一种用于漂浮式海洋工程结构物群的共享式吸力锚

本发明涉及海洋工程，尤其涉及一种用于漂浮式海洋工程结构物群的共享式吸力锚。

背景技术：

1、能源是人类文明进步的基础和动力。当前世界能源危机和环境污染日益严重，大力发展可再生能源已成为世界各国的共识，其中重要的发展方向之一是海洋能源的开发和利用。近年来由于近海浅水海域已得到较充分开发，且因航运、渔业等用海冲突导致可开发海域急剧收缩，各项海洋能源工程已向离岸60km以上的具有可再生能源产量更高、更持续稳定优势的深远海域进军。相较于浅水海工结构物采取的固定式结构形式，漂浮式结构是离岸深远海域的最优海工结构物形式。

2、吸力锚是一种大直径圆柱薄壳结构的新型海工结构物基础型式，通常认为吸力贯入的安装方法可以缩短安装时间，节省施工成本，其通过锚链与上部海工结构物相连，是一种顶部有盖的钢桶形基础，少量由混凝土做成。长度与直径之比所在的范围一般为4～12，外径为3～7m，壁厚为25～75mm，有时壁厚沿长度方向是变化的。为了增加在安装过程中的整体刚度，有时也在环向和竖向设置加强肋。因此，吸力锚因其深海施工简便、使用安全可靠、适应多种海洋环境、可重复利用等特点，成为用于漂浮式海洋工程结构物群的优良锚基础形式。

3、吸力锚的安装过程包括两个连续阶段：①吸力锚在自重、振动或压力作用下下沉至海底阶段；②采用负压贯入土体阶段。负压贯入阶段是利用水泵将吸力锚内部的水抽出，锚内、外部将形成一定的压力差，进而使锚体向下贯入土体中。当吸力锚筒顶部与海底土层顶部接触时，吸力锚筒内的海水完全被抽出由土体替代，压力平衡，锚筒下沉停止。此时卸去潜水泵，吸力锚安装完成。

4、但实际在第二阶段沉贯过程中，由于锚内外水压差和渗流力较大，吸力锚筒内的土体易发生塑性破坏，常使锚筒内土柱上表面明显高于海床平面(即“土塞效应”)，阻碍吸力锚沉贯至预定服役深度，进而导致其在后期服役阶段承载力不能达到设计要求，大大影响海洋工程结构物的稳定性

5、安全、低成本的锚泊基础设计和建造是漂浮式海洋工程结构物群建设的关键内容之一。传统海上构筑物采用单线系泊方式，即一个锚连接一个构筑物，保证一个构筑物的安全；共享式指的是一个锚上栓接多条锚链，连接多个海上构筑物，保证多个海上构筑物的安全。若整座漂浮式海洋工程结构物群都采用单线系泊方式，则所需吸力锚数量巨大、建造成本高昂，其平准化能源成本(lcoe)将显著高于固定式海工结构物群，因而采用共享式吸力锚基础进行漂浮式海洋工程结构物群基础设置成为工程中降本增效的最优解决途径。据计算，共享锚锚链在平面360°范围内均匀布局可使部分水平荷载抵消，降低的共享锚水平峰值荷载可达67％，共享锚方案可使锚泊系统成本降低38％、漂浮式海洋工程结构物群建设总成本降低16％。

6、然而，共享式吸力锚锚泊基础相比于传统单线吸力锚锚泊基础，其设计难度显著增大，主要体现在如下几个方面：一是上部结构群在风、浪、流等海洋环境荷载作用下，共享式吸力锚基础承受不同方向多个锚链交替传递来的循环荷载作用，对基础本身的承载性能提出了更高的要求；二是多向锚链张拉力和地震联合作用可能造成锚与锚链周边海床液化，导致锚发生沉陷、拔出、侧向倾覆等大位移失效，对基础与其周边土体结构性提出了更高的要求；三是多个浮式平台通过共享锚彼此关联，局部失效导致的荷载重分配可能造成浮式风机群的链式失效，对单一基础的安装精度、服役安全提出了更高的要求。综上，如何针对目前漂浮式海洋工程结构物群对共享式吸力锚基础提出的高承载性能、高抗变形能力、高精度安全指标要求的现状，设计出一种能够安全服役的共享式吸力锚基础，这是目前本技术领域亟待解决的问题。

7、现有技术一：

8、公开号为cn110172998b的中国专利，介绍了一种采用注浆螺旋锚加固的组合式吸力锚，该组合式吸力锚包括重力式吸力锚、l型裙板、螺旋锚。该专利通过将混凝土灌浆至松动海床土体区域，形成混凝土加强区，同时将注浆螺旋锚和裙边锚与重力式吸力锚相组合，提高了吸力锚竖向、水平承载力和抗倾覆承载力，同时提升了吸力锚的安全性能和工程使用性能。

