海上風(fēng)電項(xiàng)目科學(xué)選址研究

李曉蕾

（中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300450）

0 引言

海上風(fēng)力發(fā)電廠是利用海上風(fēng)力資源發(fā)電的新型發(fā)電廠。在環(huán)境保護(hù)形勢日益嚴(yán)峻和海洋資源豐富且可循環(huán)利用的背景下，風(fēng)力資源巨大的海域成了人們目光的焦點(diǎn)[1-4]。為了貫徹能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃，中國海油立足自身技術(shù)，提出通過加快百萬千瓦級海上風(fēng)電場建設(shè)，全力推動深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電技術(shù)的研究與示范，全面加速新能源業(yè)務(wù)發(fā)展，逐步將深遠(yuǎn)海風(fēng)電作為中國海油結(jié)合油氣主業(yè)、探索新能源產(chǎn)業(yè)差異化發(fā)展的一條新路徑，持續(xù)探索“風(fēng)光發(fā)電+油氣產(chǎn)業(yè)”“風(fēng)光發(fā)電+天然氣發(fā)電”“海上風(fēng)電+海洋牧場”等融合發(fā)展新模式。

然而，相對于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電場面臨著更為不利的運(yùn)維條件，一旦發(fā)生嚴(yán)重?cái)_動或故障，電網(wǎng)會受到更為嚴(yán)重的沖擊。由于受海洋特殊自然環(huán)境及輸電方式等的影響，海上風(fēng)電并網(wǎng)工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)與運(yùn)行控制面臨著許多新的問題與挑戰(zhàn)。本文介紹了某海上風(fēng)電項(xiàng)目場址選址的設(shè)計(jì)研究，通過前期工程物探調(diào)查、海洋環(huán)境調(diào)查等手段為選址提供了科學(xué)可靠的依據(jù)，隨后通過工程地質(zhì)調(diào)查，包括導(dǎo)航定位、水深測量、PCPT 測試、鉆孔取芯、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、圓錐動力觸探試驗(yàn)、巖土試驗(yàn)、樁基參數(shù)確定等進(jìn)行了風(fēng)電站前期布設(shè)研究，最終確定了該場址選址可行、可靠。

1 工程勘察的目的與意義

在進(jìn)行海上風(fēng)電項(xiàng)目場址選址設(shè)計(jì)的可行性研究時(shí)，預(yù)測成本工作中最大的不確定性之一是項(xiàng)目的地質(zhì)條件。地質(zhì)條件相關(guān)的問題會嚴(yán)重影響項(xiàng)目成本、設(shè)計(jì)、進(jìn)度、施工方法、盈利能力等[5-7]。為了降低海上風(fēng)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營過程中地質(zhì)條件不確定帶來的風(fēng)險(xiǎn)，需要對目標(biāo)海域進(jìn)行全方位的工程勘察。通過綜合研究評估這些信息，可以為后續(xù)海上風(fēng)電項(xiàng)目場址選址設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)[8-9]。

通過工程物探方法查明風(fēng)電全場區(qū)內(nèi)、風(fēng)電機(jī)組局部、海上升壓站局部及海纜路由區(qū)域的水深海底地形、海底地貌特征和海底障礙物分布情況、海底淺地層結(jié)構(gòu)與變化規(guī)律、海底及海底地層中具有潛在危害地質(zhì)類型，如埋藏古河道、淺層斷層、淺層氣、砂土液化區(qū)、沙波、硬質(zhì)海底，基巖等的分布，綜合分析并評估上述災(zāi)害地質(zhì)對風(fēng)機(jī)、海上升壓站安裝及海纜鋪設(shè)的影響，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供科學(xué)可靠的依據(jù)。

通過工程地質(zhì)鉆探、原位測試、室內(nèi)試驗(yàn)等勘察方法，查明風(fēng)電場場址區(qū)的工程地質(zhì)條件、海水和海床沉積物腐蝕性特征，提供高質(zhì)量的地勘數(shù)據(jù)，主要包含土層、強(qiáng)度、變形、腐蝕因子含量等參數(shù)，為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、海上升壓站基礎(chǔ)和集電電纜設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

工程地質(zhì)勘察的主要任務(wù)有：①完成相應(yīng)的巖土鉆探、靜力觸探試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)工作；②查明地基巖土類別、層次、厚度及沿垂直方向的分布規(guī)律，高程系統(tǒng)采用85 高程；③提供地基巖土基本物理力學(xué)參數(shù)（包括壓縮模量、泊松比等）、承載力、土層抗剪切指標(biāo)及標(biāo)貫擊數(shù)、壓縮指標(biāo)、沿土層的不同樁型的側(cè)極限摩擦阻力及樁端極限阻力；④對不良地質(zhì)作用進(jìn)行評價(jià)及說明。

通過了解海洋水質(zhì)狀況，掌握海洋環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及變化趨勢，評價(jià)海洋環(huán)境質(zhì)量，查明海水及地下水、海床及海岸巖（土）體對混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性等問題，可以為電纜設(shè)計(jì)和位置鋪設(shè)提供依據(jù)。

