技术领域
[0001] 本
发明属于海洋工程的基础结构技术领域，具体的说，是涉及一种应用于海上
风电和海上测风设施的基础结构及其施工方法，实现整体组装、运输控制、下沉安装、回收的一体化作业。
背景技术
[0002] 海上风
电场的发展逐渐受到越来越广泛的关注和参与，海上风电场的建设需要考虑设备安装的基础结构形式，典型的如海上测风塔和海上
风力发
电机此类重要结构。传统的基础型式有重力式基础，单桩基础，目前大多采用的基础型式有
钢管桩基础(测风塔)、三
脚架基础、
导管架基础以及吸力筒基础(风力发电机)。这些基础型式中，钢管桩、单桩、三脚架、导管架等基础型式的施工工艺复杂，运输安装需要大型机具进行运输、吊装，因而工期长，且施工
费用较高，沉桩
定位及扭
角等难以准确把握，沉桩效率比较低。重力式基础整体依靠结构自重以及其上填料和压载的重量抵抗外荷载，维持结构
稳定性，施工原理简明，填料和压载材料成本低，对
浅基础而言施工成本也较低；但对于基础自重和几何尺寸都很大，基础占据海床的范围比较广，对海床条件也有要求的深
水域而言，施工、运输方式及成本均受到限制，因此重力式基础适用水深范围有限。吸力筒基础承载力强，运输安装简单，回收相对容易，同时吸力筒基础结构形式简单，适用的海床条件广泛，同时筒裙抗滑移稳定性较高，施工安装原理简明。但是具有较大高径比的筒型基础的下沉过程存在下沉不到位以及调平控制困难的问题，同时工作状态下存在裙板等钢结构发生屈曲等问题，同样制约着筒型基础的发展。
发明内容
[0003] 为了综合采用重力式基础成本低、承载力强和吸力筒基础运输方便、适应性广等方面的特点，同时为了避免单一结构型式因基础尺寸过大所造成的施工工艺以及建造成本方面的负担，本发明提供了一种组合式海上六浮筒浮箱基础结构及其施工方法，兼具重力式基础和吸力筒型基础的特点，承载力提高的同时，运输安装方式简便，可回收再利用，施工成本大大降低。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
[0005] 一种组合式海上六浮筒浮箱基础结构，包括六个相同的浮筒、六个相同的浮箱和一个过渡段
塔架；六个所述浮筒在水平面上按照其中心点依次相连围成正六边形进行布置，每相邻两个所述浮筒由一个所述浮箱连接，所述浮箱沿长度方向的中心线穿过其两端所述浮筒的轴线；所述浮筒和所述浮箱上部连接过渡段塔架，所述过渡段塔架用于连接上部风电设备；
[0006] 所述浮筒由浮筒顶盖、筒壁、筒裙、径向肋板、环向肋板、分舱板、浮筒底盖构成；所述浮筒顶盖上部边沿设置所述筒壁、下部边沿设置所述筒裙；所述浮筒顶盖与所述筒壁构成所述浮筒的上部结构，所述浮筒的上部结构内设置所述径向肋板和所述环向肋板；所述浮筒顶盖与所述筒裙构成所述浮筒的下部结构，所述浮筒的下部结构内设置有分舱板，所述分舱板将所述浮筒的下部结构分为四至七个相互密封的分舱；所述浮筒底盖用于在浮运过程中封装于所述浮筒的下部结构底面；
[0007] 所述浮箱由浮箱顶板、浮箱
底板、侧板、上部肋板、阻滑裙板、下部肋板构成，所述浮箱顶板、所述浮箱底板、所述侧板构成长方体空腔结构的
箱体，所述浮箱的箱体内部设置有横向和纵向的多
