一种海上风电的单桶复合基础及其施工方法

技术领域

本发明涉及海上风电工程技术领域，具体涉及一种海上风电的单桶复合基础及其施工方法。

背景技术

桶形基础结构是一种短粗的底端开口、顶端封闭的薄壁圆筒结构。桶形基础利用渗流理论和负压沉贯原理，在基础和上部结构自重和负压作用下，下沉至泥面以下设计深度，不需要大型海上施工船舶和装备，海上施工、运输和安装方便，能大大减少海上风电基础的建造和施工成本，适用于近海区域的水深和地质条件。

现有的桶形基础在应用过程中常存在如下问题：

(1)在浅海较硬地基处进行桶形基础安装时其初始贯入比较困难，难以形成有效的密封状态，不利于基础的顺利沉贯；沉贯后期由于桶周土体侧摩阻力增大，使得桶基无法沉贯到位；

(2)受到海洋复杂环境的影响及复杂合力的作用，桶形基础的稳定性较差，基础抵抗水平荷载和倾覆荷载的能力较弱；

(3)桶形基础承载能力主要依靠受浅层土体抗力，不能有效利用下部土体，而增加桶长会增加沉贯难度，难以到达设计标高，为了满足设计寿命内的抗倾覆力矩等要求，桶径和桶长等结构参数较大，钢材耗费大，成本高，且过大的桶基尺寸反过来影响了桶基的沉贯；

对于覆盖层较浅的地基，往往存在坚硬的砂土及岩石地基，如沿海地区，难以打桩，桩基础型式难以应用。桶形基础适用性较差，阻碍了其进一步推广，制约了桶形基础型式的应用。

发明内容

本发明的第一目的在于，提供一种单桶基础与预应力锚杆(索)结构结合的复合基础。为此，本发明采用以下技术方案：

一种海上风电的单桶复合基础，包括单桶基础与预应力拉锚结构，所述单桶基础在其上部的过渡段与下部的桶体之间设置底板结构，所述底板结构内设置有分隔过渡段与桶体的底板，所述底板内沿沉贯方向贯通开设有预埋孔，底板内设置与预埋孔配合的拉锚辅助管，所述拉锚辅助管的底端延伸至桶体内部，桶体底部设有开口；所述预应力拉锚结构设置在拉锚辅助管内，且其两端延伸至拉锚辅助管外分别设置上锁定端和下锁定端，所述上锁定端与底板连接，所述下锁定端越过单桶基础基底的弹性楔形滑动区域土体与海床地基连接，以通过预应力拉锚结构及其上、下锁定端对单桶基础形成海上抗倾覆状态。

进一步地：所述底板上方设置有加强梁，所述加强梁内设置与底板上的预埋孔同轴配合的延伸孔，以使得拉锚辅助管设置于预埋孔与延伸孔内，同时上锁定端设置在加强梁上。

进一步地：所述底板结构在底板的外围部分与中间部分分别设置环形梁和底板核心，所述环形梁的顶端和底端分别与过渡段和桶体连接，所述环形梁与底板核心的标高高于底板上表面；所述加强梁的两端分别连接环形梁和底板核心。

进一步地：所述拉锚辅助管的底端伸入海床面以下。

进一步地：所述预应力拉锚结构对应下锁定端埋深至坚硬土层的地基情况，设置为锚杆结构；所述预应力拉锚结构对应下锁定端埋深至坚硬岩层的地基情况，设置为锚索结构。

进一步地：所述锚杆结构包括沿拉锚辅助管轴向方向设置的螺旋锚杆，上下相邻的所述螺旋锚杆之间首、尾部连接设置有锚杆连接器，所述加强梁顶部设置承压垫板，所述承压垫板内部设有供螺旋锚杆穿过的第一连接孔，承压垫板上方设置有与螺旋锚杆连接配合的紧固器。

所述锚索结构包括沿拉锚辅助管轴向方向设置的无粘结钢绞线，所述加强梁顶部设置锚枕，所述锚枕内部设有供无粘结钢绞线穿过的第二连接孔，锚枕上方设置有与无粘结钢绞线连接配合的夹具。

