DE102012016692A1 - Method for installation of heavyweight foundation system for off-shore wind energy plant, involves countersinking base body into seabed, and temporarily preloading foundation by ballast bodies engaged at foundation in limited manner - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einbau eines Schwergewichtsgründungssystems für eine Offshore-WEA nach Patentanspruch 1.The invention relates to a method for installing a heavy-weight foundation system for an offshore wind turbine according to claim 1.
Bei Gründungssystemen für WEA, die offshore errichtet werden, unterscheidet man zwischen Flachgründungen und Pfahlgründungen. Im letzteren Fall werden ein oder mehrere Pfähle in den Meeresboden eingetrieben zur Abstützung des Turms einer WEA. Im ersteren Fall wird ein sogenanntes Schwergewichtsfundament verwendet, das auf dem Meeresboden abgesetzt wird. Das Schwergewichtsfundament besteht in der Regel aus einem Basiskörper und einem auf diesem angeordneten Schaft. Der Schaft ist entweder gleichzeitig Turm der WEA oder dient zur Abstützung des Turms der WEA.For foundation systems for wind turbines that are built offshore, a distinction is made between shallow foundations and pile foundations. In the latter case, one or more piles are driven into the seabed to support the tower of a WTG. In the former case, a so-called heavyweight foundation is used, which is deposited on the seabed. The heavyweight foundation usually consists of a base body and a shaft arranged on this. The shank is either the tower of the WEA at the same time or serves to support the tower of the WEA.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, den Basiskörper eines Schwergewichtsfundaments in den Meeresboden einzuspülen, vorzugsweise derart, dass seine Oberseite in Höhe des Meeresbodenniveaus zu liegen kommt. Das Einspülen des Schwergewichtsfundaments in den Meeresboden mit Hilfe von Druckwasser und des Absaugens von Sand hat etliche Vorteile, auf die hier im Einzelnen nicht eingegangen werden soll.It has already been proposed to flush the base body of a heavyweight foundation into the seabed, preferably in such a way that its upper surface comes to lie at the level of the seabed level. The flushing of the heavyweight foundation into the seabed with the help of pressurized water and the suction of sand has several advantages, which are not discussed in detail here.
Je nach Beschaffenheit des Meeresbodens ist nicht auszuschließen, dass nach dem Einbringen des Schwergewichtsgründungssystems nachträglich Setzungen eine Schieflage des Fundaments herbeiführen, was für eine WEA nicht hingenommen werden kann.Depending on the nature of the seafloor, it can not be ruled out that after the introduction of the heavy-weight foundation system, settlements subsequently cause a misalignment of the foundation, which can not be tolerated by a WTG.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einbau eines Schwergewichtsgründungssystems für eine Offshore-WEA anzugeben, mit dem vermieden werden soll, dass eine nachträgliche Setzung des Schwergewichtsfundaments eine unerwünschte Neigung seiner Hochachse bezüglich der Vertikalen bewirkt.The invention is therefore based on the object to provide a method for installing a Schwergewichtichtsgründungssystems for an offshore wind turbine, with the aim of avoiding that subsequent settlement of the heavyweight foundation causes an undesirable inclination of its vertical axis with respect to the vertical.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is solved by the features of patent claim 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Schwergewichtsfundament mit einem vorzugsweise ringförmigen Basiskörper, vorzugsweise aus Beton, und einem Vertikalschaft für die Abstützung eines Turms einer WEA oder für die Bildung des Turms der WEA als Einheit zu einem Einsatzort transportiert. Der Basiskörper kann kammernartig ausgestaltet sein, wobei die Kammern während des Seetransports nur mit Luft gefüllt sind. Alternativ kann ein ringförmiger Basiskörper im Querschnitt trogförmig sein. Das Schwergewichtsfundament hat daher einen gewissen Auftrieb, der auch dazu benutzt werden kann, das Fundament auf einfache Weise schwimmend zum Einsatzort zu transportieren. Basiskörper und vertikaler Schaft sind vorzugsweise bereits an Land als Einheit hergestellt und werden anschließend an einer Pier von einem Schwimmkörper aufgenommen und anschließend von dort mit diesem dann zum Einsatzort befördert.In the method according to the invention, first a heavy-weight foundation with a preferably annular base body, preferably made of concrete, and a vertical shaft for supporting a tower of a WT or for the formation of the tower of the WTU are transported as a unit to a place of use. The base body may be designed like a chamber, wherein the chambers are filled with air during sea transport. Alternatively, an annular base body may be trough-shaped in cross-section. The heavyweight foundation therefore has some buoyancy that can also be used to easily float the foundation to the job site. Base body and vertical shaft are preferably already made on land as a unit and are then added to a pier of a float and then transported from there with this then to the place of use.
