海上風(fēng)電場工程勘察管理及技術(shù)應(yīng)用分析

文 | 王凱

海上風(fēng)能發(fā)電具有資源豐富、發(fā)電利用小時數(shù)高的優(yōu)點，是目前新能源發(fā)展的前沿。截至2017年，全球建成海上風(fēng)電裝機容量1881萬千瓦，預(yù)計到2020年底，全球海上風(fēng)電裝機容量可達4000萬千瓦。風(fēng)電機組為高聳構(gòu)筑物，既要考慮風(fēng)浪、水流對支撐結(jié)構(gòu)和地基的作用，還要考慮在風(fēng)電機組動荷載作用下，地基的變形和承載力，因此，風(fēng)電機組基礎(chǔ)受力比較復(fù)雜，對勘察成果的準確性要求更高，這就對勘察管理的有效性提出了更高的要求。目前在建的及已規(guī)劃的海上風(fēng)電場一般離岸遠，交通不便，施工環(huán)境浪大流急，這些作業(yè)條件下勘察質(zhì)量風(fēng)險、安全風(fēng)險和進度風(fēng)險均較大，對勘察過程的有效管理更加困難。因此本文結(jié)合珠海金灣海上風(fēng)電場項目，首先闡述了業(yè)主方如何從進度、質(zhì)量及安全等方面對勘察過程進行全方位、全過程的管理，總結(jié)了海上風(fēng)電場工程勘察管理的有效方法和措施；其次，介紹了波浪補償分離式液壓鉆機、海床式靜力觸探設(shè)備等先進設(shè)備在本項目的應(yīng)用及改進情況，并對勘察成果進行了對比分析，為海上風(fēng)電勘察質(zhì)量的提升提供參考和依據(jù)。

項目概況

珠海金灣海上風(fēng)電場項目規(guī)劃場址海域面積約52km2，建設(shè)裝機容量規(guī)模300MW，項目場址位于珠江口外海面，場區(qū)至北側(cè)三灶鎮(zhèn)的最近距離約10.5km，至西北側(cè)高欄島的最近距離約10km，至東北側(cè)橫琴島的最近距離約為15km，至東側(cè)小萬山島的最近距離約20.5km，屬于近海風(fēng)電場。該項目場址具有海上風(fēng)電場場址的典型施工環(huán)境特點。

項目勘察管理

勘察階段是工程項目的前期準備階段，勘察的進度、成果質(zhì)量都將直接影響到整個項目的投資、進度和質(zhì)量目標的實現(xiàn)。筆者通過對珠海金灣海上風(fēng)電場項目勘察管理中存在的一些問題進行分析，總結(jié)出業(yè)主對海上風(fēng)電勘察在質(zhì)量、進度及安全管理方面的有效方法和措施。

一、質(zhì)量管理

業(yè)主在勘察階段對勘察單位的質(zhì)量管理主要從選定勘察單位、審查勘察綱要著手，對勘察的外業(yè)和文件成果進行檢查和過程管理，以保證勘察工作符合工程建設(shè)的質(zhì)量要求。

圖1 項目位置示意圖

(一)選定勘察單位

選擇勘察單位時，應(yīng)重點考察企業(yè)的資質(zhì)條件、技術(shù)設(shè)備水平、技術(shù)管理制度、質(zhì)量管理體系、專職技術(shù)隊伍、勘察單位業(yè)績及服務(wù)質(zhì)量等。在金灣海上風(fēng)電場項目中經(jīng)過對國內(nèi)具備海上勘察能力的單位進行調(diào)研考察，采取邀請招標的方式，最終選擇了一家具有綜合甲級資質(zhì)、海上勘察經(jīng)驗豐富、技術(shù)及實力雄厚的勘察單位，為后續(xù)工作的有效開展奠定了基礎(chǔ)。

