图7 下浮体构造示意图
它的主体由一排管状中空浮体构成，可注水排水由此提供浮力和压载力。上部浮体由5只长70米直径7米的承压圆筒组成近似菱形，它提供约1.3万吨浮力，两侧和尾部浮箱提供约3000吨浮力。由此，总浮力可达1.5～1.6万吨（四只腿视不同水深尚可提供浮力2000吨左右）。管状浮体壁厚18～20毫米，内部有环形筋，按受压容器校核，安全系数不小于3。
根据初步计算,中部五只浮体,是中空完全封闭,即提供浮力,而两侧水箱,可以吸排水（总体积约5000方左右）,根据需要,每次调控水量不过1000～2000方,不需消耗多少能量。
在浮体侧有8只抗滑移无靴小桩腿，长约6米插入泥中作为防止移动承受水平力的补充。从图7 下浮体的横剖面图可以看出：它具有和插桩式打桩船的桩靴同样的支承船体重量的功能，所不同是前者支持在泥下某个深度的结实土层上，插拔困难，而座底船是半坐半浮在水下表层泥面上，承压面积大，入泥深度浅，脱离极为容易。此外，前者无法调节土上的承压载荷。而后者则可通过调节浮力调节座底浮体对土壤的压载，有利适应不同的土壤条件。
四、座底式打桩船的优点：
必须指出：本“座底自升式打桩船”的突出优点是既座底又将上船体抬离水面4～5米,这是命名“座底自升”的原因,是迄今为止世界首创，也是本设计有别于过去所谓座底打桩船的重大区别。如行家周知,不将上船体抬升离开海面，则无法解决海上洋流涌浪的袭击，这也是己有所谓座底打桩船，只宜在滩涂性貭浅水中作业不宜进入有暗流和涌浪等水域作业,此为它因适用性狭窄以至不受欢迎得不到发展的重要原因。
还需指出：座底自升式打桩船有别于插桩式打桩船的特征是没有桩靴（见图5）。首先谈谈有无桩靴的优劣。插桩式打桩船每根支承桩的底部均安装有桩靴（见图8） 它的作用是扩大支承面积，以支持打桩船高达1.5～2万吨的自重和外加载荷，若没有桩靴，无论插多么深，仅靠桩与土的摩擦力，是无法支承如此庞大且重的船体。
图8 传统桩靴示意图
由图上可以看到，插桩式打桩船的传统桩靴，不论是圆形或三角形桩腿，其所配桩靴均在100平方米以上，没有如此大的面积很难支承重达1.5～2万吨的船体和外载荷，但反过来，它也给拔桩腿造成巨大困难。如上已叙，这是我们研发用座底式取代插桩式的根本原因所在。
若取消桩靴改为座底式，船的自重是否将全部落在泥面上？海底泥面能支承如此重的船体吗？其实不然，因为座底物是个具有巨大排水量的中空浮体（见图7），从某个意义上说，是这个浮体承受着打桩船的大部分自重（本设计下浮体其排水量共达15000吨以上，四根桩柱仍有近2000吨浮力未计），船的自重减去浮力剩余的重量，才是压在泥面上的力。调节浮体内水量，就可调节其对泥面的载荷。即是泥面上并没有承受船的全部自重，而是部分分载荷，它视不同土质的承压能力可予以调节。
座底打桩船取消了插拔困难的桩靴：首先是“打桩”作业全过程，无插拔压桩靴之“苦”，大大提高工效。其次是对海底土的单位面积压力可调节，因而能适宜各种土质，特别是软粘土甚至淤泥土质条件的打桩作业，即对海上风场作业不同土壤的适应性强。 其三是桩腿上无桩靴，也不需对桩腿端的桩靴预压（尤其是对角预压载），不只减小了作业时间，也取消了为预压而加强船体结构，简化了船体结构。综合各项优点，其生产效率提高至少一倍甚至更高，从而大大提高其市场竞争力和经济效益。能更好地为我国开发海上风电试验服务，还要提到，本“座底自升式打桩船”是世界首创。
五、打桩船座底后产生的问题和我们的对策
