[0001] 本发明涉及海洋工程结构技术领域，特别是涉及一种半潜式三筒型基础漂浮式风机基础及其施工方法。

[0002] 随着海洋能源战略的推进，开发海上风能是主要的替代方案之一；我国近海风电资源开发利用已趋近饱和，全球80％以上的海上风电位于60以内的近海海域，且面临与近海养殖、渔业捕捞、航线开发等争夺有限资源等问题，发展空间受到挤压；深远海可开发范围更广，风能资源更丰富，风速风频更优质。当前，风机大型化、开发平价化和水深深水化成为了近期海上能源开发的趋势，固定式风机基础成本和设计难度随着水深急剧增加，漂浮式风机优势日益显现。

[0003] 区别于传统能源开发的漂浮式基础的承载模式主要为竖向承载模式，海上风机基础的主要承载模式为水平承载模式，其受力和运动性能必然不同于传统漂浮式基础。漂浮式基础主要形式有立柱式、半潜式、张力腿式、驳船式四种形式，由于结构形式不同，其在工作水深的范围、受力特性及运动性能、施工及运维等方面各不相同。漂浮式风机的基础浮体、系泊系统、施工造价的成本占比总造价的80％以上。半潜式基础安装方便、部署灵活，适用水深范围较广，技术较为成熟，但是需要较大的结构来保持系统稳性，尤其是在极端环境条件下波频运动可能很大。筒型基础以其良好的土质适应性、施工方便性和可回收利用性，成为固定式风机的主力基础形式，此外，传统的刚底平台漂浮受力状态下，是刚性结构作用于水弹簧上，而筒型基础是刚性结构作用于由筒内气垫和筒底水塞构成的串联弹簧上，其在系泊状态下的稳定性优于刚底平台；对于小的长度波长比，气垫内部压力呈分布均匀，能够均匀承担由于环境荷载引起的底部压力变化，能够有效降低系泊荷载。如何在合理承载范围内优化结构形式和施工方法进而降低开发成本是必须要解决的主要问题。

[0039] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

[0040] 本发明的目的是提供一种半潜式三筒型基础漂浮式风机基础及其施工方法，以解决上述现有技术存在的问题，兼具半潜式基础和气浮筒型基础的特点，可在保持良好系泊特性和改善结构系泊运动性能的同时，通过筒型基础和吸力式桩的整体气浮拖航省去驳船租赁的费用，结合筒型基础底部开口特性，采取灵活运用施工窗口期、负压沉贯、服役完毕回收利用等方法，大大降低基础和系泊系统的成本，促使深远海风能资源平价化开发进度。

[0041] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0042] 如图1‑图4所示，本发明提供一种半潜式三筒型基础漂浮式风机基础及其施工方法，半潜式三筒型基础1漂浮式风机基础结构包括三个相同的筒型基础1、三个相同的压载浮箱7、六个相同的吸力桩10、由筒上立柱3、横斜撑杆和中心立柱5组成的过渡段塔架、系泊锚链12及相关附属结构。筒型基础1为顶端封闭、下端开口的开底结构，下边缘连接有垂荡板8，上部连接有筒上立柱3，外侧布置有锚缆约束装置9和吸力桩约束装置13，三个筒型基础1在平面内按照其中心点依次相连围成正三角形进行布置，筒型基础1和筒型基础1之间通过压载浮箱7连接；筒上立柱3和连接构件2、下部撑杆、上部撑杆和中立柱构成过渡段塔架，用于连接上部风机结构和筒型基础1；吸力桩10也是顶端封闭、下端开口的开底结构，上端连接有锚链接收装置11，用于固定系泊锚链12的底端；系泊锚链12为锚链或锚缆，上端连接到锚缆约束装置9，下端连接到锚链接收装置11；吸力桩约束装置13用于拖航运输过程中临时约束吸力桩10。

