海上风电新型基础结构及其施工方法
技术领域
本发明涉及海上风电技术领域，尤其涉及一种海上风电新型基础结构及其施工方法。
背景技术
风电是清洁能源的重要组成部分，海上风电具有风速高、风速稳定、单机容量大等特点。目前，海上风机基础型式包括单桩基础、导管架基础、漂浮式基础等。由于单桩基础具有海床地形适应性强、施工速度快、施工成本低等优点，在全球已建海上风电场基础型式中的占比超过80%。
在海上风电机组运行期间，单桩基础承受风、破浪、海流和海冰等产生的水平荷载，在水平循环荷载的作用下，桩基会产生较大的水平位移和钢管桩变形。根据《海上风力发电场设计标准》（GB/T 51308-2019），单桩基础泥面处累积倾角（侧向位移幅度）不得超过0.25°。工程中，通常采用增大桩径和增加桩身锚固深度的方式，提高单桩基础水平承载力，降低单桩基础水平位移，这种方式意味着单桩制作成本的增加，施工难度的提高。此外，我国部分海上风电场的海床地质条件为浅覆盖层，往往需要进行嵌岩桩施工，进一步增加施工难度，增加海上风电场建设成本。近年来，研究学者提出在桩壁外侧增设桩翼提高单桩基础水平承载力不足（以下简称翼板桩），包括一种海上风电机组单桩基础（CN202265837U）、一种带稳定翼的海上风力发电机单桩基础结构（CN102041813A）、一种T型翼板海上风机钢管桩基础（CN208899515U），在上述专利技术方案中，翼板通过直接焊接或通过连接部件焊接等方式固定于钢管桩外壁，使用时，通过沉桩直接将翼板桩沉入海床泥面以下。然而，由于现有海上风电安装船不具备直接安装上述技术方案中翼板桩的能力，且施工单位没有适合翼板桩的施工工艺，因此，目前国内外海上风电场并没有翼板桩成功应用的工程示范。此外，上述专利技术方案中，翼板桩的翼板尺寸较大（翼板宽度不小于桩径的1/2，不大于桩径；翼板长度不小于桩径，不大于桩径的3倍），尺寸过大的翼板不易运输、同时提高施工难度，以及在土压力作用下翼板易发生扭曲变形。基于此，迫切需要提出一种海上风电新型基础结构及其施工方法，新型基础结构首先能提高足够的水平承载力和减小桩身水平位移，其次可以利用现有施工设备和施工工艺进行安装，最后可以减小翼板尺寸，提高工程可行性和节约成本。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术问题。为此，本发明提出一种海上风电新型基础结构及其施工方法，利用套管和翼板组合而成的支撑结构，提高新型基础结构的水平承载能力，通过设置于套管和钢管桩上的滑动装置连接部件，改进新型基础结构的安装方式，充分利用现有海上风电单桩基础的安装设备进行施工，提高新型基础结构的工程可行性和经济性。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：海上风电新型基础结构，它包括：
钢管桩；
支撑结构，所述支撑结构由管套和翼板构成，所述套管内径大于钢管桩外径；
滑动装置，所述滑动装置的第一连接部件设置于钢管桩外壁，所述滑动装置的第二连接部件设置于套管内壁，所述支撑结构通过滑动装置安装于钢管桩；
其中，所述钢管桩外壁滑动装置第一连接部件与套管内壁滑动装置第二连接部件组成滑动导轨，所述钢管桩与支撑结构的连接方式为滑动连接、固定连接的一种，所述钢管桩与支撑结构滑动连接时，两者之间通过滑动装置传递水平荷载，所述钢管桩与支撑结构的固定连接是通过水下灌浆将钢管桩外壁与支撑结构内壁之间的空腔填充，浆体凝固后形成固定连接。
所述滑动装置是由具有凸体结构特征的第一连接部件与具有凹槽结构特征的第二连接部件组成的滑动导轨；所述滑动装置还可以是由具有凹槽结构特征的第一连接部件与具有凸体结构特征的第二连接部件组成的滑动导轨。所述滑动导轨为支撑结构的安装和翼板布设方向提供定位，同时在支撑结构打入过程中保持支撑结构的稳定。