块上部肋板，多块所述上部肋板将所述浮箱的箱体分成相互连通的区域；所述浮箱顶板两端预设有气孔，所述浮箱底板两端预设有水孔，利用所述气孔和所述水孔通过气液置换实现所述浮箱的箱体内部的充水和排水；所述浮箱底板下部边沿设置所述阻滑裙板，所述浮箱底板与所述阻滑裙板所构成空间内设置有下部肋板；
[0008] 所述过渡段塔架由六根相同的立柱、若干
支撑杆、十二根斜杆构成；六根所述立柱底端分别灌入六个所述浮筒的浮筒顶盖中心并与其
焊接在一起，且均由下至上以相同的角度向基础结构中心倾斜；多根所述支撑杆连接在六根所述立柱之间构成桁架式钢结构；所述斜杆连接在所述立柱与其相邻的所述浮箱之间，所述斜杆下端由所述浮箱顶板中心通入所述浮箱内部，所述斜杆内部设置有延伸至浮箱底板以下的气液管道；每根所述立柱内部分别设置有气液管道、灌浆管道以及液面检测装置，其中气液管道由所述立柱延伸至所述浮筒的浮筒顶盖以下，其中灌浆管道由所述立柱延伸至所述浮筒的上部结构和所述浮箱的箱体内部，其中液面检测装置用于在拖航过程中通过观察所述立柱内部液封后液体的液面高度变化，判断所述立柱底部所对应所述浮筒内的气压状态。
[0009] 优选地，所述浮筒与所述浮箱的总高度一致，所述浮筒的筒壁和筒裙高度一致，所述浮箱的侧板和阻滑裙板高度一致，所述浮筒的筒壁和所述浮箱的侧板高度一致，所述浮筒的筒裙和所述浮箱的阻滑裙板高度一致。
[0010] 优选地，所述浮筒的分舱板将所述浮筒的下部结构分为中间舱室和边舱室，所述中间舱室为圆形或正多边形，所述边舱室的数量为偶数。
[0011] 优选地，所述浮箱的下部肋板为十字形分隔板。
[0012] 优选地，所述斜杆内部设置有灌浆管道。
[0013] 一种上述组合式海上六浮筒浮箱基础结构的施工方法，按照如下步骤进行：
[0014] (1)陆上工厂预制加工好各个部件，并将所述浮筒、所述浮箱、所述过渡段塔架安装成一体的组合式海上六浮筒浮箱基础结构；
[0015] (2)将所述浮筒底部加封浮筒底盖后，组合式海上六浮筒浮箱基础结构吊装到海面，利用基础结构自重沉入并根据拖航需要的
吃水深度进行调节；
[0016] (3)对组合式海上六浮筒浮箱基础结构进行浮运拖航；
[0017] (4)组合式海上六浮筒浮箱基础结构托运至
指定位置后下沉安装，对所述浮筒的下部结构注水直至拆除所述浮筒底盖，然后所述浮箱的箱体内充水使基础结构自重增加，基础结构进一步下沉，直至所述浮筒的筒裙以及所述浮箱的阻滑裙板
接触海床；
[0018] (5)待所述浮筒的筒裙以及所述浮箱的阻滑裙板插入地基后，对所述浮筒的下部结构抽水，使基础结构进一步下沉直至所述浮筒顶盖和所述浮箱底板完全接触泥面，继续对所述浮筒的下部结构持续抽水，以对土体进行
负压加固处理；
[0019] (6)负压加固完成后，利用灌浆管道对浮箱的箱体内部灌浆处理，对浮筒的上部结构进行抛石压载或者灌浆压载；
[0020] (7)灌浆处理完成后，吊装上部风电设备，进行水上安装，施工完成。
[0021] 其中，步骤(2)所述的根据拖航需要的吃水深度进行调节，具体通过调整所述浮箱的箱体内部
压载水量或所述浮筒的下部结构排水量进行。
[0022] 其中，步骤(3)所述的浮运拖航采用单点或两点托航，并且在托航之前对除布置系缆点的所述浮筒以外的另外五个或四个所述浮筒内部进行充水压载，使基础结构具有用于中和埋首现象的后倾角度。
