1.本发明涉及海洋工程的桩基技术领域，具体涉及一种用于海上桩基基础的防冲刷装置及其施工方法。
背景技术：
2.海上风电装机容量连年攀升，尤其是沿海省份，由于建设条件较好，海上风电开发建设迅速。复杂动力海洋环境下，海上风电机组的桩基基础周围将产生冲刷。冲刷对基础结构受力和整机的频率不利，增加了海上风电机组运行风险，严重时甚至引发结构倒塌。物理和数值研究表明，基础附近的海流流场变化剧烈，水流剪切作用强，容易产生泥沙侵蚀。常见的抛石、混凝土联锁排、砂被等防护措施不仅由于施工条件限制，使得桩基础与海底交界处的海床难以形成有效防护，也需要使用专用机具及船舶，对确保施工质量和降低成本方面形成了较大挑战。
技术实现要素：
3.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种用于海上桩基基础的防冲刷装置及其施工方法，施工方便，能够对于桩身周边的海床形成有效的防冲刷保护。
4.为实现上述目的，本发明提供一种海上桩基基础的防冲刷装置，用于设置在桩身周边的海床面上，包括网格结构肋仓、滤布、灌料组件、配重组件和压重料，所述网格结构肋仓铺设在海床面上，所述网格结构肋仓包括桩侧肋仓圈、外围肋仓圈和中间肋仓部，所述桩侧肋仓圈套装在桩身上，所述外围肋仓圈位于桩侧肋仓圈外侧，所述中间肋仓部连接桩侧肋仓圈和外围肋仓圈，所述桩侧肋仓圈和外围肋仓圈之间除中间肋仓部之外的空间构成透水空间，所述网格结构肋仓在桩侧肋仓圈、外围肋仓圈和中间肋仓部中都设有用于容纳压重料的填料空腔，且中间肋仓部的填料空腔分别与桩侧肋仓圈和外围肋仓圈的填料空腔都保持相连通，所述中间肋仓部包括多条沿桩身径向延伸的径向肋仓部、以及多条半径不同的环形肋仓部，所述径向肋仓部两端分别与桩侧肋仓圈和外围肋仓圈相连接，所述环形肋仓部与桩身同轴，所述环形肋仓部与所有径向肋仓部都相连接，所述网格结构肋仓在填料空腔为空的时能够卷叠起来，所述压重料填充在网格结构肋仓的填料空腔中，所述压重料能够流动或者由能够流体的材料凝固得到，且压重料的密度大于所处海水的密度；所述滤布与网格结构肋仓相连接并盖住透水空间，所述滤布中具有用于透水且阻止泥沙通过的过滤孔；所述灌料组件包括与桩侧肋仓圈相连的灌料管，所述配重组件包括连接在网格结构肋仓上的配重块。
5.进一步地，所述网格结构肋仓由特种合成橡胶或特种聚合物薄膜材料制作。
6.进一步地，所述网格结构肋仓的桩侧肋仓圈和外围肋仓圈都为圆环形状，且两者同心。
7.进一步地，所述网格结构肋仓中的多条径向肋仓部沿着桩身周向均匀布置。
8.进一步地，所述滤布为一整块布，所述滤布的外侧边缘和内侧边缘分别连接在外围肋仓圈和桩侧肋仓圈上，并覆盖住外围肋仓圈和桩侧肋仓圈之间的空间，所述中间肋仓部与滤布连接。
9.进一步地，所述压重料为混凝土材料。
10.进一步地，所述配重组件的配重块为多个，且间隔地设置在网格结构肋仓的外围肋仓圈外侧，所述配重块与外围肋仓圈相连接。
11.本发明还提供一种上述的防冲刷装置的施工方法，包括以下步骤：
12.s1、在水上将防冲刷装置的网格结构肋仓、滤布、灌料组件和配重组件组装好，此时网格结构肋仓中的填料空腔不填装压重料；将网格结构肋仓从外围向中间卷叠好，并保持卷叠状态。
13.s2、将卷叠状态的网格结构肋仓通过桩侧肋仓圈套装在桩身上，并将网格结构肋仓连接在桩身上，然后进行沉桩施工；或者，在桩身沉桩施工完成后，将卷叠状态的网格结构肋仓通过桩侧肋仓圈套装在桩身上。
