柴達(dá)木盆地戈壁灘風(fēng)電場(chǎng)地基土工程特性及建設(shè)適宜性淺析

郭 允，劉超楊

（1.國(guó)家能源集團(tuán)海西光伏發(fā)電有限公司，青海 海西蒙古族藏族自治州 817000；2.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

中國(guó)大西北地區(qū)戈壁灘地廣人稀，自然環(huán)境惡劣，環(huán)境承載力差，生物多樣性貧乏，但蘊(yùn)藏有巨量的可利用資源，“風(fēng)能”是最為典型的資源之一[1]。在國(guó)家大力推廣新能源、新型電力系統(tǒng)大背景下，2030年前實(shí)現(xiàn)風(fēng)能、太陽能總裝機(jī)達(dá)到12億kW以上目標(biāo)，戈壁風(fēng)電建設(shè)是其中最重要的環(huán)節(jié)之一[2]。目前對(duì)戈壁資源的開發(fā)還處于初級(jí)階段，相應(yīng)的工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)不足。本文以青海省大柴旦某風(fēng)電建設(shè)場(chǎng)地為例，對(duì)戈壁場(chǎng)地工程特性及工程建設(shè)適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。

1 戈壁基本地質(zhì)及風(fēng)機(jī)常用基礎(chǔ)形式

1.1 戈壁基本地質(zhì)

柴達(dá)木盆地位于青海省中西部，為昆侖山、祁連山、阿爾金山環(huán)繞的內(nèi)陸高原盆地，呈不規(guī)則棱形，海拔2 675～3 350 m，面積約25萬km2。受到地質(zhì)構(gòu)造的控制，盆地地勢(shì)整體西北向東南傾斜。同時(shí)從山地向盆地中心具有明顯的帶狀分布，表現(xiàn)為隆起的剝蝕山地、山前洪積平原、湖積平原以及一些過渡地帶。

晚全新世以來，湖泊和河流的侵蝕、風(fēng)化以及風(fēng)力作用持續(xù)地改造柴達(dá)木盆地內(nèi)部地貌，形成包括雅丹、丹霞、風(fēng)蝕劣地、固定沙丘、流動(dòng)沙丘、半固定沙丘、鹽堿地和礫、砂戈壁等地貌[3]。

研究區(qū)戈壁分布范圍廣，面積約為4.6萬km2，為盆地內(nèi)最為典型的地貌類型之一。盆地內(nèi)戈壁大部分是洪積成因的，少量是沖-洪積，為常年流水河流及季節(jié)性河流攜帶大量礫、砂堆積形成洪積平原，自砂源向遠(yuǎn)處顆粒逐漸變細(xì)，磨圓漸好。盆地所處荒漠氣候區(qū)，降雨量遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量，近地表多形成鹽堿地。區(qū)內(nèi)含鹽化學(xué)成分不同，形成的鹽漬土具有腐蝕性、溶陷性，部分區(qū)域土具有鹽脹特征。

1.2 風(fēng)資源特征

柴達(dá)木盆地是青海省風(fēng)能儲(chǔ)量最大的幾個(gè)地區(qū)之一，盆地平均風(fēng)功率在25～75 W/m2之間，風(fēng)能可用時(shí)間在3 000～5 000 h[4]。盆地地勢(shì)西北高、東南低，南北向均為高山，西北向?yàn)榕璧貎?nèi)優(yōu)勢(shì)風(fēng)向，年8級(jí)以上大風(fēng)可達(dá)25～75 d，風(fēng)力資源十分豐富[5]。

1.3 風(fēng)電基礎(chǔ)選擇

風(fēng)機(jī)常用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式有擴(kuò)展基礎(chǔ)、梁板基礎(chǔ)、巖石預(yù)應(yīng)力錨桿基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)及預(yù)應(yīng)力筒型基礎(chǔ)，NB/T 10311—2019《陸上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中給出了不同工程場(chǎng)址地質(zhì)條件下適用的基礎(chǔ)選型。戈壁灘涂一般為礫砂、粗至粉砂地層，其特點(diǎn)為土層厚度大、結(jié)構(gòu)密實(shí)，擴(kuò)展基礎(chǔ)最為典型。

2 研究區(qū)基本地質(zhì)條件

本次研究選點(diǎn)為柴達(dá)木盆地東北部大柴旦地區(qū)，研究區(qū)范圍約（10×10）km2，為一典型戈壁場(chǎng)地。場(chǎng)地地勢(shì)向南單斜，為柴達(dá)木盆地北緣盆內(nèi)山前洪積沙坪[7]，整體屬剝蝕-洪積傾斜平原戈壁地貌[8]，如圖1所示。場(chǎng)地分布第四系上更新統(tǒng)（Q3）砂層及全新統(tǒng)（Q4）砂層，Q3地層主要由北側(cè)綠梁山山洪攜帶剝蝕沖蝕砂層沉積形成，Q4則為后期山洪剝蝕綠梁山及Q3沉積地層推向更遠(yuǎn)沉積而成，典型剖面如圖2所示。

