一种网格化胶结抛石防冲刷结构

1.本发明涉及海洋工程基础结构防冲技术领域，具体涉及一种网格化胶结抛石防冲刷结构。


背景技术：

2.海洋具有丰富的资源，是未来开发的重要领域。海上风电具有清洁高效的优势，是新能源重要组成部分。海上风电的基础结构是开发利用风能资源的重要支撑结构，也是一种极其重要的海上构筑物。海上构筑物的布设会改变海流流场，导致构筑物周边形成局部冲刷坑，进而影响海上构筑物的承载能力，严重危胁上部风机等结构运行的安全性以及整体结构的稳定性。
3.目前，海上风电桩基础、筒形基础等海上构筑物通常采用抛石、砂被、固化土、仿生水草等防护措施，根据我国江苏海域的监测结果，现有防护措施的防冲刷效果均不佳，尤其是采用抛石的防护措施时，该海上构筑物周围的抛石会被水流冲走，在基础周围形成深度可达8m的冲刷坑。
4.因此，迫切需要提出一种防冲刷效果更优异的新型海上构筑物防冲刷结构。


技术实现要素：

5.因此，本发明要解决的技术问题在于，克服现有防护措施的防冲刷效果均不佳的缺陷，从而提供一种在海上构筑物外围形成具有更强防冲刷能力的一种网格化胶结抛石防冲刷结构；该防冲刷结构还能够降低海上构筑物周围的抛石厚度和抛石范围，从而降低抗冲刷防护综合成本。
6.一种网格化胶结抛石防冲刷结构，包括：
7.抛石颗粒，均匀分布在构筑物外围一周；
8.胶凝物，填充在抛石颗粒之间用于将其中部分抛石颗粒由上至下连接成一体构成胶结石笋；
9.所述胶结石笋为若干个，呈网格化分布在构筑物周围，且胶结石笋为上小下大的结构，胶结石笋外围为抛石颗粒。
10.所述胶结石笋为孔隙率由上至下逐渐减小的类圆台形状，或者孔隙率由上至下逐渐减小再增大后减小的类葫芦形状。
11.本发明中的上述孔隙率是指在单位抛石颗粒堆积体内，相应孔隙所占体积占单位抛石颗粒堆积体内总体积的百分比。
12.所述胶结石笋网格化分布的排列方式为：以构筑物为中心呈至少两个环形排布；每个环形上分布若干个胶结石笋。
13.所述网格化分布中环形的数量为2-5个，相邻两个环形排布的胶结石笋之间错位或连续布置。
14.靠近构筑物的环形上胶结石笋之间的距离小于等于远离构筑物的环形上胶结石
笋之间的距离。
15.所述胶结石笋顶部位置处胶凝物的填充率为5％-30％，底部位置处胶凝物的填充率为60％-100％。
16.所述胶结石笋的中间部位的填充率为30％-60％。
17.上述的填充率是指单位抛石颗粒堆积体内，相应胶结物所占体积占单位抛石颗粒堆积体内胶结物填充前孔隙所占总体积的百分比。
18.所述抛石颗粒的粒径为50-500mm。
19.所述胶凝物由水下胶结料在自重作用下沿抛石颗粒之间的间隙流动、附着、凝结后形成。
20.所述水下胶结料为自密实早强混凝土、水下自密实早强砂浆、水下自密实早强净浆，所示水下胶结料的流动性和强度特征为早强缓凝性。
21.本发明技术方案，具有如下优点：
22.1.本发明提供的一种网格化胶结抛石防冲刷结构，由胶结石笋及其周围的抛石颗粒构成，其中胶结石笋作为核心结构，起到刚性骨架支撑作用，有效抵抗波浪水流冲刷，并保证周围抛石颗粒的稳定性；抛石颗粒作为辅助结构，起到柔性肌肉组织作用，能够适应自身结构变形和地基变形；所述胶结石笋允许周围抛石颗粒进行小范围移动，但限制较大范围的移动，保证了网格化胶结抛石防冲刷结构与地基土体的刚度连续性和过渡性，避免两者刚度相差较大导致网格化胶结抛石防冲刷结构对外围地基土体的冲刷，达到提高防冲刷能力的目的。
23.2.本发明提供的防冲刷结构，其可以充分利用抛石技术的简便性、成熟度和现有施工船舶，通过水下胶结料自流可控浇筑工艺，实现网格化胶结抛石的方式，实现在海上构筑物外围形成具有更强防冲刷能力的防护结构，该防护结构能够提高原始抛石堆积体的防冲刷能力，进而降低海上构筑物周围的抛石厚度和抛石范围，减少抛石用量，从而降低抗冲刷防护综合成本；根据发明人已开展的大比尺波浪水槽冲刷试验结果，网格化胶结抛石防冲刷结构相较于传统抛石防护方法，抛石堆积体的厚度和堆积范围分别减小50％以上，冲刷坑深度和范围减少80％-95％。
24.3.本发明通过控制网格化胶结抛石防冲刷结构的内部结构特征，例如：胶结石笋的网格化排布方式、胶凝物的填充率以及胶结石笋的孔隙率等设置，可以有效改变其防冲刷特性，进而提高对不同海域的适用性，扩展适用范围。