本发明的第二目的在于，提供一种使单桶基础有效沉贯的施工方法。为此，本发明采用以下技术方案：

一种海上风电的单桶复合基础的施工方法，具体方法包括以下内容：

首先，将预制完成的单桶基础从码头以整体运输的方式至预定位置，并进行自重沉贯施工，同时在沉贯前对拉锚辅助管顶部进行临时密封封堵；

其次，对于在自重作用下顺利沉贯形成有效密封且后续能依靠负压作用的顺利沉贯到设计深度的工况，在完成常规沉贯操作后，解除预埋的拉锚辅助管上的临时密封封堵，通过拉锚辅助管将预应力拉锚结构的下锁定端送入海床地基设计深度，并进行预拉张和最终拉张，最后通过上锁定端将预应力拉锚结构锁定在加强梁上部，并对预应力拉锚结构头部封闭保护；

与上述内容不同的是，对于无法在自重作用下顺利沉贯形成有效密封或者后续仅依靠负压作用无法顺利沉贯到设计深度的工况，在自重或负压沉贯至极限后，解除预埋的拉锚辅助管上的临时密封封堵，将预应力拉锚结构的下锁定端送入海床地基设计深度，通过拉拔预应力拉锚结构施加反力，辅助单桶基础贯入，在形成效密封后，沉贯到预定部位，放松预应力拉锚结构再次进行上述内容的后续施工即可。

进一步地：对于下部所述坚硬土层的地基情况，通过锚索结构进行配合施工：在自重作用下可顺利沉贯时，将螺旋锚杆通过预先设置的拉锚辅助管贯入海床坚硬土体中，经由锚杆连接器不断接长，通过专业多功能钻机进行对螺旋锚杆施工，直到底部的螺旋锚杆进入设计深度后，通过注浆管可内置在螺旋锚杆内部对锚杆预定部位进行灌浆；待锚固体达到设计强度后，对螺旋锚杆分别进行预拉张和最终拉张，最后通过承压垫板、紧固器将锚杆锁定在加强梁上部；

在无法通过自重作用下顺利沉贯时，重复上述内容至螺旋锚杆进入设计深度后，通过拉拔螺旋锚杆以施加反力来辅助沉贯后，放松螺旋锚杆再次钻入施工，并继续上述内容的后续施工。

进一步地：对于下部所述坚硬岩层的地基情况，通过锚杆结构进行配合施工：在自重作用下可顺利沉贯时，先用专业钻机通过拉锚辅助管进行成孔，完成扩后，将无粘结钢绞线连带自锁头放入孔道中，待自锁头到设计深度后，扩大自锁头，并进行预拉张，完成后进行注浆和养护，再次进行最终拉张；最后通过锚枕、夹具将锚索锁定在加强梁上部；

在无法通过自重作用下顺利沉贯时，重复上述内容至无粘结钢绞线进入设计深度后，通过拉拔无粘结钢绞线以施加反力来辅助沉贯后，继续上述内容的后续施工。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过预应力拉锚结构与单桶基础组合，能够有效将上部结构荷载传递至深层地基中，有效利用了下部地基抗力，同时锚杆(索)直接越过单桶基础基底下部潜在的弹性楔形滑动区域土体，能够有效增强单桶基础的抗倾覆能力；并且能够将桶基嵌固在地基上，来承受较大的倾覆弯矩，尤其适合于覆盖层较为浅的海床地基。同时本发明利用锚杆(索)可以进入相应坚硬地基的特点，可以增强吸力桶基础在不同海床地基中的适用性；特别有利于其在坚硬海床地基中顺利沉贯，提高桶形基础沉贯的施工效率。同时，由于预应力拉锚结构的存在，使得吸力桶基础可以进一步降低主体结构尺寸，从而进一步节约施工成本，节约基础结构造价。

附图说明

图1为本发明单桶基础与预应力锚杆配合时的剖面图；

图2为本发明图1的俯视图；

图3为本发明预应力锚杆的示意图；

图4为本发明单桶基础与预应力锚索配合时的剖面图；

图5为本发明图4的俯视图；

图6为本发明预应力锚索的示意图。

附图中的标记为：1-上部预埋件；2-过渡段；3-底板结构；31-底板；32-环形梁；33-底板核心；4-加强梁；5-桶体；6-海床面；71-坚硬土层；72-坚硬岩层；8-锚杆结构；81-紧固器；82-承压垫板；84-螺旋锚杆；9-锚索结构；91-夹具；92-锚枕；94-无粘结钢绞线；10-拉锚辅助管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

