海上風(fēng)電項(xiàng)目精細(xì)化地質(zhì)勘察分析

摘要：我國(guó)海上風(fēng)能資源豐富，近幾年，海上風(fēng)電發(fā)展較快，已達(dá)到先進(jìn)水平。海上作業(yè)難度大，條件復(fù)雜多變，風(fēng)電項(xiàng)目的地質(zhì)勘察面臨巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的陸地或近岸勘察設(shè)備已無(wú)法滿(mǎn)足精細(xì)化地質(zhì)勘察的要求。以廣東省東部沿海某海上風(fēng)電項(xiàng)目為例，結(jié)合相應(yīng)的勘察設(shè)備，分析鉆探與靜力觸探的綜合應(yīng)用，探索成果統(tǒng)計(jì)精細(xì)化和管理精細(xì)化，以期提高我國(guó)海上風(fēng)電勘察能力和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；精細(xì)化地質(zhì)勘察；鉆探；靜力觸探

中圖分類(lèi)號(hào)：TV221 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）07-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.031

Analysis on Refined geological survey of offshore wind power projects

ZHOU Sheng， XU Qi

（CCCC FHDI Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou 510230， China）

Abstract： China has abundant offshore wind energy resources， in recent years， offshore wind power has developed rapidly and has reached an advanced level. Offshore operations are difficult and the conditions are complex and varied， and geological surveys for wind power projects face enormous challenges， and traditional land or nearshore survey equipment can no longer meet the requirements of refined geological surveys. Taking a certain offshore wind power project along the eastern coast of Guangdong province as an example， combined with corresponding survey equipment， the comprehensive application of drilling and static penetration testing is analyzed， and the refinement of statistical results and management is explored， in order to improve China’s offshore wind power survey capability and quality.

Keywords： offshore wind power; refined geological survey; drilling; static sounding

擬建海上風(fēng)電場(chǎng)位于廣東省東部沿海，離岸20～30 km。場(chǎng)址規(guī)劃面積約為29 km2，海底水深介于19～26 m，它屬于近海風(fēng)電場(chǎng)。項(xiàng)目規(guī)劃裝機(jī)總?cè)萘繛?22 MW，擬布置46臺(tái)7.0 MW風(fēng)電機(jī)組，同時(shí)配套建設(shè)1座220 kV海上升壓站和陸上開(kāi)關(guān)站。

1 工程概況

1.1 海域特征

廣東省沿海海浪主要受熱帶氣旋和季風(fēng)影響，一般東北向的海浪平均波高大于西南向的海浪。西南季風(fēng)期的浪和涌平均波高小于東北季風(fēng)期的浪和涌。根據(jù)項(xiàng)目附近海洋站2012—2015年實(shí)測(cè)波浪資料，年平均波高為0.9 m，歷年最大波高為6.1 m，波向?yàn)楸北睎|，該數(shù)據(jù)采集于超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天兔”影響期間。年平均周期為4.9 s，最大周期為13.0 s。

廣東省近岸海域的海流分布較為復(fù)雜，粵東的東部海域全年為東北向流，平均流速約為0.25 m/s，粵東的西部海域、珠江口外海及其西部海域的冬半年以西南向流為主，平均流速介于0.25～0.45 m/s，下半年為東北向流，平均流速為0.25～0.40 m/s。工程海域潮流性質(zhì)屬不規(guī)則半日潮流區(qū)，一日兩潮不等現(xiàn)象比較顯著。受巴士海峽的沿海岸分支潮波影響，區(qū)域性潮流漲潮為北東流向，落潮為南西或南流向，潮流類(lèi)型主要為地形控制的往復(fù)流。

1.2 地形地貌

海上風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)主要為水下侵蝕-堆積平原地貌單元，海床底質(zhì)為淤泥質(zhì)和砂質(zhì)。場(chǎng)區(qū)形狀為梯形，地勢(shì)相對(duì)平坦，東側(cè)地勢(shì)起伏相對(duì)較大，整體呈現(xiàn)西北高、東南低的地形走勢(shì)。西北側(cè)海底高程較大，最高為-18.0 m，東南側(cè)海底高程較低，最低為-25.1 m。等高線(xiàn)整體呈現(xiàn)東北-西南走向，由北向南，海底高程逐漸降低。場(chǎng)區(qū)內(nèi)無(wú)明顯陡坎、海溝等地形。

