福建興化灣海上風(fēng)電場勘察難點(diǎn)和問題探討

周興政，朱 泓

(1.福清海峽發(fā)電有限公司，福建 福州 350309；2.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310014)

福建沿海海域廣泛分布有花崗巖，花崗巖球狀風(fēng)化具有不均勻性、離散性、差異性、突變性等特點(diǎn)。風(fēng)化深槽、暗礁、球狀風(fēng)化對(duì)于工程設(shè)計(jì)和施工來說十分不利，需要查明。本文就福建興化灣海上風(fēng)電場地質(zhì)勘察中遇到的主要工程地質(zhì)問題和勘察難點(diǎn)進(jìn)行探討。

1 工程概況

福建興化灣海上風(fēng)電場項(xiàng)目位于福清興化灣內(nèi)，鄰近福清核電廠址，由兩塊區(qū)域組成，總面積約48.6 km2，總裝機(jī)容量450 MW。工程分為二期，其中二期面積約18.5 km2，場址泥面高程-28～-3 m，中心離岸距離約4.7 km。

1.1 場址區(qū)基本地形地貌

擬建機(jī)位多位于水下岸坡及海底階地地貌單元上。場區(qū)內(nèi)有大小不一的島礁、暗礁分布，局部分布海溝，地形復(fù)雜，東側(cè)場區(qū)機(jī)位遠(yuǎn)岸處地形較平緩，西側(cè)近岸處地形稍陡。

1.2 場址區(qū)基本地層概況

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料以及已有的勘察成果，區(qū)域內(nèi)基巖地層以燕山早期第三次侵入(γ52(3)c)含黑云母花崗巖、燕山早期第二次侵入(γδ52(3)c)灰白色花崗閃長巖及侏羅系南園組第二段(J3nb)淺灰色流紋質(zhì)晶屑碎斑熔巖夾凝灰?guī)r、砂巖為主，局部為燕山期混合巖化作用形成的花崗片麻巖，第四系沉積地層主要為海積(Q4mc)淤泥、粘土、砂、殘積(Qel)砂質(zhì)粘性土等。

2 主要工程地質(zhì)問題

工程區(qū)巖性主要為花崗巖，巖性復(fù)雜多變，基巖面起伏大，花崗巖的球狀風(fēng)化較為普遍，在全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)常殘留有風(fēng)化孤石。興化灣一期項(xiàng)目前期勘探過程中未發(fā)現(xiàn)明顯的球狀風(fēng)化孤石，但在施工沉樁過程中個(gè)別樁遇到了孤石，據(jù)實(shí)測孤石直徑一般1～3 m，最大可達(dá)5 m，造成鋼管樁癟樁，無法正常沉樁，后續(xù)處理難度很大，增加了工程處理費(fèi)用，且對(duì)工期影響很大。

基巖面起伏大，散體狀花崗巖密實(shí)度不均一，個(gè)別鋼管樁沉樁難以達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，停錘標(biāo)準(zhǔn)難以確定，造成鋼管樁截樁較長，長度達(dá)3～10 m，浪費(fèi)嚴(yán)重。

3 工程地質(zhì)勘察難點(diǎn)

1)地形地貌基本被海水淹沒，無法直觀地觀測到場區(qū)地形地貌、表層地層巖性、構(gòu)造等地質(zhì)特征。

2)場區(qū)巖性為花崗巖，具有不均勻性，離散性、差異性、突變性，并分布有孤石，對(duì)鋼管樁施工方案的選擇影響大。

3)場地地層不均一，地層結(jié)構(gòu)、厚度變化大，地層起伏大，對(duì)基礎(chǔ)型式選擇影響較大。

4)現(xiàn)有規(guī)范的編制不完善，陸地風(fēng)電場和海相沉積區(qū)的風(fēng)電場勘察、設(shè)計(jì)、施工技術(shù)相對(duì)成熟，規(guī)范內(nèi)容方面編制完整，但對(duì)于淺海一帶花崗巖特殊巖土的勘察，因收集資料較少，規(guī)范中很少闡述，很多條款都是指明參考《海上平臺(tái)場址工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB/T17503)，參照性差。

5)物探成果的多解性。僅僅依靠物探成果解譯，場地風(fēng)化巖深度和界面物探解譯與實(shí)際鉆探劃分地層偏差很大，個(gè)別界面深度甚至誤差十余米?？梢娢锾匠晒诨◢弾r地層中解譯的難度和困難，需要鉆孔資料的支撐。

