巖溶山區(qū)風(fēng)電場勘察方法探討

劉漢陽

(湖北省電力勘測設(shè)計(jì)院，湖北武漢 430040)

0 引言

風(fēng)電是近年來發(fā)展最快的新興可再生能源，到2010年年底，全球累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量約2億kW，最近5年年均增長率約30%。根據(jù)我國“十二五”時(shí)期發(fā)展目標(biāo):2015年，投入運(yùn)行的風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到1億kW，年發(fā)電量達(dá)到1 900億kWh，風(fēng)電發(fā)電量在全部發(fā)電量中的比重超過3%。大陸殼75%地區(qū)是沉積巖，沉積巖的15%則是由碳酸鹽組成［1］。巖溶山區(qū)，山體相對高差大，巖溶發(fā)育的不確定性和隱蔽性，勘察難度大。巖溶山體風(fēng)資源豐富區(qū)域，為良好的風(fēng)電場。在安全可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的基礎(chǔ)上，如何進(jìn)行有效的勘察工作。本文通過湖北利川齊岳山4座風(fēng)電場的勘察經(jīng)歷，分析和總結(jié)各種勘測方法的適用性與經(jīng)濟(jì)性，總結(jié)適合巖溶山區(qū)風(fēng)電場勘察的方法。

1 巖溶山區(qū)與風(fēng)電場的特點(diǎn)分析

1.1 巖溶山區(qū)特征

巖溶是指地下水和地表水對可溶性巖石的化學(xué)作用和物理作用及其形成的水文現(xiàn)象和地貌現(xiàn)象。

巖溶包括溶洞的發(fā)育，一般應(yīng)具備四個(gè)條件:可溶性的巖石、巖石具有結(jié)構(gòu)裂隙通道、流動的地下水、水具有侵蝕性［2］。

巖溶發(fā)育的影響因素:地形地貌、空間位置、地殼運(yùn)動、氣候、水文條件等［3］。

湖北利川齊岳山山脈，山體高差大，地下水埋藏深，四季雨量大，形成了良好的灰?guī)r溶蝕環(huán)境。

湖北利川齊岳山，位于湖北西部與重慶云陽交界，齊岳山山脈在大地構(gòu)造單元上屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺上揚(yáng)子臺坪八面山臺褶帶的利川臺褶束西部地段，受齊岳山背斜和齊岳山斷裂的影響。

風(fēng)場區(qū)域?yàn)槟掀鳌逼珫|走向山脈，地形地貌屬于中山區(qū)，海拔高度在1 485 m～1 735 m之間，為良好的風(fēng)電場建設(shè)地。風(fēng)機(jī)位多位于山頂及山脊，林木稀少，多為灌木林及油竹林，局部為人工開墾的旱地。風(fēng)機(jī)區(qū)域?qū)俚湫偷膸r溶地貌。風(fēng)機(jī)位地段基巖出露，多為半裸露石芽，溶溝、溶槽及溶蝕裂隙強(qiáng)烈發(fā)育;區(qū)內(nèi)地表分布有塌陷漏斗、塌陷坑，出露基巖溶蝕強(qiáng)烈等(見圖1)。

圖1 山頂?shù)乇韼r溶發(fā)育情況

1.2 風(fēng)電場勘察特點(diǎn)

齊岳山風(fēng)電場，多為一山一風(fēng)機(jī)的模式，風(fēng)電基礎(chǔ)主要采用圓形梁板式(圓筏式)，直徑16 m～18 m，基礎(chǔ)埋深3.0 m～4.0 m，持力層為中風(fēng)化灰?guī)r。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)底面總荷載(風(fēng)機(jī)和基礎(chǔ)與基礎(chǔ)上的土體):Fk+Gk=20 000 kN。