如前已叙，座底自升式打桩船继承了插桩式打桩船的各项功能，唯一不同是取消了桩靴，将船自身的巨大载荷由通过桩靴的下泥面承受改为由下浮体的浮力（阿几米德力）和施加在水下泥面载荷共同承受。它无桩靴可拔，大大提高了作业效率。但也产生一些大小问题。这是前人曾有过座底的构想，但由于种种原因，至今未见一艘实用的可与插装式打桩船媲美的座底打桩船问世（如前已叙,个别只座底能否实用尚不知，但如本设计用腿抬起船体离开水面，可防风浪涌冲击，与插桩式类似的打桩船世界上是没有前例的）。
发展海上风电，提高打桩船终工效是个巨大需要，推动我们研发设计了“座底抬升式打桩船”，我们与海工领域的有关专家共同研讨取消桩靴座底后可能遇到的问题，应用国内外技术进步带来的新手段，为座底抬升式打桩船制定了对策,必须万无一失，令它高安全高可靠的为发展海上风电服务。
如周知，座底船对海下泥土表层施加的载荷有三类：垂直载荷、水平载荷和倾复力矩。为此必须研究这些载荷的极限值和水下泥表层的承载能力。如前己指出，前人的海工工程水下结构物座底并不乏有，但能承受用以打桩并抬升船体的本座底式打桩船确系世界首创。为此，本公司郑轶刊博士和上海交通大学叶冠林教授（土力学专家）进行了大量调研，总结写出针对本项目特点，具有指导设计意义的论文。
经研究，我们的设计指导思想是首先解决好3个主要载荷的问题，然后处理几个伴生问题：
（1）如何承受垂直载荷？
座底垂直载荷必须与海下泥层的承载能力相适应，这是座底成功的关键。为此，首先要掌握清楚座底垂直载荷的大小和变化规律，然后海底土壤在必须有足够大的安全裕度前提下，承受座底载荷，同时，此座底力应可调节，以适应千差万变的水下表面泥层。
（A）座底船的垂直载荷：
本座底船的极限垂直载荷的构成如下：
a. 座底船上船体总重：船壳体、甲版机械、起重机、人员寝室、直升飞机 平台、 动力机组等：共约1万吨。
b. 携带可变载荷（桩锤、桩柱、风叶、燃油等）5000吨。
c. 桩腿与下浮体以及浮沉和伸缩齿条机构等：5000吨。
以上共计2万吨，如何承受这两万吨垂直载荷？
（B）水下不同泥层的承载能力
按上述专题研究论文的结论，由表1可以看出，在较差的淤泥质粘土（剪切强度Cu=15kPa，在海上风场中属于很软的地质条件）中插深达2米时，每平方米可承受五吨载荷（计算己考虑了地基同时受到垂向载荷和水平载荷时的垂向承载力衰减。同时使用了2倍的安全系数，达到长期座落在海床上的固定式平台基础要求，远高于普通自升式平台1.3倍的安全因子）。实际上，很多风场表面为粉砂或砂土，例如如东表面粉砂内摩擦角达到25°～30°，其垂向许用承载力可达45 t/m2～90t/m2。本船设计水下着泥面积为3300平米，承载面基本在水下两米左右，承载面基本在水下两米左右，按每平米给予3吨左右垂直载荷（安全度为3），则泥面共需承担1万吨。考虑到抗倾稳性要求，压在泥面上的载荷需8000t，垂直载荷的其余部分(最大1.2万吨)由浮体承担。本估算为极限情况，事实上因可变载荷5000吨，只在某种特定条件下才全额存在，致使上述的总垂直载荷在1.5～2万吨间变化。我们调整排水量，令泥面载荷视需要，保持在5000～1万吨左右，即在表1中偏软淤泥质粘土情况下，单位面积承受压力不大于5吨（包括因起重2000t货物时，力矩产生偏载），远小于其极限承载力10.17吨，即安全系数不小于2.0，足够安全。
（C）小结
总之，在正常但偏软的土层上（由分析可知，大多数海上风场水下表土层的承受能力大于淤泥质粘土的情况），给予泥层1万吨垂直载荷是安全的，即浮力和座底载荷，各承担一半总载荷。对不同土质，只要改变浮力（使座底载荷剩为1/3或1/4），即可调整座底力，使座底船在各种不利土壤条件下，均能高可靠，高安全的工作。
表1 不同土壤条件垂向极限承载力和许用承载力
（2）如何抵抗水平载荷？
