一種破土減阻保壓的筒形基礎沉放裝置及其沉放方法與流程

本發明涉及海上風電基礎結構施工，特別是一種破土減阻保壓的筒形基礎裝置及其沉放方法。

背景技術：

近年來，海上風電開發腳步逐漸加快，我國已相繼建成了多個海上風電場。而對于海上風電開發而言，基礎結構的設計與施工是一個最為關鍵的技術難題。

目前，海上風電基礎結構形式多樣，其中寬淺式筒形基礎因其良好的經濟性、結構特性及承載能力越來越廣泛地運用于實際工程當中。不過，由于海上環境條件復雜，風電場址地質條件多樣，使得筒形基礎的施工作業存在諸多挑戰。其中，最為突出的挑戰體現在筒形基礎的沉放作業。由于風電場址地質條件復雜，常遇到分層土體，且上層土體通常為透水性不強的粘土。這使得筒形基礎在負壓沉放過程中存在較大的端阻力與側摩阻力，從而極大降低筒形基礎的沉放效率。為此，一些學者建議在筒形基礎底部安裝破土裝置，如在底部安裝箭頭式的破土環。不過，在土體下沉過程中由于破土裝置對土體的破壞作用，使得土體無法有效接觸筒形基礎壁面，容易形成壁面空腔區。而一旦抽取負壓，則水體會沿著壁面空腔區快速流入筒形基礎內部，從而造成失壓，無法維持負壓狀態，進而無法保證筒形基礎的負壓下沉作業。可見，設置破土裝置與負壓沉放之間存在一個顯著的矛盾，而這一矛盾至今無法得以有效解決。為此，本申請提出了一種破土減阻保壓的筒形基礎沉放方法，該方法采用箭頭破土減阻環，有效降低端阻并減免測阻；另外，該方法采用外部防滲保壓膜迫使筒形基礎在負壓下沉過程中的滲徑增大，保證沉放壓力，實現了筒形基礎的快速有效沉放。

技術實現要素：

本發明的目的是針對上述存在問題，提出一種破土減阻保壓的筒形基礎沉放裝置及其沉放方法，該裝置采用箭頭破土減阻環與外部防滲保壓膜實現減阻保壓能力，既能減小沉放過程中的土體阻力又可保證沉放過程中的負壓要求，特別適用于薄壁筒形基礎的沉放。

本發明的技術方案：

一種破土減阻保壓的筒形基礎沉放裝置，由筒形基礎、箭頭破土減阻環、外部防滲保壓膜、筒壁錨固環、土體錨固環、排氣管和排水管組成，筒形基礎為薄壁鋼筒結構，筒壁底部設置箭頭破土減阻環，箭頭破土減阻環為鋼結構，其外緣距離筒形基礎邊壁為5-10mm，箭頭頂角不大于40°；筒形基礎下沉過程中，箭頭破土減阻環上部筒形基礎邊壁兩側形成邊壁空腔區；筒形基礎邊壁外設有側環向放射狀外部防滲保壓膜，外部防滲保壓膜為多層土工布材料，其內緣通過筒壁錨固環與筒形基礎邊壁上部密封錨固，而外緣則通過土體錨固環與土體密封錨固；土體錨固環距離筒形基礎邊壁7-10m；筒形基礎頂蓋分別設置排氣管與排水管，排氣管底部高于排水管底部，筒形基礎沉放時，排氣管底部高于筒形基礎內的水面，排水管底部則伸筒形基礎內的水面以下，以保證水、氣獨立排出的能力。

