能下貫至海底面以下的吸力錨及其安裝方法
【專利摘要】本發明公開了一種能下貫至海底面以下的吸力錨，包括開口向下的錨筒，錨筒頂端上設置有排水孔和若干連通錨筒內外的開口導管，排水孔上部與潛水泵相連接，每個開口導管的下端通過軸承各連接一個與開口導管相連通的噴嘴；噴嘴上部為空心圓管狀并與軸承外圈相連接，下部為倒置的正六棱臺體；倒置的正六棱臺體的下底面上設有用于垂向沖擊海底面土體的底部導管；三個斜向導管和三個水平向導管相間設置于六個側面上，三個斜向導管的中心線與錨筒中軸成30到60度角；三個水平向導管在同一水平面內，且每一個水平向導管末端沿同一圓周同一方向有一定弧度的折彎，利用軸承外圈自由旋轉實現噴嘴自旋轉。本發明同時還公開了該吸力錨的安裝方法。
【專利說明】能下貫至海底面以下的吸力錨及其安裝方法
[0001]
技術領域
[0002]本發明涉及一種能下貫至海底面以下的吸力錨及其安裝方法。
【背景技術】
[0003]吸力錨是目前海洋工程中廣泛應用、且具有廣闊發展前景的基礎結構形式。其結構一般為一頂端封閉、下端敞開的鋼筒，起初借助重力自由下落，筒下邊緣插入土體，然后利用水下潛水栗抽出筒內水體，形成內外壓差，使錨筒緩慢下貫。當錨筒頂端與海底接觸時，錨筒下貫停止，此時卸去潛水栗，吸力錨安裝完成。
[0004]一般吸力錨承載力主要依靠筒內壁與外壁與土體的摩擦力提供，而吸力錨端部與海底面水平時，吸力錨下貫停止，端部不能夠提供任何承載力。此外，由于吸力錨為垂直貫入土體，其垂向抗拔承載力遠遠小于其側向承載力，因此目前的張力腿平臺或利用張力腿原理形成的垂直系泊系統，大多使用粧式錨。
[0005]申請號為201510536267.7的中專利申請公布了傘式海底吸力錨基礎的安裝設備及安裝方法。該專利申請在吸力錨排水孔設置噴射管，利用潛水栗以及噴射管內的換向閥和閥門實現排水和吸水。該專利同樣利用了高壓水將海底面土體沖擊成泥漿渾濁液，隨后隨潛水栗排出，用于消除吸力錨“土塞”。但是該專利申請并沒有將吸力錨下沉至海底面以下，未能有效利用吸力錨端部。其次，噴射管為垂向直導管，并不能大范圍沖擊錨筒內海底表層土體，容易形成局部沖擊，影響錨筒內土體整體結構。另外，安裝過程中要控制換向閥和閥門以及潛水栗的抽吸水，操作比較復雜。
[0006]申請號為201210316976.0的中國專利申請公布了深水中吸力錨的安裝設備及安裝方法。該專利申請利用噴射栗以及多個閥門，實現深水中吸力錨安裝，有效解決我國深水吸力錨施工中水下動力設備對水深的限制。該專利申請同樣提到了向筒內噴水的想法，但是該專利是利用向錨筒內噴水形成正壓，抬起吸力錨，并沒有在下貫過程中起到作用。
[0007]申請號為201310566730.3的中國專利申請公布了一種帶附著裙邊的吸力錨。該吸力錨通過下端裙邊展開，提高極限抗拔承載力。但是裙邊展開要求苛刻，不易實現。此外，吸力錨未能下貫至海底面以下，其端部未能有效利用。
[0008]申請號為201310091856.X的中國專利申請公布了一種海底吸力錨。該專利通過錨裙和錨枝的組合提高了吸力錨下貫過程的穩定性，同時錨裙貫入海底后，錨裙既可以保護吸力錨周圍土體，又可以利用錨裙與土體摩擦提高抗拔承載力。但是該吸力錨也未能下貫至海底面以下，其端部未能有效利用。
[0009]申請號為01143244.6的中國專利申請公布了一種自安裝式吸力錨或粧。該專利申請通過吸力錨頂端增加的密閉頂倉實現吸力錨的下貫。同時，當海底面與吸力錨接觸時，通過潛水栗抽干密閉頂倉海水，形成負壓，使得吸力錨克服端部與海底面的正應力，繼續下沉，提高吸力錨下沉深度。該裝置雖然將吸力錨下貫至海底面以下，但是克服吸力錨端部與海底面正應力形成的下貫深度有限。此外，吸力錨承載力依然主要來源于內外筒壁與海底土體的摩擦，其端部未能有效利用。
