CN111455959B - 一种用于海上升压站的浅桩式导管架结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于海上升压站的浅桩式导管架结构，包括大放脚导管架、非嵌岩短桩、抗滑箱、压重箱及抗压型灌浆段；在大放脚导管架底部四个角的水平横撑与水平斜撑之间的区域设置抗滑箱，抗滑箱插入海底表层的淤泥内；在抗滑箱的上部设置压重箱；在大放脚导管架底部的外侧，设置4个或更多个非嵌岩短桩，非嵌岩短桩打入至海床下的岩基面，由于岩基面的端承力高，所以短桩的抗压承载力高，但其抗拔承载力较小；大放脚导管架的主导管和桩导管都插入泥面下；非嵌岩短桩与桩导管之间通过抗压型灌浆段连接。本发明解决了传统海上升压站导管架基础存在的桩基抗拉承载力低、水平变形大、施工期导管架抗倾覆和抗滑移能力低、不均匀沉降大、灌浆连接段可靠性差等问题。

Description

一种用于海上升压站的浅桩式导管架结构

技术领域

本发明涉及一种用于海上升压站的浅桩式导管架结构，适用于海上风力发电领域。

背景技术

海上升压站是海上风电场升压、配电和控制中心，海上升压站内一般布置有主变压器、高低压配电柜、GIS、通信继保设备等各种电气设备，海上升压站将所有海上风电机组所发电能汇集后，通过主变压器升压，然后通过高压海缆送到陆上。

海上升压站的基础是将整个海上升压站上部结构固定在海床上的设施，海上升压站的基础除了需要承受上部结构的全部重量外，还需承受风、浪、流等环境荷载的作用。海上升压站基础大多采用导管架基础，有先插桩式导管架、后插桩式导管架和脚靴式导管架等基础型式。

传统的海上升压站导管架基础，无论是先插桩式导管架、后插桩式导管架、还是脚靴式导管架均采用长桩，即通过桩来承载全部的竖向荷载和水平荷载。海上升压站基础承担的竖向荷载主要是自重荷载，水平荷载主要包括波流荷载、风荷载和船舶撞击荷载。传统的海上升压站导管架基础在承受竖向、水平荷载作用时导管架两侧的桩一侧受压、一侧受拉，并且上部结构的水平荷载通过桩柱连接构件全部传至桩顶，最终由桩来承担全部的水平荷载。传统的海上升压站导管架桩基础设计，通常是将桩打入合适的持力层，桩的承载力能完全满足上部结构传递下来的全部压力、拉力和水平力。因此传统海上升压站的桩长一般都较长，以此来保证桩基础具有足够的抗拉承载力。

但在我国东南部近海的某些地区，水深较深，但海底覆盖层较薄，覆盖层以下即为坚硬的岩石，且海底覆盖层的表面往往有较厚的淤泥层，使得海床表面的承载力很低。在这种地质条件下，桩基的抗压承载力一般都很大，但其抗拉承载力和水平承载力往往很低，为使桩基能够承担上部结构传递下来的拉力，往往需要采用嵌岩桩以提高桩基的抗拉承载力，并且采用大直径桩基来满足水平承载力的要求，从而减少水平方向的变形。但嵌岩桩需采用水下钻孔、灌浆等工艺，施工复杂、工期长、费用高。此外，传统的后插桩式和脚靴式导管架基础，在水深较深、波流力较大的海域，当导管架处于沉放至海床表面且未插桩的状态时，若遇到大风大浪的恶劣天气，由于导管架与海床之间没有固定措施，导管架在未插桩前存在倾覆或滑移的风险，另外由于表层土的承载力低，导管架在打桩过程中可能发生较大沉降而造成过大的不均匀沉降。综上，在大水深、浅覆盖层及海床表层厚淤泥的场区，传统的导管架基础型式造价高、工期长、施工风险大、不均匀沉降大。