14.s3、将灌料泵组与灌料管的管口连接，通过重力将网格结构肋仓沿着桩身下沉到海床面上。
15.s4、灌料泵组将能够流动的压重料通过灌料管灌入网格结构肋仓的填料空腔中；在压重料灌注网格结构肋仓过程中，压重料从内侧向外侧填充，将卷叠状态的网格结构肋仓从内向外展开，直到网格结构肋仓处于展平状态，网格结构肋仓在压重料作用下与海床面贴合。
16.s5、将网格结构肋仓的填料空腔灌料至满足要求时，停止灌料。
17.如上所述，本发明涉及的防冲刷装置及其施工方法，具有以下有益效果：
18.1、防冲刷装置能够很好地与桩身周边海床面贴合，可用于地形复杂的海床面，能够对桩身周边水流剪切应力较大的海床形成有效的防冲刷保护，防冲刷装置结构稳定，不易因水流冲刷而在海床面上移动。利用施工期压重料的自流性，使得防冲刷结构贴合桩身周边海床的地形，避免防冲刷结构局部悬空可能产生的二次冲刷现象。
19.2、防冲刷装置的施工方便，施工仅需要调用小型的船舶，只需要能够在船舶中设有灌料泵组，且船舶具备一定灌料存储空间，相对于现有常规防冲刷结构施工，本发明能够大大减少对于大型船机和专用吊具的依赖，有效地降低施工成本。
附图说明
20.图1为本发明的防冲刷装置的结构示意图。
21.图2为图1的a-a向剖视图。
22.图3为本发明中防冲刷装置施工时卷叠状态网格结构肋仓在桩身上的安装示意图。
23.图4为本发明中防冲刷装置施工时灌注压重料的工作示意图。
具体实施方式
24.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
25.须知，本说明书附图所绘的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
26.参见图1至图4，本发明提供了一种海上桩基基础的防冲刷装置，用于设置在桩身7周边的海床面上，包括网格结构肋仓2、滤布3、灌料组件4、配重组件6和压重料1，网格结构肋仓2铺设在海床面上，网格结构肋仓2包括桩侧肋仓圈21、外围肋仓圈23和中间肋仓部22，桩侧肋仓圈21套装在桩身7上，外围肋仓圈23位于桩侧肋仓圈21外侧，中间肋仓部22连接桩侧肋仓圈21和外围肋仓圈23，桩侧肋仓圈21和外围肋仓圈23之间除中间肋仓部22之外的空间构成透水空间，也即桩侧肋仓圈21与中间肋仓部22之间、外围肋仓圈23与中间肋仓部22之间、以及中间肋仓部22的各个部分之间都可以形成透水空间，具体由间肋仓部22的形状结构决定，使得整个网格结构肋仓2为一个网格状结构。网格结构肋仓2在桩侧肋仓圈21、外围肋仓圈23和中间肋仓部22中都设有用于容纳压重料1的填料空腔，且中间肋仓部22的填料空腔分别与桩侧肋仓圈21和外围肋仓圈23的填料空腔都保持相连通，中间肋仓部22包括多条沿桩身7径向延伸的径向肋仓部221、以及多条半径不同的环形肋仓部222，径向肋仓部221两端分别与桩侧肋仓圈21和外围肋仓圈23相连接，所述环形肋仓部222与桩身7同轴，环形肋仓部222与所有径向肋仓部221都相连接，网格结构肋仓2由柔性的材料制作，能够延展变形，在填料空腔为空的时网格结构肋仓2能够卷叠起来。压重料1填充在网格结构肋仓2的填料空腔中，压重料1能够流动或者由能够流体的材料凝固得到，且压重料1的密度大于所处海水的密度；滤布3与网格结构肋仓2相连接并盖住透水空间，滤布3中具有用于透水且阻止泥沙通过的过滤孔；灌料组件4包括与桩侧肋仓圈21相连的灌料管41，配重组件6包括连接在网格结构肋仓2上的配重块61。
