地，所述加固网为PLA/麻纤维复合材料制成，该PLA/麻纤维复合材料包括麻纤维和聚乳酸；所述加固网的网孔为正方形，正方形的边长取值范围为6～8cm。

优选地，在所述块石的防护范围之外1～2m处设置有多个T型木桩，所述加固网通过套环与T型木桩相连。

优选地，所述块石的质量范围为：24.87～69.25kg；直径的范围为：26～38cm。

本发明的第二目的是提供一种生态型风电桩基护底结构，由上述生态型风电桩基护底结构的设计方法实现。

本发明具有的优点和积极效果是：

(1)通过块石和大叶藻的双层防冲刷，一刚一柔互补的方式，进一步提护底结构的防冲刷效果；

(2)大叶藻通过自身发达的根和茎，缓冲减弱水流并可以固定底质；

(3)大叶藻作为一种兼具营养价值和药用价值的可食用海草，养殖后又能够带来不菲的经济收益；

(4)大叶藻加速悬浮物质的下沉，可有效改善水质和净化水体，与桩基护底的有机结合不仅能防冲刷，还能为已建的海上风电工程提供一种经济有效的生态修复手段，为海洋动物提供栖息地和育幼场，形成海洋牧场与海上风电融合发展；

(5)PLA/麻纤维复合材料加固网、麻绳和棉绳均为可降解材料，一段时间之后大叶藻扎根成活，PLA/麻纤维复合材料加固网、麻绳和棉绳均会被降解，从而大叶藻替代PLA/麻纤维复合材料加固网配合防冲刷。

(6)通过数据分析了桩基护底结构模型，拟合公式得出了底流速、水深与稳定块石质量之间的关系，有利于生态型风电桩基护底结构的成果转化。

(7)随着深海并网技术的不断进步高效利用风能资源的需求日益增长，海上风电工程向深水推进是必然趋势，本专利拟合公式得出了底流速、水深与稳定块石质量之间的关系，有利于生态型风电桩基护底结构的开发建设向深水延伸。

本专利结构合理，既能防冲刷又生态环保，尤其适用需要养殖海产品的海域，不仅能够改善水质，而且还能为鱼类和其他海洋生物提供食物、栖息地和育幼场，从而达到修复生态的功效。

附图说明

图1是本发明优选实施例中桩基护底结构示意图；

图2是本发明优选实例中桩基护底结构的局部断面分层布置图；

图3是本发明优选实例中挂有大叶藻的PLA/麻纤维复合材料加固网；

1、块石，2、大叶藻，3、PLA/麻纤维复合材料加固网，4、风电桩，5、电缆管，6、弯曲限制器，7、电缆线，8、级配石，9、海底泥沙，10、风电桩基，11、麻绳，12、棉绳，13、套环，14、T型木桩

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

随着人类对海岸生态环境的日益重视，针对传统风电桩基护底结构的生态修复需求日益迫切，而生态型桩基护底会是海上风电工程发展的一个趋势。为此，本专利提出了一种生态型风电桩基护底结构，以块石护底，利用大叶藻缓冲减弱水流并固定底质，并辅以PLA/麻纤维复合材料网加固。大叶藻通过对水体中氮磷营养盐的吸收和生长过程中的遮荫作用抑制浮游植物的异常增殖和控制水体富营养化的发生和发展。在相对稳定的环境中大叶藻则表现为多年生，具有发达的根和茎，缓冲减弱水流并可以固定底质，加速悬浮颗粒物的沉降。因此，本专利不仅防冲刷效果优异、施工难度小、综合成本低，而且能够净化水质，保护海洋环境。

一种生态型风电桩基护底结构的设计方法，包括如下步骤：

一、获取基础数据，所述基础数据包括：沿海0～10m近岸的波高H、波长L、水深D、风电桩基的基础宽度d；

二、获取底流速、水深与块石质量之间的关系；具体为：

根据上述波高H、波长L和水深D，计算底流速V；

计算出不同底流速下稳定块石的质量W：并拟合出底流速V、水深D与块石质量W之间的关系；

W＝2.276×D+21.488×V (2)

三、确定块石防护范围；

四、制定施工流程；其中：

请参阅图1至图3，施工流程包括：

步骤S1：在海底建立风电桩基10，在风电桩基10上建立风电桩4，在风电桩4周边抛入块石1防护；风电桩4上安装风力发电设备，电缆线7的一端与风力发电设备连接，另一端通过海底与岸基设备连接；电缆线7的主体部分位于海底泥沙9内，所述电缆线7外设有电缆管5和弯曲限制器6。

步骤S2：在块石1上覆盖挂有大叶藻2和级配石8的PLA/麻纤维复合材料加固网3；

步骤S3：PLA/麻纤维复合材料加固网3通过套环13与在海底的T型木桩14相连。

所述步骤S1中，在风电桩周围抛入块石1防护，块石1的质量根据拟合的公式计算，抛石防护范围应至少为2倍基础宽度。

所述海域底流速V根据下面公式计算：

式中：H为波高(m)；L为波长(m)；D为水深(m)；

本专利对保护桩基块石(1)的质量W进行拟合，拟合公式为：

W＝2.276×D+21.488×V (2)