最大偏心彎矩:Mkmax=14 000 kN·m。

軸心荷載作用時(shí)基礎(chǔ)底面的平均壓力值:Pk=95 kPa。

偏心荷載作用下，基礎(chǔ)邊緣的最大壓力值:Pkmax=190 kPa;Pkmin=0 kPa;基礎(chǔ)底面脫開面積約12%。

齊岳山山體，第四系覆蓋層較薄，多為0.5 m～3.0 m，局部基巖直接裸露，基巖為三疊系下統(tǒng)(T1)中厚層狀灰?guī)r，灰色、灰白色，中風(fēng)化，微晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，山體地表多直接半裸露，層理明顯，溶蝕強(qiáng)烈，巖層走向以北東或南西為主。巖石地基承載力特征值:fa=1 500 kPa～2 500 kPa。中風(fēng)化灰?guī)r完全滿足風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)承載力的要求。

2 勘察方法分析

風(fēng)電場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)持力層為中風(fēng)化灰?guī)r，其承載力滿足風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的要求:

勘察工作的重點(diǎn)為查明地基中巖溶的發(fā)育情況，保證風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)地基的整體穩(wěn)定性。勘測工作中具體查明擬建工程范圍及有影響地段的各種巖溶洞隙的位置、規(guī)模、埋深，巖溶堆填物的形狀和地下水特征。

巖溶勘察采用的方法:工程地質(zhì)測繪和調(diào)查，物探、鉆探等多種手段結(jié)合的方法進(jìn)行。

2.1 工程地質(zhì)測繪和調(diào)查

工程地質(zhì)測繪和調(diào)查作為一項(xiàng)最基本的勘察方法，在巖溶勘察中具有:實(shí)用性強(qiáng)，實(shí)施簡單。工作中，重點(diǎn)調(diào)查下列問題:

1)巖溶洞隙的類型，形態(tài)、分布和發(fā)育規(guī)律。

2)基巖面起伏、形態(tài)和覆蓋層厚度。

3)地下水賦存條件、水位變化和運(yùn)動規(guī)律。

4)巖溶發(fā)育與地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層陽新、地下水的關(guān)系。

5)調(diào)查訪問當(dāng)?shù)卮迕駧r溶的信息。

在齊岳山風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)位勘察中，首先進(jìn)行工程地質(zhì)測繪和調(diào)查工作，保證風(fēng)機(jī)位30 m范圍內(nèi)，地表無明顯的溶洞或塌陷坑，地表穩(wěn)定等。對于出現(xiàn)直徑小于3 m的溶洞，應(yīng)分析溶洞的長度與寬度，近年的塌陷情況，是否在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)邊緣位置等，再判斷是否適合風(fēng)機(jī)的建設(shè);對于直徑大于3 m的溶洞，應(yīng)評價(jià)溶洞的穩(wěn)定性，是否可進(jìn)行工程處理或進(jìn)行風(fēng)機(jī)的位移處理，巖溶發(fā)育的地段，可直接否定該風(fēng)機(jī)位。

該方法存在的問題是:不能有效的對風(fēng)機(jī)位地基進(jìn)行觀察，僅能對地表巖溶進(jìn)行描述。

2.2 物探方法

巖溶地區(qū)，對比物探勘探的各種方法，現(xiàn)分析在當(dāng)前運(yùn)用最廣泛，適用價(jià)值最高的兩種方法:高密度電阻率法(簡稱:高密度電法)和地質(zhì)雷達(dá)法。

高密度電法是以不同巖(礦)石之間導(dǎo)電性能差異為基礎(chǔ)，通過接地電極在地下建立人工電場，用電測儀器觀測因不同導(dǎo)電地質(zhì)體存在時(shí)地表電場的變化，從而推斷和解釋地下地質(zhì)體的分布或產(chǎn)狀，達(dá)到解決地質(zhì)問題的目的。高密度電法的裝置特點(diǎn)是它能在地面陳列式一次性敷設(shè)幾十個(gè)甚至上千個(gè)電極，按設(shè)定程序迅速完成數(shù)百個(gè)乃至數(shù)萬個(gè)數(shù)據(jù)的采集，從而獲得大量的地電信息;同時(shí)，它實(shí)行密集采樣來提高采樣率，用“多次覆蓋”的方法來提高信噪比(多次覆蓋是指由不同的供電電極、不同的測量電極在地電斷面上相同的“點(diǎn)”進(jìn)行多次測量)。高密度電阻率法又叫電阻率層析成像，是集電剖面法和電測深法的特點(diǎn)為一體的一種地學(xué)層析成像技術(shù)。因此，是高精度的直流電法，能形象直觀地反映出地下地質(zhì)體的空間特征。