在允许作业条件（6级风速）下，由于风、浪、涌和水下“流”等产生的水平力，将使打桩船整体滑移，无法打桩？
虽然本船己抬离水面4～5米，大大减轻了涌浪的冲击力，仍有四根直径4米的腿在水中，经理论计算和海上实际验证，50m水深条件下，此力最大约500吨，浅水条件下（10m），下浮体受到的载荷相对较高，不超过1000t。如何防止（或抵抗）此水平力是开发此座底式打桩船能否成功的关键之二？我们的对策：
其一是：虽取消了桩靴但又设计了八只无靴的抗滑移桩。每根小桩若从材料的抗剪强度考虑可承受水平载荷达2000吨。每根抗滑移桩2米直径、长6米小桩，投影面积至少16平米。在较软的淤泥质粘土（剪切强度Cu=15kPa）中，每平米极限抗剪能力约10吨，6只桩共935t。在其它地质条件下，抗滑移能力更强，极限抗滑移能力甚至达到2500t（见表），足可抵抗风、浪涌和水下“流”产生的水平力。此外，这6只抗滑桩并可承担部分外载产生的不平衡力矩。
其二是：该船座底后根据不同地质条件可调整其座底压力（调节浮体存水量，可令此压载至少5千吨多至1万吨甚至更大。利用下浮体底部与泥面的粘聚力（粘土）或摩擦力（砂土）产生的阻力阻止打桩船的水平滑移。按照理论计算，淤泥质粘土情况底面可提供4000t极限抗水平滑移力，松砂也可提供2000t极限抗水平滑移力，以上两项措施，有其一即可保证座底船工作时，不会水平移动。
表2 不同土壤条件极限抗滑移力
插深达1.5米时，每平方米可承受十吨载荷。本船设计水下着泥面积为3000平米，若系软淤泥,承载面基本在水下两米左右（若需仍可再深至3～5米），按每平米给予3吨左右垂直载荷（己有安全系数为3），则泥面共可承担1万吨。垂直载荷的其余部分(最大1万吨)由浮体承担。本估算为极限情况，事实上因可变载荷5000吨，只在某种特定条件下才全额存在，致使上述的总垂直载荷在1.5～2万吨间变化。我们调整排水量，令泥面载荷视需要，保持在5000～1万吨左右，即在表1中偏软粘土情况下，承受压力不大于5吨（包括因力矩产生偏载），远小于其可允许承载10.13吨，即安全系数不小于2～3，足敷安全。
总之，在正常但偏软的土层上（由分析可知，大多数海上風场水下表土层的承受能力大于1表所示值），不理想情况给予1万吨垂直载荷，也是安全的（根据土质情况，并利用齿条机构向下施加作用力，座底力可增加到3万吨)，对不同土质，只要改变浮力，即可调整座底力，使它在5000吨～2万吨之间变化，使座底船在高可靠，高安全下工作。
（3）如何承担外加倾覆弯矩？
首先要强调指出：力矩会影响垂直力的分佈，但不会增减垂直力的数值。如图9所示。
图9 座底平台地基在某个力矩影响下垂向压力的分布
在吊桩柱时，打桩船要稳定，不因泥面无法承受此巨大的力矩发生倾斜？此弯矩有两个来源：其一是起重机吊桩柱时产生的弯矩（虽被下浮体调整压载后，但有剩余）。其二是上船体在风浪涌作用下，对下浮体的力矩。
如周知，当起重机吊一根2000吨的桩时，若幅度达25米，仅对起重机的旋转中心（假设此心基本在船质心的纵向沿长线上）将产生5万吨米的倾复力矩，若再加上臂梁索具吊钩等未被尾配重平衡的力矩共约1万吨米，即共有6万吨米左右的外加倾复力矩，对于插桩式打桩船，它通过深深下插的桩腿和桩靴，承受了此力矩。对于座底式打桩船，如何平衡（或承受）此力矩？是开发座底打桩船能否成功的另一个关键，我们采取了如下几项措施：
