淺談海上風(fēng)電淺覆蓋層地質(zhì)孤石解決方案

王愛國，黃 俊，鄧柏松

(1.長江三峽集團福建能源投資有限公司，福建 福州 350001；2.上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200335)

隨著海上風(fēng)電的大力發(fā)展，風(fēng)電機組的單機容量越來越大，加上中國南方海域臺風(fēng)頻發(fā)，對樁式基礎(chǔ)的尺寸要求也越來越高。伴隨著近年福建和廣東海上風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)，遇到的又一個難題就是場區(qū)淺覆蓋層普遍較淺，如福建興化灣海上風(fēng)電場、廣東南澳海上風(fēng)電場以及廣東陽江海上風(fēng)電場等。綜合考慮大容量機組、臺風(fēng)和淺覆蓋層地質(zhì)帶來的問題，主要有以下三點：一是增大了基礎(chǔ)的設(shè)計和施工難度，二是降低了樁式基礎(chǔ)的地質(zhì)適應(yīng)性，三是大幅增加工程施工成本。本文從風(fēng)機基礎(chǔ)施工前和施工時遇到孤石[1]的兩個角度提出解決方案，為后續(xù)類似工程施工提供借鑒。

1 淺覆蓋層場址

淺覆蓋區(qū)一般指第四系厚度小于100 m，為植被、草皮、黃土、殘坡積連續(xù)覆蓋的丘陵山區(qū)和沖積、洪積平原區(qū)，覆蓋層面積占圖幅面積大于或等于50%的地區(qū)。對于海上風(fēng)電，淺覆蓋層地質(zhì)可以理解為風(fēng)化巖埋深較淺，鋼樁能直接沉入風(fēng)化巖一定深度，但無法達到指定標(biāo)高的地質(zhì)。由于鋼樁長度與風(fēng)機荷載量級、建設(shè)場址的環(huán)境荷載、淺層土承載能力等有關(guān)，淺覆蓋層地質(zhì)通常需要鉆孔跟進或進行鉆孔灌注嵌巖樁。

風(fēng)化巖劃分為未風(fēng)化巖、微風(fēng)化巖、中等風(fēng)化巖、強風(fēng)化巖、全風(fēng)化巖與殘積土，沉樁難度依次減弱。通常一定厚度的全風(fēng)化層鋼樁能直接穿透，強風(fēng)化巖因巖性和標(biāo)貫擊數(shù)值的差異性較大，通常只能進入部分深度，其他風(fēng)化巖基本不能沉入，所以風(fēng)化巖限制了鋼管樁長度方向的設(shè)計。

孤石是殘留于風(fēng)化巖體中，多為中-微風(fēng)化狀，周圍巖體多為全風(fēng)化狀，主要是不均勻風(fēng)化的產(chǎn)物(如花崗巖的球狀風(fēng)化)，一般獨立存在、埋深較淺。

福建和廣東近海海域的淺覆蓋層下伏巖體以花崗巖為主(見圖1)，因風(fēng)化程度不同，在強風(fēng)化和全風(fēng)化巖中極易存在孤石，且強度較高，若樁基礎(chǔ)設(shè)計標(biāo)高低于孤石存在標(biāo)高，基本不能直接沉樁到位，且容易發(fā)生不確定風(fēng)險。

圖1 海底巖石取樣圖

2 孤石影響

受制于現(xiàn)有海上勘測方法的局限性，較難準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)場址內(nèi)孤石分布的位置和大小，如果在沉樁過程中遇到未知的孤石，可能會出現(xiàn)以下問題：

1)沉樁達不到指定標(biāo)高，樁基軸向承載力不滿足設(shè)計要求且承受較大水平抗力，需要割除高于樁基設(shè)計頂標(biāo)高多余部分；

2)由于巖石的強度較高，極易發(fā)生鋼管樁卷邊的風(fēng)險，結(jié)構(gòu)安全性降低，若發(fā)生卷邊，需要潛水員下潛處理，一是影響工程進度，二是下潛風(fēng)險大，小直徑剛裝難度更高。

3 解決方案

針對淺覆蓋層可能存在的孤石影響，可根據(jù)孤石發(fā)現(xiàn)的時間點，提出不同的解決方案。

3.1 沉樁前解決方案

3.1.1 地質(zhì)勘測

高質(zhì)量的地質(zhì)勘測是海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計的關(guān)鍵點，一是決定了可采用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，二是可有效降低后續(xù)設(shè)計和施工的風(fēng)險。

1)地球物理勘探。地球物理勘探是指通過研究和觀測各種地球物理場的變化來探測地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)條件。該方法兼有勘探與試驗兩種功能，和鉆探相比，具有設(shè)備輕便、成本低、效率高、工作空間廣等優(yōu)點。但由于不能取樣、直接觀察，故多與鉆探配合使用[2]。

雖然地球物理勘探對發(fā)現(xiàn)體積較小孤石比較困難，且只能解決剖面上的問題，但通過該方法有利于工程設(shè)計人員對整個場址地質(zhì)分布的判斷(見圖2)。