9、现有技术一的缺陷：

10、①该专利结构形式复杂，极大的增加了施工难度，安装效率过低；

11、②该专利不能避免土塞效应的出现，难以保证安装的精度与质量，所以难以保证组合式吸力锚本身承载性能的发挥；

12、现有技术二：

13、公开号为cn103132521b的中国专利，介绍了一种伞式海底吸力锚，该伞式吸力锚包括主筒、筒裙、锚环、锚枝等结构，纵断面整体呈“伞”形。该专利通过添加筒裙、锚枝等结构，提高了吸力锚的下贯和服役阶段的整体稳定性，增加抗拔力和水平承载力，保护锚裙周围土体，增强其抗冲刷性能。

14、现有技术二的缺陷：

15、①该专利虽提高了吸力锚抗拔承载力，但其承载力来源仍为侧筒壁或锚裙侧壁与土体的摩擦阻力，未改变抗拔承载力的来源，面对多向锚链张拉力或地震联合作用等致灾机理仍会发生沉陷、拔出、侧向倾覆等大位移失效破坏，无法满足漂浮式海洋工程结构物群的基础服役要求。

16、②该专利其伞式形态不利于其在连接多条锚链时在漂浮式海洋工程结构物群中的正常服役。

17、现有技术三

18、公开号为cn114604362a的中国专利，介绍了一种横向拓展轮辐式吸力锚，该吸力锚包括内筒、外筒和多个第一辐板、第二辐板，第一辐板绕内筒外侧圆周分布，第二辐板绕内筒内侧圆周分布。该专利通过横向拓展，增加了与地层的有效接触面积，有效提高该吸力锚的承载力和抗拔力；同时缩短了吸力锚的纵向长度，降低了经济成本。

19、现有技术三的缺陷：

20、①该专利其自身横向拓展轮辐式结构形式并不利于其自身的沉贯安装，且难以保证安装过程的精度与质量，无法保证吸力锚本身承载性能的发挥；

21、②该专利不能避免土塞效应的出现，后期服役阶段承载力不能达到设计要求；

22、③该专利虽提高了吸力锚抗拔承载力，但其承载力来源仍为侧筒壁或锚裙侧壁与土体的摩擦阻力，未改变抗拔承载力的来源，面对多向锚链张拉力或地震联合作用等致灾机理仍会发生沉陷、拔出、侧向倾覆等大位移失效破坏，无法满足漂浮式海洋工程结构物群的基础服役要求。

23、现有技术四

24、公开号为cn114162267a的中国专利，介绍了一种吸力式锚固基础，该吸力锚包括筒体、耳板和抗旋板，耳板安装在吸力锚筒体的外壁上，沿着吸力锚筒体的周向分布，抗旋板安装在吸力锚筒体的外壁上，沿着吸力锚筒体的周向分布，相邻的两个耳板之间具有一个抗旋板。该专利可以降低风电场的锚固基础总量，节省设备制造及安装成本，并大大缩减安装作业量和施工时间。

25、现有技术四的缺陷：

26、①该专利只在结构形式上增加了可供锚链连接的耳板，其本身吸力锚的竖向、水平承载力和抗倾覆承载力并未提高；

27、②该专利未解决吸力锚的沉贯特性和土塞问题。

28、综上，这些专利技术难以在实际中满足漂浮式海洋工程结构物群对吸力锚所要求的高承载性能、高抗变形能力、高精度安全指标。

技术实现思路

1、为了克服以上技术问题，本发明目的是提供了一种用于漂浮式海洋工程结构物群的共享式吸力锚。该共享式吸力锚具有快速沉贯、防止土塞特点，保证吸力锚能沉放至预定的设计深度。在安装安成后，通过向上部双裙结构与侧翼板空隙中灌入水泥浆,使得水泥进入周围土体空隙中。当水泥凝固后，可增加周围土体与锚筒接触面的摩擦系数，从而提高吸力锚整体的竖向、水平、抗倾覆承载力和防冲刷性能。同时，侧翼板和双裙结构共同作用改良了共享式锚基础的破坏机理，抵抗共享式吸力锚在漂浮式海洋工程结构物群所受到的多向循环荷载及大变形失效。最后，共享式吸力锚其上可固定多条系泊链，在保证服役安全性的要求下，可以达到降低锚泊系统成本、漂浮式海洋工程结构物群建设总成本的根本目的。