Am Einsatzort wird die Einheit auf den Meeresboden abgesenkt, z. B. unter Führung an einem zuvor abgesenkten Führungspfahl oder einem Stützpfahl des Schwimmkörpers. Der Schwimmkörper kann durch absenkbare Stüzpfähle stabilisierbar sein. Der Führungspfahl ist nach seinem Absenken von dem Schwimmkörper gehalten, von dem aus das Schwergewichtsfundament abgesenkt wird. Vor seinem Absenken ist der Führungspfahl vorzugsweise seitlich am Schaft des Schwergewichtsgründungssystems gehalten. Alternativ kann das Fundament mittels Seilen vom Schwimmkörper abgelassen werden.At the site, the unit is lowered to the seabed, z. B. under guidance on a previously lowered guide pile or a support pile of the float. The float can be stabilized by lowerable stakes. The guide post is held after its lowering by the float, from which the heavyweight foundation is lowered. Before its lowering, the guide post is preferably held laterally on the shaft of the heavy-weight foundation system. Alternatively, the foundation can be lowered by ropes from the float.
Durch Einspülen von Druckwasser fluidisierten Sand wird der Basiskörper im Meeresboden eingesenkt, z. B. bis er an der Oberseite in Höhe des Meeresbodenniveaus liegt. Vorzugsweise wird der Basiskörper am oberen Rand von einer sogenannten Kolkschutzmatte oder ähnlichen Kolkschutzmitteln umgeben, die sich dann auf den Meeresboden auflegt. Sollte es zu einer Verkolkung am Rand des Basiskörpers kommen, kann die Kolkschutzmatte sich Vertiefungen anpassen.By flushing pressurized water fluidized sand, the base body is sunk in the seabed, z. B. until it is at the top of the seabed level. Preferably, the base body is surrounded at the top by a so-called Kolkschutzmatte or similar Kolkschutzmitteln, which then hangs up on the seabed. If it comes to a Verkolkung at the edge of the base body, the Kolkschutzmatte can adapt to depressions.