圖1 研究區(qū)地理位置及地貌

圖2 研究區(qū)北—南向典型地質(zhì)剖面

勘探及調(diào)查表明，研究區(qū)地下水位在300 m以上，且隨著深度變化，水體含鹽量逐漸降低，淺層多為鹵水，揭穿穩(wěn)定隔水層后，深層可獲取潔凈穩(wěn)定地下水。

2.1 土層特性

研究區(qū)土層為上更新統(tǒng)至全新統(tǒng)洪積砂層，土層厚度大。室內(nèi)顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果顯示，砂層以礫砂、粗砂、細(xì)砂、粉砂4種砂質(zhì)組成。研究區(qū)不同深度范圍20件土樣室內(nèi)顆粒分析，統(tǒng)計(jì)各個(gè)粒徑區(qū)間的砂體質(zhì)量，繪制的顆粒級(jí)配曲線如圖3所示。

圖3 顆粒級(jí)配曲線

在不同土層深度取樣15件做室內(nèi)含鹽量分析，依據(jù)土層含鹽量標(biāo)準(zhǔn)（＞0.3%）判定場(chǎng)地土為非鹽漬土—中鹽漬土，整體含鹽量深度關(guān)系表現(xiàn)為隨深度增加含鹽量呈對(duì)數(shù)減弱趨勢(shì)。場(chǎng)地土含鹽類型為亞氯鹽，含鹽量深度關(guān)系如圖4所示。

圖4 含鹽量深度關(guān)系圖

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

地質(zhì)勘察過程中粗粒土獲取原狀原土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)是十分困難的，圓錐形動(dòng)力觸探試驗(yàn)（DPT）及標(biāo)準(zhǔn)貫入（SPT）試驗(yàn)等現(xiàn)場(chǎng)貫入性原位試驗(yàn)是十分有效的室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)替代方法。貫入性原位試驗(yàn)?zāi)軌颢@得不同深度土層貫入特性，從而對(duì)土體進(jìn)行分層，評(píng)價(jià)土體物理力學(xué)性狀，推導(dǎo)力學(xué)指標(biāo)（強(qiáng)度、承載力）等，為工程建設(shè)提供必要的設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)指標(biāo)。

本次研究過程中在研究場(chǎng)地網(wǎng)格狀布置試驗(yàn)點(diǎn)，對(duì)場(chǎng)地土進(jìn)行動(dòng)力觸探及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。

2.2.1 動(dòng)力觸探試驗(yàn)

分別對(duì)粗砂層、細(xì)砂層進(jìn)行圓錐形動(dòng)力觸探試驗(yàn)，并繪制成果直方圖，如圖5所示。結(jié)果顯示，粗砂（礫砂）層動(dòng)探擊數(shù)在40～83之間，均值為55.8，眾數(shù)為55。細(xì)沙層動(dòng)探擊數(shù)在33～55之間，均值42.6，眾數(shù)為41。兩類砂層數(shù)據(jù)較離散，總體趨勢(shì)為粗砂（礫砂）大于細(xì)砂。

圖5 動(dòng)探擊數(shù)N63.5頻率直方圖

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中粗砂進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，結(jié)果擊數(shù)非常大，且多數(shù)情況下出現(xiàn)反彈，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件基礎(chǔ)上，整理了完成的3段粗砂標(biāo)貫試驗(yàn)及26段細(xì)砂標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，數(shù)據(jù)成果繪制成直方圖，如圖6所示。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)頻率直方圖

成果顯示粗砂標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)均在60擊以上，均值130。細(xì)砂26段標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，擊數(shù)14～250，均值70，其中小于30的有兩段。

3 力學(xué)參數(shù)推定

3.1 密實(shí)度判斷

動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果顯示，粗砂層N63.5值為40～83，依據(jù)規(guī)范JGJ 340—2015[9]相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，該層土為密實(shí)土。細(xì)沙層動(dòng)力觸探結(jié)果N63.5在33～55之間，也為密實(shí)土。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果顯示，除局部細(xì)沙層為稍密—中密外，其余均為密實(shí)。試驗(yàn)結(jié)果分析推定，研究區(qū)戈壁場(chǎng)地洪積粗粒土主要為密實(shí)狀態(tài)，局部淺表層含稍密—中密土體。

3.2 力學(xué)參數(shù)推定

結(jié)合現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式及關(guān)系對(duì)研究區(qū)土層物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行推定。

