一种水下桩基础冲刷防护装置及其施工方法

技术领域

本发明属于海上风电桩基础冲刷防护技术领域，涉及一种水下桩基础冲刷防护装置及其施工方法。

背景技术

在近海海域的海上风电场，主要采用固定式桩基础，海上风电机组通过桩基础固定在海床上。近海存在大范围的泥质海床，受潮流影响，海床泥沙并不太稳定，容易受到冲刷。由于桩基础对海流具有一定的扰动作用，海流对桩基础周围的海床的冲刷作用明显加强，因此在海上风电桩基础周围，特别容易形成冲刷坑。若冲刷坑持续扩大，将降低桩基础的入泥埋深，严重威胁海上风电机组的安全。根据海上风电场的实际监测数据，冲刷得最严重的风电机组机位，两年内冲刷坑直径已经扩大到上百米，最大冲刷深度达到17米，总冲刷量达到上万立方米，海上风电机组安全受到严重威胁。所以，需要采取防护措施，遏制桩基础周边海床的冲刷。

目前常用的海上风电基础冲刷防护措施是在桩基础周围铺设沙被，利用连片的沙被沉入海中，覆盖住桩基础周围的海床，从而减少水流对桩基础周边海床的冲刷作用。然而，桩基础周围需要使用沙被覆盖的防护面积很大，需要多块沙被拼接覆盖，由于沙被是一种内部填充泥沙，类似被子一样的编织物，本身是柔性的，在具有一定流速的海域进行连续铺设并不容易，受浪和流的冲击作用下，在沙被入水的过程中并不能保证沙被精准铺设在预定位置，而且，对于泥沙含量较多的浑浊海域，尚无有效的手段监测沙被铺设的质量，沙被与沙被之间很可能贴合不严，出现较大缝隙，那么水流将从缝隙开始掏蚀海床，形成冲刷坑，进而沙被向冲刷坑滑落移动，使海床裸露面积持续扩大，从而彻底失去防护作用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种水下桩基础冲刷防护装置及其施工方法，从冲刷机理上实现了对桩基础周边海床冲刷的根本扼制，对桩基础进行有效防护。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种水下桩基础冲刷防护装置，包括若干阵列排布的沉排组件，相邻沉排组件之间通过柔性索相互连接，铺设在海上风电桩柱周围的海床上；

沉排组件包括骨架和沙被，沙被固定在骨架上。

优选地，对于单桩式的海上风电桩柱，沉排组件沿潮流方向的总长度大于海上风电桩柱直径的10倍，沿垂直潮流方向的总长度大于海上风电桩柱直径的6倍。

优选地，对于多桩式的海上风电桩柱，以距离最远的两根桩的中心距离加上单桩直径作为等效桩基础直径，沉排组件沿潮流方向的总长度大于等效桩基础直径的10倍，沿垂直潮流方向的总长度大于等效桩基础直径的6倍。

优选地，沉排组件中沙被的面积大于骨架的面积。

优选地，相邻沉排组件之间柔性索的长度为5～15cm。

优选地，柔性索和骨架为耐候性材质。

优选地，骨架为井字梁结构，井字梁每个方向的端部开设有用于穿设柔性索的连接孔。

优选地，沉排组件完全淹没时所受浮力为沉排组件重力的60％～80％。

优选地，骨架的下表面为平面。

本发明公开了上述水下桩基础冲刷防护装置的施工方法，包括：

将多个沉排组件运输至目标海域，在每个沉排组件上捆绑浮漂，将沉排组件放置于海面，浮漂使沉排组件悬浮在一定深度的海面下，第一块入水的沉排组件用临时绳索与海上风电桩柱连接，以海上风电桩柱为起点，向四周依次布放所有的沉排组件，相邻的沉排组件采用柔性索连接，在海上风电桩柱周边的沉排组件紧挨着海上风电桩柱排布一圈，直至排布长度和宽度达到预设值；所有沉排组件布设完毕后，调整角度使沉排组件的排布长度方向与潮流方向平行；解开并回收所有的浮漂，使所有沉排组件下沉至海床上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的水下桩基础冲刷防护装置，沉排组件中利用骨架作为沙被的支撑，避免了沙被变形；利用柔性索连接骨架，可以确保沉排组件之间不出现较大的缝隙，并且不产生重叠；另外，由于多种复杂海洋环境因素可能造成局部沙被破损或沉排之间出现缝隙，造成局部海床出现裸露的情况下，海水会从缝隙部位对海床形成低程度掏蚀，形成小的冲刷坑，由于沙被下面是由绳索连接而成的成片的骨架，相互之间起到一定的支撑作用，因而整个冲刷防护装置不会因为局部小的冲刷坑的形成而产生大的位移，避免了海床裸露面积扩大，由于海床裸露面积较小，局部冲刷坑在达到较小深度以后即达到稳定状态，面积和深度不再继续扩展，从而从冲刷机理上实现了对桩基础周边海床冲刷的根本扼制。

