一种含裙边带肋的海上风电机单桩基础及其施工方法与流程

本发明涉及风力发电技术领域，具体地，涉及一种含裙边带肋的海上风电机单桩基础及其施工方法。

背景技术：

能源是现代社会和经济发展的基础，然而随着人口数量的增长和社会经济的日益发展，对能源的消耗也同样飞速的增长，能源危机渐渐显现。开发清洁高效的可再生能源是世界各国大力发展的战略目标，风能作为一种可再生能源，是各国重点发展的新能源之一。海上风能发电作为风能利用的一种，在近些年来得到飞速的发展，其具有陆上风能发电的绝大部分优点，且具有发电量大、使用限制少、不占用陆上土地等优势。

海上风电机组基础结构是海上风电建设的关键结构。但是目前在海上风电项目的索赔事件中，单桩基础相关问题占到了35％，其中绝大多数都发生在深水海域。这一定程度上是因为施工方中过于自信，为降低成本仍采用基本的单桩基础，而忽略了其可靠性和适用性。可见，传统的单桩基础结构无法适用于深水海域。

大直径单桩基础是海上风电基础的主流，施工方便且经济效益较好，但单桩基础一般适用水深小于25m的海域，而随着近海风电资源的逐渐开发，深水海域风电开发是大势所趋，制约单桩基础向深水海域应用的主要存在以下因素：单桩基础需具备较大的承载力和抗滑抗倾覆稳定性；施工船舶在沉桩施工时受波浪、海风等影响，难以控制单桩垂直度；桩周土体受海洋冲刷严重，会降低稳定性并促使桩倾斜发生事故。

现有技术中，也有不少人对传统单桩进行了改进，比如，申请号为201910633302.5的中国发明专利，其公开了一种海上风电机组加强复合式单桩基础及施工方法，又如，申请号为201810001208.3的中国发明专利，其公开一种海上风电复合式单桩基础及其施工方法。这些专利技术均对单桩基础做了一些改进，能够带来一定的效果，但是其总体的承载力、抗滑抗倾覆的稳定性以及抗冲刷等性能还需进一步提高。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种含裙边带肋的海上风电机单桩基础及其施工方法。

本发明提供一种含裙边带肋的海上风电机单桩基础，包括：

管桩，为第一钢质空心圆柱体；

肋板，所述肋板设置于所述管桩的外侧壁，所述肋板为直角梯形肋板钢质肋板，其中，所述直角梯形肋板的下底边与所述管桩的外侧壁焊接，所述直角梯形肋板的锐角端朝向下设置，所述直角梯形肋板沿所述管桩的外侧壁向外呈放射状分布，所述直角梯形肋板的锐角端形成位于所述管桩的外侧壁的锥形部；

圆筒部件，为第二钢质空心圆柱体，所述圆筒部件与所述管桩之间通过所述直角梯形肋板连接，其中，所述圆筒部件的内壁与所述直角梯形肋板的上底边焊接，且所述圆筒部件的长度与所述直角梯形肋板的上底边的长度相同。

优选地，含裙边带肋的海上风电机单桩基础包括：用于分散水流冲击的锥状罩体，所述锥状罩体位于所述圆筒部件的上方，所述锥状罩体的小端连接在所述管桩的外侧壁上，所述锥状罩体的大端与所述圆筒部件的上端连接；且所述锥状罩体、所述圆筒部件和所述管桩之间的连接为圆滑过渡。

