專利名稱：應用于粉土海床中輔助吸力式桶形基礎安裝的反濾層裝置及吸力式桶形基礎安裝方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于海上風機吸力式桶形基礎安裝工程技術(shù)領域，涉及到使用一種新型反濾層裝置提高粉土海床上吸力式桶形基礎的安裝質(zhì)量。
背景技術(shù)：
海上風能作為一種安全、清潔、穩(wěn)定的可再生能源，相比于其他能源的優(yōu)勢已逐漸顯露。由于海上特殊而惡劣的環(huán)境，如何選擇一種安全、有效、經(jīng)濟的基礎形式是高效、低成本開發(fā)海上風能的關(guān)鍵。吸力式桶形基礎是近年來國外發(fā)展起來的一種新穎的風機基礎形式，該基礎結(jié)構(gòu)制造材料一般為鋼或混凝土，因其頂端封閉，底部開口，外形像一只倒立的桶而得名。吸力式桶形基礎具有安裝簡便，節(jié)約材料、可重復利用，抗傾覆能力強，對水深和海床條件適應性強等諸多優(yōu)點，是今后風機基礎的發(fā)展趨勢。丹麥曾于2009年在 Frederikshaven海域成功安裝一只作為風機基礎的吸力桶,該基礎直徑12m,裙高6m。與其他傳統(tǒng)海洋基礎相比，吸力式桶形基礎的海上安裝方式比較特殊，為依靠自重作用貫入海床一定深度范圍形成密封環(huán)境的壓力貫入階段，然后為通過預留在桶頂部的排水抽氣口抽取桶內(nèi)部的海水以形成持續(xù)作用的負壓而使其緩慢貫入到指定深度的負壓沉貫階段。目前，國際上就吸力式桶形基礎在軟黏土或砂土海床中的負壓安裝技術(shù)已開展了大量研究工作，主要集中在現(xiàn)場原位或室內(nèi)模型試驗及數(shù)值分析階段。負壓安裝過程中內(nèi)部允許施加負壓大小與土塞穩(wěn)定性歷來是兩大關(guān)注的焦點。實際所施加的負壓應介于能使桶體下沉所需的最小需求負壓和最大允許負壓之間。吸力式基礎安裝過程中，一般認為由桶壁下插所置換土體的50%以上將流入內(nèi)部，甚至有可能全部流入。從大量的工程實際經(jīng)驗和研究結(jié)果來看，認為當負壓超過最大允許負壓后，會發(fā)生黏土海床上桶內(nèi)土體的反向承載力破壞或砂土地基的液化失穩(wěn)，產(chǎn)生過量土塞，嚴重影響基礎的最終安裝質(zhì)量。基礎沉貫過程中所受的阻力也是值得關(guān)注的一個問題，現(xiàn)在普遍觀點都認為對于滲透性大的砂質(zhì)海床，內(nèi)部負壓引起桶體周圍的滲流，滲流導致桶外壁摩阻力增大，而內(nèi)壁摩阻力與端阻力均減小，總的影響是沉貫阻力相比于無滲流時要減小。我國東南沿海地區(qū)在離岸10公里范圍內(nèi)是未來風能開發(fā)的重點領域，這些海域廣泛分布著粉土。相比于黏性土與砂土，粉土是一種特殊類型的土。其滲透性介于砂性土與黏性土之間，粉土的其他物理力學指標與其顆粒組成成分有密切關(guān)系。但目前關(guān)于吸力式桶形基礎在粉土海床中的安裝技術(shù)研究在國內(nèi)甚至是國際上都是空白。因此，開展吸力式桶形基礎在粉土海床中安裝技術(shù)研究勢在必行?，F(xiàn)有的少量研究結(jié)果表明吸力式桶形基礎在粉土海床中安裝時，在內(nèi)部持續(xù)負壓作用下，在桶體周圍會形成由外向內(nèi)的滲流場，內(nèi)部土體在向上滲流力作用下，一方面土塞密實度會變小，并形成一定的滲流通道，另一方面變松散的土體其顆粒會在滲流水作用下發(fā)生侵蝕。在負壓沉貫后期，會由于被滲流水搬運到桶內(nèi)空間土顆粒的不斷累積和表層一定深度范圍內(nèi)的土體液化失穩(wěn)而形成過高的土塞，阻止吸力式桶形基礎進一步沉貫到預定深度。