深水吸力式桶形基礎(chǔ)間歇沉貫設(shè)備以及安裝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及吸力式桶形基礎(chǔ)的安裝設(shè)備與安裝方法，特別涉及深水當(dāng)中吸力式桶形基礎(chǔ)的沉貫設(shè)備以及安裝方法。
【背景技術(shù)】
[0002]二十一世紀(jì)全球油氣資源勘探開發(fā)的重點目標(biāo)在海洋，而未來油氣總儲量的44%將來自海洋的深水區(qū)。南中國海海域油氣儲量豐富，是當(dāng)前我國油氣開發(fā)的重要前沿陣地，也是深海資源開發(fā)的熱點。
[0003]吸力式桶形基礎(chǔ)是一種大型圓柱薄壁鋼制結(jié)構(gòu)，其底端敞開、上端封閉并設(shè)有抽水口，具有定位精確、費用經(jīng)濟、方便施工、可重復(fù)利用等特點，是目前國際上深水系泊工程中應(yīng)用最為廣泛的基礎(chǔ)型式，在砂型土、粘土或分層土海床中均具有良好的適用性。用于深水系泊的吸力式桶形基礎(chǔ)其長大多為5m到30m，長徑比在3到6之間。作為一種新型的海洋工程基礎(chǔ)型式，深海中吸力式桶形基礎(chǔ)在施工技術(shù)方面仍存在許多問題亟待解決，特別是在深水開發(fā)中常面臨更為復(fù)雜的海床地層條件。
[0004]在吸力式桶形基礎(chǔ)安裝時，首先將其豎直放置于海床上，在自重與壓載的作用下沉貫入海床至一定深度，然后封閉排水口，在桶形基礎(chǔ)內(nèi)部形成足夠的密封環(huán)境；通過潛水泵持續(xù)地向外抽水以降低桶形基礎(chǔ)內(nèi)部的壓力，利用壓差產(chǎn)生的下貫力使得吸力式桶形基礎(chǔ)繼續(xù)向下沉貫；隨著持續(xù)不斷的抽水，桶形基礎(chǔ)保持沉貫，直至桶形基礎(chǔ)頂蓋與海床泥面相接觸為止；最后，卸去潛水泵，桶體內(nèi)外壓差逐漸消散，吸力式桶形基礎(chǔ)安裝結(jié)束。
[0005]內(nèi)部吸力的控制和最終貫入深度是目前國際上吸力式桶形基礎(chǔ)安裝技術(shù)研宄的熱點，也是評估吸力式桶形基礎(chǔ)基礎(chǔ)現(xiàn)場安裝質(zhì)量的重要指標(biāo)?！丛斠夾PI RP-2SK,Designand Analysis of Stat1n keeping Systems for Floating Structures，2005>。在吸力式桶形基礎(chǔ)的安裝過程當(dāng)中，桶體貫入海床和內(nèi)部吸力的持續(xù)作用，都將對周圍海床土體造成較大的擾動。研宄發(fā)現(xiàn)，由吸力式桶形基礎(chǔ)桶壁下插所置換土體的50%以上將流入內(nèi)部，甚至有可能全部流入，這將帶來桶形基礎(chǔ)內(nèi)部土體的隆起，即“土塞現(xiàn)象”?！丛斠奀hen W,Zhou H, Randolph M F.Effect of installat1n method on external shaft frict1nof caissons in soft clay [J].Journal of Geotechnical and GeoenvironmentalEngineering, 2009, 135(5): 605-615.和 Andersen K H, Jeanjean P, Luger D, etal.Centrifuge tests on installat1n of suct1n anchors in soft clay [J].0ceanEngineering, 2005, 32(7): 845-863.>
從大量的工程實際經(jīng)驗和研宄結(jié)果來看，當(dāng)持續(xù)施加的內(nèi)部吸力超過最大設(shè)計允許吸力后，很可能導(dǎo)致筒內(nèi)土體破壞或液化失穩(wěn)，過量土塞在短時間內(nèi)快速隆起。由于吸力式桶形基礎(chǔ)安裝的最終貫入深度受到其內(nèi)部土塞高度的直接限制，過高的土塞對于吸力式桶形基礎(chǔ)現(xiàn)場安裝來講是絕對不容許的。然而，隨著吸力式桶形基礎(chǔ)沉貫深度的增加，受到的海床沉貫阻力也逐漸增大，這時需要施加更大的內(nèi)部吸力才能克服沉貫阻力，使得桶形基礎(chǔ)不斷向下沉貫。而較大的內(nèi)部吸力必將帶來內(nèi)部土塞隆起高度增大。由此可見，安裝時的內(nèi)部吸力大小決定了吸力式桶形基礎(chǔ)最終可以貫入海床的深度。
[0006]由以上分析可知，在吸力式桶形基礎(chǔ)的吸力安裝過程中，增大內(nèi)部吸力來克服下貫阻力以完成安裝，與減小吸力以減少內(nèi)部土塞，保證吸力式桶形基礎(chǔ)最終沉貫深度，兩者成為一對矛盾的問題。如何控制安裝時的內(nèi)部負(fù)壓，使其在減小沉貫阻力的同時盡可能少的引起土塞隆起，是關(guān)乎吸力式桶形基礎(chǔ)沉貫安裝的關(guān)鍵技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的技術(shù)問題，提供了一種新的吸力式桶形基礎(chǔ)間歇沉貫設(shè)備。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種新的吸力式桶形基礎(chǔ)間歇沉貫設(shè)備，其特征在于，它包括:
用于連接在吸力式桶形基礎(chǔ)頂蓋的負(fù)壓罐，通過負(fù)壓罐來施加吸力式桶形基礎(chǔ)桶內(nèi)的吸力，從而得以控制吸力的施加方式；所述負(fù)壓罐具有與吸力式桶形基礎(chǔ)之間采用機械連接的部位，以在吸力式桶形基礎(chǔ)安裝完成以后，能拆開連接而回收負(fù)壓罐；
安裝在負(fù)壓罐內(nèi)的潛水泵，包括了配套的供電系統(tǒng)以及連接罐內(nèi)和罐外的管道，可以在海洋環(huán)境下進(jìn)行向外抽水，從而形成負(fù)壓；
負(fù)壓罐內(nèi)的負(fù)壓區(qū)，負(fù)壓區(qū)通過抽水管道和潛水泵連接，負(fù)壓區(qū)與吸力式桶形基礎(chǔ)頂蓋上的抽水口通過連接抽水口管道相連接；負(fù)壓區(qū)內(nèi)設(shè)置有負(fù)壓傳感器，實時監(jiān)測壓力變化情況，并通過數(shù)據(jù)線與主控板連接；
連接抽水口管道上設(shè)置的電動閥門，電動閥門與主控板相連接，使電動閥門接受主控板的控制命令而打開和關(guān)閉管道，從而控制負(fù)壓的施加方式；
設(shè)置于負(fù)壓罐內(nèi)的所述主控板，具有配套的電源，可以控制其它設(shè)備以及實時采集數(shù)據(jù)；所述主控板與海洋工程安裝船之間通過數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令的傳輸；
所述負(fù)壓罐內(nèi)在自重較輕位置布置配重塊，以避免偏心荷載影響吸力式桶形基礎(chǔ)安裝的垂直度；
所述主控板還設(shè)置位置定位儀、傾角儀，定位儀用于確定吸力式桶形基礎(chǔ)所處的位置，傾角儀用于在安裝過程中測量桶形基礎(chǔ)的傾斜度，從而得以調(diào)整施加吸力糾正偏差使桶形基礎(chǔ)豎直下貫。
[0008]進(jìn)一步地，負(fù)壓罐與桶形基礎(chǔ)的直徑一致。
[0009]進(jìn)一步地，所述主控板配備有海洋環(huán)境的聲學(xué)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備或者工業(yè)級WiFi數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，用于與海洋工程安裝船之間的數(shù)據(jù)和命令傳輸。
[0010]本發(fā)明還提出了一種應(yīng)用上述設(shè)備的吸力式桶形基礎(chǔ)海底安裝工法。其技術(shù)方案如下:
在現(xiàn)場施工時，首先在海洋工程安裝船上機械連接負(fù)壓罐以及吸力式桶形基礎(chǔ)，然后吊裝兩者使其平穩(wěn)置于海床上開始安裝；通過負(fù)壓罐內(nèi)的潛水泵向外抽水使負(fù)壓罐負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生負(fù)壓，然后由主控板控制電動閥門打開和閉合，以對吸力式桶形基礎(chǔ)內(nèi)施加一定周期的間歇性吸力；在安裝吸力式桶形基礎(chǔ)的過程中，通過負(fù)壓傳感器、傾角儀傳來的數(shù)據(jù)實時監(jiān)測負(fù)壓罐內(nèi)以及桶形基礎(chǔ)的桶體內(nèi)的負(fù)壓變化以及吸力式桶形基礎(chǔ)的垂直度，并由主控板采集傳輸給海洋工程安裝船，進(jìn)而調(diào)整負(fù)壓到設(shè)計數(shù)值；待吸力式桶形基礎(chǔ)安裝到預(yù)定深度以后，封閉電動閥門，并斷開負(fù)壓罐與桶形基礎(chǔ)的機械連接，回收負(fù)壓罐，從而完成全部安裝工作。
[0011]本發(fā)明提出的吸力式桶形基礎(chǔ)間歇沉貫設(shè)備及工法，主要具有以下優(yōu)點:
本發(fā)明所提供的吸力式桶形基礎(chǔ)負(fù)壓罐，可以作為安裝設(shè)備如潛水泵、傳感器以及電子設(shè)備的載體，克服深水環(huán)境對安裝條件的限制。負(fù)壓罐內(nèi)的設(shè)備允許控制施加的吸力為間歇式，可以在不增加安裝時間的條件下有效減小對海床土體的擾動，抑制吸力式桶形基礎(chǔ)內(nèi)土塞的發(fā)展，從而提高安裝質(zhì)量。
[0012]沉貫設(shè)備配置的測量傳感器允許在安裝過程中實時監(jiān)測安裝進(jìn)度和質(zhì)量，從而控制施加負(fù)壓大小、持續(xù)和間隔時間，改進(jìn)安裝質(zhì)量。
[0013]可以為吸力式桶形基礎(chǔ)的安裝提供水下動力，解決深水環(huán)境對傳統(tǒng)設(shè)備的限制。通過負(fù)壓罐作為設(shè)備的載體，上端通過錨鏈連接至安裝船上，用于下放以及回收，并用于附著電纜，可以給內(nèi)部潛水泵等設(shè)備供電。
[0014]與傳統(tǒng)的吸力式桶形基礎(chǔ)安裝方法相比。本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下技術(shù)效果，
(I)通過增加自重保證初始貫入的效果，提高桶形基礎(chǔ)底部的密封性；(2)減小安裝過程對海床土體的擾動；(3)根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料以及室內(nèi)模型試驗結(jié)果