[0023] 其中，步骤(5)所述的负压沉贯过程中，通过在上倾的所述浮筒的下部结构增加抽水速率和/或在下倾的所述浮筒的下部结构充气或充水，进行调平操作。
[0024] 其中，
回收利用时首先拆除吊装上部风电设备，其次通过所述立杆内部的气液管道对所述浮筒的筒裙内部注水或充气增大内部压强，以及通过所述斜杆内部的气液管道对所述浮箱的阻滑裙板内部进行注水或充气增大内部压强，使得所述浮筒的筒裙和所述浮箱的阻滑裙板与地基基础分离，整个基础结构缓慢上浮至海面上后，通过拖船将其拖回陆上。
[0025] 本发明的有益效果是：
[0026] 本发明的组合式海上六浮筒浮箱基础结构，由六个浮筒、六个浮箱以及过渡段塔架组合而成；浮筒上部结构作为压载舱室、下部结构作为吸力筒型基础，兼具重力式结构和吸力筒型基础结构的特点，同时六浮筒组合的形式使得每个浮筒的直径相对于相同规模的筒型基础或者重力式基础的几何形状尺寸大大减小；浮箱作为连接件将六个独立的浮筒组合成一体结构，其上部箱体承重，下部阻滑裙板增加结构抗滑移稳定性，且下沉完成后上部箱体内灌浆成为整体结构的
基座；因此浮箱也兼具重力式结构和吸力裙板结构的特点；浮箱和浮筒组合结构使得浮筒之间的相互作用加强，同时浮箱下部阻滑裙板的支撑作用提高了浮筒筒裙的侧向
刚度，防止下沉过程中筒裙发生屈曲现象；过渡段塔架结构除了作为上部风电设备的连接结构外，其主要功能在于内部设置有管路系统，可以实现运输过程中的检测、调平以及安装完成后的灌浆固结操作。上部风电设备安装完成后，过渡段塔架结构的支撑点作用将上部结构荷载均匀的分散到六个浮筒和六个浮箱上，充分发挥组合式基础结构中各个部件的承载力。
[0027] 本发明的组合式海上六浮筒浮箱基础结构及其施工方法，使得单个浮筒的水线面面积更小，拖航过程容易精确控制调平，同时结合浮箱结构增加了六浮筒之间的协同作用，增大了基础底面与海床的接触面积，端部承载力增大，再者浮箱作为上部过渡段塔架的支撑结构，优化了结构的传力体系，使得基础各部分受力更为均匀。由于浮筒上部和浮箱箱体内部最后需要压载灌浆处理，增加基础结构的自重，提高抗倾覆稳定性，整体承载力性能提升，因此浮筒和浮箱的下裙板高度可以大大降低，节约了材料成本，同时基础下沉深度减小，下沉过程中发生倾斜的概率减小，下沉调平操作大大简化，整体施工措施得到了优化。
附图说明
[0028] 图1是本发明所提供的组合式海上六浮筒浮箱基础结构的立体结构示意图；
[0029] 图2是本发明所提供的组合式海上六浮筒浮箱基础结构的俯视视角示意图；
[0030] 图3是本发明所提供的组合式海上六浮筒浮箱基础结构的仰视视角示意图；
[0031] 图4是本发明所提供的组合式海上六浮筒浮箱基础结构的浮筒结构示意图；
[0032] 图5是本发明所提供的组合式海上六浮筒浮箱基础结构的浮箱结构示意图；
[0033] 图6是本发明所提供的组合式海上六浮筒浮箱基础结构的过渡段塔架结构示意图。
[0034] 图中：1、浮筒，11、浮筒顶盖，12、筒壁，13、筒裙，14、径向肋板，15、环向肋板，16、分舱板，17、浮筒底盖；2、浮箱，21、浮箱顶板，22、浮箱底板，23、侧板，24、上部肋板，25、阻滑裙板，26、下部肋板；3、过渡段塔架，31、立柱，32、支撑杆，33、斜杆。
具体实施方式