詳見文獻〈Tran, Μ. N. , Randolph,M. F. , 2007. Installation of suction caissons in sand with silt layers. Journalof Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 133 (10)，1183-1191. > 和文獻< Yang, S. L. , Grande, L. 0. , Qi, J. F. , et al. , 2003. Excessive Soil Plug andAnti-failure Mechanism of Bucket Foundation During Penetration by Suction.In: Proceedings of the 13th International Offshore and Polar EngineeringConference. Hawaii, p. 659-664. >。盡管在吸力桶內(nèi)部負壓作用下,粉土海床桶體周圍會形成滲流場，可以減小桶體沉貫阻力。但由沉貫后期內(nèi)部土體因滲流失穩(wěn)破壞所造成的過高土塞(在歐洲北海和美國墨西哥灣幾個吸力式基礎實際安裝工程中曾報道過已發(fā)現(xiàn)的土塞最高高度可達桶體最終貫入深度的15%之高)對基礎最終安裝質(zhì)量的影響已遠遠超過了滲流減小安裝阻力所帶來的有利的一面。過高的內(nèi)部土塞往往使得基礎不能沉貫到預定的深度，在風機服役期間會加速基礎周圍的沖刷，嚴重影響基礎及整個上部結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性。工程上遇到土塞影響基礎繼續(xù)貫入時，一般要先取出土塞再繼續(xù)完成沉貫，這將大大增加海上作業(yè)時間。然而由于海上特殊的環(huán)境，增加海上作業(yè)時間是非常不經(jīng)濟的選擇。目前工程上還沒有非常有效的安裝措施，可以有效抑制吸力式基礎安裝過程中的內(nèi)部土塞的發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種應用于粉土海床中吸力式桶形基礎安裝的反濾層裝置，以提高吸力式桶形基礎在粉土海床中的安裝質(zhì)量。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案它由外層的土工織物和內(nèi)部包裹體一顆粒狀材料所組成，所述裝置鋪平在海床上時的直徑略小于吸力桶的內(nèi)徑，以減小基礎安裝時桶壁與反濾層裝置的摩擦阻力但又不影響其功能。土工織物是組成反濾層裝置的主要材料，可以選用工程上經(jīng)常用到的無紡土工布合成材料。選用土工織物型號時一般應根據(jù)其主要設計參數(shù)-等效孔徑O95(土工織物最大表觀孔徑，表示有95%的孔徑比O95值小)的大小并參照工程所在場地粉土的顆粒組成情況而確定。一般應保證其大于工程所在海床粉土的粉粒組(比如，該粒徑組的粒徑為O. 005mm-0. 075mm)的最大粒徑小于等效孔徑O95,確保在內(nèi)部負壓作用下,表層粉土中的黏粒(粒徑小于O. 005mm)和大部分粉粒能隨滲流水順利進入反濾層裝置，并對其造成一定程度的淤堵。顆粒狀材料為組成反濾裝置另一不可或缺的材料，一般在實際應用時可考慮使用適當粒徑大小和級配的礫石。在實際工程中，通常根據(jù)場地工程地質(zhì)條件、海上作業(yè)時間及安裝設備一潛水泵功率大小確定吸力式桶形基礎的安裝速率和最大可能施加的負壓大小。由于顆粒狀材料另一主要作用是增大反濾層裝置的自身質(zhì)量，防止在吸力桶內(nèi)部負壓作用下反濾層脫離其原來位置而喪失其應有的功能。所以選用顆粒狀材料型號和確定反濾層裝置實際厚度時應根據(jù)實際可能施加的最大負壓大小來確定。為了減小海上總的作業(yè)時間，可根據(jù)吸力式桶形基礎尺寸及上面所介紹的原理在陸上制作尺寸大小合適的反濾層裝置。為方便海上作業(yè)，土工織物與顆粒狀材料之間應固定其相對位置。在本發(fā)明另一個所要解決的技術(shù)問題是提供一種應用上述反濾層裝置的粉土海床中吸力式桶形基礎的安裝方法。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案它包括以下步驟
1)、對吸力式桶形基礎待安裝位置處的海床表面進行平整并去除一定厚度內(nèi)的表層土，去除表層土的厚度與反濾層裝置總厚度相當；所處理的海床區(qū)域面積與吸力式桶形基礎所能覆蓋區(qū)域面積相當；