通過工程地質(zhì)表層取樣、原位測試、室內(nèi)試驗(yàn)等勘察方法，結(jié)合工程物探調(diào)查結(jié)果，查明集電電纜路由的工程地質(zhì)條件，提供高質(zhì)量的地勘數(shù)據(jù)，提供足夠和充分的土層工程特性參數(shù)，為場內(nèi)電纜布置設(shè)計(jì)和鋪設(shè)提供依據(jù)。

2 風(fēng)電項(xiàng)目前期布設(shè)工程勘察

風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)過程中，其前期布設(shè)研究直接決定著工程的工期、質(zhì)量與效益[10]。為了保證風(fēng)電項(xiàng)目的高質(zhì)量建設(shè)，需要在工程合理規(guī)劃的基礎(chǔ)上進(jìn)行前期布設(shè)研究，通過綜合評價(jià)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，為風(fēng)電項(xiàng)目安全高效運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

2.1 某海上風(fēng)電項(xiàng)目工程概況

某海上風(fēng)電項(xiàng)目場址涉海面積約48 km2，場址水深范圍為23～27 m，中心離岸距離約20 km。擬布置55 臺風(fēng)電機(jī)組，并配套建設(shè)一座220 kV 海上升壓站及陸上運(yùn)維基地。風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的電能，通過集電海底電纜接入海上升壓站，升壓后通過220 kV 海底電纜接入位于運(yùn)維基地內(nèi)的集控中心，并通過架空線路送到220 kV 匯能站。

2.2 工作量布設(shè)情況

每個(gè)機(jī)位布設(shè)1 個(gè)控制性鉆孔，升壓站布設(shè)4 個(gè)控制性鉆孔，風(fēng)電場共布設(shè)59 個(gè)控制性鉆孔?？刂菩糟@孔終孔深度的確定遵循以下規(guī)則：正常情況下一般為60 m；進(jìn)入中風(fēng)化巖層不少于15 m，且鉆孔總深度不少于50 m；若未揭露巖層，終孔深度為70 m；若50 m范圍內(nèi)已經(jīng)揭露微風(fēng)化巖層（或特殊情況），經(jīng)業(yè)主認(rèn)可后方可終孔。

控制性鉆孔中，當(dāng)PCPT 錐尖阻力小于70 MPa 或在PCPT 作業(yè)安全范圍內(nèi)，PCPT 與鉆探取樣交替進(jìn)行，按鉆探取樣長度1 m 與PCPT 長度3 m 交替進(jìn)行。在地層較薄、原狀樣品數(shù)量少的情況下，PCPT 和鉆探取樣可單獨(dú)進(jìn)行，兩孔距離滿足規(guī)范要求（一般不大于3 m）；當(dāng)PCPT 錐尖阻力大于70 MPa 或超出PCPT作業(yè)安全范圍時(shí)，開展“鉆探取樣+標(biāo)貫試驗(yàn)”作業(yè)，間距一般按2 m 考慮。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)至中等風(fēng)化巖面或跳錘為止（如連續(xù)跳錘，可視地質(zhì)情況增大試驗(yàn)間距或終止試驗(yàn)），如遇硬的風(fēng)化巖導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)難以進(jìn)行，可進(jìn)行圓錐動力觸探試驗(yàn)。

2.3 水深測量

每次鉆探和PCPT 作業(yè)開始前，先用安裝在船底鉆探月池旁的測深儀和PCPT 上的深度傳感器測一次水深，用于確定一個(gè)基準(zhǔn)水深值。在作業(yè)期間每隔半小時(shí)用船上的測深儀測量一次水深，同時(shí)校正鉆孔取樣和PCPT 測試深度。需要說明的是，鉆孔作業(yè)中水深數(shù)據(jù)為實(shí)測值，未做任何水深基準(zhǔn)面和潮位訂正，因此不可將其單獨(dú)用于水深設(shè)計(jì)。

2.4 PCPT 測試

PCPT 測試所使用的儀器設(shè)備為Wison-APB 鉆孔PCPT 系統(tǒng)，其探頭錐角為60°、錐頭面積為10 cm2，摩擦套筒面積為150 cm2。孔壓傳感器安裝在探頭錐頭的肩部以上5 mm 處。每次PCPT 測試的連續(xù)貫入行程為3 m，貫入速度為20 mm/s。測試結(jié)束后，將已測試過的土層鉆掉，并用泥漿清孔和護(hù)壁，然后再繼續(xù)下一回次的PCPT 測試。PCPT 測試和清孔如此循環(huán)進(jìn)行，直至終孔深度。

2.5 鉆孔取芯

鉆孔所采用的鉆探設(shè)備包括液壓頂驅(qū)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、泥漿泵、海底基礎(chǔ)板以及Wison-APB 液壓取樣/PCPT系統(tǒng)，鉆進(jìn)過程中使用泥漿進(jìn)行清孔和護(hù)壁。取樣采用Wison 液壓取樣器，配以外徑為76 mm、內(nèi)徑為72 mm的不銹鋼取芯筒，壓入速度為2 cm/s，巖石取樣配備專用巖石繩索取芯工具，采用ZD-200A 型鉆機(jī)和金剛石復(fù)合片鉆頭（PDC）。