另外，传统的桩和导管架之间的连接方式为灌浆连接，即在桩与导管之间的间隙中灌注高强混凝土浆料，利用高强混凝土浆料实现桩与导管架的联合受力，从而将导管架上的荷载全部转移到桩上。但是灌浆连接需在水下灌注高强混凝土浆料，混凝土施工质量不容易保证，因此灌浆连接的可靠性差。传统的脚靴式导管架基础为提高灌浆连接的可靠性，也有在桩上增设抗拔锥，但抗拔锥仅在桩基承受拔力时有效，在其承受压力时并不起作用。因上部结构传递至桩基的压力很大，提高灌浆连接段的抗压可靠性也非常重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于海上升压站的浅桩式导管架结构，以针对大水深、浅覆盖层及海床表层厚淤泥的场区，解决传统海上升压站导管架基础存在的桩基抗拉承载力低、水平变形大、施工期导管架抗倾覆和抗滑移能力低、不均匀沉降大、灌浆连接段可靠性差等问题，为此，本发明采用以下技术方案：

一种用于海上升压站的浅桩式导管架结构，其特征在于：该浅桩式导管架结构包括大放脚导管架、非嵌岩短桩、抗滑箱、压重箱及抗压型灌浆段；

在大放脚导管架底部四个角的水平横撑与水平斜撑之间的区域设置抗滑箱，抗滑箱插入海底表层的淤泥内；

在抗滑箱的上部设置压重箱；

在大放脚导管架底部的外侧，设置4个或更多个非嵌岩短桩，非嵌岩短桩打入至海床下的岩基面，由于岩基面的端承力高，所以短桩的抗压承载力高，但其抗拔承载力较小；大放脚导管架的主导管和桩导管都插入泥面下；

非嵌岩短桩与桩导管之间通过抗压型灌浆段连接。

在采用上述基础方案的基础上，本发明还可以分别或组合使用下述的进一步技术方案：

大放脚导管架包括水上部分导管架和水下部分导管架；水下部分导管架的主导管在最低水面以下部分向外倾斜，使得导管架底部根开较大，有利于整体结构的抗倾覆稳定，减小对桩的拔力。

大放脚导管架的主导管上部设置有被封闭的注水口，通过注水口向导管架主导管内注入淡水，并封闭注水口，以增加导管架自重，有利于整体结构的抗倾覆稳定，减小对桩的拔力。

在大放脚导管架底部，水平横撑与水平斜撑之间的区域设置4个抗滑箱，抗滑箱的顶部由型钢和钢板组成，抗滑箱四周由竖向钢板和竖向加劲板组成。

大放脚导管架的主导管和桩导管底面与抗滑箱的底部基本平齐；主导管的底部开口在泥面水平横撑的高度处封闭。

压重箱的四周由竖向钢板和竖向加劲板组成；压重箱的开口向上，压重箱内浇筑混凝土，用以增加导管架自重，有利于整体结构的抗倾覆稳定，减小对桩的拔力。

抗压型灌浆段包括设置在桩外壁的正齿、设置在桩导管内壁的倒齿以及桩和桩导管之间空腔内的混凝土；桩导管上端设置配套的导向锥，桩导管内壁的上部和下部设置导向块，桩导管内壁的底部设置灌浆封隔器；导向锥用于引导桩头的插入，导向块用于引导桩置于导管中心位置、避免碰掉灌浆封隔器，灌浆封隔器用于封闭桩和桩导管之间的空腔底部。

正齿由设置在桩外壁的多圈圆锥形钢板焊接形成，其平面向上；倒齿由设置在桩导管内壁的多圈圆锥形钢板焊接形成，其平面向下。正齿的外径较倒齿的内径略小，打完桩后，由于桩总是偏向桩导管的一侧，靠近桩导管侧的正齿和倒齿会相互锁紧，桩无法再拔出。

本发明的有益效果是：

1、设置大放脚导管架，使导管架底部根开尺寸较大，有利于整体结构的抗倾覆稳定，减小对桩的拔力。另外通过设置压重箱、主导管内注水也增加了导管架的自重，减小了对桩的拔力。采取这些措施后，使上部结构传递给桩的只有压力，没有拔力，解决了浅桩基础抗拔承载力小的问题。

2、在导管架底部设置抗滑箱，并将主导管和桩导管也插入到泥面下，抗滑箱和插入泥面的主导管、桩导管组合起到了强大的抗滑作用，防止导管架整体出现水平滑移，减小水平变形。解决了表层厚淤泥地质时的水平变形和滑移稳定性问题。