优选地，所述锥状罩体、所述圆筒部件和所述管桩之间形成一空腔，所述直角梯形肋板的直角端位于该空腔内，所述直角梯形肋板的锐角端位于该空腔的下方。

优选地，所述直角梯形肋板、所述锥状罩体上设有通孔，使得所述直角梯形肋板与所述锥状罩体形成连通器。

优选地，所述直角梯形肋板设有至少一个第一通孔，所述第一通孔贯通所述直角梯形肋板的厚度方向；

所述锥状罩体上至少设有一个第二通孔，所述第二通孔贯通所述锥状罩体的厚度方向；

通过所述第一通孔、所述第二通孔使所述直角梯形肋板与所述锥状罩体形成便于桩体打入海床的连通器结构。

优选地，所述直角梯形肋板设有多个第一通孔时，多个所述第一通孔沿所述肋板的长度方向均匀分布。

优选地，所述锥状罩体上设有多个第二通孔时，多个所述第二通孔沿所述锥状罩体的轴向均匀分布。

优选地，所述直角梯形肋板的锐角端，其锐角的大小根据桩体打入海床的贯入阻力的情况调整。

优选地，多个所述直角梯形肋板围绕所述管桩的下端周向均匀设置，在所述管桩的下端形成所述锥形部。

本发明第二个方面提供一种上述含裙边带肋的海上风电机单桩基础的施工方法，包括以下步骤：

完成管桩、肋板和圆筒部件的标准、一体化生产，并在陆上安装焊接为一体，形成一体化单桩基础；

将所述一体化单桩基础拖航至沉放地点、进行沉放、调平工作；

通过抱桩器将所述一体化单桩基础打入海床，使单桩基础的圆筒部件半露于海床中；

向所述一体化单桩基础周边抛投防冲刷配重物，施工完毕。

与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：

本发明上述单桩基础的结构简单，适用于深水海域；通过在管桩的四周设置肋板，肋板设计为直角梯形肋板结构，改善桩体的水平承载力，降低桩身的位移和弯矩，确保施工时单桩垂直度；直角梯形肋板在管桩的下端形成锥形部，增大桩土接触压强，从而减小贯入阻力，减小了施工难度；并且，外部圆筒部件与管桩相连，形成一体化结构，提高了单桩基础承载力和抗滑抗倾覆稳定性；同时，在肋板的外壁套设圆筒部件，增加了肋板的整体性，圆筒部件作为整个单桩的裙边半露于海床外，能分散水流冲击，避免冲刷，增加稳定性和抗冲刷能力。上述结构针对海上风电机复杂的海洋环境，具有多重功效，具有施工难度低、地质条件适应力强的特点，减小了海上风机受波浪、海风等复杂海洋环境影响发生事故的可能性，在海洋风电中应用前景广阔。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一优选实施例的含裙边带肋的海上风电机单桩基础的结构示意图；

图2是图1的主视图；

图3是图1的俯视图；

图4是本发明一优选实施例的含裙边带肋的海上风电机单桩基础的结构示意图；

图5是图4的主视图；

图6是图4的俯视图；

图7是本发明一优选实施例的含裙边带肋的海上风电机单桩基础的施工状态示意图；

图中标记分别表示为：1为管桩、2为肋板、3为圆筒部件、4为海床。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1所示，为本发明含裙边带肋的海上风电机单桩基础的结构示意图，结合图2所示，图中包括管桩1、肋板2和圆筒部件3，且管桩1、肋板2和圆筒部件3形成一体结构。作为一优选方式，管桩1、肋板2和圆筒部件3采用钢材质制成。管桩1作为单桩基础的桩体，为第一钢质空心圆柱体，第一钢质空心圆柱体的直径和壁厚可以根据实际工况选择。

管桩1的外侧壁设有多个肋板2，且该肋板2位于管桩1的底端，肋板2为直角梯形肋板，将直角梯形肋板的下底边与管桩1的外侧壁可以采用焊接连接，整体性较好，且将直角梯形肋板的锐角朝向下设置，使管桩1的端部构成锥形部，能增大桩土接触压强，减小贯入阻力，施工时利于插入海洋土体内。多个直角梯形肋板沿管桩1周向均匀布设且沿管桩1的外侧壁向外呈放射状分布。多个直角梯形肋板分布与管桩1垂直设置。通过在管桩1的四周设置肋板2，改善钢桩的水平承载力，降低桩身的位移和弯矩，确保施工时单桩垂直度，提高了单桩基础承载力和抗滑抗倾覆稳定性。

圆筒部件3为第二钢质空心圆柱体，圆筒部件3套于直角梯形肋板上，圆筒部件3与管桩1之间通过直角梯形肋板连接，其中，将圆筒部件3的内壁与各个直角梯形肋板的下底边可以采用焊接连接，采用焊接的连接方式可增加肋板2的整体性；且圆筒部件3的高度与直角梯形肋板的尺寸匹配。

