具有换气和换水功能的单桩风机基础的设计方法与流程

本发明涉及海洋工程技术领域，特别是涉及一种具有换气和换水功能的单桩风机基础的设计方法。

背景技术：

随着海上风力发电技术的日趋成熟，利用海上风力发电的方式逐渐受到人们的青睐。目前，河北，山东，江苏，浙江，上海，广东，福建等沿海省份都陆续开展海上风电工程。

单桩基础是海上风电工程领域中最广泛采用的一种基础形式，其结构简单，施工快捷，性价比高，一般将长度为4m～8m的钢管桩直接打入海床，海缆从泥面牵引值风机基础外平台上，进入塔筒。目前，在水深25m以内的风场，多以固定式单桩风机基础形式为主。

根据实际项目反馈，由于单桩直径很大，施工完毕后桩体内部会残留一部分水和空气，经过一段时间以后，随着海生物的生长与腐烂，水质变臭，散发出难闻的有毒气体。由于液体和气体都在密闭空间，产生的气体产生负压，会造成内平台密封结构失效，最终导致整个风机塔筒内部都充满难闻气体。该气体一方面对运维人员安全造成很大威胁，另一方面该气体具有腐蚀性，会将风机内部电子元件腐蚀，造成整机故障。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供了一种具有换气和换水功能的单桩风机基础的设计方法，其能解决单桩内部海水变质和臭气排放的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种具有换气和换水功能的单桩风机基础的设计方法，其包括以下步骤：

步骤一，在钢管桩上开设至少一个换气孔和至少一个流水孔，所述换气孔的高度高于极端高水位，所述流水孔的高度低于高潮位，且高于低潮位；

步骤二，将所述钢管桩打入海床中，并对所述钢管桩进行固定。

作为优选方案，所述换气孔和所述流水孔的形状均为椭圆形。

作为优选方案，所述椭圆形的长轴方向为竖直方向。

作为优选方案，所述椭圆形的长轴长度为短轴长度的2倍至4倍。

作为优选方案，所述流水孔的尺寸大于所述换气孔的尺寸。

作为优选方案，所述换气孔和所述流水孔的数量均为两个，各所述换气孔沿所述钢管桩的周向对称分布，各所述流水孔沿所述钢管桩的周向对称分布。

作为优选方案，所述流水孔和所述换气孔在水平方向上的夹角不小于60°。

作为优选方案，所述步骤一还包括，打磨所述流水孔和所述换气孔的边缘。

作为优选方案，所述流水孔的内外壁的打磨倒角为r10～r15，所述换气孔的内外壁的打磨倒角为r10～r15。

本发明实施例一种具有换气和换水功能的单桩风机基础的设计方法与现有技术相比，其有益效果在于：本发明实施例的设计方法简单，在钢管桩的低应力区域内开设至少一个换气孔和至少一个流水孔，利用海水波浪潮差以及空气流动，将桩体内部气体与液体带出，及时与外界的海水和新鲜空气交换，换水和换气效果好，能够实现桩体净化。在不花费额外能源的情况下，保证钢管桩内部清洁，确保人员安全，延长风机电子元件的使用寿命，消除后续运维的隐患。

附图说明

图1是本发明实施例的单桩风机基础的结构示意图；

图2是沿图1中a－a线剖开的剖视图；

图3是沿图1中b－b线剖开的剖视图；

图4是本发明实施例的换气孔的结构示意图；

图5是沿图4中c－c线剖开的剖视图；

图中，1、钢管桩；2、换气孔；3、流水孔；4、内平台；s、原始海床面；l、极端低潮位；m、平均水位；h、极端高潮位。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”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。

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，也可以是电连接；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。

如图1至图5所示，本发明实施例优选实施例的一种具有换气和换水功能的单桩风机基础的设计方法，其包括以下步骤：

步骤一，在钢管桩1上开设至少一个换气孔2和至少一个流水孔3，换气孔2的高度高于极端高水位，流水孔3的高度低于高潮位，且高于低潮位；

步骤二，将钢管桩1打入海床中，并对钢管桩1进行固定。

基于上述技术方案，换气孔2和流水孔3在竖直方向上的开孔位置根据单桩所在位置的海水高度而定。如图1，s线表示原始海床面，钢管桩1的底部位于s线以上，换气孔2、流水孔3和内平台4均位于s线之上。l线表示极端低潮位，换气孔2、流水孔3和内平台4均位于l线之上。m线表示平均水位，流水孔3的高度与m线高度接近。h线表示极端高潮位，流水孔3位于h线之下，换气孔2位于h线之上，内平台4位于换气孔2之上。换气孔2的布置高度要高于极端高水位加上一年一遇波高高度的总高度。换水孔的高度介于高潮位与低潮位之间，靠近平均水位附近，保证低潮位时，换水孔漏出水面，方便后期运维人员清理换水孔。在钢管桩1上设置换气孔2，利用自然风对桩内气体进行交换，在钢管桩1上设计流水孔3，利用海水的潮差和海浪对对桩内液体进行交换，保证单桩内的气体新鲜，液体为新鲜海水，确保运维人员的安全，延长风机内部电子元件的使用寿命，解决了目前海上单桩基础内部密闭空间的臭气与变质海水对运维和风机造成损坏的问题。换气孔2和流水孔3的开设在场内完成，在施工现场只需将开孔后的钢管桩1由打桩锤打入海床进行固定即可。钢管桩1的横截面形状为圆形，钢管桩1用来作为风机的支撑结构。钢管桩1内部安装有内平台4，内平台4与钢管桩1的连接位置做密封处理。在单桩上开设了流水孔3和换气孔2后，可适当降低内平台4的密封等级。开孔后可以保证内平台4两侧气压相等，密封更容易实现。若单桩上没有开设流水孔3和换气孔2，或者只开流水孔3，会导致内平台4下侧气压高于上侧，导致密封失效。