[0035] 为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下
实施例，并配合附图详细说明如下：
[0036] 如图1至图3所示，本实施例公开了一种组合式海上六浮筒浮箱基础结构，主要包括六个相同的浮筒1、六个相同的浮箱2、一个过渡段塔架3。
[0037] 六个浮筒1在水平面上按照其中心点依次相连能够围成正六边形进行布置。
[0038] 如图4所示，每个浮筒1由浮筒顶盖11、筒壁12、筒裙13、径向肋板14、环向肋板15、分舱板16、浮筒底盖17构成，其中浮筒底盖17与其他部件不固定连接，仅在运输过程中使用。圆形的浮筒顶盖11上部边沿设置有环形的筒壁12、下部边沿设置有环形的筒裙13，筒壁12和筒裙13高度大致接近，以保证浮筒1上下两部分结构共同、等效地发挥功能。浮筒顶盖
11与筒壁12构成的浮筒1上部结构具有重力筒型基础的特点，可以作为安装完成后的压载区域。浮筒1上部结构内设置有均布的径向肋板14和均布的环向肋板15，主要是为了防止筒壁12在压载后发生
变形。浮筒顶盖11与筒裙13构成的浮筒1下部结构具有宽浅式吸力筒型基础的特点，一方面用于在浮拖过程
中底部加封浮筒底盖17，作为浮筒增加结构
浮力以及实现拖航过程中的控制调平；另一方面在下沉安装过程中将浮筒底盖17抽离以保证其正常下沉，下部筒裙13以及内部分舱板16最终插入地基内部，通过抽负压的方式不仅使基础能够紧密贴合，同时能够加固地基基础，在保证结构具有抗倾覆稳定性的同时，也发挥了水平抗滑移稳定性。浮筒1下部结构内设置有分舱板16，分舱板16将顶盖11与筒裙13所构成空间分四至七个分舱，各分舱之间密封不漏水、不漏气，可以独立的实现拖航和下沉过程中的调平操作；其中间舱室的形状不局限于本实施例图示的圆形，也可设置成正多边形，结构形式比较灵活。
[0039] 六个浮箱2将六个浮筒1相互连接，每相邻两个浮筒1之间连接有一个浮箱2。浮箱2两端焊接在浮筒1上，以使六个浮箱2和六个浮筒1构成一个整体，浮箱2的沿长度方向的中心线穿过其两端浮筒1的轴线。浮筒1与浮箱2的总高度一致，以保证整个基础结构具有齐平的上下轮廓，并且使上部结构荷载能够均匀传递到基础结构的每个浮筒1和浮箱2上。
[0040] 如图5所示，浮箱2由浮箱顶板21、浮箱底板22、侧板23、上部肋板24、阻滑裙板25、下部肋板26构成。浮箱顶板21、浮箱底板22、侧板23构成长方体空腔结构的箱体，箱体的高度(即侧板23高度)与浮筒1上部结构(即筒壁12高度)一致，即浮筒1的上部结构、浮箱1的箱体底面齐平，保证沉贯完成后基础与海床面完全贴合。浮箱2箱体内部设置有横向和纵向的多块上部肋板24，多块上部肋板24将浮箱2内部分成相互连通的多个区域，上部肋板24的作用是加强浮箱2内部刚度，防止在灌浆后钢结构的侧板23发生屈曲变形。浮箱顶板21两端预设有
阀门控制的气孔，用于气水置换时充气或者排气；浮箱底板22两端预设有阀门控制的水孔，用于调节浮箱内充水量。气孔和水孔均可设置多个备用，以防止个别发生堵塞现象。气孔连接有独立的