4 工程中對(duì)策

根據(jù)工程規(guī)模和場區(qū)范圍，通過海上地質(zhì)鉆探工作，結(jié)合現(xiàn)場原位測試技術(shù)、現(xiàn)場取樣、室內(nèi)試驗(yàn)等綜合手段進(jìn)行工程地質(zhì)勘察。

4.1 球狀風(fēng)化現(xiàn)象的判定

4.1.1 鉆探取芯分辨

在花崗巖節(jié)理裂隙發(fā)育地區(qū)，巖石沿節(jié)理面風(fēng)化速度較中心部位快，有時(shí)幾組方向的節(jié)理將巖石切割成多面體的小塊，小巖石塊的邊緣和隅角從多個(gè)方向受到溫度及水溶液等因素的作用而最先破壞，而且破壞深度較大，久而久之，其棱角逐漸消失，變成球形或橢球形，這種現(xiàn)象叫球狀風(fēng)化。這種現(xiàn)象常見于風(fēng)化速度較快的粗粒花崗巖地區(qū)，細(xì)?；◢弾r中球狀風(fēng)化現(xiàn)象比較少見。因此勘察中若發(fā)現(xiàn)基巖面有異常起伏或鉆取到一段巖芯后又揭露風(fēng)化土層，應(yīng)加深勘探深度，以利于判定是否為球狀風(fēng)化現(xiàn)象，防止把球狀風(fēng)化的孤石當(dāng)成基巖層面。球狀風(fēng)化的殘存孤石在殘積土中往往突然出現(xiàn)，界面接觸突然，缺乏正常的殘積層-強(qiáng)風(fēng)化層-中風(fēng)化層的自然過渡，據(jù)此可初步判斷是否為球狀風(fēng)化現(xiàn)象。

4.1.2 物探探測

物探方法多種多樣，尤其對(duì)于花崗巖地區(qū)風(fēng)化孤石的判斷，許多單位也在摸索總結(jié)中。地震反射波法利用的是巖土層的阻抗差異(密度和速度差異)，如孤石與周邊土層的密度和速度存在明顯的差異，且海水(液體)更能消除地震波動(dòng)信號(hào)中的面波等干擾，接收信號(hào)更好，且采用水上高頻、高密度多次覆蓋地震反射波法，分辨率會(huì)更高。

通過野外實(shí)際試驗(yàn)工作，并結(jié)合測區(qū)經(jīng)驗(yàn)，工程區(qū)水域主要地層具有如下地球物理特征：

1)海水縱波速度Vp=1 480～1 500 m/s；

2)覆蓋層的平均縱波速度Vp=1 600～1 700 m/s；

3)基巖的縱波速度Vp>2 000 m/s。

由以上波速資料可看出，不同巖土層波速差異較大，波阻抗差異明顯，為開展水域地震反射波提供了良好的地球物理?xiàng)l件。

4.2 花崗巖風(fēng)化程度的劃分

花崗巖殘積土和風(fēng)化土中通常含有較多的石英砂礫，且粉性較高，顆粒間結(jié)合力較弱，野外肉眼分層難度較大，室內(nèi)土工試驗(yàn)由于石英顆粒含量較多，試驗(yàn)成果也無法正確劃分定名。根據(jù)福建省巖土工程勘察規(guī)范，花崗巖風(fēng)化程度的劃分主要依據(jù)原位測試成果，對(duì)于厚層狀的強(qiáng)風(fēng)化巖和全風(fēng)化巖時(shí)，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)又進(jìn)一步劃分為碎塊狀、碎屑狀和土狀，見表1。標(biāo)貫錘擊數(shù)的準(zhǔn)確性和巖土分層合理性與后期沉樁施工有很大的關(guān)系，有必要在勘察階段劃分清楚，為沉樁施工做指導(dǎo)。

表1 福建花崗巖標(biāo)貫錘擊數(shù)風(fēng)化程度劃分標(biāo)準(zhǔn)表

5 工程實(shí)例

福清興化灣海域二期風(fēng)機(jī)共布置了45臺(tái)風(fēng)機(jī)，在該海域風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要采用高樁承臺(tái)基礎(chǔ)。