(二)勘察綱要的審查

勘察單位在進場前，結(jié)合項目的特點、勘察內(nèi)容及深度的要求，按照相關(guān)規(guī)范規(guī)程，編制勘察綱要。綱要應(yīng)體現(xiàn)設(shè)計意圖，客觀反映場地的地形地質(zhì)情況，滿足合同要求，勘察方案應(yīng)合理，人員、設(shè)備配備須充足，技術(shù)管理制度要健全，質(zhì)保安全措施應(yīng)可行齊全，各項工作質(zhì)量責(zé)任劃分明確。業(yè)主對勘察綱要審查的意義在于明確勘察單位的工作內(nèi)容及各項措施，勘察綱要可作為業(yè)主后續(xù)過程管理的規(guī)程及依據(jù)。

(三)勘察外業(yè)的質(zhì)量管理

勘察的外業(yè)工作是對現(xiàn)場工程地質(zhì)條件相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，為勘察報告的編制提供客觀基礎(chǔ)資料。因此勘察外業(yè)的質(zhì)量直接影響到項目的設(shè)計及施工，甚至影響到構(gòu)筑物的安全性。因此如何有效地對勘察外業(yè)質(zhì)量進行管理，是整個勘察過程管理的重點。在勘察外業(yè)過程中， 主要對以下幾個方面進行管理：

1.勘察項目的技術(shù)負責(zé)人、分項專業(yè)負責(zé)人都應(yīng)具有相應(yīng)的崗位資格，并有高度責(zé)任感和熟練的操作經(jīng)驗，嚴格按操作規(guī)程作業(yè)；

2.勘察單位使用的測量儀器須經(jīng)過檢定合格；控制點、水準點等資料使用前須經(jīng)過核查無誤，每個鉆孔孔位施放后須經(jīng)過復(fù)測以保證鉆孔孔位無誤，鉆孔定位測量各個過程須進行記錄；測量記錄不能隨意涂改；如有涂改應(yīng)注明原因并簽名，所有記錄及校對人員都必須簽名；

3.針對海況差、水深大等場地，勘察單位需選用先進的鉆探設(shè)備，盡量減小鉆探過程中因波浪作用對原位土層產(chǎn)生的沖擊擾動，避免造成土樣擾動、原位測試數(shù)據(jù)失真；

4.勘察現(xiàn)場記錄人員應(yīng)正確判斷記錄地層的起訖深度，原始記錄應(yīng)真實及時。鉆探記錄應(yīng)齊全清晰，巖性描述、分層正確并符合相關(guān)規(guī)范，并經(jīng)有關(guān)作業(yè)人員檢查簽字。

(四)勘察文件的質(zhì)量管理

組織設(shè)計、勘察單位及相關(guān)部門審查勘察成果，發(fā)現(xiàn)勘察成果有誤或缺陷，應(yīng)要求勘察單位修改完善，審查合格后，才能將勘察成果交付設(shè)計單位使用。

二、進度管理

針對珠海金灣海上風(fēng)電場項目海上勘察的特點，從組織管理、技術(shù)、經(jīng)濟等方面制定相應(yīng)的措施，進行勘察進度的管理。同時，在項目進展過程中，對各階段完成的情況進行管理監(jiān)控，保證項目在滿足時間約束的條件下實現(xiàn)總體目標。

(一)組織管理措施

1.在委托勘察設(shè)計單位前，業(yè)主單位應(yīng)先編制項目總體進度計劃及節(jié)點，勘察單位根據(jù)上述計劃節(jié)點編制合理且細化的進度安排計劃，制定各班組的作業(yè)順序，保證作業(yè)面，以減少通航條件對勘察進度的不利影響。勘察期間進行計劃進度和實際進度的動態(tài)比對，出現(xiàn)進度落后的情況及時進行原因分析，并采取針對性的措施，必要時增加勘察作業(yè)班組；