25.4、本发明的网格化胶结抛石防冲刷结构，有效突破现有抛石粒径100-350mm和抛石质量的限制，便于就地选择的抛石材料，甚至采用废弃的建筑材料、矿渣和尾矿堆石进行，有效扩展原料来源，并极大地方便施工，减少施工成本。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明中网格化胶结抛石防冲刷结构的俯视图；
28.图2为本发明中胶结石笋的网格化分布结构示意图；
29.图3为本发明中胶结石笋的三维空间排布结构示意图；
30.图4为本发明中不同外轮廓的胶结石笋在竖直方向上的剖面结构示意图；
31.图5为在第一种海上构筑物上设置的网格化胶结抛石防冲刷结构的示意图。
32.图6为在第二种海上构筑物上设置的网格化胶结抛石防冲刷结构的示意图。
33.图7为在第三种海上构筑物上设置的网格化胶结抛石防冲刷结构的示意图。
34.附图标记说明：
35.2-构筑物；
36.11-胶结石笋，12-抛石颗粒，13-胶凝物。
具体实施方式
37.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
41.实施例1
42.一种网格化胶结抛石防冲刷结构，如图1-图3所示，包括：抛石颗粒12，均匀分布在构筑物2外围一周；胶凝物13，填充在抛石颗粒12之间用于将其中部分抛石颗粒12由上至下连接成一体构成胶结石笋11；所述胶结石笋11为若干个，呈网格化分布在构筑物2周围，且胶结石笋11为上小下大的结构，胶结石笋11外围被抛石颗粒12环绕。
43.本发明提供的一种网格化胶结抛石防冲刷结构，由胶结石笋11及其周围的抛石颗粒12构成，其中胶结石笋11作为核心结构，起到刚性骨架支撑作用，有效抵抗波浪水流冲刷，并保证周围抛石颗粒12的稳定性；抛石颗粒12作为辅助结构，起到柔性肌肉组织作用，能够适应自身结构变形和地基变形；所述胶结石笋11允许周围抛石颗粒12进行小范围移动，但限制较大范围的移动，保证了网格化胶结抛石防冲刷结构与地基土体的刚度连续性和过渡性，避免两者刚度相差较大导致网格化胶结抛石防冲刷结构对外围地基土体的冲刷，达到提高防冲刷能力的目的。
44.本发明可以依据胶结石笋11的具体空间结构以及预期的防护效果，将构筑物2外围一周划分为若干网格单元，每个网格单元拥有不同结构的胶结石笋11和分布在胶结石笋
11之间的抛石颗粒12；通过对网格单元进行差异化设置，实现结构精细化设计，提高经济性和效能比。
45.其中，胶结石笋11是采用胶凝物13填充在抛石颗粒12之间将相邻两个抛石颗粒12之间固定形成的一体结构；可以理解的是，胶凝物13是由胶结料凝固后形成。该胶结石笋11的实现方式有多种，其可以利用胶结料与抛石颗粒12按照特定配比混合后形成特定形状并固化后制成；也可以采用水下胶结料进行浇筑的方式，在水下胶结料自身重力作用下，将竖直方向上的若干抛石颗粒12之间的间隙进行填充并固化，最后形成一体的胶结石笋11。
46.本实施例中的胶结石笋11采用水下胶结料进行浇筑的方式形成，具体的，水下胶结料在重力作用下，优先向下流动，其次横向扩散，进而形成孔隙率由上至下逐渐减小的圆台状结构；当水下胶结料分多次浇筑时，前几次的浇筑过程改变了抛石堆积体的原始空隙结构，导致更多的水下胶结料填充于上部空隙并横向扩展，最终形成孔隙率由上至下逐渐减小再增大后减小的葫芦状结构。其中，外轮廓形状为类圆台形状和类葫芦形状的胶结石笋11，其在竖直方向上的截面如图4所示，其中a为类圆台形状的竖直方向截面图，b为类葫芦形状的竖直方向截面图。
47.其中，该胶结石笋11网格化分布的排列方式为：以构筑物2为中心呈至少两个环形排布；每个环形上分布若干个胶结石笋11，如图1和图2所示。所述网格化分布中环形的数量优选为2-5个，更优选为2-3个，例如：所述胶结石笋11根据海上构筑物2的结构特征分为内圈和外圈，或内圈、中圈和外圈。
48.具体到本实施例中，根据空间结构和尺寸，该网格化胶结抛石防冲刷结构中环形的数量设置为三个，由内至外分别为内圈、中圈和外圈，如图1所示。在该排布方式中，相邻两个环形排布的胶结石笋11之间呈错位或连续布置，如图2所示，该图2中a为相邻两个环形排布的胶结石笋11之间连续布置的示意图，b为相邻两个环形排布的胶结石笋11之间错位布置的示意图。