2.6 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

試驗(yàn)采用Φ42 mm 觸探桿，錘重63.5 kg（自由下落，落距76 cm）。先用鉆具鉆至試驗(yàn)位置以上15 cm處，再將貫入器打入土層15 cm（不計(jì)擊數(shù)）后，記錄每擊入10 cm 的錘擊數(shù)，累計(jì)30 cm 的錘擊數(shù)為該次標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)。當(dāng)土層堅(jiān)硬或密實(shí)，貫入深度未達(dá)到30 cm，即錘擊數(shù)達(dá)50 擊時(shí)，記錄擊入深度并終止試驗(yàn)，將錘擊數(shù)換算成相當(dāng)于貫入深度為30 cm 對應(yīng)的等效錘擊數(shù)n。試驗(yàn)時(shí)，對孔內(nèi)浮土均進(jìn)行了清除，且保持鉆桿垂直。

2.7 圓錐動力觸探試驗(yàn)

與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)相似，試驗(yàn)采用Φ42 mm 觸探桿，將標(biāo)準(zhǔn)貫入器換為重63.5 kg 的圓錐探頭（重型動力觸探）。通過自動落錘將圓錐打入巖土層中，記錄每擊入10 cm 的錘擊數(shù)。圓錐動力觸探試驗(yàn)適用于砂土、碎石土、極軟巖的測試。

3 室內(nèi)試驗(yàn)研究

3.1 巖土試驗(yàn)

每個(gè)土樣取上后，首先要檢查取樣管末端的土質(zhì)。如果是黏性土，當(dāng)土樣還在取樣管內(nèi)時(shí)都要進(jìn)行小型手動十字板、微型電動十字板和袖珍貫入試驗(yàn)。試驗(yàn)完畢后，或者當(dāng)取樣管末端土質(zhì)為粒狀土?xí)r，用液壓推出器將土樣從取樣管中推出，由工程師進(jìn)行肉眼分類，對大多數(shù)土樣進(jìn)行密度和含水量測量，然后挑選部分質(zhì)量好的土樣包裝放入不透氣的容器中密封裝箱，運(yùn)往陸地實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。

（1）現(xiàn)場試驗(yàn)包括：目測分類、含水量容重、袖珍貫入試驗(yàn)、微型十字板試驗(yàn)（分?jǐn)_動和非擾動）、手動十字板試驗(yàn)、點(diǎn)荷載試驗(yàn)。

（2）砂土試驗(yàn)包含：相對密度試驗(yàn)、顆分試驗(yàn)、固結(jié)排水試驗(yàn)。黏性土試驗(yàn)還包含：液塑限試驗(yàn)、比重計(jì)試驗(yàn)、電動十字板試驗(yàn)、三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)、三軸不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓試驗(yàn)等。

（3）高級土工試驗(yàn)包括：共振柱試驗(yàn)、靜單剪試驗(yàn)、動單剪試驗(yàn)。巖石測試包含巖石的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)、易溶鹽試驗(yàn)、導(dǎo)熱性能、電導(dǎo)率測試、腐蝕因子測試等。其中，巖石的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括但不限于：巖礦鑒定、天然塊體密度、飽和含水率、天然含水率、飽和、干燥、天然單軸抗壓試驗(yàn)、點(diǎn)荷載試驗(yàn)、飽和彈性模量、泊松比、剪切波速等。

3.2 樁基參數(shù)確定

樁基參數(shù)的確定嚴(yán)格按照有關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。本次勘探升壓站和風(fēng)機(jī)位置均進(jìn)行鉆孔取樣和原位測試。在覆蓋土層和部分全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖層中，PCPT 測試除個(gè)別孔外，均完成了完整的剖面，該剖面直觀、真實(shí)地反映了巖土層的排水屬性、巖土類型、巖土強(qiáng)度、厚度等隨深度的變化，以及砂土的密實(shí)度、黏性土的強(qiáng)度、靈敏度和固結(jié)度等特性。巖土參數(shù)的確定應(yīng)綜合考慮PCPT 測試結(jié)果和巖土取樣試驗(yàn)結(jié)果，為準(zhǔn)確確定巖土層的工程特性提供可靠的依據(jù)。

4 結(jié)束語

作為新能源發(fā)電的重要組成部分，海上風(fēng)電是未來的高增長產(chǎn)業(yè)之一。海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈長，集合了當(dāng)代高端裝備制造的頂尖技術(shù)，是最能體現(xiàn)高端技術(shù)創(chuàng)新能力的可再生能源領(lǐng)域。本文通過工程勘察為某海上風(fēng)電項(xiàng)目場址選址設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)，隨后通過前期布設(shè)研究綜合評價(jià)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了本次選址的可靠性、安全性及應(yīng)用性，為后續(xù)其他風(fēng)電項(xiàng)目場址選址樹立了優(yōu)秀的范例。