2.場區(qū)水域一般受臺風(fēng)、冷空氣強風(fēng)等季節(jié)性風(fēng)浪影響大，將會影響勘察進度，應(yīng)合理選擇避風(fēng)錨地并事先與海事部門、避風(fēng)港管理部門溝通，以減少回港避風(fēng)的時間成本并保證進度。

(二)技術(shù)措施

勘察單位應(yīng)選擇大型船舶作為鉆探船，提高鉆探船的防風(fēng)抗浪性能。使用抗浪性能良好的勘探設(shè)備，減少海況等因素對勘察進度的影響。在金灣海上風(fēng)電場項目中，選用總噸位為1200噸的海船搭載鉆探平臺，并采用分離式液壓鉆機作為鉆探設(shè)備(后文詳細介紹)，有效地減少了惡劣海況對勘察外業(yè)造成的待工時間。

(三)經(jīng)濟措施

根據(jù)進度計劃合理安排資金和各項資源的投入，并保證后勤供應(yīng)；制定經(jīng)濟激勵制度， 提高作業(yè)班組積極性，促進勘察進度，督促勘察單位按計劃提交勘察成果。

三、安全管理

海上風(fēng)電的勘察作業(yè)，將面對海況環(huán)境惡劣、天氣多變、點多線長、離岸遠、交通不便等不利因素，給安全管理帶來較大困難。海上勘察施工安全管理應(yīng)結(jié)合海洋環(huán)境，對常規(guī)的安全管理措施和手段進行改進，以適應(yīng)海上作業(yè)的特殊性，實現(xiàn)安全生產(chǎn)的目標。本項目主要從以下幾個方面著手：

(一)收集和發(fā)布氣象水文信息

海上施工受海況及天氣限制，在流急、風(fēng)浪大等惡劣海況下作業(yè)發(fā)生安全事故的可能性很大，所以組織作業(yè)生產(chǎn)應(yīng)掌握作業(yè)海域的氣象水文條件，選擇合適的施工時間，避免在惡劣海況條件下進行生產(chǎn)活動。

(二)保證設(shè)備設(shè)施完好

勘探班組選定一名安全員，開工前必須先仔細檢查儀器設(shè)備及工具，不得使用有妨礙安全的工具。工作前應(yīng)進行安全檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時糾正。對于鉆機、卷揚機、吊機等機械設(shè)備執(zhí)行專人操作及管理制度，定期檢修及保養(yǎng)，減少機械故障，使其能夠保持良好工作狀態(tài)。

(三)施工作業(yè)環(huán)境

船舶是實施勘察任務(wù)和設(shè)備、人員活動的載體，所以應(yīng)加強對海上施工船舶在安全方面的管理，避免發(fā)生海上船舶事故，有效保障施工。因此必須選擇船況良好，證件、船員配備齊全的船舶搭載鉆探平臺?？碧竭^程中，安排船員值守、瞭望，當附近有大型船舶時通過旗號、燈號和高頻等提醒過往船舶慢速通過，如過往船舶產(chǎn)生涌浪，及時提醒鉆探作業(yè)人員。鉆探船舶應(yīng)在海事部門審批的施工范圍內(nèi)施工，并安裝警示燈。

(四)人員防護措施

加強人員的安全教育，所有進入施工現(xiàn)場的人員必須戴好安全帽、穿好救生衣及勞保鞋等。鉆探船配備足夠的救生衣，做好安全防護措施。當施工現(xiàn)場出現(xiàn)危及施工安全的狀況時，安全員應(yīng)立即下令停止作業(yè)，及時疏散、撤離人員。作業(yè)人員應(yīng)注意休息，杜絕疲勞作業(yè)引發(fā)安全事故。

(五)加強安全監(jiān)督檢查

項目組定期組織安全檢查，還要根據(jù)工作需要進行不定期的檢查；加強對安全檢查工作的領(lǐng)導(dǎo)，在安全檢查中，勘察經(jīng)理親自組織，全程參加，防范于未然。

勘察設(shè)備及技術(shù)

