一种利用高频振动装置辅助下沉的吸力桶基础结构及其施工方法
技术领域
本发明涉及海洋工程结构领域，具体涉及一种利用高频振动装置辅助下沉的吸力桶基础结构及施工方法，适用于海上风力发电
技术领域
。背景技术
近年来，海上风电资源的开发从近海走向深远海。为了保障电能有效输送，通常在海上风电场中设置海上电气平台，将风电场所发电能的电压升至110kV或220kV，再通过海底高压电缆送至岸上的变电站。作为海上风电场电能汇集中心，海上大型电气平台是其中输变电的关键设施，同时是整个海上风电场成败的关键。传统海上电气平台支撑结构常采用桩基础和导管架结合方式，但是面临着桩基础施工成本高、施工窗口期短，浅覆盖层海床成桩困难等问题。吸力桶基础和导管架组合结构是海上电气平台新的支撑形式。吸力桶常用作防波堤、码头、人工岛、海上平台等结构基础，它的上顶端封闭，下端开敞，主要特点有：1)吸力桶基础的沉放就位主要是依靠自重和负压实现；2)吸力桶基础依靠浅层土与基础之间相互作用来承载，不同于桩基础主要依赖桩壁、桩端和深层土相互作用；3)吸力桶基础可以减少用钢量，降低成本，而且缩短海上作业时间等。然而，实际工程中吸力桶基础下沉就位，桶土相互作用复杂，造成吸力桶下沉阻力较大，依靠吸力桶基础自重和负压可能无法下沉至指定深度。国内外工程和试验证明，大部分吸力桶基础失败的原因，是在下沉中出现倾斜或沉放深度不够等问题，从而导致其承载力不足。为此，需要提出一种新的吸力桶下沉结构和方法，保证其安装沉放就位满足设计和精度要求。
发明内容
本发明的目的是针对吸力桶基础沉放就位过程中沉放阻力大、水平度无法保证等难题，提出一种利用高频振动装置辅助下沉的吸力桶基础结构和施工方法，将吸力桶基础常规下沉方式和高频振动装置辅助下沉相结合，发挥吸力桶自重结合负压下沉的特点和高频振动减阻的优势，有效降低沉放阻力，提高下沉精度。
本发明利用高频振动装置进行辅助下沉，其原理为以高加速度振动机控制连接杆和质量块，将机械产生的竖直振动传给吸力桶，导致桶周围的土体结构因振动发生弱化，减少桶侧与土体的摩擦阻力，同时抽取桶内水气而产生外部压力，将吸力桶沉入土中指定深度。需要说明的是，高频振动辅助负压下沉过程中，土体对桶型基础阻力减小，随着桶型基础沉贯完成，高频振动将使得桶内土体密实，有助于提升地基承载力。
根据本发明的第一个方面，本发明提供一种利用高频振动装置辅助下沉的吸力桶基础结构。
为此，本发明采用以下技术方案：一种利用高频振动装置辅助下沉的吸力桶基础结构，包括吸力桶基础，其特征在于所述吸力桶基础由钢质桶壁、顶盖组成桶型结构，桶体内部设置分舱板将吸力桶基础分为多个舱室，用于负压沉降与调平；各舱室顶部设置水气阀门，控制负压抽取情况；所述吸力桶基础顶盖上部设置导向柱以及锥型导向结构，所述各舱室顶部设置水气阀门均处在锥型导向结构内侧，所述顶盖在锥型导向结构的外围设置供高频振动装置放置的环形接触支撑顶面。
进一步地，所述高频振动装置的上部设置吊环，所述高频振动装置可吊除地放置在顶盖的环形接触支撑顶面上。
进一步地，所述高频振动装置为环状振动装置，包括环形主体，环形主体的底部能够与顶盖在锥型导向外围的环形接触顶面支撑接触，在环形主体中均匀设置多个高频振动单位。
进一步地，高频振动单位的上部设置振动机，振动质量块处于底部，用于通过环形主体向顶盖传递振动波，振动机中设置电机和由电机驱动的偏心轮，振动质量块连接能够做升降运动的振动连接杆，振动连接杆通过转动连杆与偏心轮连接，而能够在旋转的偏心轮的带动下做高频升降运动，振动连接杆外套设复位弹簧。