2)、將制造好的上述反濾層裝置通過海上起重機或浮船緩慢下沉到吸力式桶形基礎待安裝區(qū)域，通過潛水員或水下機器人下水操作，將反濾層裝置均勻鋪設在經(jīng)過步驟I)處理過的海床表面，并使所述反濾層裝置頂部與周圍海床面基本處于同一高度；
3)、在吸力式桶形基礎待安裝區(qū)域安裝吸力式桶形基礎，其步驟包括依靠吸力式桶形基礎自身浮重量的壓力沉貫階段和抽取桶內(nèi)水形成負壓的吸力沉貫階段。由于采用本發(fā)明的技術(shù)方案，有效保護了粉土海床內(nèi)部土體的滲流穩(wěn)定性，抑制內(nèi)部土體液化失穩(wěn)造成過高土塞，并提高了吸力式基礎的最終安裝質(zhì)量。
圖I為本發(fā)明的反濾層裝置輔助吸力式桶形基礎負壓安裝的示意圖。圖2為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式參照圖2，本發(fā)明提供的應用于粉土海床中提高吸力式桶形基礎安裝質(zhì)量的新型反濾層裝置100，它由外層的土工織物套I和處于土工織物套內(nèi)的顆粒狀材料2所組成，所述裝置鋪平在海床上時的直徑略小于吸力式桶形基礎的內(nèi)徑。土工織物的等效孔徑O95大于工程所在場地粉土的最大粒徑。所述顆粒狀材料2采用礫石。參照圖1，由本發(fā)明的反濾層裝置輔助的應用于粉土海床的吸力式桶形基礎負壓安裝方法可按以下步驟進行首先，為了減小海上總的作業(yè)時間，可根據(jù)吸力式桶形基礎200的尺寸及上面所介紹的結(jié)構(gòu)在陸上制作尺寸大小合適的反濾層裝置100，為減小基礎安裝時桶壁與反濾層裝置的摩擦阻力但又不影響其功能，反濾層裝置直徑可略小于桶形基礎的內(nèi)徑，為方便海上作業(yè)，土工織物與顆粒狀材料之間應固定其相對位置；然后，通過拖船將制作好的反濾層裝置拖到基礎施工所在海域，對吸力式基礎待安裝位置處的粉土海床表面做適當處理，平整場地并去除一定厚度內(nèi)的表層土 (去除土層厚度與反濾層裝置總厚度相當)，所處理海床區(qū)域面積與吸力式桶形基礎所能覆蓋區(qū)域300面積相當；接著，將制造好的反濾層裝置100通過海上起重機或浮船緩慢下沉到吸力式基礎待安裝區(qū)域，通過潛水員或水下機器人下水操作，將反濾層裝置均勻鋪設在經(jīng)過處理的粉土海床表面，并保證反濾層裝置頂部與周圍海床面基本處于同一高度，防止人為制造影響基礎沉貫的障礙物；最后，在該特定海床表面完成吸力式桶形基礎的常規(guī)安裝工序，即依靠自身浮重量的壓力沉貫階段和通過預留在吸力式桶形基礎200上的排水抽氣口 201抽取桶內(nèi)水形成負壓的吸力沉貫階段過程。在實際工程中，通常根據(jù)場地工程地質(zhì)條件、海上作業(yè)時間及安裝設備一潛水泵功率大小確定吸力式桶形基礎的安裝速率和最大可能施加的負壓大小。由于顆粒狀材料另一主要作用是增大反濾層裝置的自身質(zhì)量，防止在吸力桶內(nèi)部負壓作用下反濾層脫離其原來位置而喪失其應有的功能。所以選用顆粒狀材料型號和確定反濾層裝置實際厚度時應根據(jù)實際可能施加的最大負壓大小來確定。
下面結(jié)合附圖I簡要闡述該項發(fā)明技術(shù)的實際工作機理。在粉土海床表面設置一層反濾層裝置后，在吸力桶(吸力式桶形基礎200)內(nèi)部負壓所引起的滲流作用下，海床表面緊靠反濾層裝置100且顆粒較細的土被滲流水搬運進入反濾層裝置100，這種情況向遠離反濾層的方向發(fā)展，逐漸形成一定厚度的由較粗土顆粒形成的架空層301 (見附圖I)。這層土顆粒較粗，滲透系數(shù)大，但它不能阻擋細土粒的移動。當反濾層過濾作用充分發(fā)揮時，在架空層上游會形成一層天然濾層302，該層細土顆粒較架空層301多，透水性相對較低，從而阻擋了相鄰天然土層的細粒土的移動，大大增加了未擾動土的滲流穩(wěn)定性。因此，反濾層裝置的作用可以概括為誘發(fā)形成了天然濾層。在負壓沉貫前期，由于反濾層裝置100內(nèi)被淤堵的細土顆粒少，其對基礎負壓安裝的影響較小。這時候在內(nèi)部負壓作用下而形成的滲流場在一定程度上減小了基礎沉貫阻力。