1.3 地質(zhì)情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察揭露，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，工程場(chǎng)地主要由4個(gè)部分地層構(gòu)成，上部以第四系全新統(tǒng)海相沉積地層為主，中部以第四系全新統(tǒng)海相沖積層為主，下部為第四系更新統(tǒng)海相沖積層和燕山期花崗巖。上部海相沉積地層以松散-稍密的粉細(xì)砂、中砂和粗砂為主，部分地段淤泥-淤泥質(zhì)土軟土層連續(xù)分布；中部海相沖積層以黏性土和砂土層為主，多呈交互狀分布；下部地層以海相沖積砂土層為主。

2 勘察設(shè)備

2.1 海洋鉆機(jī)

如果將普通鉆機(jī)搭設(shè)在船載式鉆探平臺(tái)上進(jìn)行勘探作業(yè)，在海況較差的作業(yè)條件下，就會(huì)對(duì)勘察質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。場(chǎng)區(qū)分布厚度較大的松軟土層進(jìn)行鉆進(jìn)或取樣時(shí)，受波浪的影響，鉆機(jī)和鉆具將隨著鉆探船波動(dòng)而上下晃動(dòng)，從而造成鉆具對(duì)松軟土層產(chǎn)生沖擊擾動(dòng)，很難取到高質(zhì)量的原狀土樣。同樣，較硬的黏性土采用回旋取土器取樣時(shí)，鉆機(jī)的上下晃動(dòng)將會(huì)帶動(dòng)取土器上下晃動(dòng)，這樣就會(huì)導(dǎo)致在取土過(guò)程中取土器的刃口（內(nèi)管）不是一直深入土層，部分時(shí)間是脫離孔底的，如此地下水、泥漿等就會(huì)進(jìn)入取土器的襯管內(nèi)，造成所取的土樣有擾動(dòng)、不連續(xù)，甚至取土失敗。另外，在勘探過(guò)程中取芯時(shí)，鉆具上下浮動(dòng)擾動(dòng)鉆具下的土層，也會(huì)造成原位測(cè)試數(shù)據(jù)（如標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等）失真。

針對(duì)項(xiàng)目海域海況差、水深大等場(chǎng)地特點(diǎn)，調(diào)遣千噸級(jí)的鉆探船作為鉆探平臺(tái)載體，鉆探設(shè)備采用波浪補(bǔ)償分離式液壓鉆機(jī)（型號(hào)HD-600），主要由動(dòng)力站、液壓控制系統(tǒng)、動(dòng)力頭、液壓卷?yè)P(yáng)組、液壓泥漿泵、波浪補(bǔ)償平衡器、鉆塔以及液壓油管等部件組成。波浪補(bǔ)償器工作原理如圖1所示，鋼絲繩通過(guò)鉆塔頂部的定滑輪將動(dòng)力頭一邊與波浪補(bǔ)償器連接，一邊與卷?yè)P(yáng)機(jī)連接。波浪補(bǔ)償器為氣壓式，在勘探作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)需要在海浪和潮汐作用下保持動(dòng)力頭和鉆具平衡時(shí)，根據(jù)動(dòng)力頭和孔中鉆具的質(zhì)量，調(diào)整波浪補(bǔ)償器的氣壓使得動(dòng)力頭和鉆具保持平衡狀態(tài)[1]。

與傳統(tǒng)鉆機(jī)相比，動(dòng)力頭可活動(dòng)，在波浪補(bǔ)償器的作用下始終保證相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，受波浪、潮汐等因素的影響較小，無(wú)須頻繁調(diào)節(jié)套管高度，這樣可以提高工作效率，增加海上作業(yè)窗口期，提高土樣采取質(zhì)量，減少原位測(cè)試數(shù)據(jù)失真等問(wèn)題，從而提高鉆探的精細(xì)化程度。

2.2 海床式孔壓靜力觸探設(shè)備

靜力觸探試驗(yàn)采用海床式靜力觸探系統(tǒng)，包括探頭、探桿（直徑為36.7 mm）、壓重鐵塊和裙板，可提供200 kN反力。主機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可驅(qū)動(dòng)探桿向下貫入，數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)安裝在甲板上。采用千噸級(jí)的勘探船作為承載平臺(tái)。

孔壓靜力觸探試驗(yàn)是參考國(guó)際土力學(xué)與巖土工程協(xié)會(huì)確定的試驗(yàn)程序，試驗(yàn)前確保所有探頭的透水石進(jìn)行真空飽和；安裝透水石之前，將孔壓測(cè)量計(jì)范圍內(nèi)的空隙填滿(mǎn)硅油；記錄試驗(yàn)前的零點(diǎn)漂移讀數(shù)，判斷探頭是否處于正常使用狀態(tài)；將儀器沉入海床，觀察設(shè)備的傾斜程度，最大作業(yè)傾角為10°；以2 cm/s的速率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，同時(shí)記錄錐尖阻力、側(cè)摩阻力、孔隙水壓力和探頭傾角。每秒記錄2次。達(dá)到終孔條件后，提升探桿，在探頭處于空載條件下記錄試驗(yàn)后的零點(diǎn)漂移讀數(shù)。