进一步地，高频振动单位设置多块振动质量块，振动质量块之间通过质量块连接杆连接。
进一步地，所述导向柱设置在顶盖中心位置，内设置水气管道，所述桶壁和顶盖密封，水气管道上部与安装船上的真空泵相连，通过水气管道抽取吸力桶基础内负压。
进一步地，导管架插尖插入吸力桶基础顶部的所述导向柱，利用倒牛腿进行固定，在两者之间进行水下灌浆处理，增强两者之间的作用强度。
根据本发明的第二个方面，本发明提供一种利用高频振动装置辅助下沉吸力桶基础结构的施工方法。
为此，本发明采用以下技术方案：
一种利用高频振动装置辅助下沉吸力桶基础结构的施工方法，其特征在于包括锥型导向结构的上述吸力桶基础结构和导管架是陆上预制完成；所述施工方法包括以下步骤：
(1)通过定位仪器，精确确定吸力桶基础下沉位置，在吸力桶基础上固定好钢丝绳，利用浮吊将结构吊起并逐步放入水中，直至吸力桶基础落在水下海底泥面处；
(2)在自重作用下，吸力桶基础沉贯进入泥面以下，在吸力桶内部形成密闭空腔，然后将高频振动装置在锥型导向结构的导向下吊放到吸力桶基础顶部的环形接触支撑顶面，之后对吸力桶内部进行抽吸形成负压，吸力桶在负压作用下缓慢压入地基土中，同时调整高频振动装置的振动强度和频率，直至吸力桶基础顶盖达到指定深度；
(3)利用安装船上浮吊将高频振动装置调离安装好的吸力桶基础，重复用于其他吸力桶基础的安装；
(4)按照(2)至(4)的方法安装其余吸力桶基础；
(5)利用浮吊将导管架放置在吸力桶基础顶部导向柱中，在导管架和吸力桶基础之间进行水下灌浆，海上电气平台支撑结构安装结束。
所述吸力桶基础自重下沉后，基础与土体形成密封仓，然后通过真空泵抽取桶内水抽气，在吸力桶基础顶盖上、下表面之间形成压力差；将所述高频振动装置沿顶盖锥型导向放置于吸力桶基础顶盖上方，通过控制高频振动装置振动强度和频率，降低沉贯阻力，减小挤土效应，有效控制吸力桶基础下沉速度和角度，从而将吸力桶基础水平度控制在设计范围，利用导向牛腿和水下灌浆等措施，将吸力桶基础和导管架形成一个整体结构。
所述高频振动装置通过控制质量块、环形主体将振动传递给顶盖，再传递到桶壁和分舱板，达到振动减阻的目的。
进一步地，所述吸力桶基础舱室顶部设置水平仪，对下沉过程实时监控，通过调整桶内不同舱室水气抽取、调整高频振动装置的各个振动单位的振动频率和幅度输出，使吸力桶基础顶部保持水平。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)有效降低吸力桶基础沉贯阻力，并且同样支持全过程实时监测，通过负压和振动辅助控制，提高吸力桶基础沉贯精度；(2)充分利用吸力桶基础自重和负压下沉施工速度快特点，有效提高施工效率，降低施工费用；(3)该基础结构适用于沿海软土、复杂地质条件、复杂海洋条件的海域；(4)高频振动装置可重复使用；(5)该基础结构拆除方便，吸力桶、导管架等可回收，无海洋环境污染危险。因此，本发明结构形式简单，施工操作方便，节省材料和工期，有效降低成本，具有良好的推广应用前景。
附图说明
图1是本发明吸力桶基础实施例的三维视图。
图2是本发明吸力桶基础实施例的俯视图。
图3是本发明吸力桶基础实施例剖面图。
图4是本发明高频振动装置示意图。
图5是本发明应用于海上电气平台的立面示意图。
具体实施方式
为能进一步说面本发明内容、特点及效果，下面结合附图对本发明详细说明如下：
