[实用新型]一种应用于粉土海床中提高吸力式桶形基础安装质量的新型反滤层装置

说明书

技术领域

本实用新型属于海上风机吸力式桶形基础安装工程技术领域，涉及到使用一种新型反滤层装置提高粉土海床上吸力式桶形基础的安装质量。

背景技术

海上风能作为一种安全、清洁、稳定的可再生能源，相比于其他能源的优势已逐渐显露。由于海上特殊而恶劣的环境，如何选择一种安全、有效、经济的基础形式是高效、低成本开发海上风能的关键。吸力式桶形基础是近年来国外发展起来的一种新颖的风机基础形式，该基础结构制造材料一般为钢或混凝土，因其顶端封闭，底部开口，外形像一只倒立的桶而得名。吸力式桶形基础具有安装简便，节约材料、可重复利用，抗倾覆能力强，对水深和海床条件适应性强等诸多优点，是今后风机基础的发展趋势。丹麦曾于2009年在Frederikshaven海域成功安装一只作为风机基础的吸力桶，该基础直径12m，裙高6m。

与其他传统海洋基础相比，吸力式桶形基础的海上安装方式比较特殊，为依靠自重作用贯入海床一定深度范围形成密封环境的压力贯入阶段，然后为通过预留在桶顶部的排水抽气口抽取桶内部的海水以形成持续作用的负压而使其缓慢贯入到指定深度的负压沉贯阶段。目前，国际上就吸力式桶形基础在软黏土或砂土海床中的负压安装技术已开展了大量研究工作，主要集中在现场原位或室内模型试验及数值分析阶段。负压安装过程中内部允许施加负压大小与土塞稳定性历来是两大关注的焦点。实际所施加的负压应介于能使桶体下沉所需的最小需求负压和最大允许负压之间。吸力式基础安装过程中，一般认为由桶壁下插所置换土体的50%以上将流入内部，甚至有可能全部流入。从大量的工程实际经验和研究结果来看，认为当负压超过最大允许负压后，会发生黏土海床上桶内土体的反向承载力破坏或砂土地基的液化失稳，产生过量土塞，严重影响基础的最终安装质量。基础沉贯过程中所受的阻力也是值得关注的一个问题，现在普遍观点都认为：对于渗透性大的砂质海床，内部负压引起桶体周围的渗流，渗流导致桶外壁摩阻力增大，而内壁摩阻力与端阻力均减小，总的影响是沉贯阻力相比于无渗流时要减小。

我国东南沿海地区在离岸10公里范围内是未来风能开发的重点领域，这些海域广泛分布着粉土。相比于黏性土与砂土，粉土是一种特殊类型的土。其渗透性介于砂性土与黏性土之间，粉土的其他物理力学指标与其颗粒组成成分有密切关系。但目前关于吸力式桶形基础在粉土海床中的安装技术研究在国内甚至是国际上都是空白。因此，开展吸力式桶形基础在粉土海床中安装技术研究势在必行。现有的少量研究结果表明：吸力式桶形基础在粉土海床中安装时，在内部持续负压作用下，在桶体周围会形成由外向内的渗流场，内部土体在向上渗流力作用下，一方面土塞密实度会变小，并形成一定的渗流通道，另一方面变松散的土体其颗粒会在渗流水作用下发生侵蚀。在负压沉贯后期，会由于被渗流水搬运到桶内空间土颗粒的不断累积和表层一定深度范围内的土体液化失稳而形成过高的土塞，阻止吸力式桶形基础进一步沉贯到预定深度。详见文献<Tran, M.N., Randolph, M.F., 2007. Installation of suction caissons in sand with silt layers. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 133 (10), 1183-1191.>和文献< Yang, S.L., Grande, L.O., Qi, J.F., et al., 2003. Excessive Soil Plug and Anti-failure Mechanism of Bucket Foundation During Penetration by Suction. In: Proceedings of the 13th International Offshore and Polar Engineering Conference. Hawaii. p. 659-664. >。尽管在吸力桶内部负压作用下，粉土海床桶体周围会形成渗流场，可以减小桶体沉贯阻力。但由沉贯后期内部土体因渗流失稳破坏所造成的过高土塞（在欧洲北海和美国墨西哥湾几个吸力式基础实际安装工程中曾报道过已发现的土塞最高高度可达桶体最终贯入深度的15%之高）对基础最终安装质量的影响已远远超过了渗流减小安装阻力所带来的有利的一面。过高的内部土塞往往使得基础不能沉贯到预定的深度，在风机服役期间会加速基础周围的冲刷，严重影响基础及整个上部结构的安全和稳定性。工程上遇到土塞影响基础继续贯入时，一般要先取出土塞再继续完成沉贯，这将大大增加海上作业时间。然而由于海上特殊的环境，增加海上作业时间是非常不经济的选择。目前工程上还没有非常有效的安装措施，可以有效抑制吸力式基础安装过程中的内部土塞的发展。