27.本发明涉及的防冲刷装置，参见图1，网格结构肋仓2起到支撑滤布3展开的作用，网格结构肋仓2通过桩侧肋仓圈21套装在桩身7上，位置稳定可靠，不会随水流而位置偏离。网格结构肋仓2通过其中的压重料1能够压紧在海床面上，并且由于压重料1能够流动或者由能够流体的材料凝固而来，能够在施工时确保网格结构肋仓2能够与地形变化的海床面保持很好的贴合，更好地满足复杂地形场合的使用需要。网格结构肋仓2的面积尺寸，也即外围肋仓圈23到达桩身7的距离，根据实际需要确定。网格结构肋仓2的各个透水空间中都安装有滤布3，滤布3保持展开，覆盖在海床面上，滤布3中的过滤孔尺寸根据需要设计，能够让水透过并阻止泥沙通过，通过反滤作用阻止桩身7附近海床泥沙冲刷。配重组件6用于防冲刷装置施工时确保网格结构肋仓2能够沉入到海水中。灌料组件4用于向网格结构肋仓2中灌入压重料1。
28.参见图1和图2，径向肋仓部221的数量可根据需要设置，优选为6条，并且沿着桩身7周向均匀布置。环形肋仓部222与桩侧肋仓圈21同心，在安装好后会与桩身7保持同轴，环形肋仓部222与所有径向肋仓部221都连接，内部的填料空腔保持连通，环形肋仓部222的数量也根据实际情况确定，优选不少于两条，相邻环形肋仓部222之间具有适当距离。相邻两
个环形肋仓部222和相邻两个径向肋仓部221之间都形成一个透水空间，外围肋仓圈23、最外的环形肋仓部222和相邻两个径向肋仓部221之间都形成一个透水空间，桩侧肋仓圈21、最内的环形肋仓部222和相邻两个径向肋仓部221之间都形成一个透水空间。整个网格结构肋仓2为圆环形的网格结构，环形肋仓部222、径向肋仓部221、外围肋仓圈23和桩侧肋仓圈21构成网格线，其中的透水空间构成网格孔，网格结构肋仓2结构和重量分布均匀。通过灌料管41向桩侧肋仓圈21中灌入流体状态的压重料1时，压重料1能够顺利从桩侧肋仓圈21进入到径向肋仓部221内，然后顺利地沿着径向肋仓部221流动，并进入到环形肋仓部222和外围肋仓圈23中。
29.在本实施例中，参见图1，作为优选设计，网格结构肋仓2的桩侧肋仓圈21和外围肋仓圈23都为圆环形状，且两者同心，网格结构肋仓2整体呈圆形。桩侧肋仓圈21的内径根据桩身7确定，与桩身7的间隙小，能够更好保持网格结构肋仓2的稳定。当然，桩侧肋仓圈21和外围肋仓圈23也可以为方形或者其他形状。
30.在本发明中，网格结构肋仓2为柔性的中空结构，能够弯曲变形，具备一定抗拉强度，能承受一定内部压力的而不出现破损，不透水。网格结构肋仓2可以采用柔性的满足设计要求的橡胶材料，优选可采用特种合成橡胶和金属薄膜复合材料等材料制作。其中，特种合成橡胶是聚乙烯溶于四氯化碳或氯苯中并经氯化和氯磺酰化反应生成的特种合成橡胶；特种聚合物薄膜材料是一类特定的聚合物材料，包括聚苯乙烯薄膜和聚氨酯薄膜等。径向肋仓部221与外围肋仓圈23之间、径向肋仓部221与桩侧肋仓圈21之间、以及径向肋仓部221与环形肋仓部222都采用适当的方式稳定连接好，使得其中的填料空腔保持连通，且连接处保持密封，确保填料空腔为密封的空腔。网格结构肋仓2中的各种肋仓部分的宽度、厚度和截面形状，都根据单位宽度的压载稳定性验算结果确定，或通过物理模型试验结果确定，以确保在海底填满压重料1后能够保持结构稳定，并且在填料空腔为空时网格结构肋仓2能够顺利卷叠起来。