上述实施例中，圆筒部件3的内壁与直角梯形肋板的上底边一体成型；直角梯形肋板的下底边与管桩1的外侧壁也可以一体成型。在具体施工时，将圆筒部件3半露于海床7外，并通过铺上砂石，增加砂石的稳定性。圆筒部件3可以采用钢材料制成。圆筒部件与管桩的相对位置视所需打桩深度而定，圆筒部件打入海床，且部分露出海床面。

上述结构针对海上风电机复杂的海洋环境，具有多重功效，在海洋风电中应用前景广阔。在具体实施时肋板2可设置四个、八个也可以采用其他数量。参照图1、图2所示，在管桩1的外侧壁均匀分布四个肋板2。参照图3、图4所示，在管桩1的外侧壁均匀分布八个肋板2。

参照图5、图6所示，作为一优选实施例，在上述实施例基础上，含裙边带肋的海上风电机单桩基础还进一步包括：锥状罩体4，锥状罩体4位于直角梯形肋板的上方；锥状罩体4位于圆筒部件3的上方，锥状罩体4的小端连接在管桩1的外侧壁上，锥状罩体4的大端与圆筒部件3的上端连接。锥状罩体4、圆筒部件3和管桩1之间的连接为圆滑过渡。

锥状罩体4、圆筒部件3和管桩1之间形成一空腔，直角梯形肋板的直角端位于该空腔内，直角梯形肋板的锐角端位于该空腔的下方。如图所示，锥状罩体4的上部为圆形敞口端，锥状罩体4的圆形敞口端的内壁与管桩1的外侧壁采用焊接连接，锥状罩体4的底部与圆筒部件3上端的圆周面可以采用焊接连接，且锥状罩体4的底面的外径与圆筒部件3的外径尺寸相匹配，两者也可以通过焊接连接。锥状罩体4沿管桩1延伸的高度一般小于圆筒部件3沿管桩1延伸的高度。作为一优选方式，锥状罩体4的圆形敞口端与管桩1的外侧壁可以采用一体成型，锥状罩体4的底部与圆筒部件3上端的圆周面可以采用一体成型。锥状罩体4可以采用钢材质制成。

在其他部分优选实施例中，结合图5、图6所示，直角梯形肋板开设第一通孔5，第一通孔5贯通直角梯形肋板的厚度方向。锥状罩体4沿周向均匀设有第二通孔6，第二通孔6贯通锥状罩体4的厚度方向，通过第一通孔5、第二通孔6使直角梯形肋板与锥状罩体4形成连通器结构，便于钢桩打入海床7。第二通孔6与第一通孔5的孔径可以相同，也可以不同。作为优选方式，肋板2设有多个第一通孔5，多个第一通孔5沿肋板2的长度方向均匀分布。多个第二通孔6均匀分布在锥状罩体4上。在单桩基础下沉和打入海床7过程中，海水可以通过上述的第一通孔5、第二通孔6形成连通，减少桩周土体的海洋冲刷，提高稳定性并促使桩倾斜发生事故。

在其他部分优选实施例中，直角梯形肋板的高度小于管桩1的高度，可以根据实际情况进行调整，比如，直角梯形肋板的高度(即下底边长度)占管桩1高度的1/4-1/2。

在其他部分优选实施例中，直角梯形肋板的直角端与管桩1连接，直角梯形肋板、圆筒部件3的上端齐平；直角梯形肋板的锐角端的锐角大小根据桩体打入海床7的贯入阻力的情况调整，一般来说，锐角越小，越有利于减小贯入阻力，但是锐角太小的话对稳定性有一定影响。角梯形板的锐角端在位于管桩1下端形成锥形部，有利于插入海洋土体内,梯形肋板2增大了桩土接触压强，减小贯入阻力。

在另一实施例中，提供一种含裙边带肋的海上风电机单桩基础的施工方法，包括以下步骤：

在陆地上完成管桩、肋板和圆筒部件的标准、一体化生产，并在陆上安装焊接为一体，形成一体化单桩基础，完成单桩基础预制；

起吊单桩基础，通过抱桩器将上述一体化单桩基础打入海床，将单桩基础的下端部穿入深海区域海床7下方一定深度，单桩基础的肋板2插入到海床7，并使圆筒部件3露于海床7上面，如图7所示，在安装过程需要确保单桩基础的垂直度。

最后，向基础周边抛投防冲刷配重物，施工完毕。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。

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