Erfindungsgemäß wird ferner mittels Ballastkörpern das Schwergewichtsfundament zeitlich begrenzt vorbelastet, bevor der Turm der WEA bzw. deren Gondel montiert wird.Furthermore, according to the invention, the heavy-weight foundation is preloaded for a limited time by means of ballast bodies before the tower of the wind turbine or its nacelle is mounted.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Ballastkörper von Behältern, vorzugsweise beutelartigen Behältern gebildet, die zum Ballastieren mit Wasser gefüllt werden. Es versteht sich, dass die Ballastkörper vorzugsweise symmetrisch zur Hochachse des Schwergewichtsfundaments angeordnet werden, um einen gleichmäßigen Druck über die Sohle des Schwergewichtsfundaments auf den Boden auszuüben. Es versteht sich ferner, dass ein gleichmäßiger Druck nur erreicht wird bei gleichmäßig verteiltem Gewicht der Ballastkörper.In one embodiment of the invention, the ballast body of containers, preferably bag-like containers are formed, which are filled to ballast with water. It is understood that the ballast bodies are preferably arranged symmetrically with respect to the vertical axis of the heavyweight foundation to exert a uniform pressure over the bottom of the heavyweight foundation on the ground. It is further understood that a uniform pressure is only achieved with uniformly distributed weight of the ballast body.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden die Ballastkörper über eine Haltekonstruktion, vorzugsweise in Form eines Kreuzes oder einer Plattform, am oberen Ende des Schaftes aufgehängt. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Haltekonstruktion vor dem Transport angebracht. Der letztere Verfahrensschritt ist im Wesentlichen dann von Vorteil, wenn der auf dem Basiskörper aufgerichtete Schaft nicht gleichzeitig den Turm der WEA bildet, sondern einen solchen abstützt. Die Haltekonstruktion zusammen mit den Ballastkörpern bzw. -behältern wird dann ebenfalls an Land auf dem Schaft des Fundaments montiert und zusammen mit der Einheit zum Einsatzort transportiert. Die Verbindung der Haltekonstruktion mit dem Schaft ist selbstverständlich lösbar, damit nach dem Ballastieren des Fundaments die Ballastierkonstruktion entfernt werden kann, um für den Turm der WEA Platz zu machen. Die Ballastierungszeit kann sich bis zu sechs Monaten erstrecken.According to another embodiment of the invention, the ballast body via a support structure, preferably suspended in the form of a cross or a platform at the upper end of the shaft. According to a further embodiment of the invention, the support structure is mounted prior to transport. The latter method step is essentially advantageous if the shaft erected on the base body does not simultaneously form the tower of the WEA, but supports such. The support structure together with the Ballast bodies or containers are then also mounted on land on the shaft of the foundation and transported together with the unit to the site. The connection of the support structure with the shaft is of course detachable so that after ballasting the foundation, the ballast construction can be removed to make room for the tower of the WEA. The ballasting time can be up to six months.
Es ist besonders vorteilhaft, den Schaft als Gittermast auszubilden (Jacket-Konstruktion). Der Gittermast hat den Vorteil, Wasser- und Windbewegungen weniger Widerstand entgegenzusetzen. Für eine derartige Konstruktion sieht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, dass an der Haltekonstruktion mindestens ein Rohr für eine Spül- und Pumpeinrichtung für das Einspülen des Basiskörpers angehängt wird, das sich bis zur Oberseite des Basiskörpers erstreckt. Für das Einbringen von Druckwasser in den Bodenbereich unterhalb des Fundaments sind geeignete Pumpen erforderlich, die vorzugsweise oberhalb des Meeresspiegels angeordnet sind und über geeignete Rohre im Bereich unterhalb der Sohle des Basiskörpers wirken. Besteht der Schaft aus einer hohlen Betonkonstruktion, können derartige Rohre und auch die Pump- und Spüleinrichtungen innerhalb des Schaftes angebracht werden. Bei einer Gittermastkonstruktion kommt eine solche Anordnung nicht in Frage. Stattdessen wird mindestens ein Hüllrohr vorgesehen, das sich zwischen dem oberen Ende des Schaftes bzw. der Haltekonstruktion und der Oberseite des Basiskörpers erstreckt. Innerhalb dieses Rohres sind dann die Rohre zum Spülen angeordnet. Die Rohre oder Schläuche für die Leitung des Druckwassers zur Sohle des Basiskörpers können auch durch hohle Stützen der Gitterkonstruktion geführt werden.It is particularly advantageous to form the shaft as a lattice mast (jacket construction). The lattice mast has the advantage of resisting water and wind movements less resistance. For such a construction, a further embodiment of the invention provides that at least one pipe for a flushing and pumping device for the flushing of the base body is attached to the support structure, which extends to the top of the base body. For the introduction of pressurized water in the bottom area below the foundation suitable pumps are required, which are preferably arranged above the sea level and act through suitable pipes in the area below the sole of the base body. If the shank consists of a hollow concrete structure, such pipes as well as the pumping and flushing devices can be installed inside the shank. In a lattice mast construction such an arrangement is out of the question. Instead, at least one cladding tube is provided, which extends between the upper end of the shaft or the support structure and the upper side of the base body. Within this tube then the pipes are arranged for rinsing. The pipes or hoses for the supply of pressurized water to the bottom of the base body can also be passed through hollow supports of the grid construction.