【發明內容】
[0010]本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種能下貫至海底面以下的吸力錨及其安裝方法，其能夠提高吸力錨下貫深度，使端部埋入海底面以下，從而有效利用端部極大提高吸力錨極限抗拔承載力。
[0011 ]為實現上述目的，本發明采用下述技術方案:
一種能下貫至海底面以下的吸力錨，包括開口向下的錨筒，錨筒頂端上設置排水孔和有若干連通錨筒內外的開口導管，每個開口導管的下端通過軸承各連接一個與開口導管相連通的噴嘴；
所述排水孔設置在錨筒端部圓心處，排水孔上部與潛水栗相連接。
[0012]所述噴嘴上部為空心圓管狀并與軸承外圈相連接，下部為倒置的正六棱臺體;倒置的正六棱臺體的下底面上設有用于垂向沖擊海底面土體的底部導管；
六個側面上設有用于提高噴嘴對土體的沖擊范圍的三個斜向導管和三個水平向導管；三個斜向導管和三個水平向導管相間設置于六個側面上，即每個側面上只有一個水平向導管或斜向導管;使得斜向導管水平力相互抵消，防止噴嘴發生傾斜；
三個斜向導管的中心線與錨筒中軸成30到60度角，使得噴嘴能夠斜向沖擊海底面土體；
三個水平向導管在同一水平面內，且每一個水平向導管末端沿同一圓周同一方向有一定弧度的折彎，高壓海水自噴頭噴出時，通過對水平向導管的反作用力，利用軸承外圈能自由旋轉的特點，實現噴嘴自旋轉，配合斜向導管，能極大提高高壓海水對于海底面土體的沖擊范圍，有效避免了局部沖擊。
[0013]所述每個開口導管分為位于錨筒外部的控制吸力錨下貫深度的外延伸段以及通過軸承連接噴嘴的內延伸段。
[0014]所述開口導管有三根，且三根開口導管以錨筒頂部圓心為中軸成正三角形分布，開口導管材質和厚度與吸力錨錨筒一致。
[0015]所述噴嘴通過軸承與開口導管內延伸段相連接，以此實現噴嘴水平面的自由轉動。
[0016]所述開口導管為空心圓管，開口導管直徑需滿足:三個開口導管進水流量與吸力錨負壓下貫過程中土體滲水量的和必須小于潛水栗的抽水流量。
[0017]所述開口導管整體與吸力錨為一體，開口導管在吸力錨外的延伸長度由預定下貫深度決定，在吸力錨內部延伸部分長度大于軸承厚度。
[0018]所述軸承內圈的內徑與開口導管內延伸段外徑相同，兩者采用過渡配合，起到較好的密封作用。
[0019]—種能下貫至海底面以下的吸力錨安裝方法，包括以下步驟:
1)吸力錨依靠自重插入海底面，此時潛水栗開啟，錨筒內海水自排水孔排出，海水由三個開口導管進入吸力錨，通過噴嘴噴向錨筒內；
2)隨著錨筒內海水不斷被抽出，同時吸力錨在自重作用下持續下貫入土體；當錨筒內海水基本抽干時，海底面露出水面，噴嘴噴出海水形成高壓水柱直接沖擊筒內海底面上層土體；
3)海底面上層土體被沖刷形成泥漿渾濁液，通過潛水栗將渾濁液排出，吸力錨繼續下貫，隨著渾濁液不斷排出，露出表層的土體繼續受到高壓水柱沖擊形成泥漿渾濁液，繼續隨潛水栗排出，以此實現吸力錨不斷下貫；
4)吸力錨上端部下貫至海底面以下，此時由于海底土體在海底潛流作用下沖刷導致的流動特性，吸力錨周圍土體會逐漸向其端部靠攏，形成新的海底面，將吸力錨全部掩埋；
5)當土體將開口導管掩埋后，海水無法再進入錨筒，噴嘴無法形成高壓水柱，錨筒內無法形成新的泥漿渾濁液，潛水栗逐漸將筒內剩余海水以及泥漿渾濁液排光，吸力錨最終下貫穩定。