相比傳統(tǒng)鉆探手段，孔壓靜力觸探試驗(yàn)具有經(jīng)濟(jì)、快速和真實(shí)等特征，可對(duì)海洋各土層進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)原位測(cè)試，其解譯成果較豐富，且可與室內(nèi)土工試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等原位測(cè)試成果進(jìn)行對(duì)比分析[2-3]。

3 鉆探與靜力觸探的綜合應(yīng)用

本次勘察布置部分孔壓靜力觸探孔，少數(shù)靜力觸探孔距離鉆孔約5 m，進(jìn)行地層對(duì)比分析。孔壓靜力觸探試驗(yàn)分層與鉆探分層對(duì)比如圖2所示。由此可見(jiàn)，孔壓靜力觸探試驗(yàn)分層與鉆探分層基本接近，對(duì)于很薄的層位，由于孔壓靜力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)是連續(xù)的（每厘米記錄一次），孔壓靜力觸探試驗(yàn)?zāi)軐游惑w現(xiàn)得更為精細(xì)。同時(shí)，孔壓靜力觸探試驗(yàn)速度和資料處理快，單個(gè)靜力觸探孔試驗(yàn)時(shí)間為0.5～1.0個(gè)工作日，數(shù)據(jù)處理需要2～3 h，能夠提高整體勘察效率。

本工程有效綜合應(yīng)用鉆探與靜力觸探，二者相互驗(yàn)證，取長(zhǎng)補(bǔ)短。采用部分靜力觸探孔代替鉆探，提高整體勘察效率和精度。同時(shí)，進(jìn)行大量鉆孔和取樣，從而更直觀地認(rèn)識(shí)地下巖土層。對(duì)兩種方法進(jìn)行相互對(duì)比，成果基本一致，連續(xù)的靜力觸探數(shù)據(jù)能揭示更為精細(xì)的地層。鉆探與靜力觸探的綜合應(yīng)用充分發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)，從而提高勘察質(zhì)量，縮短工期，降低成本。

4 成果統(tǒng)計(jì)精細(xì)化

海上風(fēng)電場(chǎng)的地質(zhì)勘察中，在每臺(tái)風(fēng)機(jī)機(jī)位中心點(diǎn)布置1個(gè)鉆孔，海上升壓站基礎(chǔ)對(duì)角處樁中心點(diǎn)共布置2個(gè)鉆孔。由于風(fēng)機(jī)間距大，為獲取每臺(tái)風(fēng)機(jī)更為精細(xì)的地質(zhì)參數(shù)，每個(gè)孔均取大量的土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。由于單個(gè)機(jī)位鉆孔地層厚薄不均，取樣數(shù)量有限，統(tǒng)計(jì)前還需要剔除異常數(shù)據(jù)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)位部分地層參數(shù)缺失。為解決這些問(wèn)題，依據(jù)同一地貌單元相同地層工程地質(zhì)性質(zhì)接近的原則，首先劃分場(chǎng)地地貌單元，對(duì)同一地貌單元的所有鉆孔試驗(yàn)成果進(jìn)行分層統(tǒng)計(jì)，得到分區(qū)統(tǒng)計(jì)成果表，然后對(duì)單個(gè)風(fēng)機(jī)位的鉆孔試樣成果進(jìn)行同層統(tǒng)計(jì)，再對(duì)柱狀圖中的細(xì)小層位單獨(dú)統(tǒng)計(jì)。對(duì)于強(qiáng)度參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)，數(shù)據(jù)的使用優(yōu)先級(jí)為細(xì)層統(tǒng)計(jì)結(jié)果、單孔統(tǒng)計(jì)結(jié)果、分區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)于前一級(jí)缺失的地層數(shù)據(jù)，參考下一級(jí)數(shù)據(jù)，確保所有地層參數(shù)完整且相對(duì)可靠，從而實(shí)現(xiàn)各風(fēng)機(jī)位地質(zhì)參數(shù)的精細(xì)化。