勘察設(shè)備及技術(shù)是影響整個勘察的質(zhì)量、進度及安全的重要因素，在金灣海上風(fēng)電場項目中，設(shè)備上采用了波浪補償分離式液壓鉆機、海床式靜力觸探設(shè)備等，并對設(shè)備進行了改進， 取得了較好的效果。在勘察方法上除了采用鉆探、取樣、室內(nèi)試驗外，還采用了標準貫入試驗、十字板剪切試驗、鉆孔波速測試、電阻率測試、孔壓靜力觸探試驗等原位測試方法進行綜合勘察。

一、波浪補償分離式液壓鉆機的應(yīng)用

采用傳統(tǒng)鉆機作業(yè)時，因整套鉆機連接在船舶平臺上，受風(fēng)浪影響，鉆機會隨著船舶的擺動而擺動，從而造成采取土樣質(zhì)量低、原位試驗數(shù)據(jù)不準確，甚至因設(shè)備搖擺幅度太大造成停工等問題。因此本項目使用千噸級的鉆探船作為鉆探平臺載體，配置抗風(fēng)浪能力強且具波浪補償能力的液壓驅(qū)動分離式海洋鉆機(圖 2)進行海上鉆孔。波浪補償分離式液壓鉆機主要由動力站、液壓控制系統(tǒng)、動力頭、液壓卷揚組、液壓泥漿泵、波浪補償平衡器、鉆塔以及液壓油管等部件組成。該設(shè)備首次應(yīng)用于港珠澳大橋島隧工程勘察中并經(jīng)施工檢驗取得良好的效果。珠海金灣海上風(fēng)電場項目鉆孔孔深要求大，對設(shè)備的動力較常規(guī)項目要求高，因此本項目實施過程中對動力頭及液壓油管等部件都進行了設(shè)備改進， 使得鉆進速度更快、設(shè)備故障率降低。

分離式液壓鉆機主要有以下幾個效果：動力大，鉆進速度快；因為動力頭自由活動，與塔架及船體分離，減少了海浪對作業(yè)的影響及土樣的擾動；在波浪較大時，仍然能夠正常作業(yè)，具有較強的抗浪性能。以上因素，使得波浪補償分離式液壓鉆機的應(yīng)用，保障了本項目的勘察進度，提高了成果質(zhì)量，降低了安全風(fēng)險。

二、海床式靜力觸探設(shè)備的應(yīng)用

珠海金灣海上風(fēng)電場水域海底上部分布有較厚的軟土層，下部以粘土層為主，局部分布有砂土層。由于風(fēng)電機組樁基礎(chǔ)設(shè)計，一個重要方面是確定樁基參數(shù)，孔壓靜力觸探試驗可以連續(xù)地高密度地測出土體的側(cè)壁摩阻力及端阻力，提供準確的巖土參數(shù)，其原理見圖3，該試驗具有速度快、精度高等特點。

結(jié)合作業(yè)環(huán)境和地基條件，珠海金灣海上風(fēng)電場項目勘察采用具有 20噸反力的海床式靜力觸探設(shè)備進行靜力觸探試驗。為減少土體對探桿的摩擦阻力，采用注漿技術(shù)，并對貫入方法進行改進，有效地增加了試驗深度，使得試驗深度達到了49m，試驗理論反力達到了30噸。圖4為CPT試驗成果圖，其中紅色曲線為側(cè)壁摩阻力fs（kPa）與深度的關(guān)系曲線， 藍色曲線為錐尖阻力qc（MPa）與深度的關(guān)系曲線。