Es ist durchaus denkbar, den Schaft als Turm einer WEA in Form eines Gittermastes zu bilden. Der Gittermast wird, wie oben für den kürzeren Schaft beschrieben, ebenfalls vor dem Transport zum Einsatzort auf dem Basiskörper errichtet. In diesem Zusammenhang sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass nach dem Einspülen des Basiskörpers vier im Rechteck angeordnete Stützpfähle auf dessen Oberseite abgesetzt werden, deren obere Enden mit Balken verbunden werden. An jedem der vier Balken wird mindestens ein Ballastkörper angebracht. Im Gegensatz zu dem vorstehend beschriebenen Verfahrensabschnitt wird die Ballastkonstruktion erst nachträglich angebracht, um das Fundament in geeigneter Weise zu ballastieren.It is quite conceivable to form the shaft as a tower of a wind turbine in the form of a lattice mast. The lattice mast, as described above for the shorter shaft, is also erected on the base body prior to transport to the jobsite. In this context, an embodiment of the invention provides that after flushing the base body four arranged in a rectangular support piles are placed on the top, the upper ends are connected to beams. At least one ballast body is attached to each of the four beams. In contrast to the method section described above, the ballast construction is only subsequently applied to ballast the foundation in a suitable manner.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird auf der Haltekonstruktion oder dem Balken eine Arbeitsplattform angebracht.According to a further embodiment of the invention, a working platform is mounted on the support structure or the beam.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Ballastkörper symmetrisch zur Achse des Schaftes bzw. zur Hochachse des Basiskörpers angeordnet werden, eine Neigungsmessvorrichtung vorgesehen ist, die eine Neigung der Achse zur Vertikalen misst und die Beschwerung der Ballastkörper nach Maßgabe der gemessenen Neigung verändert zwecks Kompensation der Neigung. Sobald die Neigungsmessvorrichtung feststellt, dass aufgrund von Setzungen die Hochachse des Schwergewichtsfundaments sich zu neigen beginnt, wird mit Hilfe von Gewichtsänderungen in den Ballastkörpern eine Gegenmaßnahme eingeleitet.Another embodiment of the invention provides that the ballast bodies are arranged symmetrically to the axis of the shaft or to the vertical axis of the base body, an inclination measuring device is provided which measures an inclination of the axis to the vertical and the weighting of the ballast body in accordance with the measured inclination changed in order Compensation of the inclination. As soon as the inclination measuring device determines that the vertical axis of the heavyweight foundation begins to incline due to subsidence, a countermeasure is initiated by means of weight changes in the ballast bodies.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Mittel zur Durchführung des Verfahrens werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.The method according to the invention and the means for carrying out the method are explained in more detail below with reference to drawings.