[0020]吸力錨下貫原理為:在吸力錨下貫過程中，由于深海海水高水壓特點，水體通過三個開口導管進入錨筒，由噴嘴向吸力錨內部噴出，進而沖擊由于負壓吸入錨筒內部的土層，使其與水體充分混合，成為泥漿渾濁液。在潛水栗持續抽吸筒內水體過程中，泥漿渾濁液隨其排出。隨著渾濁液的不斷排出，露出表層的土體持續受到海水沖擊化為泥漿，土體高度減小，繼續隨潛水栗排出，以此實現吸力錨不斷下貫，并且可以使得吸力錨下貫到海底平面以下。同時，由于海底土體在海底潛流作用下沖刷導致的流動特性，當吸力錨下貫到海底平面以下時，周圍土體向吸力錨靠攏，同時，當土體完全掩埋吸力錨頂部三個開口導管上端時，海水無法再進入吸力錨，錨筒內部土體不再受到海水沖擊，錨筒內剩余海水以及泥漿渾濁液逐漸由潛水栗排出，隨即將吸力錨以及導管上部延伸段掩埋，使得吸力錨下貫停止并最終保持穩定。此時，吸力錨下貫至海底面以下，從而有效利用端部極大提高吸力錨極限抗拔承載力。
[0021]與傳統吸力錨以及其他新型吸力錨相比，本發明提供的一種可下貫至海底平面以下的吸力錨有以下優點:
第一，充分利用了海底潛流作用，使得海底土體逐漸掩埋吸力錨端部導管，吸力錨下貫逐漸停止，有效控制了吸力錨下貫深度。
[0022]第二，吸力錨下貫至海地平面以下，其端部被海底土體掩埋，從而有效利用端部極大提高吸力錨極限抗拔承載力。
[0023]第三，充分利用深水中高壓海水實現噴嘴自旋轉，極大提高了高壓海水對海底面土體的沖擊范圍，有效避免了局部沖擊。
[0024]第四，在下貫過程中僅需控制潛水栗開關，與一般吸力錨安裝操作無異，相對于其他新型吸力錨，安裝操作十分簡便。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發明的能下貫至海底平面以下的吸力錨A-A剖面立體視圖；
圖2-1、2_2分別為本發明的能下貫至海底平面以下的吸力錨俯視圖和仰視圖；
圖3-1、3-2、3-3分別為噴嘴三維結構的立體圖、俯視圖和仰視圖；
圖4-1為本發明的能下貫至海底平面以下的吸力錨最初下貫狀態圖；
圖4-2為本發明的能下貫至海底平面以下的吸力錨下貫至錨內水體基本抽干狀態圖； 圖4-3為本發明的能下貫至海底平面以下的吸力錨的錨內土體被沖刷成泥漿渾濁液狀態圖；
圖4-4為本發明的能下貫至海底平面以下的吸力錨全部下貫至海底平面以下狀態圖； 圖4-5為本發明的能下貫至海底平面以下的吸力錨最終下貫穩定后的狀態圖；
圖中:1_開口導管、2-錨筒、3-噴嘴、4-開口導管內延伸段、5-軸承、6-倒置的正六棱臺體、7-斜向導管、8-水平向導管、9-底部導管、10-高壓水柱、11-海水、12-海底面、13-泥漿渾濁液、14-排水孔。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0027]本說明書所附圖式所繪示的結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內容，以供熟悉此技術的人士了解與閱讀，并非用以限定本發明可實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關系的改變或大小的調整，在不影響本發明所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本發明所揭示的技術內容得能涵蓋的范圍內。同時，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間，，及“一”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發明可實施的范圍，其相對關系的改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施的范疇。