一種利用所述破土減阻保壓的筒形基礎沉放裝置的沉放方法，具體步驟如下：

1)將已安裝箭頭破土減阻環的筒形基礎拖航或運輸到指定場址，開始沉放作業；

2)筒形基礎由于自重原因開始下沉，并在其邊壁內、外側形成邊壁空腔區；

3)待筒形基礎自重下沉穩定后，加裝外部防滲保壓膜，并確保外部防滲保壓膜與筒形基礎邊壁及錨固土體的密封性，隨后進行筒形基礎的負壓下沉；

4)通過控制排氣管對筒內氣體的抽取速率，調控筒內負壓水平，保證筒形基礎持續下沉，此時筒內水位逐漸升高，同時外部防滲保壓膜逐漸緊貼筒壁與土體表面；

5)當水位升高超過排水管部并接近排氣管底部時，停止抽取氣體，打開排水管，開始排水作業，此時筒形基礎暫停下沉保持不動；

6)當水位降低至遠離排氣管底部時，重復步驟4)，筒形基礎繼續下沉；

7)循環重復步驟4)、5)、6)直至筒形基礎1沉放到指定深度，完成沉放作業。

本發明的有益效果是：

該筒形基礎沉放方法通過在筒形基礎底部加裝箭頭破土減阻環，使得筒形基礎在下沉過程中的端阻力有效降低且側摩阻力有效減免；但箭頭破土減阻環在下沉過程中必然形成邊壁空腔區，使得筒形基礎無法有效維持負壓狀態；而外部防滲保壓膜可迫使筒形基礎負壓滲徑增長，有效避免負壓流失，保證沉放壓力；另外，分別設置排氣管與排水管可使得水、氣交替排出，保證沉放工作持續進行。該方法實現了筒形基礎的快速沉放，并保證的了沉放條件，極大提高了筒形基礎下沉作業的保障性。

附圖說明

圖1為該破土減阻保壓的筒形基礎沉放裝置的剖面結構示意圖。

圖2為2破土減阻保壓的筒形基礎沉放裝置的俯視結構示意圖。

圖中1、筒形基礎；2、箭頭破土減阻環；3、外部防滲保壓膜；4、筒壁錨固環；5、土體錨固環；6、排氣管；7、排水管；8、邊壁空腔區。

具體實施方式

實施例：

一種破土減阻保壓的筒形基礎沉放裝置，由筒形基礎1、箭頭破土減阻環2、外部防滲保壓膜3、筒壁錨固環4、土體錨固環5、排氣管6和排水管7組成，筒形基礎1為薄壁鋼筒結構，筒壁底部設置箭頭破土減阻環2，箭頭破土減阻環2為鋼結構，其外緣距離筒形基礎1邊壁為7mm，箭頭頂角為30°；筒形基礎1下沉過程中，箭頭破土減阻環2上部筒形基礎1邊壁兩側形成邊壁空腔區8；筒形基礎1邊壁外設有側環向放射狀外部防滲保壓膜3，外部防滲保壓膜3為多層土工布材料，其內緣通過筒壁錨固環4與筒形基礎1邊壁上部密封錨固，而外緣則通過土體錨固環5與土體密封錨固；土體錨固環5距離筒形基礎1邊壁8m；筒形基礎1頂蓋分別設置排氣管6與排水管7，排氣管6與排水管7內徑均為40cm，排氣管6底部高于排水管7底部，筒形基礎沉放時，排氣管6底部高于筒形基礎1內的水面，排水管7底部則伸筒形基礎1內的水面以下，以保證水、氣獨立排出的能力。該實施例中：筒形基礎1外徑20m，頂蓋厚0.7m，壁厚10mm，壁高8m。

利用所述破土減阻保壓的筒形基礎沉放裝置的沉放方法，具體步驟如下：

1)將已安裝箭頭破土減阻環的筒形基礎拖航或運輸到指定場址，開始沉放作業；

2)筒形基礎由于自重原因開始下沉，并在其邊壁內、外側形成邊壁空腔區；

3)待筒形基礎自重下沉穩定后，加裝外部防滲保壓膜，并確保外部防滲保壓膜與筒形基礎邊壁及錨固土體的密封性，隨后進行筒形基礎的負壓下沉；

4)通過控制排氣管對筒內氣體的抽取速率，調控筒內負壓水平，保證筒形基礎持續下沉，此時筒內水位逐漸升高，同時外部防滲保壓膜逐漸緊貼筒壁與土體表面；

5)當水位升高超過排水管部并接近排氣管底部時，停止抽取氣體，打開排水管，開始排水作業，此時筒形基礎暫停下沉保持不動；

6)當水位降低至遠離排氣管底部時，重復步驟4)，筒形基礎繼續下沉；

7)循環重復步驟4)、5)、6)直至筒形基礎1沉放到指定深度，完成沉放作業。