式中：W为块石的质量(kg)；D为水深(m)；V为底流速(m/s)；

根据上述拟合的公式，与水深相比，底流速对块石1稳定性的影响更大，是主要的影响因素。所述海域底流速V的取值范围为：0.94～2.12m/s；块石1质量的取值范围为：24.87～69.25kg；直径的取值范围为：26～38cm；风电桩基宽度的取值范围为15～20m；块石1的防护范围为：30～40m。

在步骤S2中，级配石8通过麻绳11挂在PLA/麻纤维复合材料加固网3上，大叶藻2通过棉绳12绑在级配石8上。麻绳11和棉绳12为易降解材料，经过3～4周就会断裂，大叶藻2与PLA/麻纤维复合材料加固网3分离，有利于大叶藻3在海底扎根。

在步骤S2中，取2～3株(茎枝)大叶藻2，以地下茎与叶鞘的节点将其对齐，叶鞘与叶片共保留20cm，超过部分用剪刀剪去，如此形成一个移植单元，将每一个移植单元用棉绳12在其分生组织以下部分与级配石8绑扎，绑扎方法为：棉绳12绕着级配石8和大叶藻植株2缠绕4～5圈，最后通过棉绳结系紧，同时需要避免绑扎过紧，棉绳的直径为1～2mm。为了让大叶藻的成活率控制在85％以上，大叶藻的地下茎应尽量摆放至水平状态，移植时间选在6-9月份，种植密度为8～12株/m

所述级配石8为了适合移植法，其形状一定要适合绑扎，将移植单元结实地系绑在一个50～150g的级配石上，级配石最好为卵石，大叶藻进入块石缝隙中有利于固定位置，有效减弱水动力对其的影响。

所述PLA/麻纤维复合材料加固网3通过麻绳11与级配石8相连，麻绳11与级配石8的绑扎方法为：先让麻绳11准备两个十字活结，然后将级配石8放入十字活结中，最后系紧十字活结，此方法绑石非常牢固，级配石不会在下沉的过程中脱落。麻绳的直径为2～3mm，长度为30～40cm(要保证大叶藻能够接触到海底的泥沙)。

所述PLA/麻纤维复合材料加固网3铺设范围应为2倍的基础宽度，为了提高块石1和级配石8在海底的稳定性，PLA/麻纤维复合材料加固网网孔设计成正方形结构，网孔的边长根据块石的大小、大叶藻植株的叶片宽度以及级配石的粒径大小确定，网孔边长的取值范围为6～8cm。正方形网格的适应性非常强，当底流速发生较大变化，内部的石头会调整方向，从而稳定抛入的块石。PLA/麻纤维复合材料加固网材料强度很高，韧性也非常好。设计成网状结构，不仅能有效提升其自身强度，而且能提高块石和植株的抗冲刷能力。

在步骤S3中，风电桩基施工结束后，将T型木桩14打入海底，然后将PLA/麻纤维复合材料加固网铺设在块石之上，并通过四个套环13套入T型木桩从而实现位置固定。T型木桩设在块石防护范围之外1～2m处。

本方法在实施时，PLA/麻纤维复合材料加固网3是通过套环13与T型木桩14相连，PLA/麻纤维复合材料加固网具有双组分均绿色、可降解、可再生的性能，经过6～12个月后就可以降解。绑扎的棉绳12和麻绳11经过3～4个月之后也会降解，实现大叶藻2与PLA/麻纤维复合材料加固网3的分离，最后扎根的大叶藻2代替PLA/麻纤维复合材料加固网3，与护底块石一起实现防冲刷的功能。

一种生态型风电桩基护底结构，由上述生态型风电桩基护底结构的设计方法实现。

海上风电在实际工程中被广泛应用，为本专利的成果转化和推广提供了应用基础。

实验测试：海上风电在福建一带，符合大叶藻2必须养殖在适宜的海域中的条件，给大叶藻2的生长提供了不可或缺的生长基础。

最后将利用生态型桩基护底的研究成果应用于工程实例，并与现有防冲刷措施的防冲刷效果进行对比分析，用以检验本专利的实用性。在得出一套完整的技术参数后，即可在此基础上优化布置方式用以养殖海产品的海域。因此，本专利有着广泛的应用前景。

本专利结构合理，缓冲减弱水流并可以固定底质，防冲刷效果好。大叶藻作为一种兼具营养价值和药用价值的可食用海草，养殖后又能够带来不菲的经济收益。大叶藻通过加速悬浮颗粒物的沉降净化水质，特别适合发展水产养殖的海域种植，从而促进海洋牧场与海上风电融合发展。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。