一种环形分区机械-水力联合破土开槽装置技术领域
本发明涉及海上风电基础结构，特别是一种环形分区机械-水力联合破土开槽装
置。
背景技术
近年来，海上风电开发形势良好，我国沿岸相继建成了多个海上风电场。海上风电
具有风场湍流度低、不占用耕地、年利用小时高等优势，这些特点使得海上风电显著优于陆
上风电。不过，海上风电的开发也面临着巨大的挑战。海上环境复杂，风、浪、流及腐蚀等耦
合作用显著。因此海上风电的开发对其基础结构在施工与运行过程中的要求都较高。目前，
我国海上风电运用较多的基础结构为桩基础或复合桩基础，其设计简单，技术成熟且易于
施工。不过，桩基础成本较高，在横向荷载下(风、浪、流等)的水平向变形较大，某些环境下，
桩基础并非最优的基础形式。随着工业技术的不断发展，科学界与工业界发现宽浅式筒形
基础可有效抵抗海上风机在工作过程中的较大横向荷载，且其结构简单，成本较低，施工便
捷。由此，针对海上风机筒形基础的研究逐步开展并逐渐深入，而筒形基础结构也逐步在我
国东部沿海地区的海上风电场建设当中得以应用。
现阶段，筒形基础多采用薄壁钢筒结构，该结构简单轻便，易于制造，也易于负压
下沉。不过，对于某些地质条件，筒形基础的下沉作业需要施加很大的负压，而过大的负压
会导致筒壁的屈曲变形，最终影响结构的安全稳定。为此，一些学者建议使用钢混结构的筒
形基础。但钢混筒形基础为厚壁结构，下沉过程的端阻力很大，不能保证快速有效的下沉作
业。为此，学者们又进一步提出了在钢混筒形基础底部设置破土装置，如开槽破土或高压喷
射破土。然而，目前的破土装置都是整体结构，整体破土。一旦筒形基础的不同部位的地质
结构存在差异，很容易造成筒形基础下沉过程中的水平度失衡。另外，目前并未有一种破土
装置具有冲沙或排沙功能，当土体扰动后，扰动的土体依然存在筒形基础下部，使得基础的
沉放效率不高，并存在扩大土体扰动区域的风险。为此，本申请提出一种采用水力与机械联
合作用进行破土的环形分区的开槽破土装置，其有效限制了扰动土体的区域范围，实现了
分区控制，保证了水平度的控制，并加设了冲沙排沙装置，从而有效保证了筒形基础快速有
效安全的沉放作业。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提出一种环形分区机械-水力联合破土开槽
装置，该装置有效限制了扰动土体的区域范围，实现了分区控制，保证了水平度的控制，并
加设了冲沙排沙装置，从而有效保证了筒形基础快速有效安全的沉放作业。
本发明的技术方案：
一种环形分区机械-水力联合破土开槽装置，由分区破土槽、分区隔板、拉索导向
槽、定滑轮、旋转动力系统、拉索、导向块、破土刷、防堵块、冲沙管及排沙管构成，筒形基础
边壁底部通过6-10个分区隔板分隔为6-10个分区破土槽；分区破土槽为两圈钢板结构，钢
板厚度5-10mm，高度为0.5-1.2m，在每个分区破土槽内的混凝土边壁内部设置条拉索导向
槽，拉索导向槽顶部贯穿至筒形基础顶部，底部通向分区破土槽；每个拉索导向槽底端设置
定滑轮，而顶端设置旋转动力系统；拉索导向槽内部设置拉索，拉索从一端的旋转动力系统
连出，通过拉索导向槽连接该侧的定滑轮，然后再连接另一端的定滑轮，再通过这一测的拉
索导向槽连接该侧的旋转动力系统；拉索导向槽上部分别设置导向块，使得拉索的底部可
沿土体平面做往复运动；拉索底部设置七个破土刷，材料为柔性钢丝材料，长度20-30cm；破
土刷两侧分别设置防堵块，以保证破土刷的持续破土功能；在每个分区破土槽内的混凝土
边壁内部分别设置一根冲沙管与一根排沙管，分设在拉索导向槽外侧，冲沙管直径12-