49.通常而言，内圈的胶结石笋11的结构强度需要高于外侧，以及数量也需要多于外侧，这是由于内圈胶结石笋更靠近构筑物2，直接承受构筑物2引起的海流冲刷作用。基于该原因，该本实施例中靠近构筑物2的环形上胶结石笋11之间的距离小于等于远离构筑物2的环形上胶结石笋11之间的距离，如图1所示。
50.同时，本发明还优化了胶结石笋11竖直方向上各部位胶凝物13的填充率；在网格化胶结抛石防冲刷结构中，当胶结石笋11外轮廓呈类圆台状结构时，优选为，所述胶结石笋11顶部位置处胶凝物13的填充率为5％-30％，底部位置处胶凝物13的填充率为60％-100％，中间部位胶凝物13的填充率为30％-60％；所述胶结石笋11外轮廓呈类葫芦状的结构时，所述胶结石笋11的孔隙率由上至下逐渐减小再增大后减小，即，胶结石笋11的中部孔隙率高于上部孔隙率和下部孔隙率，或胶结石笋11的上部和下部的填充率高于中部，如图3和图5-7所示。
51.具体的，本实施例中，该胶结石笋11由水下胶结料在抛石堆积体中流动、附着、凝结后得到。该水下胶结料在重力作用下优先向下流动，其次沿抛石间隙横向扩展，因此当相邻胶结石笋11之间的浇筑点距离较远时，形成的胶结石笋11的中上部并不直接接触，当单点浇筑量足够时，水下胶结料在胶结抛石体与地基交界面会横向扩展，相邻的胶结石笋11下部或底部的间距更小甚至相连。即，本发明中所述胶结石笋11中上部与相邻的胶结石笋
11不直接接触，所述胶结石笋11下部或底部与相邻的胶结石笋11相连接，可以有效保护网格化胶结抛石防冲刷结构下方的地基土体不被冲刷。
52.本发明中的网格化胶结抛石防冲刷结构可以应用在不同的海上构筑上，具体如图5-图7所示。同时，本发明中的所述抛石颗粒12的粒径可以选择为50-500mm，所述水下胶结料可以为购买得到的水下自密实早强混凝土(例如:北京华石纳固科技有限公司早强缓凝型自密实混凝土)、水下自密实早强砂浆(例如:北京华石纳固科技有限公司早强缓凝型自密实砂浆)、水下自密实早强净浆(例如:北京华石纳固科技有限公司早强缓凝型净浆)。同时，该水下胶结料可以为自制，例如上述的自密实早强砂浆，其在制作过程中水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，采用商混站的中砂，石子粒径为5-20mm，外加剂采用北京华石纳固公司生产的水下超早强自护混凝土专用外加剂，水下保护剂采用北京华石纳固公司生产的水下保护剂，其他材料为水和缓凝剂等，采用常规的水泥砂浆的制备工艺直接制备得到。无论采用购买还是自制，只需保证胶结石笋在浇筑完成6h后的强度不低于1mpa即可。为了满足水下胶结料的灌注需求，所述水下自密实早强混凝土扩展度为600-800mm，水下自密实早强砂浆和水下自密实早强净浆扩展度为260-320mm，水下胶结料的保塑时长为30-120min。
53.基于江苏某海上风电场，通过大比例尺波流水槽试验研究了海上的网格化胶结抛石防冲刷结构的防冲刷效果，其中，桩径原型值6.5m，抛石粒径150-350mm，抛石堆积体高度1m，防护半径15m，表层土体为粉砂。
54.在模型试验中，等比例缩小构筑物和周围的抛石粒径，具体的，模型中的桩径0.5m，抛石粒径11.5-23mm，抛石堆积体高度0.04m，防护半径0.75m，表层土体为粉砂，采用水下自密实早强砂浆浇筑形成网格化胶结抛石防冲刷结构，单点浇筑量为5l，其中砂浆扩展度320
±
10mm，保塑时长30分钟，砂浆试样6h陆上强度和水下强度分别为3mpa和1.2mpa，胶结石笋试样6h水下强度为1.8mpa。
55.试验模拟了波高9.01m、周期10.3s、流速1.34m/s的50年一遇极端工况和波高11.44m、周期13.4s、流速1.34m/s的100年一遇极端工况，采用本发明的网格化胶结抛石防冲刷结构防护后，在50年一遇极端工况下最大冲刷深度由4.42m减小至0.72，在100年一遇极端工况下最大冲刷深度由6.5m减小至1.16m。
56.并且，相比抛石堆积体原始尺寸参数，网格化胶结抛石防冲刷结构中的抛石堆积体的厚度和防护半径仅为原始尺寸参数的一半，即抛石用量仅为原始用量的25.6％，极大的节省抛石颗粒原料用量。
57.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。