31.在本实施例中，作为优选设计，参见图1，滤布3采用具有一定孔径的土工布，其孔径能满足透水但不允许附近海床泥沙通过，滤布3为一整块布，展开后为一个圆环形，其平面范围与网格结构肋仓2展开后的平面范围一致，将所有的透水空间都覆盖住，滤布3可以采用缝接方式连接在网格结构肋仓2的下方，滤布3直接压在海床面上，滤布3的外侧边缘和内侧边缘分别连接在外围肋仓圈23和桩侧肋仓圈21上，中间肋仓部22与滤布3连接，确保滤布3连接稳定性，滤布3展能够随内部为空的网格结构肋仓2一起卷叠起来。当然，滤布3也可以为多块，分别遮盖住网格结构肋仓2中的一个或多个透水空间，确保所有透水空间都被滤布3覆盖住。
32.在本实施例中，作为优选设计，参见图1和图2，网格结构肋仓2的桩侧肋仓圈21上侧设有灌料口211，灌料管41一端连接在灌料口211上，另一端为活动的管口，灌料口211和灌料管41数量为一个，也可以为多个。灌料组件4还包括设置在灌料管41的活动管口上的灌料法兰42，用于与灌料泵组连接，灌料法兰42通过承插式或卡压式与连接灌料管41连接，方便拆装。灌料管41与桩侧肋仓圈21连接的一端也可以设置灌料法兰42，并在灌料口211处设有法兰，方便两者的连接。灌料管41要求具有足够的长度，其活动管口能够向上伸出于海水面。灌料管41为柔性中空结构，具备一定抗拉强度，能承受一定内部压力，管壁不透水，灌料管41可以采用与网格结构肋仓2相同的材料制成。
33.在本实施例中，作为优选设计，参见图1和图2，压重料1为混凝土材料，在灌注到网格结构肋仓2的填料空腔时为流体状态，在压力作用下能够在填料空腔中流动。灌注完成后，会在水下完成凝固，能够很好地将网格结构肋仓2展开并压紧在海床面上。当然，在其他实施例中，压重料1也可以采用其他合适材料。
34.在本实施例中，参见图1和图2，作为优选设计，配重组件6的配重块61为多个，且间隔地设置在网格结构肋仓2的外围肋仓圈23外侧，配重块61与外围肋仓圈23相连接，具体地，配重块61为六个，分别设置在六个径向肋仓部221的外侧端处，沿着外围肋仓圈23周向均匀分布。配重组件6包括包布62，包布62与外围肋仓圈23可采用缝接方式连接，配重块61包裹在包布62中。配重块61为密度大于海水的实心体。
35.本发明还提供了一种用于上述防冲刷装置的施工方法，包括以下步骤：
36.s1、在水上将防冲刷装置的网格结构肋仓2、滤布3、灌料组件4和配重组件6组装好，此时网格结构肋仓2的填料空腔不填装压重料1；将网格结构肋仓2从外围向内卷叠好，并保持卷叠状态。组装工作可以在陆上完成，或者在施工船上完成，网格结构肋仓2卷叠时，网格结构肋仓2和滤布3都展平，将外围肋仓圈23向桩侧肋仓圈21卷叠，滤布3也随之被卷叠，并将配重组件6也卷在其中，得到一个环形圈结构，并可以通过扎带绑扎好，使其保持卷叠状态。
37.s2、先将卷叠状态的网格结构肋仓2通过桩侧肋仓圈21套装在桩身7上，并将网格结构肋仓2连接在桩身7上，随桩身7一起海上运输，并进行沉桩施工。具体地，在桩身7外侧沿圆周方向均匀焊接几个耳板71，沉桩完成后耳板71要求位于在海水面之上，卷叠状态的网格结构肋仓2套装在桩身7后，通过扎带连接在耳板71上，参见图3。或者，在沉桩前桩身7上端未连接有其他结构时，也可以在桩身7沉桩施工完成后，再将卷叠状态的网格结构肋仓2从桩身7上端通过桩侧肋仓圈21套装在桩身7上。本步骤为防冲刷装置沉水前的准备工作。