2、本发明提供了如下的技术方案：

3、一种用于漂浮式海洋工程结构物群的共享式吸力锚，其包括吸力锚筒(4)，其特征在于：所述吸力锚筒(4)上端固定连接上裙结构(1)，所述上裙结构(1)下方设有环形的下裙结构(2)，所述下裙结构(2)的内环与吸力锚筒(4)外壁固定连接；所述上裙结构(1)和所述下裙结构(2)均为平板式，且相互平行；若干上翼板(7)连接于所述上裙结构(1)和所述下裙结构(2)之间，与所述上翼板(7)上下对应的下翼板(8)连接于所述下裙结构(2)底面和所述吸力锚筒(4)外壁之间；所述下翼板(8)的翼宽逐渐减小并收拢于所述吸力锚筒(4)的外壁；所述上裙结构(1)、所述下裙结构(2)、所述上翼板(7)、所述下翼板(8)和所述吸力锚筒(4)外壁之间形成多个注浆空腔，所述上裙结构(1)和所述下裙结构(2)上、通向每个所述注浆空腔均至少设有一个用于水泥浆通过的泥浆通孔，所述上裙结构(1)上设有通向所述吸力锚筒(4)内用于吸力下贯时抽注水的水孔(6)。

4、根据一些实施方式，所述吸力锚筒(4)为圆柱形。

5、根据一些实施方式，所述吸力锚筒(4)为上大下小的圆锥台形。

6、根据一些实施方式，所述上翼板(7)和所述下翼板(8)均垂直于所述上裙结构(1)，且所述上翼板(7)和所述下翼板(8)与所述上裙结构(1)的交线，与所述吸力锚筒(4)的横截面的直径重合。

7、根据一些实施方式，所述上裙结构(1)和所述下裙结构(2)为大小相同的圆形，所述上翼板(7)和所述下翼板(8)的边沿均不超出所述上裙结构(1)的边沿。

8、根据一些实施方式，所述吸力锚筒(4)的高度范围7m～11m，直径范围3m～4m。

9、另一方面，本发明还提供了上述用于漂浮式海洋工程结构物群的共享式吸力锚的安装方法，其特征在于：依次包括以下步骤：

10、s1:定位并贯入海床，在海床上将所述共享式吸力锚进行定位，利用所述共享式吸力锚的自身重力竖直贯入海床；

11、s2:抽水进行吸力式下贯，当所述共享式吸力锚在自重作用下不再下贯时，打开抽水泵，所述共享式吸力锚进行吸力式下贯，所述吸力锚筒(4)的筒体上端部与海底面齐平时，关闭抽水泵；

12、s3:注水泥浆，打开注浆泵，将水泥浆通过所述泥浆通孔排入上下裙结构与上下翼板空隙空间并进入土体中；

13、s4:形成轮状水泥裙，待水泥凝固后在上下裙结构与上下翼板空隙中的空间内形成轮状水泥裙，水泥裙通过渗入土体的水泥与周围土体形成一个整体；

14、s5:连接系泊链，待水泥完全凝固稳定后，在所述共享式吸力锚的各个所述下翼板(8)处连接多个系泊链，所述共享式吸力锚安装完毕。

15、相比于现有技术，本发明具备以下有益效果：

16、(1)本发明的上翼板、下翼板的设置使吸力锚在扭转时的破坏方式从锚土的摩阻力作用转变为土土的剪切作用，改良了吸力锚扭转时的破坏机理，有效提高吸力锚的极限承载力；

17、(2)本发明的上裙结构、下裙结构和上翼板的设置扩大了锚筒的侧面积和承台面积,同时也增加了吸力锚的抗弯刚度和剪切刚度,从而减少了较大水平循环荷载和弯矩作用下基础的水平位移和转角响应幅值，有效提高吸力锚的极限承载力和抗拔力；

18、(3)本发明由于吸力锚筒外侧无异常形状，对周围土体的扰动较小，而吸力锚筒内侧上部直径略大于下部直径，在吸力锚贯入海底土体的过程中降低了吸力锚筒4内土体横截面积的上升速率，从而减弱了土塞效应，保持锚筒外侧侧摩阻力的发挥，增强贯入前期的抗拔承载力；

19、(4)本发明的上裙结构、下裙结构分别设置有多个水泥浆通孔，通过向双裙结构与侧翼板空隙中灌入水泥浆,使得水泥进入周围土体空隙中形成轮状水泥裙。当水泥凝固后，一方面可增加周围土体与锚筒接触面的摩擦系数，从而提高吸力锚整体的竖向、水平承载力和抗倾覆承载力，另一方面水泥与周围土体形成一个整体，增加了吸力锚的防冲刷性能；

20、(5)本发明在沉贯过程中，由于下翼板的设置会降低吸力锚所受到的阻力，使其能迅速沉放至预定的设计深度，保证安装的精度；

21、(6)本发明的上裙结构、下裙结构、上翼板、下翼板的设置缩短了吸力锚的横向宽度、纵向长度，使其结构更加简单，降低钢材的用量，节省原材料成本。