管道系统，而水孔不设置管道，可通过气液置换实现浮箱2的箱体内部充水、排水。浮箱底板22下部边沿设置有阻滑裙板25，阻滑裙板25与侧板23高度大致接近，以保证浮箱2上下两部分结构共同、等效地发挥功能。浮箱底板22与阻滑裙板25所构成空间内设置有下部肋板26，下部肋板26为十字形分隔板，下部肋板26不宜过多，其作用是增加阻滑裙板25的侧向刚度，同时增加侧摩阻力，提高稳定性。浮箱2的阻滑裙板25与浮筒1的筒裙13以高度一致为佳，便于操作。浮箱2的箱体在拖航过程中可以充水增加自重，并且通过调节不同的吃水深度，达到拖航稳性的要求；在下沉安装时，完全注水，保证下沉速率，基础沉贯完成后，浮箱2的箱体内部通过过渡段塔架3的灌浆管道进行灌浆固结，增加结构自重使其具有重力式基础结构的特点。浮箱2下部周围一圈的阻滑裙板25主要提供抗滑移、抗倾覆承载力，同时浮箱底板22面积较大，可作为主要的基础底座结构。
[0041] 如图6所示，过渡段塔架3由六根相同的立柱31、若干支撑杆32、十二根斜杆33构成。六根立柱31底端分别灌入六个浮筒1的浮筒顶盖11中心并与其焊接在一起，六根立柱31均由下至上以相同的角度向基础结构中心倾斜；六根立柱31之间焊接有多根支撑杆32构成桁架式钢结构。由于过渡段塔架3的立柱31插入到浮筒1内部，因此应该在立柱31插入段范围内部设有十字形加劲肋板防止变形。过渡段塔架3主要是用于连接组合式基础结构和上部风电设备，其塔架高度根据实际的水深进行相应的调整。每根立柱31内部分别设置有气液管道、灌浆管道以及液面检测装置，其中气液管道由立柱31延伸至浮筒1的浮筒顶盖11以下，可以对浮筒1下部结构充水、排水，也可以对浮筒1下部结构充气、排气；其中灌浆管道的
接口可以开设在立柱31
侧壁的一定高度，灌浆管道由立柱31延伸至浮筒1上部结构和浮箱2的箱体内部。每根立柱31与其相邻的浮箱2之间连接有斜杆33，斜杆33下端由浮箱顶板21中心通入浮箱2内部，斜杆33除起到传递上部结构的荷载到浮箱1的作用之外，其内部也设置有气液管道和灌浆管道，其气液管道可紧贴浮箱2内处于中间位置的上部肋板24设置，延伸至浮箱底板22以下，用于对阻滑裙板25内部进行充气；其灌浆管道延伸至浮箱顶板21以下，用于对浮箱1的箱体内部灌浆。
[0042] 在结构安装完成后，对浮筒1上部结构抛石压载或者通过灌浆管道进行灌浆，同时对浮箱2的箱体内部通过灌浆管道将灌入
砂浆，立柱31内部不进行灌浆，各管道系统保持通畅。浮箱2的箱体内部各区域是连通的因此可以保证砂浆充满整个浮箱2的箱体，一般每根立柱31的灌浆管道设有两个出口，分别对连接在同一浮筒1上的两个浮箱2同时灌浆，从而保证同一浮箱2实现由两端向中间的灌浆速度，提高施工速度与灌浆均匀程度。每根立柱31与其相邻的浮箱2之间连接有斜杆33也可以实现由浮箱2的箱体中部向两端的延伸灌浆，这种灌浆方式可以与通过浮筒1的灌浆同时进行也可以分别进行。
[0043] 过渡段塔架3的六根立柱31还可以作为调平观测系统，主要原理是在立柱31内部充入液体液封气体，一方面保证了浮筒1底部充气不泄露，其次在拖航过程中通过观察立柱31内部液封后液体的液面高度变化情况，可以判断立柱31底部所对应浮筒1内的气压大小以及是否漏气，从而控制六个浮筒1内部的气压平衡，保证整个基础结构处于直立状态。