依據(jù)工程地質(zhì)手冊(cè)[10]重型動(dòng)力觸探擊數(shù)推算土層變形模量相關(guān)公式：

參考工程地質(zhì)手冊(cè)[10]關(guān)于內(nèi)摩擦角及JGJ 340—2015規(guī)范[9]、TB 10018—2018規(guī)程[11]關(guān)于地基承載力相關(guān)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。推定土層參數(shù)值如表1所示。

表1 戈壁粗粒洪積土推定物理力學(xué)參數(shù)

表1 （續(xù)）

4 場(chǎng)地工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

4.1 區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性

研究區(qū)屬柴達(dá)木盆地東北緣沖積平原，平原區(qū)第四系與基巖直接接觸，也基本屬于第四紀(jì)的斷陷谷地，而第四紀(jì)以來山區(qū)呈間歇性大幅度上升，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)形式為盆地周邊山地隆起，盆地自身下陷，區(qū)域上新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較活躍。

建設(shè)場(chǎng)址屬Ⅱ類場(chǎng)地，所處地震區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.10g，相應(yīng)地震烈度VII度，基本地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.40 s。場(chǎng)址50 km范圍內(nèi)無發(fā)震斷裂分布，按照NB/T 35098—2017規(guī)范[12]綜合判斷工程區(qū)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較好。

4.2 場(chǎng)地穩(wěn)定性及地基均勻性

戈壁場(chǎng)地地勢(shì)開闊、地形平緩，周邊無引起場(chǎng)地失穩(wěn)的邊界地質(zhì)條件，無崩塌滑坡、地面塌陷，場(chǎng)地穩(wěn)定性好。

場(chǎng)地地基土為中密—密實(shí)礫砂、粗砂層及稍密—中密細(xì)砂（粉砂）層和密實(shí)細(xì)砂粉砂層，土層厚度大，物質(zhì)成分相對(duì)均勻。

土層密實(shí)度依據(jù)動(dòng)力觸探試驗(yàn)雖然有一定差異，但整體為密實(shí)狀態(tài)，局部淺層含稍密—中密土體，整體而言地基均勻性好。

4.3 地基土地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

研究場(chǎng)地內(nèi)主要土層為洪積砂層，為中密—密實(shí)礫砂、粗砂層及稍密—中密細(xì)砂（粉砂）層和密實(shí)細(xì)砂粉砂層，成份以長(zhǎng)石、石英為主，土體均一性好。

土層含鹽量較高，且從表層至下逐漸減弱，為中鹽漬土—非鹽漬土，土層具有弱—強(qiáng)腐蝕性及溶陷性，工程建設(shè)過程需進(jìn)行防腐及地基處理。

土體結(jié)構(gòu)密實(shí)，均勻性好，物理力學(xué)性質(zhì)較好，適宜選做風(fēng)機(jī)塔基基礎(chǔ)。同時(shí)在基礎(chǔ)選型過程中，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、施工便捷性等因素，適宜采用擴(kuò)展基礎(chǔ)。

4.4 建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)

研究場(chǎng)地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較好，屬于抗震一般地段。擬建場(chǎng)地地形平坦，地貌簡(jiǎn)單，場(chǎng)地整體穩(wěn)定。巖土分布相對(duì)均勻，工程性質(zhì)好。綜合評(píng)價(jià)場(chǎng)地適宜風(fēng)電工程建設(shè)。

5 結(jié)語

柴達(dá)木盆地戈壁分布廣，蘊(yùn)藏有巨量風(fēng)能資源，在國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”大目標(biāo)背景下，戈壁風(fēng)電資源開發(fā)具有十分重大的意義。戈壁土多為洪積土層，土體粒徑粗，天然密實(shí)度大，含鹽量高，物理力學(xué)性質(zhì)良好，但也具有腐蝕性及溶陷性等工程不利特性。

典型案例區(qū)屬柴達(dá)木盆地東北緣典型沖積平原，場(chǎng)地區(qū)域構(gòu)造、場(chǎng)地地基穩(wěn)定性好，地基土土質(zhì)均勻，地基承載力高，建設(shè)適宜性好。

研究區(qū)研究場(chǎng)地內(nèi)主要土層為洪積砂層，土層含鹽量從表層至下為中鹽漬土—非鹽漬土，土層具有中—強(qiáng)腐蝕性及溶陷性，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮地基土腐蝕性及地基土溶陷性。

總體而言，中國(guó)大西北地域廣闊，蘊(yùn)藏的風(fēng)能、太陽能及其他資源值得我輩能源建設(shè)人員深耕開發(fā)，同時(shí)戈壁地廣人稀的自然環(huán)境為工程建設(shè)避開了多數(shù)建設(shè)制約條件，非常適宜工程建設(shè)。