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Nachdem das Einsenken beendet ist, werden die Behälter
Nachdem der Belastungsvorgang beendet ist, der mehrere Monate in Anspruch nehmen kann, wird anschließend die Haltekonstruktion
Es sei noch erwähnt, dass auf der Arbeitsplattform
Die in den
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Wie bereits erwähnt, ist der Basiskörper vorzugsweise ein Ringkörper und vorzugsweise nach oben offen, d. h. trogförmig ausgebildet. Nach dem Absetzen des Ringkörpers wird dieser ballastiert, z. B. mit schwerem Kies und Steinmaterial. Zum Einsenken des Ringkörpers und zur Herstellung einer plangemäßen Gründungsebene wird der Boden unter dem Fundament durch Hochdruck-Jet-Wasser gelöst und verflüssigt. Durch das Gewicht des Schwergewichtfundaments wird der gelöste Boden seitlich verdrängt. Der verdrängte Boden wird unter der am Außenring angeordneten Kolkschutzmatte und im inneren Kreisring des Fundaments angelagert. In Anpassung an die örtlichen Verhältnisse wird eine planungsgemäße Gründungsebene, beispielsweise bei einer Absenkung des Ringkörpers von 2 m bis 4 m in den Meeresboden erreicht. Da der Ringkörper vorzugsweise nur eine Höhe von 4 m hat, ragt dieser nur wenig aus dem Meeresboden, sodass durch Strömungen entstehende Turbulenzen und Kolkausbildungen minimiert werden. Die vorzugsweise am oberen Rand des Ringkörpers angebrachte relativ schwere Kolkschutzmatte verhindert das Unterspülen des Ringkörpers und auch das Entstehen von Gasblasen. Der innere Kreisring des Ringkörpers hat einen verhältnismäßig großen Durchmesser, wobei ein zügiges Absenken des Fundaments ohne die sonst unvermeidbaren Pendelbewegungen ermöglicht wird.As already mentioned, the base body is preferably an annular body and preferably open at the top, d. H. formed trough-shaped. After discontinuation of the ring body of this is ballasted, z. B. with heavy gravel and stone material. For sinking the ring body and for producing a plan-based foundation level of the soil is dissolved under the foundation by high-pressure jet water and liquefied. Due to the weight of the heavyweight foundation, the dissolved soil is displaced sideways. The displaced soil is deposited under the anticorrosive mat on the outer ring and in the inner circular ring of the foundation. In adaptation to local conditions a planned foundation level, for example, is achieved in a lowering of the ring body of 2 m to 4 m in the seabed. Since the ring body preferably has only a height of 4 m, this protrudes only slightly from the seabed so that turbulence and Kolkausbildungen resulting from currents are minimized. The preferably attached to the upper edge of the ring body relatively heavy Kolkschutzmatte prevents under flushing of the ring body and the formation of gas bubbles. The inner annulus of the ring body has a relatively large diameter, allowing a rapid lowering of the foundation without the otherwise unavoidable oscillations.
Die offene Trogbauweise hat den Vorteil, dass die Herstellkosten des Fundaments durch Verringerung des Schalungsaufwandes und des Betonbedarfs minimiert werden. Die Aufwendungen für das Herstellen, das Umsetzen des Fundaments im Bauhafen und während des Transports zur Einbauposition verringern sich nach dieser Bauweise unter anderem infolge der erst an der Einbaustelle erfolgenden Ballastierung. Die Auffüllung des trogartigen Ringfundaments mit Hohlraum reichen Gestein begünstigt die Besiedelung mit Pflanzen und Kleintierlebewesen, sodass ein wertvoller Lebensraum für Meeresbewohner entsteht.The open trough construction has the advantage that the manufacturing costs of the foundation are minimized by reducing the formwork effort and the concrete requirements. The expenses for the manufacture, the implementation of the foundation in the port and during transport to the installation position are reduced according to this design, inter alia, as a result of the ballast taking place only at the installation site. The filling of the trough-like ring foundation with cavity-rich rock favors the colonization of plants and small animal life, creating a valuable habitat for marine life.
Das Ringfundament kann mit nach unten stehenden, vorzugsweise rohrförmigen Beinen versehen, die beim Absenken des Ringkörpers im Meeresboden in diesen tiefer eindringen. Damit ergibt sich eine kombinierte Pfahl-Platten-Gründung, und zwischen den Beinen und dem Ringkörper erfolgt eine Interaktion mit dem Untergrund. Die vertikalen Lasten werden im Wesentlichen durch Sohlpressung auf ausreichend tragfähigen ebenen Baugrund abgetragen. Die horizontalen Schubkräfte werden weitgehend durch die Beine in den Baugrund abgetragen. Diese Beine übernehmen nur geringe vertikale Lasten. Länge und Querschnitte der Gründungsbeine sind von den Bodenverhältnissen abhängig. Sie reichen zum Beispiel bis 4 m unter die Sohle des Ringkörpers und haben einen Durchmesser von z. B. 3 m.The ring foundation can be provided with downward, preferably tubular legs, which penetrate deeper into the seabed when lowering the ring body. This results in a combined pile-plate foundation, and between the legs and the ring body is an interaction with the ground. The vertical loads are essentially removed by means of sole pressing on a sufficiently stable level foundation ground. The horizontal shear forces are largely removed by the legs in the ground. These legs take on only small vertical loads. Length and cross sections of the foundation legs depend on the soil conditions. They extend, for example, to 4 m below the sole of the ring body and have a diameter of z. 3 m.
