摘要：我國海上風能資源豐富，近幾年，海上風電發(fā)展較快，已達到先進水平。海上作業(yè)難度大，條件復雜多變，風電項目的地質勘察面臨巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的陸地或近岸勘察設備已無法滿足精細化地質勘察的要求。以廣東省東部沿海某海上風電項目為例，結合相應的勘察設備，分析鉆探與靜力觸探的綜合應用，探索成果統(tǒng)計精細化和管理精細化，以期提高我國海上風電勘察能力和質量。

關鍵詞：海上風電；精細化地質勘察；鉆探；靜力觸探

中圖分類號：TV221 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）07-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.031

Analysis on Refined geological survey of offshore wind power projects

ZHOU Sheng， XU Qi

（CCCC FHDI Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou 510230， China）

Abstract： China has abundant offshore wind energy resources， in recent years， offshore wind power has developed rapidly and has reached an advanced level. Offshore operations are difficult and the conditions are complex and varied， and geological surveys for wind power projects face enormous challenges， and traditional land or nearshore survey equipment can no longer meet the requirements of refined geological surveys. Taking a certain offshore wind power project along the eastern coast of Guangdong province as an example， combined with corresponding survey equipment， the comprehensive application of drilling and static penetration testing is analyzed， and the refinement of statistical results and management is explored， in order to improve China’s offshore wind power survey capability and quality.

Keywords： offshore wind power; refined geological survey; drilling; static sounding

擬建海上風電場位于廣東省東部沿海，離岸20～30 km。場址規(guī)劃面積約為29 km2，海底水深介于19～26 m，它屬于近海風電場。項目規(guī)劃裝機總容量為322 MW，擬布置46臺7.0 MW風電機組，同時配套建設1座220 kV海上升壓站和陸上開關站。

1 工程概況

1.1 海域特征

廣東省沿海海浪主要受熱帶氣旋和季風影響，一般東北向的海浪平均波高大于西南向的海浪。西南季風期的浪和涌平均波高小于東北季風期的浪和涌。根據(jù)項目附近海洋站2012—2015年實測波浪資料，年平均波高為0.9 m，歷年最大波高為6.1 m，波向為北北東，該數(shù)據(jù)采集于超強臺風“天兔”影響期間。年平均周期為4.9 s，最大周期為13.0 s。

廣東省近岸海域的海流分布較為復雜，粵東的東部海域全年為東北向流，平均流速約為0.25 m/s，粵東的西部海域、珠江口外海及其西部海域的冬半年以西南向流為主，平均流速介于0.25～0.45 m/s，下半年為東北向流，平均流速為0.25～0.40 m/s。工程海域潮流性質屬不規(guī)則半日潮流區(qū)，一日兩潮不等現(xiàn)象比較顯著。受巴士海峽的沿海岸分支潮波影響，區(qū)域性潮流漲潮為北東流向，落潮為南西或南流向，潮流類型主要為地形控制的往復流。

1.2 地形地貌

海上風電場場區(qū)主要為水下侵蝕-堆積平原地貌單元，海床底質為淤泥質和砂質。場區(qū)形狀為梯形，地勢相對平坦，東側地勢起伏相對較大，整體呈現(xiàn)西北高、東南低的地形走勢。西北側海底高程較大，最高為-18.0 m，東南側海底高程較低，最低為-25.1 m。等高線整體呈現(xiàn)東北-西南走向，由北向南，海底高程逐漸降低。場區(qū)內無明顯陡坎、海溝等地形。

1.3 地質情況

根據(jù)現(xiàn)場勘察揭露，并結合區(qū)域地質資料，工程場地主要由4個部分地層構成，上部以第四系全新統(tǒng)海相沉積地層為主，中部以第四系全新統(tǒng)海相沖積層為主，下部為第四系更新統(tǒng)海相沖積層和燕山期花崗巖。上部海相沉積地層以松散-稍密的粉細砂、中砂和粗砂為主，部分地段淤泥-淤泥質土軟土層連續(xù)分布；中部海相沖積層以黏性土和砂土層為主，多呈交互狀分布；下部地層以海相沖積砂土層為主。

2 勘察設備

2.1 海洋鉆機

如果將普通鉆機搭設在船載式鉆探平臺上進行勘探作業(yè)，在海況較差的作業(yè)條件下，就會對勘察質量產(chǎn)生不良影響。場區(qū)分布厚度較大的松軟土層進行鉆進或取樣時，受波浪的影響，鉆機和鉆具將隨著鉆探船波動而上下晃動，從而造成鉆具對松軟土層產(chǎn)生沖擊擾動，很難取到高質量的原狀土樣。同樣，較硬的黏性土采用回旋取土器取樣時，鉆機的上下晃動將會帶動取土器上下晃動，這樣就會導致在取土過程中取土器的刃口（內管）不是一直深入土層，部分時間是脫離孔底的，如此地下水、泥漿等就會進入取土器的襯管內，造成所取的土樣有擾動、不連續(xù)，甚至取土失敗。另外，在勘探過程中取芯時，鉆具上下浮動擾動鉆具下的土層，也會造成原位測試數(shù)據(jù)（如標準貫入試驗等）失真。