38.s3、将灌料泵组与灌料管41的管口连接，通过重力将网格结构肋仓2沿着桩身7下沉到海床面上。当前面采用绑接方式将卷叠状态的网格结构肋仓2连接在桩身7上时，解除耳板71上的扎带的绑扎状态，配重块61提供下沉重力，网格结构肋仓2沿着桩身7向下，并下沉到海床面上，在下沉过程中，由于配重块61的作用，网格结构肋仓2也不会发生较大松散，能够依旧保持较好的卷叠状态，从而能够顺利地下沉到海床面上。在本实施例中，参见图4，灌料泵组通过一个灌料泵送管8与灌料管41的活动管口处的灌料法兰42连接，并在灌料泵送管8上设有压力表5来监测灌料压力。
39.s4、灌料泵组将能够流动的压重料1通过灌料管41灌入网格结构肋仓2的填料空腔中；在压重料1灌注网格结构肋仓2过程中，压重料1从网格结构肋仓2内侧向外侧填充，所产生的压力会将卷叠状态的网格结构肋仓2从内向外展开，直到网格结构肋仓2处于展平状态，网格结构肋仓2在压重料1重力作用下与海床面贴合。具体地在本实施例中，灌料泵组设置在施工船舶上，在船舶上进行灌注工作，压重料1采用未凝固前的流动状态的混凝土。在灌料过程中，压重料1从桩侧肋仓圈21进入到径向肋仓部221，压重料1在径向肋仓部221中从内向外填充过程中，所产生的压力会将径向肋仓部221向外侧伸展，从而将卷叠状态的网格结构肋仓2从内向外展开。压重料1从径向肋仓部221进入到环形肋仓部222中，并进入到外围肋仓圈23中，将网格结构肋仓2内的填充空腔整体填满。由于压重料1具有流动性，当海床面为不平整时，压重料1会随着海床面地势流动，确保网格结构肋仓2与海床面贴合。
40.s5、将网格结构肋仓2的填料空腔灌料至满足要求时，停止灌料。具体地，监测灌料泵组的灌料泵送管8上的压力表5，当压力值发生明显增大时，说明网格结构肋仓2和灌料管41中所有空间被压重料1填满，停止灌料。
41.s6、解除灌料管41上灌料法兰42与施工船舶上的灌料泵组的连接，并拆除灌料管41上的灌料法兰42。船舶撤离，施工结束。作为压重料1的混凝土在一定时间后会完成凝固。
42.在本发明中，优选地，上述步骤s3至s5，优选在海水的平潮期或停潮期进行，此时水流动小，方便施工。
43.本发明额的防冲刷装置及其施工方法，能够用于海上风电桩基基础，也能够用于其他类型的海上桩基基础中。
44.本发明的防冲刷装置及其施工方法，具有以下有益效果：
45.1、防冲刷装置能够很好地与桩身7周边海床面贴合，可用于地形复杂的海床面，能够对桩身7周边水流剪切应力较大的海床形成有效的防冲刷保护，防冲刷装置结构稳定，不易因水流冲刷而在海床面上移动。利用施工期压重料1的自流性，使得防冲刷结构贴合桩身7周边海床的地形，避免防冲刷结构局部悬空可能产生的二次冲刷现象。
46.2、防冲刷装置的施工方便，施工仅需要调用小型的船舶，只需要能够在其中设有灌料泵组，以及具备一定灌料存储空间，相对于现有常规防冲刷结构施工，本发明能够大大减少对于大型船机和专用吊具的依赖，有效地降低施工成本。
47.综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。
48.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。