15cm，排沙管直径12-15cm；冲沙管与排沙管的顶部均延伸出筒形基础边壁并与冲沙装置连
接，底部分别延伸至边壁下缘，并与分区破土槽联通；开槽装置设置于分区破土槽对应的筒
形基础的壁内，筒形基础边壁顶部连接过渡段。
该装置的破土原理如下：1)当筒形基础12下沉时，每个分区破土槽1内的土体与外
界相互独立；2)开启旋转动力系统5后，拉索6带动破土刷8开始做横向往复运动，使得土体
扰动产生流动性；3)冲沙管11内水体冲至分区破土槽1内，进一步增强扰动土体的流动性，
并携带土体冲至排沙管12内，随即土体通过排沙管12与相应排沙装置排至筒外，完成破土
工作。
该装置适用于厚壁钢筋混凝土筒形基础的下沉施工。
本发明的有益效果是：
该开槽装置通过设置环形分区可有效缩小土体的扰动区域，实现各个区间破土工
作的独立进行，从而有效提升筒形基础下沉过程中的水平度控制能力；分区内往复运动的
拉索与破土刷可快速均匀的扰动分区内部土体，保证土体的流动性；分区内的冲沙、排沙装
置可快速将扰动后的土体快速排出，提高筒形基础的下沉效率；破土刷周边的防淤堵块可
有效避免破土刷在工作过程中发生淤堵；拉索导向槽内的导向块可有效保证破土工作时拉
索的行进轨迹，从而保证破土的工作效率；机械破土装置、冲沙、排沙等装置之间可交互应
用也可联合应用，从而达到控制下沉过程中的水头与流量的综合控制，进而保证了下沉过
程中筒形基础的安全稳定。
附图说明
图1为环形分区机械-水力联合破土开槽装置纵剖面结构示意图。
图2为加装该环形分区机械-水力联合破土开槽装置的筒形基础结构纵剖面结构
示意图。
图3为加装该环形分区机械-水力联合破土开槽装置的筒形基础结构横剖面结构
示意图。
图中1、分区破土槽；2、分区隔板；3、拉索导向槽；4、定滑轮；5、旋转动力系统；6、拉
索；7、导向块；8、破土刷；9、防堵块；10、冲沙管；11、排沙管；12、筒形基础；13、过渡段。
具体实施方式
实施例：
一种环形分区机械-水力联合破土开槽装置，由分区破土槽1、分区隔板2、拉索导
向槽3、定滑轮4、旋转动力系统5、拉索6、导向块7、破土刷8、防堵块9、冲沙管10及排沙管11
构成，筒形基础12边壁底部通过6个分区隔板2分隔为8个分区破土槽1；分区破土槽1为两圈
钢板结构，钢板厚度8mm，高度为0.5m，在每个分区破土槽1内的混凝土边壁内部设置2条拉
索导向槽3，拉索导向槽3顶部贯穿至筒形基础12顶部，底部通向分区破土槽1；每个拉索导
向槽3底端设置定滑轮4，而顶端设置旋转动力系统5；拉索导向槽3内部设置拉索6，拉索6从
一端的旋转动力系统5连出，通过拉索导向槽3连接该侧的定滑轮4，然后再连接另一端的定
滑轮4，再通过这一测的拉索导向槽3连接该侧的旋转动力系统5；拉索导向槽3上部分别设
置导向块7，使得拉索6的底部可沿土体平面做往复运动；拉索底部设置七个破土刷8，材料
为柔性钢丝材料，长度30cm；破土刷8两侧分别设置防堵块9，以保证破土刷的持续破土功
能；在每个分区破土槽1内的混凝土边壁内部分别设置一根冲沙管10与一根排沙管11，分设
在拉索导向槽3外侧，冲沙管10直径12cm，排沙管11直径15cm；冲沙管10与排沙管11的顶部
均延伸出筒形基础12边壁并与冲沙装置连接，底部分别延伸至边壁下缘，并与分区破土槽1
联通；开槽装置设置于分区破土槽1对应的筒形基础12的壁内，筒形基础12边壁顶部连接过
渡段13。该实施例中：筒形基础1外径20m，顶盖厚0.7m，壁厚1m，壁高6m；过渡段13顶部外径
6m，壁厚0.6m，高度10m。