[0043] 锚缆约束装置9主要用于锚缆张拉和固定；吸力桩约束装置13主要用于吸力桩10在运输过程中和上部结构的良好连接，到达施工场地后解除连接；锚链接收装置11主要用于形成吸力桩10和锚链下部的连接。在现有技术中采用能满足上述锚缆约束装置9、吸力桩约束装置13和锚链接收装置11相应功能的连接结构即可。

[0044] 固定式基础型式已经不适合于风能开发利用的深水化需求，因此，本发明提出了一种张力腿式漂浮式风机基础形式，通过漂浮式结构达到了深远海风能资源开发的目的；现有的漂浮式风机的立柱结构主要是底部封闭的刚底结构，主要是通过充排水来进行压载从而达到吃水调整的目的，本发明提出了一种利用筒型基础1气浮的气液置换原理，通过充排气来进行吃水调整的目的；现有的筒型基础1的运输主要是通过驳船运输或一体化运输装置进行运输的，不适合于风能开发利用的平价化需求，因此，本发明提出了通过绑缚吸力桩10的三筒型基础1漂浮式风机基础结构进行浮运拖航，在满足拖航标准省去大型运输装备的情况下达到平价化开发海上资源的目的。现有的漂浮式风机的主要是系泊系统和刚底结构相互作用，具有较差的系泊稳性和较大的系泊荷载，本发明提出了一种利用筒型基础1气垫‑水塞相互作用和筒内气垫压力均分的方法，达到系泊系统良好稳性和显著降低系泊荷载的目的。

[0045] 具体地，筒型基础1由筒顶盖、筒壁构成，根据受力和压载需要在内部设置有径向肋板、环向肋板、分舱板；筒型基础1顶端设置有进气孔和进气阀，利用进气孔和进气阀通过气液置换实现筒型基础1的充水和排水以及充气和排气；筒型基础1侧壁设置有锚缆约束装置9，利用锚缆约束装置9实现系泊锚缆的约束；筒型基础1侧壁设置有吸力桩约束装置13，利用吸力桩约束装置13约束吸力桩10，实现吸力桩10辅助拖航运输；筒型基础1底部外侧设置有垂荡板8，用以改善结构的运动性能。

[0046] 压载浮箱7由顶板、侧板、底板、肋板和内部分舱板构成。顶板、侧板和底板构成与筒型基础1相连的空腔结构的箱体，压载浮箱7的箱体内部设置有横向肋板和竖向肋板，横向肋板和竖向肋板构成多个压载浮箱7内部的压载舱，压载舱内底部预设有进水孔和进水阀，压载舱内顶部预设有进气孔和进气阀，利用进气孔、进水孔和进气阀、进水阀通过气液置换实现压载浮箱7的充水和排水；压载浮箱7外部根据需要可设置锚缆约束装置9。

[0047] 过渡段塔架由三根相同的筒上立柱3、若干下支撑杆6、上支撑杆4、筒上立柱3连接杆件和中心立柱5构成；三根筒上立柱3底部与三个筒型基础1的顶盖中心并与其进行可靠连接；下支撑杆6一端连接于筒上立柱3，另一端与筒上立柱3连接杆件相连；上支撑杆4一端连接于筒上立柱3，另一端与中心立柱5相连。

[0048] 吸力桩10由桩顶盖、桩壁构成，吸力桩10根据受力和压载需要在内部设置有径向肋板、环向肋板、分舱板；吸力桩10顶端设置有进气孔和进气阀，利用进气孔和进气阀通过气液置换实现吸力桩10的充水和排水以及充气和排气；吸力桩10顶端设置有锚链接收装置11，利用锚链接收装置11实现锚链下部约束。

[0049] 系泊锚链12(材料可选用锚链、钢丝绳、超高分子量聚乙烯纤维、碳纤维；系泊锚缆顶端连接于筒型基础1和压载浮箱7的锚缆约束装置9，底端连接于吸力桩10顶端的锚链接收装置11，通过筒型基础1的充排气和压载浮箱7的充排水完成张紧至设计荷载。