(1)图1至图5所示，本实施案例设置四个吸力桶基础和导管架作为海上电气平台支撑结构，吸力桶直径为10m，高10m，基础桶壁1厚30mm，基础桶顶盖2厚50mm，桶体内部有多个分舱板3，桶体内部还设置加强板或加强肋，防止由于负压而导致的钢板屈曲。分舱板3厚35mm，桶内设置7个舱室用于基础负压调平，每个舱室顶部设置舱室水气阀门8。基础桶顶盖2焊接安装锥型导向6，用于就位环状的高频振动装置，锥型导向6以顶杆顶部的中心导向柱7为安装就位导向，各水气阀门8布置在锥型导向6内侧，所述顶盖在锥型导向结构6的外围设置供高频振动装置放置的环形接触支撑顶面20。
环状振动装置包括环形主体50，环形主体50的底部能够与顶盖2在锥型导向6外围的环形接触支撑顶面支撑接触，在环形主体中均匀设置四组高频振动单位5，高频振动单位5的上部设置振动机14，振动质量块12处于底部，用于通过环形主体50向顶盖2传递振动波，振动机14中设置电机和由电机驱动的偏心轮，振动质量块12与能够做升降运动的振动连接杆16连接，振动连接杆16通过转动连杆与偏心轮连接，而能够在旋转的偏心轮的带动下做高频升降运动，高频振动单位5在上部设置振动连接杆16的升降导向结构，振动连接杆16外套设复位弹簧13，如果设置多块振动质量块12，振动质量块12之间通过质量块连接杆17连接。环状振动装置沿锥型导向6放置到基础顶盖2的环形接触部位20上，与基础顶盖2、基础桶壁1(桶身)同心，高频振动单位5通过振动机14、振动质量块12、连接弹簧13、振动连接杆16和质量块连接杆17协同作用产生高频振动，辅助吸力桶基础沉贯就位。高频振动装置的振动频率由电机的速度、电机传动装置的速比所决定。
(2)图1和图2所示，基础桶壁1、基础顶盖2、基础分舱板3、顶盖锥型导向6、舱室水气阀门8等桶基础结构均可以在陆上预制拼装完成，通过海上安装船将吸力桶基础、环状振动装置和导管架18运输到海上风电场指定位置。
(3)精确定位后，利用浮吊将吸力桶基础吊起，逐步放入水中，直至该吸力桶基础桶壁1和分舱板3插入到海底泥面以下，使得吸力桶基础与泥面形成密闭空间。
(4)利用安装船上浮吊吊起环形振动装置5，沿着顶盖锥型导向6缓缓放下，放置到吸力桶基础顶盖2上部。
(5)然后利用安装船上的真空泵和水气管道11抽取吸力桶基础内部水气，各分舱顶部的水气阀门8的连接管件通过软管连至导向柱7内与通入导向柱7内的水气管道11相连，通过安装船上的设备控制舱室水气阀门8的启闭，控制不同舱室水气抽取量；与此同时，调整安装船上电气设备，控制振动机14中电压和电流，从而控制振动机中偏心轮旋转速度，带动振动连杆16、连接弹簧13和振动质量块12引起竖直振动，振动传递到吸力桶顶盖2、基础桶壁1和基础分舱板3上，从而辅助吸力桶基础下沉。
(6)水平仪4安装在顶盖中心部位，通过水平仪4监测吸力桶基础水平度，并传递到安装船控制室，如果吸力桶基础产生不均匀沉降，通过高频振动装置和负压进行有效调平。不同的高频振动装置可以分别而控制其电压和电流。
(7)吸力桶基础安装到指定深度后，利用安装船上的浮吊，连接振动装置4个吊耳15，吊起环形振动装置50。
(8)依照之前工序，进行其余吸力桶基础安装就位。
(9)将导管架18吊装至安装完成的吸力桶基础顶部，利用顶盖2中心设置的导向柱7、倒牛腿9和插尖10，连接导管架18基础底部和吸力桶基础顶部，通过水下灌浆方法，增强两部分之间的作用强度。
(10)至此，吸力桶基础和导管架为支撑结构安装完成，进行海上电气平台上部组块19安装与电气调试。
本发明突破了传统吸力桶负压沉贯方法，引入了高频振动装置辅助下沉方法，结构安全可靠，施工方法便捷，十分适合作为海上电气平台等海洋工程结构的支撑结构。
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。