其一是：采用菱形的上船体（国外已有类似结构，见图10）并将起重机置于船中菱形顶点的绕桩位置（见图10）。这时，起重机成为国内外经常采用的所谓的“绕桩式起重机”。这种布置的优点：首先是吊桩柱时，外载重心距船体质心最近（也可说起重机的幅度得到有效利用），由此，可有效减小对座底打桩船的倾复力矩（否则，将大大超过上述的6万吨米）。其次是桩腿不会干扰起重机吊臂，扩大了甲板可用面积（可达到3000平米或更大），作业方便。其三是当放下起重臂调遣或拖航时，在船长方向，内得到较好的支承等等。
图10 国外菱形布置风电打桩船示意
其二是：采用反向预加载荷系统。即根据事先知道的需吊的桩柱的重量、幅度等，预先配置好近似目标弯矩一半的反向载荷（通过对下浮体内各水箱注水排水），即令其产生反向力矩以平衡部分吊载时的力矩，特别应指出：这时，因预加力矩的作用，下浮体对泥面的压载也产生变化，（即此力矩不改变总压载数值，但改变它的分布），经校核，即不同案例均在允许值之内(本案例不超过5吨/米平方)。
其三是：采用了实时动态配水调节装置，在打桩船上装有计算机管理的配水调节系统，它可以根据起重机起吊、卸载、旋转的需要，调配下浮体前后、左右水箱内的水，使打桩船保持动态平衡，本措施与其二不同之处是：前者粗调，目的是预先减小部分载荷，本措施是精调，而且当起重机起吊作业时才开始工作，根据起重量和旋转角度进行实时调节，而不是预先实施。这样也可避免采用大的吸排系统。
其四是：利用座底面积产生平衡力矩，平衡外载荷产生的力矩（即上述的6万吨米中平衡后剩余的部分及风浪流等环境载荷产生的力矩）。当座底面积达3000平米，在淤泥质粘土（剪切强度Cu=15kPa）每平米可承压5吨。当受到8000吨垂向载荷和6万吨米弯矩作用时，最大压力不超过5t/m2。
其五是：对于特恶劣的土质条件（剪切强度Cu值小于15kPa时），应采取以下保护措施：
（A）限止外吊桩柱的重量，一般以小于1000吨为宜（在未考虑压载水反向调节时，起吊倾复力矩为3.5万吨米左右）。事实上在这种超软近似新淤泥的土质上，不会设置大的风电塔，也不可能有大且重的桩柱。
（B）可适当增加下浮体在泥面的沉入深度。对2m左右的浅层淤泥，直接压入并座落在该层之下条件更好的土层上。当淤泥层较厚时，增加插深（如3米~4米），由于土体有效重量压头的作用，单位面积承载力也会进一步提升，而且一般情况下淤泥本身的抗剪随着深度的增加也会有所增加。
必须指出，对付外力矩，本设计的要领是双重安全保护。下浮体的水系统，已基本可以平衡外载力矩，座底和几只小桩是第二层保证，以适应千差万别的不同土质。
由于座底式打桩船是个新生事务，特别是海下泥层千差万别，因之在针对上述三个主要问题给予对策之后，我们也研究并回答了几个伴生问题
（1）在下浮体座底后，微沉入泥中，下浮体是否照旧存在浮力？
按照土力学理论，平台下浮体座底后浮力是存在的，原因是海底土壤内部实际上是由土颗粒和空隙组成的，内部存在肉眼看不见的大量孔隙，如同海绵一样，如图11所示。海底的粘土、淤泥等基本都是饱和土（所有孔隙都被水充满），并且含水量非常高，可以高达50%~100%。最重要的是，这些孔隙水通过空隙与外界（海洋）的水是相联通的。因此，海水中的静水压力分布不受土层的影响，如图11和图12所示。因此，下浮体座在海底时，浮体上下表面仍然存在静水压力差，与在海水中一样，从而保持浮力不变。该结论为土力学最基本的结论之一，得到了大量文献和试验的验证。因此，该平台在座底时，下浮体可提供足够的浮力来减轻座底时海底的压力。
图11 土壤的三相组成示意
图12 海底静水压力分布
（2）作业完成后如何脱底上浮？
所有与海底土壤接触的结构在上拔时受到海底吸附力的作用，座底船亦然。但有所不同， 因为收拢下浮体时，上船体已沉入水中，全船重量皆由上船体的浮力承担，泥层的粘滞力和瞬时局部真空等阻尼作用一般远小于浮体的上浮力，只要排水，浮体可产生1.5万吨巨大浮力即可令下浮体脱离泥层的约束上浮。但也可能有个别情况，即遇到粘滞力特别强的“黄泥巴”土，这时可通过本船备有的高压冲桩系统冲水，或利用四只脚上齿轮系统增加上拔力等措施仍会顺利解决。