进一步地，由于在潮流方向，桩柱对海流影响形成的乱流对海床冲刷的影响范围更大，所以在在潮流方向，防护装置铺设范围要更大。因此，对于单桩式的海上风电桩柱，沉排组件沿潮流方向的总长度大于海上风电桩柱直径的10倍，沿垂直潮流方向的总长度大于海上风电桩柱直径的6倍；对于多桩式的海上风电桩柱，以距离最远的两根桩的中心距离加上单桩直径作为等效桩基础直径，沉排组件沿潮流方向的总长度大于等效桩基础直径的10倍，沿垂直潮流方向的总长度大于等效桩基础直径的6倍。

进一步地，沉排组件中沙被的面积大于骨架的面积，确保能够覆盖住骨架，防止露出空隙，造成局部海床出现裸露。

进一步地，相邻沉排组件之间柔性索的长度为5～15cm，距离太短，柔性不足，不便于施工安装；距离太长，可能会产生沉排组件堆叠，或沉排组件之间产生过大缝隙。

进一步地，柔性索和骨架采用耐候性材质，防止海水腐蚀，提高装置寿命。

进一步地，骨架采用井字梁结构，结构简单，便于安装施工，且结构稳定、牢固性好。

进一步地，沉排组件完全淹没时所受浮力为沉排组件重力的60％～80％，有利于在铺设过程中控制沉排组件下沉速度，避免下沉过快，避免产生较大的冲击和旋涡，并且给解开浮漂绳索充裕的操作时间。

进一步地，骨架的下表面为平面，当沉排组件沉入海底时，骨架框架受重力作用自然嵌入海床泥面，能够增大阻力防止移动。

本发明公开的上述水下桩基础冲刷防护装置的施工方法，借助浮漂，采用水面拼接，整体沉放的方法，将整个冲刷防护装置一次性安装到位，实现了沉排水下精准布设。相比于传统的沙被冲刷防护装置以及吊放施工方式，本冲刷防护装置不需要动用超大型的海上吊装机械，且可以确保沙被更完整和平整的布放在桩基础周围，一次性沉排覆盖面积更大，覆盖效果更高，从而起到更好的防护作用。

附图说明

图1为本发明的整体结构正视示意图；

图2为本发明的整体结构俯视示意图；；

图3为本发明的沉排组件的示意图；

图4为本发明的多块沉排组件的井字梁之间的绳索连接方式示意图。

图中，1-海水；2-海上风电桩柱；3-海床；4-冲刷防护装置；5-柔性索；6-骨架；7-沙被；8-沉排组件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述：

如图1、图2，为本发明的水下桩基础冲刷防护装置，包括若干阵列排布的沉排组件8，相邻沉排组件8之间通过柔性索5相互连接，铺设在海上风电桩柱2周围的海床3上。

对于单桩式的海上风电桩柱2，沉排组件8沿潮流方向的总长度大于海上风电桩柱2直径的10倍，沿垂直潮流方向的总长度大于海上风电桩柱2直径的6倍。

对于多桩式的海上风电桩柱2，以距离最远的两根桩的中心距离加上单桩直径作为等效桩基础直径，沉排组件8沿潮流方向的总长度大于等效桩基础直径的10倍，沿垂直潮流方向的总长度大于等效桩基础直径的6倍。

如图3，沉排组件8包括骨架6和沙被7，沙被7固定在骨架6上。沉排组件8中沙被7的面积大于骨架6的面积。柔性索5和骨架6优选采用耐候性材质。优选地，骨架6的下表面为平面。