所述支撑结构中翼板的长度为0.75~1.5倍钢管桩外径，所述支撑结构中翼板宽度为0.25~0.5倍钢管桩外径，所述桩翼尺寸以便于运输和施工，以及在土压力作用下保持结构稳定。
所述支撑结构还可以包括重力压盘，所述重力压盘位于支撑结构上部，所述重力压盘为刚性结构、柔性结构和半刚性结构中的一种，所述刚性结构为混凝土、钢筋混凝土、堆石混凝土，所述柔性结构由堆石、矿渣、废弃建筑块体堆积而成，所述半刚性结构是由水下自密实胶凝材料浇筑堆石、矿渣、废弃建筑块体的堆积体得到的胶结颗粒体。
所述海上风电新型基础结构的施工方法，它包括以下几个步骤：
S1：利用沉桩设备将钢管桩打入海床直至设计深度；
S2：吊起支撑结构，调整位置使支撑结构套管内壁滑动装置第一连接部件与钢管桩外壁滑动装置第二连接部件一一对应，组成滑动导轨，然后缓慢下放支撑结构，支撑结构沿着滑动导轨落于泥水交界面，并在自重作用下伸入海床地基一定深度；
S3：将套管吊放于支撑结构上方，利用沉桩设备通过套管将支撑结构打入设计深度；
S4：将套管重新吊起，放置施工船上。
所述步骤S4后，还可以包括步骤S5：采用水下自护型自密实胶凝材料填充支撑结构套管内壁与钢管桩外壁之间的空腔，胶凝材料固化后，支撑结构与钢管桩形成固定连接。
所述步骤S4后，还可以包括步骤S5：在支撑结构上方的海床持力层上设置重力压盘。
所述步骤S5后，还可以包括步骤S6：在支撑结构上方的海床持力层上设置重力压盘。
本发明具有的优点和有益效果：
1、本发明通过套管和翼板组成的支撑结构提高新型基础结构水平承载力。其中，套管的作用类似于增大海床表层处钢管桩直径，提高基础结构水平承载力，翼板的作用是通过调动海床表层土体抗力，提高基础结构水平承载力，解决了现有海上风电单桩基础水平承载力不足的问题。
2、本发明中，套管和翼板均能有效提高基础结构水平承载力，因此套管的设置有利于减小桩翼尺寸，进而降低翼板的成本、运输和施工难度。
3、本发明中套管可以采用钢筋混凝土管，进一步可以降低支撑结构的成本，提高新型基础结构的经济性。
4、本发明钢管桩和支撑结构在安装前是两个独立的构件，本发明施工方法是先安装钢管桩，后安装支撑结构，有效解决了现有技术方案中翼板桩不便于运输，以及无法采用现有施工设备和施工工艺进行沉桩的问题。
5、本发明中钢管桩和支撑结构具有滑动连接和固定连接两种连接方式，可根据施工情况，灵活选择结构型式。
6、本发明支撑结构还包括重力压盘，重力压盘既可以强化海床表层土体的力学性能，提高基础结构水平承载能力，又可以改善桩翼类似于悬臂结构的受力模式，提高翼板的刚度，降低翼板发生扭曲变形的可能性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明第一个实施例的海上风电新型超大直径单桩基础结构示意图。
图2是本发明第一个实施例的海上风电新型超大直径单桩基础A-A剖面图。
图3是本发明第一个实施例的海上风电新型超大直径单桩基础填充之后的A-A剖面图。
图4是本发明第二个实施例的海上风电新型超大直径单桩基础结构示意图。
图5是本发明第二个实施例的海上风电新型超大直径单桩基础A-A剖面图。
图6是本发明第二个实施例的海上风电新型超大直径单桩基础填充之后的A-A剖面图。
图7是本发明第三个实施例的海上风电新型基础结构示意图
图中：1：钢管桩；2：支撑结构；3：滑动装置；4：水下自护型胶凝材料；21：套管；22：翼板；23：重力压盘；31：第一连接部件；32：第二连接部件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
下面参考附图1-7描述根据本发明实施例的海上风电新型基础结构，包括钢管桩1、支撑结构2、滑动装置3和水下自护型胶凝材料4，所述支撑结构2通过滑动装置3与钢管桩1连接。所述支撑结构2由套管21和翼板22构成，所述翼板22固定于套管21外壁。