針對項目海域海況差、水深大等場地特點，調遣千噸級的鉆探船作為鉆探平臺載體，鉆探設備采用波浪補償分離式液壓鉆機（型號HD-600），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。波浪補償器工作原理如圖1所示，鋼絲繩通過鉆塔頂部的定滑輪將動力頭一邊與波浪補償器連接，一邊與卷揚機連接。波浪補償器為氣壓式，在勘探作業(yè)過程中，當需要在海浪和潮汐作用下保持動力頭和鉆具平衡時，根據(jù)動力頭和孔中鉆具的質量，調整波浪補償器的氣壓使得動力頭和鉆具保持平衡狀態(tài)[1]。

與傳統(tǒng)鉆機相比，動力頭可活動，在波浪補償器的作用下始終保證相對穩(wěn)定狀態(tài)，受波浪、潮汐等因素的影響較小，無須頻繁調節(jié)套管高度，這樣可以提高工作效率，增加海上作業(yè)窗口期，提高土樣采取質量，減少原位測試數(shù)據(jù)失真等問題，從而提高鉆探的精細化程度。

2.2 海床式孔壓靜力觸探設備

靜力觸探試驗采用海床式靜力觸探系統(tǒng)，包括探頭、探桿（直徑為36.7 mm）、壓重鐵塊和裙板，可提供200 kN反力。主機驅動系統(tǒng)可驅動探桿向下貫入，數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)安裝在甲板上。采用千噸級的勘探船作為承載平臺。

孔壓靜力觸探試驗是參考國際土力學與巖土工程協(xié)會確定的試驗程序，試驗前確保所有探頭的透水石進行真空飽和；安裝透水石之前，將孔壓測量計范圍內的空隙填滿硅油；記錄試驗前的零點漂移讀數(shù)，判斷探頭是否處于正常使用狀態(tài)；將儀器沉入海床，觀察設備的傾斜程度，最大作業(yè)傾角為10°；以2 cm/s的速率進行標準貫入試驗，同時記錄錐尖阻力、側摩阻力、孔隙水壓力和探頭傾角。每秒記錄2次。達到終孔條件后，提升探桿，在探頭處于空載條件下記錄試驗后的零點漂移讀數(shù)。

相比傳統(tǒng)鉆探手段，孔壓靜力觸探試驗具有經(jīng)濟、快速和真實等特征，可對海洋各土層進行無擾動原位測試，其解譯成果較豐富，且可與室內土工試驗、標準貫入試驗等原位測試成果進行對比分析[2-3]。

3 鉆探與靜力觸探的綜合應用

本次勘察布置部分孔壓靜力觸探孔，少數(shù)靜力觸探孔距離鉆孔約5 m，進行地層對比分析。孔壓靜力觸探試驗分層與鉆探分層對比如圖2所示。由此可見，孔壓靜力觸探試驗分層與鉆探分層基本接近，對于很薄的層位，由于孔壓靜力觸探試驗數(shù)據(jù)是連續(xù)的（每厘米記錄一次），孔壓靜力觸探試驗能將層位體現(xiàn)得更為精細。同時，孔壓靜力觸探試驗速度和資料處理快，單個靜力觸探孔試驗時間為0.5～1.0個工作日，數(shù)據(jù)處理需要2～3 h，能夠提高整體勘察效率。

本工程有效綜合應用鉆探與靜力觸探，二者相互驗證，取長補短。采用部分靜力觸探孔代替鉆探，提高整體勘察效率和精度。同時，進行大量鉆孔和取樣，從而更直觀地認識地下巖土層。對兩種方法進行相互對比，成果基本一致，連續(xù)的靜力觸探數(shù)據(jù)能揭示更為精細的地層。鉆探與靜力觸探的綜合應用充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，從而提高勘察質量，縮短工期，降低成本。

