海上风电场的工程地质勘察
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摘要：通过对海上风电场地质勘察从技术和管理方面的分析研究，总结出了同陆上风电场不一样的勘察管理和技术措施，为以后大规模开展海上风电场勘察积累了宝贵的经验。
关键词：海上风电场 、地质勘察、勘探平台、安全保障、
近年来，在国家政策扶持下，风电建设快速发展，截止2008年底，全国累计建成装机1200余万kW，以陆上风电为主，海上风电尚处于起步阶段。而我国海上风能资源可开发量约1-2亿kW，国家《可再生能源“十一五”规划》提出：要在苏沪海域和浙江、广东沿海探索近海风电开发经验，打造百万千瓦级海上风电基地的目标。
目前，已经在江苏完成了《江苏省海上风电规范》，并在2010年9月份完成了江苏滨海、射阳、东台、大丰等四个海上特许权项目的招投标工作；在浙江也已经在进行浙江海上风电规划，另外一些大型央企也在进行海上风电的勘察与设计，至此，在江苏与浙江沿海已经进行了大量的海上勘察工作。
本文对近段时间开展的海上风电项目地质勘察，从海上风电场地质条件、风机的基础特点及桩型选择、勘察布置及技术要点、勘察施工组织等方面进行阐述。
1．海上风电场的地质条件
1.1 工程地质条件
目前江苏、浙江的海上风电场的沉积环境一般为第四系海相、陆相沉积以及陆、海相交替沉积地层，沉积条件复杂，上部海相沉积多为厚约20~60m的粉土、砂土或淤泥质土层；海相沉积下部一般为陆相或海、陆交互相沉积地层，工程性能较好，一般为可塑～硬塑状粘性土及中密～密实的粉土、砂土层，是风电场风机等构筑物主要的桩基持力层。
上部土层主要存在以下二个方面的特性：
1）欠固结性：由于上部土层为新近沉积土，这些土在自重作用下还没有完全固结，土中孔隙水压力仍在继续消散。
2）粉土、砂土液化：上部20m深度内饱和砂土、粉土需进行液化判别处理，根据海上多个风电场采用标准贯入试验判别法结果，场地20m深度内砂土、粉土具轻微～中等液化势。
下部土层工程性能较好，是风机基础的主要桩基持力层，但应注意下卧层存在软弱夹层，由于软弱夹层的不均匀性，致使在桩基持力层选择时有很大的不确定性，桩基设计过程中应根据持力层的厚度来确定是否考虑穿透软弱下卧层或进行不均匀沉降变形验算。
1.2 水文地质条件
由于孔隙性潜水同海水相通，为海水补给，因此腐蚀性情况相同，地下水化学类型为高矿化度Cl―K+Na型水，海水一般具有对混凝土结构具中等～强腐蚀性，在长期浸水条件下对混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性，在干湿交替条件下对混凝土结构中钢筋具强腐蚀性等特点，设计时需采取防腐措施。
2．海上风电场风机的基础特点及桩型选择
因风电机组为高耸结构建筑物，受水平风荷载时，其水平力和底部弯矩很大，对基础不均匀沉降要求较高，海上风电场由于场地上部土层的工程特性，致使土层承载力和变形不能满足结构要求。且风电场位于近海海域，潮流湍急，基础易受淘蚀，水下施工困难，故不宜采用天然地基。而桩基础具有承载力高，沉降小且均匀、抗震性能好等特点，能够较好的承受垂直荷载、水平荷载、上拔力及由风产生的振动或动力作用。故风电机组基础建议采用桩基础。
海上风电场的风电机组基础桩型一般采用PHC管桩或钢管桩，PHC管桩与钢管状均为挤土桩，不存在施工用水问题，焊接桩较方便，桩的侧摩阻力和端阻力也较大，施工速度快，质量易保证。钢管桩较PHC管桩耐打及耐压性好，抗水平承载力大，沉桩相对较容易，可选择较大的锤重锤击沉桩，装卸运输方便，不易破损，但造价较高。PHC管桩连续穿透可塑～硬塑状粘性土及中密～密实的粉土、砂土层较困难。因此，海上风电场的桩基类型建议选择钢管桩，以下部可塑～硬塑状粘性土及中密～密实的粉土、砂土层作为桩端持力层，桩端进入持力层深度不少于2D，桩端下持力层厚度不少于3D。
3．海上风电场勘察布置及技术要点
根据工程设计需要及有关风电项目生产技术管理规定，目前海上风电场勘探孔布置原则，在预可研、可研阶段，一般10万kW海上风电场至少布置6个勘探孔，20万kW海上风电场至少布置9个勘探孔，30万kW海上风电场至少布置12个勘探孔，勘探线不宜少于2―3条，勘探孔一般宜等间距布置，以钻孔为主，原位测试孔为辅，对于地质条件复杂的场址适当增加勘探孔勘探线，海上、陆上变电站或集控中心位置宜有一个勘探孔；在技施阶段，应在设计微观选址最终确定风机布置方案的基础上，每台风机布置不宜少于2个勘探孔。根据江苏、浙江近海的工程地质条件，钻孔孔深一般大于80m，且钻孔进入稳定的持力层不少于8倍桩径，确保满足桩基设计和沉降验算要求。