在進行靜力觸探試驗過程中，對放置于海床表面的靜力觸探設(shè)備海床支架的水平傾角要求在5度以內(nèi)， 否則將會對貫入土中的探頭傾角和貫入深度產(chǎn)生較大的不良影響。針對場區(qū)表層分布厚層淤泥的作業(yè)條件， 為了能保證海床式靜力觸探設(shè)備海床支架能在測試期間平穩(wěn)地置于海床表面的淤泥中，且盡可能地保證靜力觸探試驗的貫入深度，本次測試實施前特對海床式靜力觸探設(shè)備海床支架進行改造，在底部增加設(shè)置有泄水孔、隔層等裝置的擴大型裙板，如圖5。實施后 證明，加設(shè)擴大裙板后海床式靜力觸探設(shè)備海床支架在測試過程水平傾角保持在 3 度以內(nèi)。

在進行孔壓靜力觸探試驗成果數(shù)據(jù)解譯時，參考了港珠澳大橋島隧工程 CPTU 試驗研究專題報告中的相關(guān)研究成果，利用孔壓靜力觸探試驗成果進行土體分類，由實測的錐尖阻力、側(cè)摩阻力和孔隙水壓力等測試數(shù)據(jù)推算粘性土的不排水抗剪強度和砂土的內(nèi)摩擦角；并利用孔壓靜力觸探試驗測試數(shù)據(jù)估算樁基承載力。

圖2 波浪補償分離式液壓鉆機

圖3 海床式靜力觸探系統(tǒng)原理

圖4 CPT 試驗成果圖

三、勘察技術(shù)方法

本次勘察除了采用鉆探、取樣、室內(nèi)試驗外，還采用了標準貫入試驗、十字板剪切試驗、孔壓靜力觸探試驗等原位測試方法進行綜合勘察。在勘察成果編制過程中，將各種勘察手段取得的成果數(shù)據(jù)進行對比分析。如表1為部分試驗成果對比分析，結(jié)果表明，靜力觸探試驗指標在樁側(cè)極限摩阻力標準值的換算上，與室內(nèi)試驗指標換算結(jié)果較一致。在粘性土的不排水抗剪強度換算方面，因室內(nèi)試驗受應(yīng)力釋放等影響，室內(nèi)試驗結(jié)果偏小，靜力觸探試驗結(jié)果在一般粘性土的換算強度上與標準貫入試驗的成果較接近。最終通過了鉆探、室內(nèi)試驗及多種原位測試試驗等綜合勘察手段，并結(jié)合地區(qū)工程經(jīng)驗，提出了更加精細準確和合理的巖土參數(shù)。

表1 試驗成果對比分析

圖5 海床支架擴大裙板

結(jié)論

海上風(fēng)電機組所受荷載復(fù)雜，對勘察成果的準確性要求更高。場址離岸較遠，對勘察過程的有效管理困難。建設(shè)單位應(yīng)根據(jù)海上風(fēng)電勘察的特殊性，制定相關(guān)的管理制度， 特別在進度、質(zhì)量及安全方面對勘察過程進行全方位、全過程的管理，提高勘察效率及質(zhì)量， 保障實現(xiàn)項目的總體目標。在珠海金灣海上風(fēng)電場項目勘察中，采用具有波浪補償功能的分離式液壓鉆機進行外業(yè)鉆探，采用海床式靜力觸探試驗技術(shù)，采取多種勘察手段進行綜合勘察， 在惡劣海況的作業(yè)條件下安全、質(zhì)量和進度均有保證，提出的巖土參數(shù)準確、合理。

目前國內(nèi)海上風(fēng)電勘察在技術(shù)方法和設(shè)備上都有了長足的發(fā)展，但是在許多方面還需要進一步深入研究，如海床式十字板設(shè)備、海底硬土的取土技術(shù)、能夠提供更大反力的靜力觸探設(shè)備等。因此，建議在海上風(fēng)電勘察中能夠繼續(xù)積極改進勘察設(shè)備和運用新技術(shù)、新方法， 同時也建議引入勘察監(jiān)理進行全過程的勘察監(jiān)督管理，確?？辈旃ぷ鞒晒|(zhì)量，為工程項目提供更加精確的設(shè)計輸入。