5.1 樁型與勘探點(diǎn)的布置

勘探孔布置的數(shù)量與樁型有關(guān)，而樁型又和場地地形、地層、海水深度、施工船舶吃水深度等條件息息相關(guān)，有時(shí)設(shè)計(jì)專業(yè)會(huì)根據(jù)風(fēng)機(jī)位第一個(gè)勘探孔基巖層面的埋深、海水深度等地質(zhì)條件，樁型設(shè)計(jì)隨之變更，原有的布孔方案就要重新調(diào)整，這些因素給勘察布孔帶來了一定的困難。

根據(jù)本案機(jī)位地層勘察情況分析和探討，原則上6-8根的高樁承臺(tái)基礎(chǔ)，平面上宜呈等腰三角形布置3個(gè)勘探孔。當(dāng)樁位遇到孤石等不良地質(zhì)體時(shí)，應(yīng)分析不良地質(zhì)體埋深位置，如果孤石位于鋼管樁沉樁深度范圍內(nèi)，則需要增加勘探工作量，以探明不良地質(zhì)體的分布范圍。如場區(qū)53號(hào)機(jī)位，因距離島嶼較近，經(jīng)多次移位多個(gè)勘探孔中均見有孤石，這樣機(jī)位的工程地質(zhì)條件只能提醒設(shè)計(jì)和施工單位提前采取相應(yīng)的施工處理措施，避免在施工中出現(xiàn)被動(dòng)局面。如果孤石埋深超過了沉樁深度在嵌巖段范圍內(nèi)時(shí)，嵌巖施工處理屬于可控范圍，風(fēng)機(jī)機(jī)位可以不再增加勘探工作量或移位。如：20號(hào)機(jī)位鉆探巖芯中就發(fā)現(xiàn)有明顯的孤石，經(jīng)過設(shè)計(jì)驗(yàn)算，孤石位置處于嵌巖段，不會(huì)造成癟樁現(xiàn)象，就不再增加勘探工作量。

5.2 孤石的判斷

為查明工程場地及風(fēng)機(jī)位置基巖面埋深及球狀風(fēng)化孤石發(fā)育情況及分布情況，采用了水上高頻、高密度多次覆蓋地震反射波勘探法的物探方法(CDP)。

5.2.1 物探成果的解譯原則

水域地震反射資料成果解釋工作以反射波時(shí)間剖面圖為基礎(chǔ)，圖中各反射波的時(shí)序分布關(guān)系與形態(tài)特征是地層地質(zhì)現(xiàn)象的客觀反映。解釋原則：

1)對(duì)于巖土層層位的劃分，主要是追蹤時(shí)間剖面圖中的連續(xù)同相軸；

2)對(duì)于異常的劃分(可能發(fā)育孤石的位置)，主要是尋找繞射弧或者局部能量較強(qiáng)且附近同相軸不連續(xù)的位置。

圖1中綠色、黃色、紅色和藍(lán)色實(shí)線均為地震反射解釋的巖土層分界線，其中綠色實(shí)線為水底地形線，紅色或者黃色實(shí)線為土層的分界面，藍(lán)色實(shí)線為中風(fēng)化基巖面。紅色圈圈標(biāo)示的為異常區(qū)域是孤石發(fā)育的潛在區(qū)域，通常表現(xiàn)為繞射弧現(xiàn)象或者局部能量較強(qiáng)且附近同相軸不連續(xù)。

A剖面中紅色圈圈標(biāo)示的異常區(qū)域表現(xiàn)為存在明顯的繞射?。籅和C剖面中紅色圈圈標(biāo)示的異常區(qū)域表現(xiàn)為存在繞射弧，局部能量較強(qiáng)，同相軸不連續(xù)，均為發(fā)育孤石可能較大的位置。

圖1 A、B和C地震反射時(shí)間剖面圖(從左往右)

5.2.2 鉆孔驗(yàn)證

根據(jù)現(xiàn)場物探測試分析幾個(gè)機(jī)位出現(xiàn)的異常點(diǎn)，選取了34號(hào)、54號(hào)、56號(hào)三個(gè)機(jī)位靠近施工布樁位置進(jìn)行取芯驗(yàn)證。對(duì)比情況見表2。