[0028]—種可下貫至海底平面以下的吸力錨，包括頂部開口導管1、錨筒2、排水孔14以及噴嘴3。排水孔設14置在錨筒端部圓心處，其上部與潛水栗相連接。開口導管I與錨筒3相連，每個開口導管I分為位于錨筒外部的控制吸力錨下貫深度的外延伸段以及通過軸承5連接噴嘴3的內延伸段4。開口導管I在錨筒2的內延伸段4通過軸承5與噴嘴3相連。軸承內圈的內徑與開口導管內延伸段4外徑相同，兩者采用過渡配合，起到較好的密封作用。
[0029]開口導管I如圖1、圖2所示以錨筒頂部圓心為中軸成正三角形分布，開口導管I材質和厚度與吸力錨錨筒2—致，為保證吸力錨正常下貫，開口導管I的開口直徑與潛水栗功率或數量需滿足:潛水栗抽水量應當遠大于開口導管I進水量與吸力錨負壓下貫過程中土體滲水量之和。開口導管I外延伸段長度可控制吸力錨最終下貫深度，因此，可以通過預定下貫深度設計導管外延伸段長度。
[0030]開口導管I整體與吸力錨為一體，開口導管I在吸力錨外的延伸長度由預定下貫深度決定，在吸力錨內部延伸段4長度大于軸承厚度。
[0031]如圖3-1、3-2、3-3所示，噴嘴3通過軸承5與開口導管內延伸段4相連接，以此實現噴嘴3水平面的自由轉動。噴嘴3上部為空心圓管狀，直徑與軸承5外徑相同。下部是倒置的正六棱錐臺體6，倒置的正六棱錐臺體6的下底面存在一個垂向設置的底部導管9，高壓水噴出時，可沖刷筒內土體;倒置的正六棱錐臺體6的六個側面上設有用于提高噴嘴對土體的沖擊范圍的三個斜向導管7和三個水平向導管8;三個斜向導管7和三個水平向導管8相間設置于六個側面上，即每個側面上只有一個水平向導管8或斜向導管7;使得斜向導管7水平力相互抵消，防止噴嘴3發生傾斜；
其中三個斜向導管7與錨筒中軸成30?60度角，當高壓水噴出時，沖刷周圍土體。
[0032]三個水平向導管8在同一水平面內，且每一個水平向導管8末端沿同一圓周同一方向有一定弧度的折彎，高壓海水自噴頭噴出時，通過對水平向導管8的反作用力，利用軸承外圈能自由旋轉的特點，實現噴嘴3自旋轉，擴大三個斜向導管7的沖刷范圍，能極大提高高壓海水對于海底面土體的沖擊范圍，有效避免了局部沖擊。
[0033]圖4-1至圖4-5描述了吸力錨的安裝過程:
圖4-1顯示吸力錨依靠自重插入海底面12，此時潛水栗開啟，銷筒2內海水11自排水孔14排出錨筒，筒外海水11由導管I進入吸力錨，通過噴嘴3噴向錨筒2內。
[0034]如圖4-2所示隨著錨筒2內海水11不斷被抽出，同時吸力錨持續下貫入土體。當錨筒2內海水11基本抽干時，海底面12露出水面，噴嘴3噴出海水形成高壓水柱10直接沖擊筒內海底面12上層土體。
[0035]如圖4-3所示，海底面12上層土體被沖刷形成泥漿渾濁液13，通過潛水栗將渾濁液13排出，吸力錨繼續下貫。隨著渾濁液13不斷排出，露出表層的土體繼續受到高壓水柱10沖擊形成泥漿渾濁液13，繼續隨潛水栗排出，以此實現吸力錨不斷下貫。
[0036]如圖4-4所示，吸力錨端部下貫至海底面12以下。此時由于海底土體在海底潛流作用下沖刷導致的流動特性，吸力錨周圍土體會逐漸向其端部靠攏，形成新的海底面12，將吸力錨全部掩埋。
[0037]如圖4-5所示當土體將導管I掩埋后，海水11無法再進入錨筒2，噴嘴3無法形成高壓水柱10，錨筒2內無法形成新的泥漿渾濁液13，潛水栗逐漸將筒內剩余海水11以及泥漿渾濁液13排光，吸力錨最終下貫穩定。