骨架6可以采用井字梁结构，井字梁每个方向的端部开设有用于穿设柔性索5的连接孔。如图4，相邻沉排组件8之间柔性索5的长度为5～15cm。

沉排组件8完全淹没时所受浮力为沉排组件8重力的60％～80％。

上述水下桩基础冲刷防护装置的施工方法，其特征在于，包括：

将多个沉排组件8运输至目标海域，在每个沉排组件8上捆绑浮漂，将沉排组件8放置于海面，浮漂使沉排组件8悬浮在一定深度的海面下，第一块入水的沉排组件8用临时绳索与海上风电桩柱2连接，以海上风电桩柱2为起点，向四周依次布放所有的沉排组件8，相邻的沉排组件8采用柔性索5连接，在海上风电桩柱2周边的沉排组件8紧挨着海上风电桩柱2排布一圈，直至排布长度和宽度达到预设值；所有沉排组件8布设完毕后，调整角度使沉排组件8的排布长度方向与潮流方向平行；解开并回收所有的浮漂，使所有沉排组件8下沉至海床3上。

下面以一个工程实施对本发明进行进一步地解释：

某海上风电场的海上风电桩柱2为单桩基础，沉排组件8的骨架6由原木制成，原木之间通过螺栓连接成井字梁，沙被7通过绳索固定在井字梁上，每一块沙被7的边长大于井字梁的原木长度10cm，确保覆盖住井字梁，井字梁在下，沙被在上，井字梁作为沙被7的骨架6与沙被7组合在一起形成沉排组件8。相邻的沉排组件8之间利用绳索连接，形成大片的覆盖面积。沉排组件8的井字梁的端头打孔，通过绳索将相邻井字梁连接在一起，相邻井字梁的端头距离控制在8厘米。连片的沉排铺设在海上风电机组桩基础的周围，组成一套完整的桩基础冲刷防护装置4。在潮流方向，海上风电桩柱2一侧的冲刷防护装置4铺设长度为5倍的桩基础直径，在与潮流垂直的方向，海上风电桩柱2一侧的铺设长度为3倍的桩基础直径。主要参数如表1：

表1

施工时：首先将沙被7与井字梁用绳索固定在一起，井字梁在下，沙被7在上，利用运输船一次性将多个沉排组件8运输至目标海域。在每个沉排组件8上捆绑浮漂，浮漂绳索穿过沙被7固定在井字梁骨架6上，浮漂在沙被7上方。利用船用吊机将沉排组件8吊放至海面，浮漂可保证沉排组件8悬浮在距离海面30公分水深之内。第一块入水的沉排组件8使用绳索与海上风电机组的桩基础连接，绳索一端套在海上风电桩柱2上，以防止被水流冲走。依次在桩基础周围布放其它沉排组件8，每吊放一枚沉排组件8，利用绳索将其井字梁与已经吊放至海面的相邻的沉排组件8的井字梁进行连接。以海上风电桩柱2为起点，向四周平铺布放沉排组件8，沉排组件8之间利用绳索将井字梁连接在一起，在海上风电桩柱2周边的沉排组件8要紧挨着海上风电桩柱2排布一圈，在潮流方向海上风电桩柱2一侧的沉排组件8布放范围为5倍的海上风电桩柱2直径，在与潮流方向垂直的方向，海上风电桩柱2一侧的沉排组件8的布放范围为3倍的海上风电桩柱2直径。

所有的沉排组件8海面布放完成后，利用拖轮在一侧缓慢拖动整个冲刷防护装置4，使漂浮在海面的沉排以海上风电桩柱2为中心旋转一个角度，调整角度至整个冲刷防护装置4长边与潮流方向平行，然后解开所有浮漂的连接绳索，并回收浮漂，连接在一起的整个沉排组件8在重力作用下缓慢沉入水底，完成桩基础冲刷防护装置的布放施工。

本发明的原理：利用原木做成井字梁，形成固定沙被7的骨架6，可以确保沙被7平整铺开而不变形，沉排组件8之间通过绳索将井字梁骨架6连接，保证沉排组件8之间的缝隙大小在允许范围内且组件不产生重叠。原木做成的井字梁具有一定的浮力，与沙被7的重量进行配合，使沉排组件8总体的重力稍大于浮力，有利于在铺设过程中控制沉排组件8下沉速度，避免下沉过快，避免产生较大的冲击和旋涡，并且给解开浮漂绳索充裕的操作时间。利用整体沉放的方法，可以保证沉排组件8沉到海底过程不发生大的变形，并且依靠与海上风电桩柱2之间的限位关系，使整个冲刷防护装置4一次性安放到位，完全覆盖海上风电桩柱2周围可能被桩基础周边的乱流冲刷到的海床3，从而起到冲刷防护的效果。

需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式之一，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。