如图1-6所示，一种海上风电的单桶复合基础，包括内部具有空腔可拖航的单桶基础与预应力拉锚结构，单桶基础在其上部的过渡段2与下部的桶体5之间设置底板结构3，底板结构3内设置有分隔过渡段2与桶体5的底板31，底板31内沿沉贯方向贯通开设有预埋孔，底板31内设置与预埋孔配合的拉锚辅助管10，拉锚辅助管10的底端延伸至桶体5内部，桶体5底部设有开口；预应力拉锚结构设置在拉锚辅助管10内，且其两端延伸至拉锚辅助管10外分别设置上锁定端和下锁定端，上锁定端与底板31连接，下锁定端越过单桶基础基底的弹性楔形滑动区域土体与海床地基连接，通过预应力拉锚结构及其上、下锁定端对单桶基础形成海上抗倾覆状态。

本实施例示所结合预应力拉锚结构的单桶基础可将桶基嵌固在岩层地基上，来承受较大的倾覆弯矩，尤其适合于覆盖层较为浅的海床地基。同时，所结合预应力拉锚结构的单桶基础不同于单纯的单桶基础，由于预应力的存在能进一步增加复合桶基础整体刚度，减少其在风浪流荷载中的变形，使得基础型式的上部结构刚度大，能支撑更大容量的风机、适用更深的海域。

由于单桶基础过渡段和下部桶裙有多种形式(含钢筋混凝土、钢结构以及钢混组合结构等)，预应力拉锚亦有多种类型(含预应力锚杆、锚索等)，本实施例仅以钢混凝土过渡段+钢制桶裙作为单桶基础，分别组合螺旋式土层锚杆和自锁式岩层锚索作为代表性的施加预应力结构进行表述。

其中，过渡段2为钢筋混凝土结构，呈圆台形状，上部预埋件1用于后期与风机底塔筒连接。桶体5为钢制大直径管节，与底板结构的底板31、环形梁32、底板核心33和加强梁4以及过渡段2连接为整体的单桶基础，支撑上部风机结构。

具体的，底板31上方设置有加强梁4，加强梁4内设置与底板31上的预埋孔同轴配合的延伸孔，以使得拉锚辅助管10设置于预埋孔与延伸孔内，同时上锁定端设置在加强梁4上，通过加强梁4对拉锚辅助管10起到加强连接效果的作用，同时作为预应力拉锚结构的反力承载结构，以确保通过预应力拉锚结构施加反力时，提供有效的支承。

其中，拉锚辅助管10为等直径钢管。拉锚辅助管10的尺寸应根据锚杆结构8或者锚索结构9的尺寸据确定，同时应考虑海床地基土特性，确保能够有效辅助锚杆8钻孔或者锚索9下索，同时拉锚辅助管10底端确保进入海床面6以下一定深度形成有效密封。在未沉贯前，拉锚辅助管10上端需做好临时密封封堵。

本实施例通过将预应力的反力作为下压力作为辅助沉贯力，有助于初始贯入，确保形成有效的密封状态；在沉贯后期，有能效增加单桶基础下贯力，有助于桶基的沉贯到位。

具体的，底板结构3在底板31的外围部分与中间部分分别设置环形梁32和底板核心32，环形梁32的顶端和底端分别与过渡段2和桶体5连接，环形梁32与底板核心32的标高高于底板31上表面；加强梁4的两端分别连接环形梁32和底板核心32，加强梁4以辐射状布置在环形梁32和圆形底板核心33之间。

具体的，预应力拉锚结构对应下锁定端埋深至坚硬土层71的地基情况，设置为锚杆结构8；预应力拉锚结构对应下锁定端埋深至坚硬岩层72的地基情况，设置为锚索结构9。以便根据现场工况选择相应预应力结构的锚杆结构8或者锚索结构9。

其中，锚杆结构8包括沿拉锚辅助管10轴向方向设置的螺旋锚杆84，上下相邻的螺旋锚杆84之间首、尾部连接设置有锚杆连接器85，加强梁4顶部设置承压垫板82，承压垫板82内部设有供螺旋锚杆84穿过的第一连接孔，承压垫板82上方设置有与螺旋锚杆84连接配合的紧固器81。螺旋锚杆84内部设置注浆管以便可对锚杆预定部位进行灌浆，以使底部的螺旋锚杆84有效连接在坚硬土层71内。