（3）如何保持下浮体刚性？
本座底船的由钢管构成的下部浮体是个长约70余米，宽36米，高8米的长方形，具有足够大的刚度和强度，其受载后的变形在允许范围之内，己另作校核。由于海底情况复杂，本设计接地面积3000平米是理想情况，实际接触随时间多少有个调整过程（水中泥受压后会流动）由小而大再趋于稳定。其次，四腿是集中载荷不是压于浮体钢管上，而是框架上，为此，下浮体在结构上作了使浮力和载荷较均匀分布措施等等。
（4）如何适应有坡度即在斜面上或凸凹不平的场地工作？
座底船的上船体与下浮体通过四只直径为4米的圆筒型桩腿相连接，桩腿的上端被圆形长约六米筒状导向约束，只可作伸缩运动，而下端则用铰接与下浮体相连见图13。
图13 桩腿球铰安装示意图
目前揷桩式风电的安装适用于50米以下的水深，风场位于滨海大陆架以内区域，外围深度小于200米。根据资料，大陆架坡度平缓，平均坡度只有1:500。因此座底自升式打桩船作业斜度不会很大。即便如此，该船设计时仍然考虑了坡度的影响，在桩腿和下浮体连接处创新地使用球铰连接方式。至于小凸凹不平地面，因下浮体由大直径钢管构成，刚性极强，不足惧。
（5）如何减少齿条传动机构摩损，延长使用寿命？
这是个凡采用齿条传动的插桩式打桩船均感到棘手的问题。有幸的是座底式打桩船的齿条传动机构不似插桩式并不伸入泥中，因而齿面干净，永不会出现因带泥砂而研磨齿面，加之，我们在齿条设计、热处理和润滑方面均采取特殊措施，力争这个系统与整机同寿命。
（6）如何调遣到海上风场的固定桩位？
座底船虽由上船体和下浮体两部分构成，但调遣时，下浮体收入上船体之内，与一般航行船无异。按DP2的要求，本机装有4+1只舵浆，2只在前3只在后。每只功率1500KW 它的强大能力可以保证在允许作业的风速（六级风）和浪高（1.5～2米）情况下，自行驶至海上风场的下一个桩位。
（7）如何对待恶劣天气？
如众周知：海上航行船在作业时，遇到恶劣天气的传统作法是移泊到锚地， 顺风抛锚等候天气好转。即便己停靠码头，也要解缆移泊到锚地。对于插桩式打桩船，因拔桩困难，迅速移泊几无可能，而对于座底式打桩船，如前己叙，它将如一般船泊一样，可迅速转移至锚地或其它指定场所，不惧恶劣天气，这也正是它的另一个优点。
（8）如何处理暗流“冲砂”。
座落在某些疏松沙土上的不规则建筑物,常因水下暗流的渦旋作用冲刷沙层甚至淘空而使建筑物倾斜产生大事故。
由于“扫海”时,己摸清土层情况,遇到这种沙层,我们基本上采用如下措施以防止“冲砂”现象：首先是提高浮力,减小座底力,然后令小桩插入沙中,保持抗水平力的能力,其三是在外围的浮桶间加装可插入泥中约2米的可拆卸的波形扳,它可有效保护承载面上的砂,不致被冲走（见下浮体构造图）。需要提到,在下浮体外围安装的波形版,能极有效的对抗“冲砂”，但当下浮体收入上船体之后,它凸出于下浮体之外,在完成一个风埸作业需转移时,可将它拆下,以减小拖航阻力。
同时加强管理,因这时剩余座底力不大,下浮体基本半悬浮在水中如半潜船,又贴近在泥面上,退一万步讲,即便边缘沙层被淘空也无惧,根本不可能倾斜。
总之“座底自升式风电打桩船”,是我公司总结了生产多艘插装式打桩船的经验,综合各用户和专家的宝贵指教,拟定的初步方案,现示出聆听领导、专家和业内同行指教,以使它更加完善，为广大用户服务。
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