[0044] 在结构整体进行回收时，立杆1内部的气液管道对浮筒1的筒裙13内部进行注水或充气，斜杆33内部的气液管道对浮箱2的阻滑裙板25内部进行注水或充气，这样使浮筒1的筒裙13以及浮箱2的阻滑裙板25内部气压增强，总压差减小逐渐将基础结构顶起，待筒裙13和阻滑裙板25脱离海床后基础将缓慢上浮，最后拖运至岸边即可。
[0045] 六个浮筒1和六个浮箱2依次焊接在一起，彼此之间独立，各部分之间的充气、排水、灌浆等措施均可以独立同时进行，互不干扰，缩短了施工周期。
[0046] 上述组合式海上六浮筒浮箱基础结构的施工方法，按照如下步骤进行：
[0047] (1)预制结构：陆上工厂预制加工好各个部件，并将浮筒1、浮箱2、过渡段塔架3安装成一体的组合式海上六浮筒浮箱基础结构。
[0048] (2)初调准备：每个浮筒1底部加封浮筒底盖17后，组合式海上六浮筒浮箱基础结构吊装到海面，利用基础结构自重沉入一定深度，根据拖航需要的吃水深度进行调节，吃水不够时将浮箱2内部充水压载，吃水过大时对浮筒1下部结构充气增大排水量或者浮箱2内充气排出一定量的压载水，减小自重。
[0049] (3)水上托运：利用拖船设备通过拖缆绳对组合式海上六浮筒浮箱基础结构进行单点拖航，系缆点布置在其中一个或两个浮筒1上，一般与水面齐平，拖航速度不宜过快。
[0050] 在拖航之前，需要对另外五个或四个浮筒1内部进行充水压载，使结构具有一定的后倾角度，在整体拖航过程中系缆点的浮筒1会产生比较明显的埋首现象，因此初始的后倾角可以中和埋首形成的前倾现象，从而保证拖运过程中的稳性要求，减小动力响应。
[0051] (4)基础入水：托运至指定位置后下沉安装，对浮筒1下部结构注水，直至浮筒底盖17能够拆除，然后浮箱2的箱体内充水，基础结构自重增加，使基础结构进一步下沉，直至浮筒1的筒裙13以及浮箱2的阻滑裙板25接触海床。
[0052] (5)负压沉贯：待浮筒1的筒裙13以及浮箱2的阻滑裙板25插入地基一定深度后，对浮筒1的下部结构抽水，基础结构进一步下沉直至浮筒顶盖11和浮箱底板22完全接触泥面，继续对浮筒1的下部结构抽水持续一段时间，对土体进行负压加固处理。
[0053] 负压沉贯过程中，当土质不均匀时或浮筒1下部结构的抽水速率不一致，导致各浮筒1下沉深度发生差异，从而使基础结构发生倾斜，因此需要进行调平操作，通过在上倾的浮筒1下部结构增加抽水速率和/或在下倾的浮筒1下部结构充气或充水，进行调平操作。
[0054] (6)灌浆压载：负压加固完成后，通过立杆31和斜杆33的灌浆管道对浮箱2的箱体内部进行灌浆处理，而浮筒1的上部结构可以抛石压载或者灌浆压载。
[0055] (7)安装上部结构：灌浆处理完成后，吊装上部风电设备，进行水上安装。
[0056] (8)回收利用：首先拆除吊装上部风电设备，其次通过立杆31内部的气液管道对浮筒1的筒裙13内部注水或充气增大内部压强，以及通过斜杆33内部的气液管道对浮箱2的阻滑裙板25内部进行注水或充气增大内部压强，使得浮筒1的筒裙13以及浮箱2的阻滑裙板25与地基基础分离，浮力进一步增加，整个基础结构缓慢上浮，浮至海面上后可通过拖船将其拖回陆上。
[0057] 尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和
权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