4 成果統(tǒng)計精細化

海上風電場的地質勘察中，在每臺風機機位中心點布置1個鉆孔，海上升壓站基礎對角處樁中心點共布置2個鉆孔。由于風機間距大，為獲取每臺風機更為精細的地質參數(shù)，每個孔均取大量的土樣進行室內試驗。由于單個機位鉆孔地層厚薄不均，取樣數(shù)量有限，統(tǒng)計前還需要剔除異常數(shù)據(jù)，導致風機位部分地層參數(shù)缺失。為解決這些問題，依據(jù)同一地貌單元相同地層工程地質性質接近的原則，首先劃分場地地貌單元，對同一地貌單元的所有鉆孔試驗成果進行分層統(tǒng)計，得到分區(qū)統(tǒng)計成果表，然后對單個風機位的鉆孔試樣成果進行同層統(tǒng)計，再對柱狀圖中的細小層位單獨統(tǒng)計。對于強度參數(shù)和標準貫入試驗擊數(shù)，數(shù)據(jù)的使用優(yōu)先級為細層統(tǒng)計結果、單孔統(tǒng)計結果、分區(qū)統(tǒng)計結果，對于前一級缺失的地層數(shù)據(jù)，參考下一級數(shù)據(jù)，確保所有地層參數(shù)完整且相對可靠，從而實現(xiàn)各風機位地質參數(shù)的精細化。

5 管理精細化

5.1 安全管理

項目部成立安全管理組織機構，明確安全管理人員職責。制定設備安全管理措施、人員防護措施與環(huán)境保護措施等，實行安全監(jiān)督檢查。項目開工前全面檢查現(xiàn)場作業(yè)船舶和工作平臺，進行危險源辨識、風險評價，制定實施方案和應急預案。每條船配備專職安全員，每日開工前均進行安全交底。安全員時刻關注天氣變化，每日向現(xiàn)場項目經(jīng)理匯報情況，并獲取最新指示。項目負責人定期組織安全檢查、培訓教育和應急演練等[4]。

由于施工作業(yè)海域較大，勘探船與過往船舶、漁船等相互造成一定的礙航。從安全角度考慮，施工前，辦妥航行通（警）告及水上作業(yè)許可證等有關施工手續(xù)，勘探船應在海事管理機構核定的安全作業(yè)區(qū)內活動，不得無故擴大活動水域范圍，同時配備應急船和警戒船，船上加強瞭望，落實專人在VHF16頻道晝夜值守，及早與附近其他船舶保持通信暢通[5]。

5.2 質量管理

本次地質勘察由海上勘察經(jīng)驗豐富的工程師擔任負責人，配置經(jīng)驗豐富、專業(yè)水平高的勘察管理團隊，參加外業(yè)勘察與測試的操作人員均具備相應崗位的技術資格或技術等級，有高度責任感和一定的操作經(jīng)驗，嚴格按操作規(guī)程作業(yè)?？辈鞂嵤┻^程將嚴格執(zhí)行相關規(guī)范標準、業(yè)主和委托方的質量管理體系和企業(yè)質量管理體系，針對本次勘察的特點對勘察全過程進行動態(tài)質量控制，現(xiàn)場技術員實時指導和監(jiān)督勘察各道工序，保證勘察各道工序滿足規(guī)范標準要求[6]。

勘察外業(yè)與室內試驗使用經(jīng)校準證實功能合適的儀器設備。勘察外業(yè)或室內試驗前，勘察經(jīng)理及技術人員對使用的儀器設備及其附件進行必要的檢查、率定與校準，確保其運行正常，以保證采集的勘察資料數(shù)據(jù)準確可靠。收集工作區(qū)域的地質資料，根據(jù)規(guī)范及設計要求編制勘察大綱，逐級進行勘察技術交底和必要的培訓，使得所有勘察人員掌握本次勘察的特點、難點、關鍵技術和技術要求，并設置質量控制點控制質量。適當開展勞動競賽活動，更好地激發(fā)和調動勘察項目部全體成員的積極性、創(chuàng)造性和質量安全意識，提高勘察技能。

6 結論

根據(jù)海域特征，本項目采用波浪補償分離式液壓鉆機，提高工作效率，增加海上作業(yè)窗口期，提高土樣采取質量，減少原位測試數(shù)據(jù)失真等問題，實現(xiàn)鉆探的精細化。采用海床式孔壓靜力觸探設備，獲得大量真實的數(shù)據(jù)，同時與鉆探進行對比，地層劃分一致性較好，實現(xiàn)原位測試數(shù)據(jù)的精細化。本項目以海洋鉆探和海床式孔壓靜力觸探為主要勘察手段，波速測試和十字板原位測試為輔，二者有效綜合應用，相互驗證，取長補短，從而提高勘察質量、縮短工期和增加效益。在土工試驗成果的統(tǒng)計上也進行創(chuàng)新，對強度參數(shù)進行級統(tǒng)計，保證所有土層數(shù)據(jù)的完整和可靠，實現(xiàn)成果統(tǒng)計的精細化。項目實施過程中，對安全、質量管理提出高要求和高標準，落實監(jiān)督檢查、全員參與和全過程控制等，實現(xiàn)精細化管理。

參考文獻

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