海上风电场勘察一般采取钻探取土鉴定、现场原位测试及室内土工试验相结合方法。现场原位测试包括静力触探试验、标准贯入试验、重型圆锥动力触探以及电阻率测试、单孔剪切波速测试；室内土工试验除进行常规试验外，还需进行三轴固结不排水、三轴不固结不排水试验，对于特殊工程地质条件还有针对性地进行特殊试验，桩基持力层及其下卧层应根据桩基荷载情况应进行高压固结试验，以满足沉降验算的要求，最大固结压力应大于桩端处的附加应力加土的自重压力，对于欠固结土的最大固结压力应根据先期固结确定。
相对于陆上风电，海上风电基础承受上部塔架传来的较大的水平力和倾覆力矩，并直接承受波浪力和海流力。这些荷载具有明显的动力和循环特性，导致基础结构的荷载响应表现出明显的动力和疲劳特性。同时，由于基础水平变形较大，地基土容易产生塑性变形，软土地基在循环荷载作用下也表现出一定的强度衰减。因此，为反映风机荷载和波浪荷载动力循环作用下软土的强度衰减和桩基水平大变形的特点，须采取基于p~y曲线方法的弹塑性计算模型来进行桩基结构计算。p～y曲线法是目前计算横向受荷桩的重要方法之一，尤其适用于发生较大变位的横向受荷桩。海洋工程中的高桩结构物、港口工程中的靠船墩台等结构在水平荷载作用下，发生较大变位时，p～y曲线法比传统的假想嵌固点法、m法等能更好的反映桩土相互作用，经过国内外一系列工程的实测验证，其计算结果与实测值吻合相对较好。而对p～y曲线相关参数的确定是十分复杂的，需要大量的土力学试验数据及现场原位测试数据的支撑，涉及到地质参数主要有粘性土的不固结不排水剪凝聚力Cu值、砂土内摩察角Φ。
4．勘察施工组织
4.1 施工准备
海上风电场工程勘察成本高、风险大，根据工程勘察的目的和技术要求，首先要做好施工的前期准备工作。
收集拟勘察区域的地形图、航海图、水深图及水文潮汐观测资料，了解该水域海底地形、航道分布、水深和潮汐变化规律。为制定切实可行、安全经济的钻探方法和技术措施打下了良好的基础。
按国家和当地政府的相关法规和规定，施工前，将工作业区的位置、作业时间、施工船只和人员名单等上报海事部门、港航监督、边防等部门，申请海域施工许可证。
4.2 勘探设备的选择
海上风电场勘察所需勘探船的吨位宜根据收集的地形图、航海图、水深图及水文潮汐观测资料，以及钻孔深度等来确定。可采用一艘500~1000吨的铁驳施工船或货船来安装勘探平台，另配置一艘100吨左右的铁驳渔船作为交通船；或采用二艘150~200t的铁驳渔船来安装勘探平台，另配置一艘100吨左右的铁驳渔船作为交通船。钻机设备采用300型钻机。
4.3 安全保障措施
海上风电场勘察同陆上风电场相比，最突出的问题是安全问题主要为：①海上勘探施工中突遇大风大浪、涨大潮等恶劣气候；②勘探平台移动等过程中措施不当有可能发生人员伤亡或财物损失事故。为做好海上勘探事故防范与处置工作，保证海上勘探作业安全有序进行，应成立项目部安全管理小组，设置专职安全员，明确安全生产责任制，并建立健全安全生产管理制度，建立相应的管理措施和应急响应预案。具体措施如下：
1）选择强度高、稳定性好、具备自航能力的船只，船只下海前应仔细检修，并且经船舶检验部门检验合格且航行证件齐全，船员均具备船员资质、体质适宜、熟悉当地海况。
2）勘探船上应设有施工作业标志及信号灯，锚头上应栓捞绳，捞绳长度大于水深1~2m，在捞绳尾部栓系浮筒及信号灯，避免往来船只靠近作业区拖断锚绳。
3）船上备有救生圈、救生衣，工作人员在有潮水期间施工必须穿救生衣，船舷处应备有防护措施，夜间施工时配备发电机照明，防止作业人员不慎落水。
4）船上应具备相应的高频收音机或对讲机等通讯设施。
5）作业前必须对现场作业人员进行水上基本安全知识及安全操作规程教育。并制定应急方案，以备紧急情况的发生。注意天气预报的收听，最好委派专人每天按时收听，遇特殊天气，应迅速停钻并及时将套管撤出，船只开至安全地点。
5．结语
近几年来，由于风电建设快速发展，已经在江苏、浙江沿海滩涂上勘探了上千个勘探孔，在潮间带和近海勘探了数百个勘探孔，积累了丰富的实践经验。通过对大量的海上风电场地质勘察，从技术和管理方面的分析研究，总结出了同陆上风电场不一样的勘察管理和技术措施，为以后大规模开展海上风电场勘察积累了宝贵的经验。
作者简介：张祖国（1973-），男，浙江杭州人，高级工程师，注册土木工程师（岩土）、研究方向为工程地质与水文地质专业。
林云生（1962-），男，浙江宁海人，工程师。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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