巖溶山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)勘察方法探討

劉漢陽(yáng)

(湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北武漢 430040)

0 引言

風(fēng)電是近年來(lái)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(zhǎng)率約30%。根據(jù)我國(guó)“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(guò)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(duì)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(chǎng)。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(guò)湖北利川齊岳山4座風(fēng)電場(chǎng)的勘察經(jīng)歷，分析和總結(jié)各種勘測(cè)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(chǎng)勘察的方法。

1 巖溶山區(qū)與風(fēng)電場(chǎng)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(duì)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(dòng)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(dòng)、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(yáng)交界，齊岳山山脈在大地構(gòu)造單元上屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)上揚(yáng)子臺(tái)坪八面山臺(tái)褶帶的利川臺(tái)褶束西部地段，受齊岳山背斜和齊岳山斷裂的影響。

風(fēng)場(chǎng)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(chǎng)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(kāi)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(jiàn)圖1)。

圖1 山頂?shù)乇韼r溶發(fā)育情況

1.2 風(fēng)電場(chǎng)勘察特點(diǎn)

齊岳山風(fēng)電場(chǎng)，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(kāi)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(chǎng)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?？睖y(cè)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(cè)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(cè)繪和調(diào)查

工程地質(zhì)測(cè)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(jiǎn)單。工作中，重點(diǎn)調(diào)查下列問(wèn)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(dòng)規(guī)律。

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

5)調(diào)查訪問(wèn)當(dāng)?shù)卮迕駧r溶的信息。

在齊岳山風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)位勘察中，首先進(jìn)行工程地質(zhì)測(cè)繪和調(diào)查工作，保證風(fēng)機(jī)位30 m范圍內(nèi)，地表無(wú)明顯的溶洞或塌陷坑，地表穩(wěn)定等。對(duì)于出現(xiàn)直徑小于3 m的溶洞，應(yīng)分析溶洞的長(zhǎng)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(duì)于直徑大于3 m的溶洞，應(yīng)評(píng)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(wèn)題是:不能有效的對(duì)風(fēng)機(jī)位地基進(jìn)行觀察，僅能對(duì)地表巖溶進(jìn)行描述。

2.2 物探方法

巖溶地區(qū)，對(duì)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(jiǎn)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(guò)接地電極在地下建立人工電場(chǎng)，用電測(cè)儀器觀測(cè)因不同導(dǎo)電地質(zhì)體存在時(shí)地表電場(chǎng)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(wèn)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(wàn)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(lái)提高采樣率，用“多次覆蓋”的方法來(lái)提高信噪比(多次覆蓋是指由不同的供電電極、不同的測(cè)量電極在地電斷面上相同的“點(diǎn)”進(jìn)行多次測(cè)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(cè)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(cè)線剖面要求較長(zhǎng)(多大于50 m)，測(cè)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(cè)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(huì)反射一部分電磁波，其反射系數(shù)主要取決于被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)，雷達(dá)主機(jī)通過(guò)對(duì)此部分的反射波進(jìn)行適時(shí)接收和處理，達(dá)到探測(cè)識(shí)別目標(biāo)物體的目的。

該方法的優(yōu)點(diǎn):測(cè)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(cè)巖溶，可探測(cè)到規(guī)模較小的洞悉［4］。缺點(diǎn):現(xiàn)場(chǎng)電磁波干擾因素較多，測(cè)量過(guò)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(duì)風(fēng)機(jī)位巖芯進(jìn)行觀察描述。

該方法存在的問(wèn)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(cè)效果一般等。

2.4 勘探方法的選用

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)繪和調(diào)查，避開(kāi)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(cè)，地表下無(wú)大的異常點(diǎn);

3)選取代表性風(fēng)機(jī)點(diǎn)，對(duì)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(chǎng)的勘測(cè)過(guò)程中，采用了工程地質(zhì)測(cè)繪和調(diào)查與地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)為主，鉆探為輔的方法，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖揭露的地質(zhì)情況，基本與勘測(cè)報(bào)告中建議的問(wèn)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(chǎng)等類似工程野外工程的勘測(cè)。

［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(duì)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(cè)》編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.第4版.北京:中國(guó)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.