圖2 海上地球物理勘探圖

2)鉆探取芯。地質(zhì)鉆探坐標(biāo)通常布置在風(fēng)機機位的中心，各類型風(fēng)機基礎(chǔ)的樁徑一般在1.7～8.0 m，群樁樁徑較小，單樁樁徑較大。由于鉆探鉆桿直徑通常較小(約110 mm)，淺覆蓋層巖基面變化幅度大，鉆孔的地質(zhì)分層并不能完全代表機位地質(zhì)分布特點，建議對于群樁基礎(chǔ)，可按照一樁一鉆孔處理，對于大直徑單樁基礎(chǔ)的鉆探可以布置在樁周上，建議不少于3個，若樁徑再增加，鉆探孔數(shù)量可相應(yīng)增加。

3)微觀選址。結(jié)合物探和鉆孔數(shù)據(jù)成果，對風(fēng)機機位進行微觀選址時，盡可能避開孤石，對機位微小挪位，可直接節(jié)約投資、加快進度(見圖3)。

3.1.2 基礎(chǔ)選型

對于發(fā)現(xiàn)有孤石的機位，如孤石埋深較淺，樁基承載力不能滿足設(shè)計要求時，可以考慮采用嵌巖樁[3](如灌注嵌巖樁和III型嵌巖樁等)或淺基礎(chǔ)(如重力式基礎(chǔ)和負壓筒基礎(chǔ)[4]見圖4)。

3.2 沉樁后解決方案

孤石的強度一般較高，有的地區(qū)可以達到100 MPa以上，如樁基遇孤石，錘擊能量過大時，可能到導(dǎo)致鋼樁無法繼續(xù)沉入或發(fā)生變形。

3.2.1 割樁處理

如果鋼樁發(fā)生卷邊，導(dǎo)致鋼樁不能繼續(xù)跟進和鉆孔灌注，必須割除水下卷邊部分，以便進行下一步操作。割樁在大橋施工中較為常見，技術(shù)較為成熟，但是耗時時間較長，增加了工程造價(見圖5)。

圖3 地球物理勘探結(jié)合鉆孔圖

圖4 淺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

圖5 水下割樁圖

3.2.2 植樁和樁身補強

常規(guī)的鉆機(如旋轉(zhuǎn)鉆、旋挖鉆[5]和沖擊鉆，見圖6)鉆孔直徑小于鋼樁內(nèi)徑，即使鉆孔可以達到鋼樁底部以下一定深度，但由于鋼樁底部孤石的強度過高，繼續(xù)跟進的可能性較小。對此可以采取以下兩種處理方法。

1)植樁?？紤]在樁內(nèi)鉆孔，植入一根直徑較小的樁，小樁長度大于原樁樁長，并在兩樁之間灌注混凝土，形成一個組合樁。

2)樁身加強。將鋼樁卷邊部分割除后，下部采用加強型灌注樁(將鋼筋型號和混凝土等級提高)，由于剛樁進入土層的深度減短，樁基承載力降低，可以在海床采取防沖刷措施，變相提高土層承載力。但是應(yīng)注意盡量避免灌注樁段承受樁身最大彎矩。

圖6 常規(guī)嵌巖鉆機圖

3.2.3 擴孔跟進

在鋼樁底部采用擴孔鉆機，將孤石進行處理，擴孔孔徑略大于鋼樁直徑即可繼續(xù)跟進鋼樁。該方案樁基結(jié)構(gòu)受力較樁身加強方案好。但應(yīng)注意擴孔鉆孔可能需要根據(jù)樁徑定制，時間較長；另外擴孔鉆會產(chǎn)生較大扭矩，嵌巖平臺也需做加強處理(見圖7)。

圖7 擴孔鉆機圖

4 案 例

福建區(qū)域某海上風(fēng)電場樁基礎(chǔ)施工過程中，遭遇孤石地質(zhì)，導(dǎo)致鋼管樁底卷邊。因處理工法經(jīng)過充分咨詢與論證，取得較好的效果。

4.1 沉樁及鉆孔情況

鋼管樁直徑3.2 m，設(shè)計樁長52 m，設(shè)計樁頂標(biāo)高為10 m，采用YC60型打樁錘沉樁，累計錘擊數(shù)為1 126次，最大錘擊能量為960KJ，最終貫入度為6.3 mm/擊。停錘后，實際樁頂標(biāo)高為16.2 m，樁底標(biāo)高為-35.84 m，開始進行鋼管樁鉆孔。在鉆孔過程中，發(fā)現(xiàn)利用直徑2.8 m沖擊鉆頭鉆孔至孔底標(biāo)高為-32.2 m處時，沖擊過程中鉆頭不穩(wěn)，出現(xiàn)“偏錘”、“卡錘”現(xiàn)象，分析懷疑鋼樁內(nèi)有孤石。將卡錘提出，即回填片石至-28.8 m處，繼續(xù)利用2.8 m直徑?jīng)_擊鉆頭繼續(xù)進行沖擊后，仍持續(xù)出現(xiàn)卡錘現(xiàn)象，推斷可能鋼管樁有變形。