其中，锚索结构9包括沿拉锚辅助管10轴向方向设置的无粘结钢绞线94，加强梁4顶部设置锚枕92，锚枕92内部设有供无粘结钢绞线94穿过的第二连接孔，锚枕92上方设置有与无粘结钢绞线94连接配合的夹具91。

请参阅图1-6，单桶基础在预应力拉锚结构配合作用下进行海上安装，并根据下部为坚硬土层71或岩层72的地基情况，相应具体施工步骤如下：

对于下部坚硬土层71的地基情况，其具体的施工步骤如下：

S1：按照常规单桶基础施工方案，将预制完成的桶型基础从码头以整体运输的方式至预定位置，并进行自重沉贯施工；

S2：对于在自重作用下顺利沉贯形成有效密封且后续能依靠负压作用的顺利沉贯到设计深度的工况，在完成常规沉贯操作后，解除预埋的拉锚辅助管10上的临时密封封堵，将螺旋锚杆84通过预先设置的拉锚辅助管10贯入海床坚硬土体71中，锚杆连接器85不断接长，通过专业多功能钻机进行对螺旋锚杆84施工，直到底部的螺旋锚杆84进入下部坚硬土层71设计深度后，通过注浆管(可内置在螺旋锚杆84内部)对锚杆预定部位进行灌浆；待锚固体达到设计强度后，按照相关要求对螺旋锚杆84分别进行预拉张和最终拉张，最后通过承压垫板82、紧固器81将锚杆锁定在加强梁4上部；完成后，做好锚杆头部(承压垫板82和紧固器81)封闭保护，保证一体型共同承担荷载；

S3：对于无法在自重作用下顺利沉贯形成有效密封或者后续仅依靠负压作用无法顺利沉贯到设计深度的工况，在自重或负压沉贯至极限后，解除预埋的拉锚钢管83上的临时密封封堵，将螺旋锚杆84通过预先设置的拉锚钢管83贯入海床坚硬土体71中，锚杆连接器85不断接长，通过专业多功能钻机进行对锚杆结构8施工，直到底部的螺旋锚杆84进入下部的坚硬土层71后，通过拉拔螺旋锚杆84施加反力，辅助单桶基础贯入，在形成效密封后，吸力桶基础可在自重、锚杆结构8反力和负压的共同作用下沉贯到预定部位，放松螺旋锚杆84再次进行锚杆钻入施工，重复上述步骤S2进行后续施工。

对于下部坚硬岩层72的地基情况，其具体的施工步骤如下：

S1：按照常规单桶基础施工方案，将预制完成的桶型基础从码头以整体运输的方式至预定位置，并进行自重沉贯施工；

S2：对于在自重作用下顺利沉贯形成有效密封且后续能依靠负压作用的顺利沉贯到设计深度的工况，在完成常规沉贯操作后，解除预埋的拉锚辅助管10上的临时密封封堵，先用专业钻机通过拉锚辅助管10进行成孔，完成扩后，通过拉锚辅助管10将6根无粘结钢绞线94连带自锁头95放入孔道中，待自锁头95到设计深度的下部坚硬岩层72内后，扩大自锁头95，并进行预拉张，完成后进行注浆和养护，再次进行最终拉张；最后通过锚枕92、夹具91将锚索结构9锁定在加强梁4上部；完成后，做好锚索结构9头部(锚枕92和夹具91)封闭保护，保证一体型共同承担荷载；

S3：对于无法在自重作用下顺利沉贯形成有效密封或者后续仅依靠负压作用无法顺利沉贯到设计深度，在自重或负压沉贯至极限后，解除预埋的拉锚钢管93上的临时密封封堵，先用专业钻机通过拉锚辅助管10进行成孔，完成扩后，通过拉锚辅助管10将6根无粘结钢绞线94连带自锁头95放入孔道中，待自锁头95下放，直到自锁头进入下部稳定岩层72后，扩大自锁头95，通过拉拔锚索94施加反力，辅助单桶基础贯入，在形成效密封后，吸力桶基础可在自重、锚索结构9反力和负压的共同作用下沉贯到预定部位，重复上述步骤S2进行后续施工。

以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。