該方法的優(yōu)點(diǎn):成果運(yùn)用成熟，受地形的影響較小，且所得的成果較清晰，干擾少。缺點(diǎn):測線剖面要求較長(多大于50 m)，測點(diǎn)與基巖裸露區(qū)域接觸較差。

地質(zhì)雷達(dá)由主機(jī)、天線和配套軟件等幾部分組成，根據(jù)電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播特性，發(fā)射天線向被測介質(zhì)發(fā)射高頻脈沖電磁波，當(dāng)其遇到不均勻體(界面)時(shí)會反射一部分電磁波，其反射系數(shù)主要取決于被測介質(zhì)的介電常數(shù)，雷達(dá)主機(jī)通過對此部分的反射波進(jìn)行適時(shí)接收和處理，達(dá)到探測識別目標(biāo)物體的目的。

該方法的優(yōu)點(diǎn):測線較短(可為15 m～30 m);地質(zhì)雷達(dá)直接利用基巖表面探測巖溶，可探測到規(guī)模較小的洞悉［4］。缺點(diǎn):現(xiàn)場電磁波干擾因素較多，測量過程中天線與地面耦合條件較差。

2.3 鉆探方法

巖芯鉆探取芯，可直接查明巖石成分、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、厚度等，溶洞頂板厚度，溶洞的充填情況、充填物性質(zhì)，地下溶洞、暗河的分布等。

該方法成熟、直觀，可直接對風(fēng)機(jī)位巖芯進(jìn)行觀察描述。

該方法存在的問題是:鉆探點(diǎn)的情況，不能代表風(fēng)機(jī)位整個(gè)地基的情況，且在山頂鉆探，設(shè)備與鉆探用水較為困難。在利川齊岳山進(jìn)行風(fēng)機(jī)位鉆探，平均1個(gè)鉆孔需7 d～15 d，費(fèi)用高，勘測效果一般等。

2.4 勘探方法的選用

根據(jù)現(xiàn)場巖溶山區(qū)地貌的特點(diǎn)，在多次試驗(yàn)與嘗試的情況下，巖溶山區(qū)風(fēng)機(jī)位的勘察主要采用如下方法:

1)理論風(fēng)機(jī)位的工程地質(zhì)測繪和調(diào)查，避開地表巖溶強(qiáng)烈發(fā)育帶;

2)風(fēng)機(jī)位的地質(zhì)雷達(dá)勘測，地表下無大的異常點(diǎn);

3)選取代表性風(fēng)機(jī)點(diǎn)，對一般的地質(zhì)雷達(dá)異常點(diǎn)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，驗(yàn)證風(fēng)機(jī)位保證在1/3以上，保證地質(zhì)雷達(dá)的可靠性。

3 結(jié)論與建議

湖北利川齊岳山風(fēng)電場的勘測過程中，采用了工程地質(zhì)測繪和調(diào)查與地質(zhì)雷達(dá)勘測為主，鉆探為輔的方法，現(xiàn)場開挖揭露的地質(zhì)情況，基本與勘測報(bào)告中建議的問題相符。該方法效果明顯，成本較低，適合巖溶山區(qū)風(fēng)電場等類似工程野外工程的勘測。

［1］楊景春，李有利.地貌學(xué)原理［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2005.

［2］劉之葵，梁金城.巖溶區(qū)溶洞及土洞對建筑地基的影響［M］.北京:地質(zhì)出版社，2006.

［3］《工程地質(zhì)手冊》編委會.工程地質(zhì)手冊［M］.第4版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［4］張 琳，石遠(yuǎn)華，俞仁泉.探地雷達(dá)在巖溶勘察中的應(yīng)用［J］.西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010(6):51-52.