3、由于采用了大放脚导管架，加大了导管架底部根开尺寸，且设置了压重箱、在主导管内注水，这些措施保证了导管架整体在施工期的抗倾覆稳定。由于设置了抗滑箱，保证了导管架整体在施工期的抗滑稳定。同时抗滑箱也提高了竖向承载力，减少打桩过程中的不均匀沉降。解决了施工期抗倾、抗滑稳定性和不均匀沉降的问题。

4、非嵌岩短桩与导管架之间通过抗压型灌浆段连接，抗压型灌浆段在桩外壁设置了正齿，在桩导管内壁设置了倒齿，打完桩后，由于桩总是偏向导管的一侧，靠近桩导管侧的正齿和倒齿则会相互锁紧，导管的竖向压力可以通过正、倒齿平面传递给桩，而不必完全依赖中间的高强混凝土。解决了桩和导管之间灌浆连接可靠性的问题。

附图说明

图1是本发明一种用于海上升压站的浅桩式导管架结构实施例的A-A剖面整体立面图。

图2是本发明一种用于海上升压站的浅桩式导管架结构实施例的抗滑箱俯视图。

图3是本发明一种用于海上升压站的浅桩式导管架结构实施例的压重箱俯视图。

图4是本发明一种用于海上升压站的浅桩式导管架结构实施例的抗压型灌浆连接段整体示意图。

图5是本发明一种用于海上升压站的浅桩式导管架结构实施例的抗压型灌浆连接段局部示意图。

具体实施方式

如图1~图5所示，本实施例为一个300MW容量规模的海上升压站，海上升压站所在场区海域水深40m，且海底覆盖层表面有较厚的淤泥层。海上升压站的上部平台1为整体封闭式结构，在陆上完成整体施工建造，然后运至风电场海域现场进行吊装。

如图1~图5所示，本实施例中一种用于海上升压站的浅桩式导管架结构，包括大放脚导管架2、非嵌岩短桩3、抗滑箱4、压重箱5及抗压型灌浆段6。

如图1所示，大放脚导管架2由水上部分导管架7和水下部分导管架8组成。水上部分导管架7的主导管9在最低水面以上部分是竖直的，便于靠船设施的设置。水下部分导管架8的主导管10在最低水面以下部分向外倾斜，使得导管架底部根开较大，有利于整体结构的抗倾覆稳定，减小对桩的拔力。作为一种优选方案，水上部分导管架7的主导管9在最低水面以上部分是竖直的，便于靠船设施的设置。

大放脚导管架2的主导管9上端设置有注水口11，导管架施工结束后，通过注水口11向导管架主导管9内注入淡水，注满后封闭注水口11，以增加导管架自重，有利于整体结构的抗倾覆稳定，减小对桩3的拔力。

在大放脚导管架2底部的外侧，设置4个或更多个非嵌岩短桩3，非嵌岩短桩3打入至海床下的岩基面，以提高短桩的抗压承载力。

如图1~图2所示，在导管架2底部，水平横撑12与水平斜撑13之间的区域，设置四个抗滑箱4，抗滑箱4的顶部由钢板15和起加强作用的型钢14组成，抗滑箱4的四周由竖向钢板16和起加强作用的竖向加劲板17组成。抗滑箱4的下部敞开从而利用竖向钢板16插入海底表层的淤泥内，保证整体抗滑稳定性。抗滑箱4的顶部钢板15表面设置若干出水结构，便于抗滑箱4下沉过程中底部海水的排出。

大放脚导管架2主导管10和桩导管18都插入泥面下，主导管10和桩导管18底面与抗滑箱4的底部平齐。主导管10的底部开口，在泥面水平横撑的高度H处封闭。插入泥面的主导管10和桩导管18，与抗滑箱4起到同样的抗滑作用。

如图1和图3所示，在抗滑箱4的上部，设置压重箱5，压重箱5的做法与抗滑箱4相似，四周由竖向钢板19和竖向加劲板20组成。压重箱5的开口向上，压重箱5内浇筑混凝土，用以增加导管架自重，有利于整体结构的抗倾覆稳定，减小对桩3的拔力。作为一种优选方案，压重箱的重心线最好尽可能地与抗滑箱的中心线重合或靠近。