在負壓安裝后期，隨著細土顆粒在反濾層裝置100內(nèi)的不斷淤堵后，其滲透性會不斷降低，在內(nèi)外水頭差不變的情況下，滲透系數(shù)降低的反濾層裝置100內(nèi)承擔了絕大部分水頭損失，使土體與外界部分的水頭損失大大減低，有效調(diào)節(jié)了滲流水的量。這時候被淤堵的反 濾層裝置100內(nèi)類似于一個不透水層，有效阻斷了內(nèi)部負壓往土體深部的傳遞，保證了內(nèi)部土體自身穩(wěn)定性。從上面的介紹中可以看出，施加反濾層裝置技術(shù)后，對吸力式基礎沉貫初期的影響是非常小的。這時候可以充分發(fā)揮因內(nèi)部負壓引起桶體周圍的滲流而降低安裝阻力這一有利的一面。安裝后期，盡管安裝阻力并不一定能降低，但在潛水泵功率合適的條件下，仍然可以將基礎順利安裝到位。而此時施加反濾層裝置后最明顯的優(yōu)勢是有效保護了內(nèi)部土體的滲流穩(wěn)定性,抑制內(nèi)部土體液化失穩(wěn)造成過高土塞,并提高了吸力式基礎的最終安裝質(zhì)量。隨著近海風能資源的不斷開發(fā)利用，海上風電的開發(fā)將逐漸走向深海領域。當水深超過50m時，固定式支撐結(jié)構(gòu)作為風機基礎將顯得不經(jīng)濟，而浮式基礎是未來深海風機結(jié)構(gòu)可供選擇的最佳基礎形式。與吸力式桶形基礎安裝方法相類似，長徑比(裙高與基礎直徑之比)更大的吸力錨是當今深海浮式采油平臺和未來浮式風機最優(yōu)的錨泊基礎形式。因此，本項發(fā)明技術(shù)還能應用于吸力錨基礎在粉土或砂質(zhì)土海床上的安裝過程，用于提高吸力式基礎的安裝質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種應用于粉土海床中輔助吸力式桶形基礎安裝的反濾層裝置，其特征在于它由外層的土工織物套和處于土工織物套內(nèi)的顆粒狀材料所組成，所述裝置鋪平在海床上時的直徑略小于吸力式桶形基礎的內(nèi)徑。
2.如權(quán)利要求I所述的一種應用于粉土海床中輔助吸力式桶形基礎安裝的反濾層裝置，其特征在于土工織物的等效孔徑O95大于工程所在場地粉土的最大粒徑。
3.如權(quán)利要求I所述的一種應用于粉土海床中輔助吸力式桶形基礎安裝的反濾層裝置，其特征在于所述顆粒狀材料采用礫石。
4.一種粉土海床中吸力式桶形基礎的安裝方法，其特征在于它包括以下步驟 1)、對吸力式桶形基礎待安裝位置處的海床表面進行平整并去除一定厚度內(nèi)的表層土，去除表層土的厚度與反濾層裝置總厚度相當；所處理的海床區(qū)域面積與吸力式桶形基礎所能覆蓋區(qū)域面積相當； 2)、將制造好的權(quán)利要求1、2或3所述的反濾層裝置通過海上起重機或浮船緩慢下沉到吸力式桶形基礎待安裝區(qū)域，通過潛水員或水下機器人下水操作，將反濾層裝置均勻鋪設在經(jīng)過步驟I)處理過的海床表面，并使所述反濾層裝置頂部與周圍海床面基本處于同一高度； 3)、在吸力式桶形基礎待安裝區(qū)域安裝吸力式桶形基礎，其步驟包括依靠吸力式桶形基礎自身浮重量的壓力沉貫階段和抽取桶內(nèi)水形成負壓的吸力沉貫階段。
全文摘要
本發(fā)明針對海上風機吸力桶基礎在粉土海床中負壓安裝時遇到的過高土塞嚴重影響其安裝質(zhì)量這一技術(shù)難題，提出了一種應用于粉土海床中輔助吸力式桶形基礎安裝的反濾層裝置及吸力式桶形基礎安裝方法，它在負壓安裝時設置由土工織物和顆粒狀材料所組成的反濾層裝置，使用本發(fā)明技術(shù)，在不明顯增加海上總的作業(yè)時間前提下，可以有效抑制吸力桶負壓安裝時內(nèi)部土體的失穩(wěn)破壞。本發(fā)明在一定程度上填補了吸力桶基礎在粉土中安裝技術(shù)的研究空白，并對推動吸力桶基礎在粉土中的使用具有重大的工程實用價值。
文檔編號E02D27/52GK102900097SQ20121043838
公開日2013年1月30日 申請日期2012年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月6日
發(fā)明者王立忠, 余璐慶, 國振, 何奔, 李玲玲, 沈侃敏 申請人:浙江大學