5 管理精細(xì)化

5.1 安全管理

項(xiàng)目部成立安全管理組織機(jī)構(gòu)，明確安全管理人員職責(zé)。制定設(shè)備安全管理措施、人員防護(hù)措施與環(huán)境保護(hù)措施等，實(shí)行安全監(jiān)督檢查。項(xiàng)目開(kāi)工前全面檢查現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)船舶和工作平臺(tái)，進(jìn)行危險(xiǎn)源辨識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，制定實(shí)施方案和應(yīng)急預(yù)案。每條船配備專(zhuān)職安全員，每日開(kāi)工前均進(jìn)行安全交底。安全員時(shí)刻關(guān)注天氣變化，每日向現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目經(jīng)理匯報(bào)情況，并獲取最新指示。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人定期組織安全檢查、培訓(xùn)教育和應(yīng)急演練等[4]。

由于施工作業(yè)海域較大，勘探船與過(guò)往船舶、漁船等相互造成一定的礙航。從安全角度考慮，施工前，辦妥航行通（警）告及水上作業(yè)許可證等有關(guān)施工手續(xù)，勘探船應(yīng)在海事管理機(jī)構(gòu)核定的安全作業(yè)區(qū)內(nèi)活動(dòng)，不得無(wú)故擴(kuò)大活動(dòng)水域范圍，同時(shí)配備應(yīng)急船和警戒船，船上加強(qiáng)瞭望，落實(shí)專(zhuān)人在VHF16頻道晝夜值守，及早與附近其他船舶保持通信暢通[5]。

5.2 質(zhì)量管理

本次地質(zhì)勘察由海上勘察經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師擔(dān)任負(fù)責(zé)人，配置經(jīng)驗(yàn)豐富、專(zhuān)業(yè)水平高的勘察管理團(tuán)隊(duì)，參加外業(yè)勘察與測(cè)試的操作人員均具備相應(yīng)崗位的技術(shù)資格或技術(shù)等級(jí)，有高度責(zé)任感和一定的操作經(jīng)驗(yàn)，嚴(yán)格按操作規(guī)程作業(yè)。勘察實(shí)施過(guò)程將嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)主和委托方的質(zhì)量管理體系和企業(yè)質(zhì)量管理體系，針對(duì)本次勘察的特點(diǎn)對(duì)勘察全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)質(zhì)量控制，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員實(shí)時(shí)指導(dǎo)和監(jiān)督勘察各道工序，保證勘察各道工序滿(mǎn)足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求[6]。

勘察外業(yè)與室內(nèi)試驗(yàn)使用經(jīng)校準(zhǔn)證實(shí)功能合適的儀器設(shè)備。勘察外業(yè)或室內(nèi)試驗(yàn)前，勘察經(jīng)理及技術(shù)人員對(duì)使用的儀器設(shè)備及其附件進(jìn)行必要的檢查、率定與校準(zhǔn)，確保其運(yùn)行正常，以保證采集的勘察資料數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。收集工作區(qū)域的地質(zhì)資料，根據(jù)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求編制勘察大綱，逐級(jí)進(jìn)行勘察技術(shù)交底和必要的培訓(xùn)，使得所有勘察人員掌握本次勘察的特點(diǎn)、難點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)要求，并設(shè)置質(zhì)量控制點(diǎn)控制質(zhì)量。適當(dāng)開(kāi)展勞動(dòng)競(jìng)賽活動(dòng)，更好地激發(fā)和調(diào)動(dòng)勘察項(xiàng)目部全體成員的積極性、創(chuàng)造性和質(zhì)量安全意識(shí)，提高勘察技能。

6 結(jié)論

根據(jù)海域特征，本項(xiàng)目采用波浪補(bǔ)償分離式液壓鉆機(jī)，提高工作效率，增加海上作業(yè)窗口期，提高土樣采取質(zhì)量，減少原位測(cè)試數(shù)據(jù)失真等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)鉆探的精細(xì)化。采用海床式孔壓靜力觸探設(shè)備，獲得大量真實(shí)的數(shù)據(jù)，同時(shí)與鉆探進(jìn)行對(duì)比，地層劃分一致性較好，實(shí)現(xiàn)原位測(cè)試數(shù)據(jù)的精細(xì)化。本項(xiàng)目以海洋鉆探和海床式孔壓靜力觸探為主要勘察手段，波速測(cè)試和十字板原位測(cè)試為輔，二者有效綜合應(yīng)用，相互驗(yàn)證，取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而提高勘察質(zhì)量、縮短工期和增加效益。在土工試驗(yàn)成果的統(tǒng)計(jì)上也進(jìn)行創(chuàng)新，對(duì)強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行級(jí)統(tǒng)計(jì)，保證所有土層數(shù)據(jù)的完整和可靠，實(shí)現(xiàn)成果統(tǒng)計(jì)的精細(xì)化。項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，對(duì)安全、質(zhì)量管理提出高要求和高標(biāo)準(zhǔn)，落實(shí)監(jiān)督檢查、全員參與和全過(guò)程控制等，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。

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