如图1和图4所示，非嵌岩短桩3与导管架2之间通过抗压型灌浆段6连接。抗压型灌浆段6包括设置在桩3外壁的正齿21、设置在桩导管18内壁的倒齿22、高强混凝土23，桩导管18的顶部设置配套的导向锥24，桩导管18内壁的上部和下部设置导向块25、桩导管18内壁的底部设置灌浆封隔器26。导向锥24用于引导桩头的插入，导向块25用于引导桩3置于桩导管18的中心位置、避免碰掉灌浆封隔器26，灌浆封隔器26用于封闭桩3和桩导管18之间的空腔底部。打完桩后，在桩3和桩导管18间的空腔内灌注高强混凝土23。

如图4~图5所示，抗压型灌浆段6连接的正齿21由设置在桩3外壁的多圈圆锥形钢板焊接形成，其平面27向上；倒齿22由设置在桩导管18内壁的多圈圆锥形钢板焊接形成，其平面28向下。作为优选方案，本实施例中正齿21的外径较倒齿22的内径略小，本实施例中为小20mm，打桩时正齿21和倒齿22之间由圆锥形钢板的斜面29接触，桩3可顺利的向下打入。打完桩后，由于桩3总是偏向导管18的一侧，靠近桩导管18侧的正齿21和倒齿22会相互锁紧，桩3无法再拔出，也即导管架2的竖向压力可以通过正齿21、倒齿22的平面27、28传递给桩3，而不必完全依赖两者之间的高强混凝土23。

以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于海上升压站的浅桩式导管架结构，其特征在于：该浅桩式导管架结构包括大放脚导管架、非嵌岩短桩、抗滑箱、压重箱及抗压型灌浆段；

在大放脚导管架底部四个角的水平横撑与水平斜撑之间的区域设置抗滑箱，抗滑箱插入海底表层的淤泥内；

在抗滑箱的上部设置压重箱；

在大放脚导管架底部的外侧，设置4个或更多个非嵌岩短桩，非嵌岩短桩打入至海床下的岩基面，由于岩基面的端承力高，所以短桩的抗压承载力高，但其抗拔承载力较小；大放脚导管架的主导管和桩导管都插入泥面下；

非嵌岩短桩与桩导管之间通过抗压型灌浆段连接；

大放脚导管架的主导管上部设置有被封闭的注水口，通过注水口向导管架主导管内注入淡水，并封闭注水口，以增加导管架自重，有利于整体结构的抗倾覆稳定，减小对桩的拔力；

在大放脚导管架底部，水平横撑与水平斜撑之间的区域设置4个抗滑箱，抗滑箱的顶部由型钢和钢板组成，抗滑箱四周由竖向钢板和竖向加劲板组成；

大放脚导管架的主导管和桩导管底面与抗滑箱的底部基本平齐；主导管的底部开口在泥面水平横撑的高度处封闭。

2.根据权利要求1所述的一种用于海上升压站的浅桩式导管架结构，其特征在于：大放脚导管架包括水上部分导管架和水下部分导管架；水下部分导管架的主导管在最低水面以下部分向外倾斜，使得导管架底部根开较大，有利于整体结构的抗倾覆稳定，减小对桩的拔力。

3.根据权利要求1所述的一种用于海上升压站的浅桩式导管架结构，其特征在于：压重箱的四周由竖向钢板和竖向加劲板组成；压重箱的开口向上，压重箱内浇筑混凝土，用以增加导管架自重，有利于整体结构的抗倾覆稳定，减小对桩的拔力。

4.根据权利要求1所述的一种用于海上升压站的浅桩式导管架结构，其特征在于：抗压型灌浆段包括设置在桩外壁的正齿、设置在桩导管内壁的倒齿以及桩和桩导管之间空腔内的混凝土；桩导管上端设置配套的导向锥，桩导管内壁的上部和下部设置导向块，桩导管内壁的底部设置灌浆封隔器；导向锥用于引导桩头的插入，导向块用于引导桩置于导管中心位置、避免碰掉灌浆封隔器，灌浆封隔器用于封闭桩和桩导管之间的空腔底部。

5.根据权利要求4所述的一种用于海上升压站的浅桩式导管架结构，其特征在于：正齿由设置在桩外壁的多圈圆锥形钢板焊接形成，其平面向上；倒齿由设置在桩导管内壁的多圈圆锥形钢板焊接形成，其平面向下；正齿的外径较倒齿的内径略小，打完桩后，由于桩总是偏向桩导管的一侧，靠近桩导管侧的正齿和倒齿会相互锁紧，桩无法再拔出。