[0038]上述雖然結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。
【主權項】
1.一種能下貫至海底面以下的吸力錨，包括開口向下的錨筒，其特征是，錨筒頂端上設置有排水孔和若干連通錨筒內外的開口導管，每個開口導管的下端通過軸承各連接一個與開口導管相連通的噴嘴； 所述噴嘴上部為空心圓管狀并與軸承外圈相連接，下部為倒置的正六棱臺體;倒置的正六棱臺體的下底面上設有用于垂向沖擊海底面土體的底部導管； 六個側面上設有用于提高噴嘴對土體的沖擊范圍的三個斜向導管和三個水平向導管；三個斜向導管和三個水平向導管相間設置于六個側面上，即每個側面上只有一個水平向導管或斜向導管，使得斜向導管水平力相互抵消，防止噴嘴發生傾斜； 三個斜向導管的中心線與錨筒中軸成30到60度角，使得噴嘴能夠斜向沖擊海底面土體； 三個水平向導管在同一水平面內，且每一個水平向導管末端沿同一圓周同一方向有一定弧度的折彎，高壓海水自噴頭噴出時，通過對水平向導管的反作用力，利用軸承外圈能自由旋轉的特點，實現噴嘴自旋轉。2.如權利要求1所述的能下貫至海底面以下的吸力錨，其特征是，所述每個開口導管分為位于錨筒外部的控制吸力錨下貫深度的外延伸段以及通過軸承連接噴嘴的內延伸段。3.如權利要求1所述的能下貫至海底面以下的吸力錨，其特征是，所述排水孔設置在錨筒端部圓心處，排水孔上部與潛水栗相連接。4.如權利要求1所述的能下貫至海底面以下的吸力錨，其特征是，所述開口導管有三根，且三根開口導管以錨筒頂部圓心為中軸成正三角形分布，開口導管材質和厚度與吸力銷銷筒一致。5.如權利要求2所述的能下貫至海底面以下的吸力錨，其特征是，所述噴嘴通過軸承與開口導管內延伸段相連接。6.如權利要求1所述的能下貫至海底面以下的吸力錨，其特征是，所述開口導管為空心圓管，開口導管直徑需滿足:三個開口導管進水流量與吸力錨負壓下貫過程中土體滲水量的和必須小于潛水栗的抽水流量。7.如權利要求2所述的能下貫至海底面以下的吸力錨，其特征是，所述開口導管整體與吸力錨為一體，開口導管在吸力錨內部延伸部分長度大于軸承厚度。8.如權利要求1所述的能下貫至海底面以下的吸力錨，其特征是，所述軸承內圈的內徑與開口導管內延伸段外徑相同，兩者采用過渡配合。9.一種能下貫至海底面以下的吸力錨安裝方法，其特征是，包括以下步驟: 1)吸力錨依靠自重插入海底面，此時潛水栗開啟，錨筒內海水被抽出，海水由三個開口導管進入吸力錨，通過噴嘴噴向錨筒內； 2)隨著錨筒內海水不斷被抽出，同時吸力錨在自重作用下持續下貫入土體；當錨筒內海水基本抽干時，海底面露出水面，噴嘴噴出海水形成高壓水柱直接沖擊筒內海底面上層土體； 3)海底面上層土體被沖刷形成泥漿渾濁液，通過潛水栗將渾濁液排出，吸力錨繼續下貫，隨著渾濁液不斷排出，露出表層的土體繼續受到高壓水柱沖擊形成泥漿渾濁液，繼續隨潛水栗排出，以此實現吸力錨不斷下貫； 4)吸力錨上端部下貫至海底面以下，此時由于海底土體在海底潛流作用下沖刷導致的流動特性，吸力錨周圍土體會逐漸向其端部靠攏，形成新的海底面，將吸力錨全部掩埋；5)當土體將開口導管掩埋后，海水無法再進入錨筒，噴嘴無法形成高壓水柱，錨筒內無法形成新的泥漿渾濁液，潛水栗逐漸將筒內剩余海水以及泥漿渾濁液排光，吸力錨最終下貫穩定。
【文檔編號】E02D27/52GK105926627SQ201610308627
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月11日
【發明人】陳旭光, 許建鵬, 姜育科
【申請人】中國海洋大學