所述钢管桩1外壁设有滑动装置3第一连接部件31，所述套管21内壁设有滑动装置3第二连接部件32，所述第一连接部件31和第二连接部件32组成滑动导轨。所述滑动导轨为支撑结构2的安装和翼板22布设方向提供定位，同时保证支撑结构2在打入过程中的稳定性。此外，钢管桩1通过滑动导轨与支撑结构2形成滑动连接。
所述套管21的一部分位于海床泥水交界面下部，另一部分位于泥水交界面上部，海床上部套筒21与钢管桩1之间空腔还可以采用水下自护型胶凝材料4填充，待胶凝材料凝固后，钢管桩1与支撑结构2形成固定连接。
可以理解的是，当钢管桩1和支撑结构2之间为滑动连接时，支撑结构2仅能通过滑动装置3提供水平抗力，提高基础结构水平承载力，减小钢管桩在泥水交界面的变形；当当钢管桩1和支撑结构2之间为固定连接时，支撑结构2不仅可以提供水平抗力，还能分担基础结构上部的竖向荷载。
具体的，滑动装置3是由具有凸体结构特征的第一连接部件31与具有凹槽结构特征的第二连接部件32构成的滑动导轨；滑动装置3还可以是由具有凹槽结构特征的第一连接部件31与具有凸体结构特征的第二连接部件32构成的滑动导轨。
具体的，支撑结构2中翼板22长度为0.75~1.5倍钢管桩外径，所述支撑结构2中翼板22宽度为0.25~0.5倍钢管桩外径。
可以理解的是，支撑结构2在安装前与钢管桩1是独立的结构，因此支撑结构2不仅不会影响钢管桩1的制作、运输和安装过程，充分利用现有单桩基础的产业链、施工设备和施工工艺，而且支撑结构2通过提高基础结构水平承载力降低钢管桩1的桩径和桩长，进而降低其制作、运输和安装难度。
可以理解的是，支撑结构2由套管21和翼板22构成，套管21的外径大于钢管桩1的外径，因此套管的作用类似于通过增大海床表层处钢管桩1的直径，进而提高基础结构水平承载力。由于支撑结构2中套管21对基础结构水平承载力的贡献，因此可以减小翼板22的尺寸，进而降低翼板的成本、运输和施工难度，同时避免翼板在土压力作用下发生扭曲变形。此外，套管21可以采用更加便宜的钢筋混凝土管而非钢管，结合更小尺寸的翼板，降低支撑结构的整体成本，提高新型基础结构的经济性。
具体的，支撑结构2还可以包括重力压盘23，所述重力压盘23位于支撑结构2上部，环绕上部套管21设置，所述重力压盘23为刚性结构、柔性结构和半刚性结构中的一种，所述刚性结构为混凝土、钢筋混凝土、堆石混凝土，所述柔性结构由堆石、矿渣、废弃建筑块体堆积而成，所述半刚性结构是由水下自密实胶凝材料浇筑堆石、矿渣、废弃建筑块体堆积体得到的胶结颗粒体。
可以理解的是，重力压盘23既可以提高海床表层土体的力学性能，提高基础结构自身的水平承载能力，又可以改善翼板22类似于悬臂结构的受力模式，提高翼板22的刚度，降低翼板22发生扭曲变形的可能性。
结合附图5，描述海上风电新型基础结构施工方法，主要包括以下几个步骤：
S1：利用沉桩设备将钢管桩1打入海床直至设计深度；
S2：吊起支撑结构2，调整位置使支撑结构2套管内壁滑动装置3第一连接部件31与钢管桩外壁滑动装置3第二连接部件32一一对应，组成滑动导轨，然后缓慢下放支撑结构2，支撑结构2沿着滑动导轨落于泥水交界面，并在自重作用下进入海床地基一定深度；
S3：将套管5吊放于支撑结构2上方，再次利用沉桩设备通过套管5将支撑结构打入设计深度；
S4：将套管5重新吊起，放置施工船上；
根据本发明的一些实施例，所述步骤S4后，还可以包括步骤S5：在支撑结构2上方的海床持力层上设置重力压盘23。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S4后，还可以包括步骤S5：采用水下自护型自密实胶凝材料4填充支撑结构2套管21内壁与钢管桩1外壁之间的空腔，胶凝材料固化后，支撑结构2与钢管桩1之间形成固定连接。在步骤S5后还可以包括步骤S6：在支撑结构2上方的海床持力层上设置重力压盘23。