表2 鉆孔巖芯與物探解譯異常點(diǎn)對(duì)比表

本次只驗(yàn)證了3個(gè)孔的實(shí)際情況，根據(jù)三個(gè)鉆孔中對(duì)物探CDP成果解譯異常點(diǎn)的檢驗(yàn)，其中54號(hào)機(jī)位CDP反映情況與實(shí)際鉆孔巖芯揭露情況比較相近，該段巖脈性狀與周邊風(fēng)化巖性狀差異較大，物探反映明顯；34號(hào)、56號(hào)機(jī)位解譯效果不是很明顯，因此在判斷孤石上尚未找到一個(gè)效果明顯的勘察手段。由于影響物探解譯的因素很多，如儀器的適用性、地層巖性復(fù)雜性、風(fēng)化程度的不均一性、海水深度，都會(huì)給成果的解譯帶來一定的干擾和誤判，這些問題都有待于進(jìn)一步的研究和探討。

5.2.3 施工階段沉樁情況驗(yàn)證

勘探期間有些鉆孔巖芯中并未發(fā)現(xiàn)有孤石存在的跡象，而在實(shí)際沉樁過程中機(jī)位范圍內(nèi)部分樁卻有出現(xiàn)癟樁情況，癟樁變形情況經(jīng)水下探測，其變形形態(tài)見示意圖2。表3為工程區(qū)6樁嵌巖樁施工過程中記錄的癟樁樁位和最終停錘貫入度情況，其中55-6樁癟樁結(jié)果樁底內(nèi)凹變形約0.6 cm左右，對(duì)照鉆孔巖芯、地質(zhì)剖面圖以及停錘貫入度綜合分析，造成癟樁的原因是樁底存在塊體較大的風(fēng)化孤石，強(qiáng)度較高，沉樁難以穿透；另一個(gè)方面分析原因是部分樁的樁底已打入碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖層中，如29號(hào)機(jī)位的4個(gè)樁癟樁情況，主要是樁底已接近或打入碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中，對(duì)照鉆孔巖芯，樁底相應(yīng)高程位置上的巖芯呈5～8 cm塊狀，對(duì)于大直徑打入式樁沉樁十分困難，強(qiáng)行錘擊就容易引起癟樁和卷邊。因此在花崗巖地區(qū)沉樁過程中如何消化和理解地質(zhì)成果十分必要。

圖2 部分樁樁底癟樁形狀示意圖

5.3 標(biāo)貫錘擊數(shù)與沉樁的關(guān)系

孔內(nèi)標(biāo)貫測試數(shù)據(jù)在花崗巖地區(qū)工程中非常重要，在沉樁施工過程時(shí)，標(biāo)貫的錘擊數(shù)與沉樁的貫入度有直接的關(guān)系。如：福清興化灣風(fēng)電場17號(hào)機(jī)位高樁承臺(tái)鋼管樁設(shè)計(jì)樁長為60余米，樁外徑1 900 mm，壁厚28 mm，樁基采用斜樁，斜率為6∶1。根據(jù)現(xiàn)場標(biāo)貫錘擊數(shù)對(duì)地層的劃分，50～70擊/30 cm主要為散體狀花崗巖，70擊/30 cm以上基本劃分為碎裂狀花崗巖。結(jié)合現(xiàn)場樁基沉樁施工，當(dāng)未經(jīng)修正的標(biāo)貫錘擊數(shù)達(dá)到50～70擊/30 cm以上時(shí)，沉樁速率明顯變慢，當(dāng)標(biāo)貫錘擊數(shù)達(dá)到70擊/30 cm以上，即使加大錘擊能量，沉樁也十分困難，基本達(dá)到停錘要求，見表4。

表3 施工沉樁癟樁樁號(hào)表

6 結(jié) 語

隨著福建、廣東淺海海域花崗巖特殊巖土地區(qū)海上風(fēng)電的陸續(xù)開發(fā)，遇到的工程地質(zhì)問題將會(huì)越來也多，花崗巖地區(qū)特殊巖土風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的勘察準(zhǔn)確程度直接影響到設(shè)計(jì)質(zhì)量、鋼管樁基礎(chǔ)施工的難度和工程成本。以上僅僅總結(jié)了興化灣一帶花崗巖地區(qū)的幾個(gè)勘察方法和工作要點(diǎn)，是對(duì)工程的一次寫真，由于花崗巖地層具有地區(qū)性、不均勻性、離散性、差異性、突變性等性狀，對(duì)花崗巖中不良地質(zhì)尤其是對(duì)孤石判斷準(zhǔn)確率和測試精度各個(gè)單位仍在探索之中。本文做拋磚引玉為今后類似工程借鑒之用。

表4 17號(hào)風(fēng)機(jī)嵌巖沉樁段和18號(hào)風(fēng)機(jī)摩擦樁沉樁貫入度與標(biāo)貫對(duì)比表