4.2 主體鋼管樁底口變形檢查情況

發(fā)現(xiàn)鋼樁疑似變形情況后，安排潛水員進行了下探摸檢查，發(fā)現(xiàn)鋼管樁在-28.26 m(標(biāo)高)處有明顯變形，變形處寬度約1 m，高度約0.6 m。調(diào)整鉆機位置，采用直徑2.2 m沖擊錘繼續(xù)進行鉆孔作業(yè)，在鉆進至-32.24 m時，仍發(fā)現(xiàn)卡錘現(xiàn)象。再次安排潛水員水下探摸檢查，結(jié)果見圖8。

經(jīng)多次調(diào)整鉆機位置后，利用2.2 m直徑?jīng)_擊鉆頭正常鉆進，從標(biāo)高-33.64 m鉆進至-35.1 m，出現(xiàn)持續(xù)卡鉆現(xiàn)象；利用移動鉆機位置進行多點鉆進，后沖擊至標(biāo)高-37.04 m，至鋼樁底以下1.3 m，停止鉆進，并進行清孔。第三次安排潛水員水下探摸檢查，發(fā)現(xiàn)鋼管樁在-28.26 m(標(biāo)高)處有明顯變形，變形由-28.26 m(標(biāo)高)延伸至鋼管樁樁底(-35.84 m)，變形高度約7.64 m(當(dāng)前孔底標(biāo)高-37.04 m)；鋼管樁樁底變形處寬度約1.5 m(向鋼樁內(nèi)凹陷)，凹陷點前部距鋼樁壁最小距離1.6 m。鋼樁內(nèi)孔壁光滑，無破損開裂，鋼樁底口周邊均已露出，測釬探摸鋼樁底口壁外為散體狀強風(fēng)化花崗巖。

利用超聲波成孔檢測儀在鋼管樁孔內(nèi)進行多斷面量測，根據(jù)測量數(shù)據(jù)匯總后見圖9，與潛水員探摸情況基本一致。

4.3 成因分析

根據(jù)事件經(jīng)過分析和檢查情況，對于主體鋼管鋼樁變形，疑為在-28.2m位置，鋼樁壁外側(cè)有大漂石(孤石)，漂石外巖恰貼近(或有小部分探頭石)主體鋼管樁，在主體鋼管樁錘擊下沉過程中逐漸擠壓鋼樁，導(dǎo)致鋼樁變形(見圖10)。

圖8 潛水員水下探摸情況圖

圖9 超聲波成孔檢測儀測量數(shù)據(jù)匯總圖

4.4 處理方案

鋼管樁不再跟進，切割并取出鋼管樁變形部分，按原設(shè)計要求對鋼管樁進行嵌巖施工，嵌巖深度保持不變。經(jīng)載荷計算后，適當(dāng)加大鋼筋籠主筋直徑，按原設(shè)計方案進行鋼筋籠施工和回填混凝土。

為防止孔內(nèi)出現(xiàn)翻沙和漏水，確保水下切割作業(yè)安全，防止對覆蓋層土體產(chǎn)生破壞，確保后續(xù)嵌巖樁施工可行性，先采用高壓旋噴樁注漿加固工法對樁周土體進行加固處理。完成后，采用1 m直徑鉆頭進行沖孔，保證鋼管變形部分具備水下切割條件。將變形部分鋼板進行水下切割后取出，完成后，采用混凝土灌

圖10 主體鋼管樁變形情況匯總圖

注，回填至鋼管樁變形部分以上2 m，達到強度后，再進行嵌巖樁鉆孔施工。

5 結(jié) 語

國內(nèi)海上風(fēng)電起步較晚，但是建設(shè)條件遠比歐洲困難，臺風(fēng)、地震、淺覆蓋層等都是國內(nèi)建設(shè)者面臨的難度。特別是覆蓋層地質(zhì)較為復(fù)雜，給設(shè)計和施工帶來極大的不便，一是通過前期充分準(zhǔn)備，可以降低孤石帶來的風(fēng)險，建議適當(dāng)增加前期地勘費用，提高地質(zhì)參數(shù)和地質(zhì)分布的準(zhǔn)確性，二是給設(shè)計更充分的時間密切聯(lián)系施工單位，比選最優(yōu)基礎(chǔ)形式和優(yōu)化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；三是后期采取合理的解決方案，可以有效保證結(jié)構(gòu)的安全。

雖然淺覆蓋層場址先期建設(shè)成本較高，教訓(xùn)深刻。相信隨著多個類似場址的經(jīng)驗積累，定能很好的優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計和施工方案，達到降低工程建設(shè)成本的目的，讓國內(nèi)風(fēng)電建設(shè)具有競爭性。