[0050] 一种上述半潜式三筒型基础1漂浮式风机基础结构的施工方法，按照如下步骤进行：

[0051] (1)陆上预制。在船坞内或者陆上预制场加工完成各部件，将筒型基础1、过渡段塔架及压载浮箱7组装成整体，形成三筒型基础1漂浮式风机基础结构；

[0052] (2)气浮拖航。将三筒型基础1漂浮式风机基础结构吊装或船坞注水到海面，将六个吸力桩10固定于筒型基础1的吸力桩约束装置13，调整压载浮箱7合适压载及筒型基础1和吸力桩10至所需要吃水深度，对绑缚吸力桩10的三筒型基础1漂浮式风机基础结构进行浮运拖航；

[0053] (3)负压沉贯及加固。将绑缚吸力桩10的三筒型基础1漂浮式风机基础结构拖航到施工地点后，解开吸力桩约束装置13，依次吊装吸力桩10，打开充气阀，通过自重下沉到一定深度，继续抽取吸力桩10内部海水形成负压环境，吸力桩10下沉至吸力桩10顶盖底部完全接触泥面，继续抽取吸力桩10内部海水，对内部土体进行加固处理至设计承载；

[0054] (4)系泊锚链12张拉。将三筒型基础1漂浮式风机基础结构调整到设计位置，通过压载浮箱7压载和筒型基础1充气放气至指定位置，系泊锚链12依次完成与吸力桩10顶端的锚链接收装置11的约束、筒型基础1或压载浮箱7锚缆约束装置9的约束，通过压载浮箱7充排水和筒型基础1充气放气完成上部结构安装前的系泊锚链12张拉；

[0055] (5)安装上部结构。吊装上部塔筒和风电机组，进行水上安装，完成施工；

[0056] (6)锚链张拉控制。通过压载浮箱7充排水和筒型基础1充气放气完成上部结构安装后的锚链张拉张拉，施工完毕。

[0057] (7)回收利用。注水顶升、充气顶升、辅助拔桩和回收运输四个阶段。吸力桩10服役完毕，通过进气阀注水，促使桩内部土体发生竖向移动，通过缆绳辅助上拔，上升到设计高度后，停止注水并通过进气阀向桩内部泵入高压气体，直至桩发生上升位移，调整缆绳的上拔力使桩匀速提升；继续向桩内部打气直至缆绳上拔力减弱至无，此时桩完全从土体拔出，结构完成回收，通过施工船舶运输至下一个地点。

[0058] 本发明提出了一种半潜式三筒型漂浮式风机基础形式，基于气液置换原理的立柱结构和基于充排水原理的压载浮箱7连接结构相结合的吃水调整方法。本发明中的半潜式三筒型基础1漂浮式风机基础的优点如下：

[0059] (1)适用于海上风电的深水化开发；

[0060] (2)通过气‑液置换和压载水置换的形式灵活调整吃水，降低传统刚底结构压载系统充排水对管路和环境造成的影响；

[0061] (3)省去大型运输装备的调用和等待所需要的时间，灵活运用海上施工窗口期，助力海上风电平价化施工；

[0062] (4)考虑筒型基础1内部气垫‑水塞的耦合作用，显著降低结构的系泊荷载和增强结构的稳定性能，降低系泊系统的费用从而减少海上风电开发的成本。

[0063] (5)服役完毕，吸力桩10的回收利用进一步降低成本，降低对海洋环境的影响，是一种环境友好型基础形式。

[0064] 需要说明的是，上述筒型基础1、吸力桩10、中立柱的尺寸(直径、高度)可以相同，也可以不同，连接构件2的连接方式不限于此种形式，因此，本发明对筒型基础1和吸力桩10的尺寸未作限定。

[0065] 需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

[0066] 本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。