Bei rolligen und anbindigen Böden (z. B. Sand, schlurfiger Sand) wird unterhalb des Ringkörpers durch Wasserinjektion Wasserüberdruck aufgebaut, wodurch die Scherfestigkeit des Bodens herabgesetzt wird, sodass das Bodenwassergemisch unter dem Gewicht des Ringkörpers verdrängt wird und der Ringkörper einsinkt. Die in der Ringkörpersohle angeordneten Düsen und die damit verbundenen Zuleitungs- und Steuerungssysteme sind vorzugsweise in Sektionen unterteilt, sodass die Fluidisierung sektionsweise erfolgen und das Einsenken des Fundaments entsprechend gesteuert werden kann. Durch Steuerung des Wasserdrucks und der Wassermengen in bestimmten Zeitintervallen und Sektionen entsteht ein kontinuierlicher steuerbarer Prozess in Anpassung an das Absinkverhalten des Ringkörpers.In the case of rolling and adherent soils (eg sand, slippery sand) water pressure is built up below the ring body by water injection, whereby the shear strength of the soil is reduced, so that the groundwater mixture is displaced under the weight of the ring body and the ring body sinks. The nozzles arranged in the annular body and the associated supply and control systems are preferably subdivided into sections, so that the fluidization takes place in sections and the sinking of the foundation can be correspondingly controlled. By controlling the water pressure and the amounts of water at specific time intervals and sections, a continuous controllable process is created in adaptation to the decay behavior of the annular body.
Bei feinkörnigem Boden mit verhältnismäßig hoher Festigkeit (z. B. Mergel, Kreide) sind zusätzlich horizontal wirkende Hochdruckjet-Einrichtungen vorgesehen, die den Boden unter der Ringkörpersohle lösen. Der Druck des Wasserstrahls beträgt maximal 700 Bar und wird ggfs. mit Druckluft kombiniert, wodurch die Lösewirkung des Wasserstrahls konzentriert und erheblich erhöht wird.In fine-grained soil with relatively high strength (eg marl, chalk) additionally horizontally acting high-pressure jet devices are provided which release the soil beneath the annular body bottom. The pressure of the water jet is a maximum of 700 bar and is possibly combined with compressed air, whereby the dissolving effect of the water jet is concentrated and significantly increased.
Für den Fall, dass größere Steine oder Findlinge im Untergrund festgestellt werden, muss eine günstigere Position gewählt oder wie folgt verfahren werden. Die weichen Schichten werden entfernt, beispielsweise durch Wasserinjektionsverfahren. Danach wird eine Kiesschüttung mit einer Dicke von z. B. 1 m–2 m hergestellt. Auf diese Kiesschüttung wird das Ringfundament aufgesetzt. Aufgrund des Gewichts der Windkraftanlage und der speziell einsetzbaren Bodenverflüssigung wird für das Fundament eine entsprechend erhöhte Gründungsebene hergestellt, die den planmäßigen Anforderungen genügt.In the event that larger stones or boulders are found in the ground, a more favorable position must be chosen or proceed as follows. The soft layers are removed, for example by water injection methods. Thereafter, a gravel bed with a thickness of z. B. 1 m-2 m. On this gravel bed the ring foundation is placed. Due to the weight of the wind turbine and the specially usable soil liquefaction, a correspondingly increased foundation level is produced for the foundation, which meets the planned requirements.
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2012
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