其中，换气孔2和流水孔3的形状均为椭圆形，确保桩主体结构的安全性。若换气孔2和流水孔3的形状为圆形或方形或其他形状，则桩体应力集中，容易令桩体产生疲劳。根据公知常识，椭圆形具有长轴和短轴，椭圆形的长轴方向为竖直方向，即换气孔2和流水孔3的形状均为长轴竖直设置，短轴水平设置的椭圆形，这样单桩上应力大的位置曲率小，应力集中程度低，有利于提高疲劳寿命。椭圆形的长轴长度大约为短轴长度的2倍至4倍。若长轴长度低于短轴长度的2倍，则靠近换气孔2和流水孔3附近的应力集中大，单桩结构不够稳固安全。若长轴长度长于短轴长度的4倍，则换气孔2和流水孔3的开口过大，加工难度较大。在本实施例中，长轴长度为短轴长度的2.5倍。考虑到桩体的结构安全性与气液交换速率问题，流水孔3的尺寸大于换气孔2的尺寸，在本实施例中，流水孔3的尺寸为换气孔2的尺寸的2倍左右。

具体地，换气孔2和流水孔3的数量均为两个，各换气孔2沿钢管桩1的周向对称分布，各流水孔3沿钢管桩1的周向对称分布。两个换气孔2和两个流水孔3均沿钢管桩1的周向分布，两个换气孔2相隔180°布置，两个流水孔3相隔180°布置，保证单桩内的气体和液体能充分与外界的空气和海水交换，使得钢管桩1内部保持清洁，消除后续维护的隐患。

特别地，流水孔3和换气孔2在水平方向上的位置是灵活的，只需满足流水孔3和换气孔2在水平方向上的夹角不小于60°，避免换气孔2位于流水孔3的正上方，使得钢管桩1的应力集中，不满足安全需求。在步骤一中，在钢管桩1上开设换气孔2和流水孔3时，应当注意换气孔2和流水孔3的开口边缘要避开桩体的焊缝热影响区。

本发明实施例优选实施例的一种具有换气和换水功能的单桩风机基础的设计方法的步骤一还包括，打磨流水孔3和换气孔2的边缘，避免后期维修工人对钢管桩1进行维护时，被锋利的边缘刮伤。流水孔3与换气孔2的边缘要打磨光滑，流水孔3的内外壁的打磨倒角为r10～r15，换气孔2的内外壁的打磨倒角为r10～r15。

本发明的工作过程为：首先根据实际打桩位置的极端低潮位l、极端高潮位h和平均水位m，在钢管桩1上开设两个换气孔2和两个流水孔3。开孔需在板幅卷圆拼接后进行。开孔位置应适当，开孔边缘与桩身纵缝、环缝、套笼牛腿边缘、电缆绳耳板之间的距离不小于500mm。两个换气孔2的高度相等，均位于极端高潮位h之上，两个换气孔2在水平方向上以钢管桩1的中心为圆心，相隔180°分布。两个流水孔3的高度相等，与平均水位m高度相近，在极端低潮位l之上，在极端高潮位h之下。两个换气孔2在水平方向上以钢管桩1的中心为圆心，相隔180°分布。换气孔2和流水孔3在水平方向上以钢管桩1的中心为圆心，相隔60°分布，且流水孔3和换气孔2的开口边缘避免桩体的焊缝热影响区。流水孔3的尺寸为换气孔2的2倍左右，且流水孔3和换气孔2的形状均为长轴竖直设置，短轴水平设置的椭圆形。长轴的长度为短轴的2.5倍。流水孔3的长轴长度为500mm，短轴长度为200mm，换气孔2的长轴长度为300mm，短轴长度为120mm。最后，将流水孔3和换气孔2的边缘打磨光滑。开孔孔壁的表面粗糙度不大于防腐前要求的粗糙度。开孔侧壁的防腐操作按钢管桩1外侧防腐体系执行。最后，再利用打桩锤将钢管桩1打入海床中固定。

综上，本发明实施例提供一种具有换气和换水功能的单桩风机基础的设计方法简单，在钢管桩的低应力区域内开设至少一个换气孔和至少一个流水孔，利用海水波浪潮差以及空气流动，将桩体内部气体与液体带出，及时与外界的海水和新鲜空气交换，换水和换气效果好，能够实现桩体净化。在不花费额外能源的情况下，保证钢管桩内部清洁，确保人员安全，延长风机电子元件的使用寿命，消除后续运维的隐患

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。