天津渤海灣海上風電勘察問題分析與探討

夏帥 陳中和 李星 范大友

海上風電場具有不占用土地、資源豐富等優勢，是新能源的重要發展方向之一。根據中國風能資源普查數據，中國沿海5~55 m 水深、70 m 高度海上風電開發潛力約5 億kW，其中5~25 m 水深開發潛力約1.9億kW。中國可再生能源學會風能專業委員會（CWEA）發布的數據顯示，截至“十三五”末（2020年），我國海上風電累計裝機容量為1 087萬kW，預計“十四五”末，中國海上風電累計裝機容量將達到2 500萬~3 500萬kW[1-2]。天津渤海灣地區風力資源較豐富，春季多為偏北或西北風，風速大，一般在4 m/s 以上。夏季多東南風，風速較小，多在2.1~2.5 m/s；秋季以西南風為主，風速與夏季相近；冬季多西北風，風速多數在4 m/s 以上。瞬時風速可達12 m/s以上的大風，四季均可出現，尤其是偏東向岸大風，是海上風電建設較為理想的場地。截至“十三五”末，天津海上風電累計裝機量為11.7萬kW，根據天津市可再生能源發展“十四五”規劃，“十四五”期間天津市將加快推進遠海90萬kW海上風電項目前期工作。因此，在渤海灣地區開展相應的海上風電地質勘察工作已經勢在必行。

1 區域地質概況

天津市海域海底地形整體上西高東低，海底范圍高程-1.00~-13.00 m之間，海底地勢一般比較平坦，僅在天津港拋淤區存在較大起伏。其中，潮間帶地區寬度2.5~7.0 km，坡降為0.6‰~1.5‰。

天津渤海灣地區位于中朝準地臺渤海灣盆地黃驊坳陷內，黃驊坳陷的基底和覆蓋層的地層比較齊全，中、新生代沉積厚度大于10 000 m，新生代地層厚6 000~8 000 m。

研究區新生界基底構造由南向北凹、凸相間，主要有歧口凹陷、大港凸起、板橋凹陷、塘沽凸起、北塘凹陷及寧河凸起等，呈斜列式北北東向雁行排列，邊緣以斷裂為界。本區的一級斷裂有3條，分別是滄東斷裂、寧河—寶坻斷裂和埕西斷裂；二級斷裂有薊運河斷裂、漢沽斷裂、茶淀斷裂、海河斷裂、北大港斷裂和歧東斷裂等。

通過開展淺地層剖面調查，發現在天津市北蟶頭沽東南約2 km 存在一條近東西向的全新世斷層，在聲學剖面上表現為多個連續性好的反射波組發生系統的錯移。該活動斷層位于北塘凹陷內，其近東西向的斷層走向與北塘凹陷內斷裂帶走向基本相符，可能是基巖斷層新活動在上覆土層中形成的構造結構面，其特點是時間新、活動性強。該斷層對工程土體的破壞可能體現在以下3個方面：（1）地震可能引起斷層兩盤突然錯動，對土體和其上構筑物都會產生巨大的破壞；（2）斷層兩盤的不均勻沉降，所產生的位移對橫跨斷層的建筑物也會產生危害；（3）斷層帶力學性質軟弱，可能對土體的穩定性有不良影響。

受調查程度所限，天津海域可能仍有活動斷層尚未發現，在風電場前期勘察階段應在場區和周邊針對活動斷層進行針對性調查研究工作。

2 某海上風電場工程地質條件

某海上風電項目區位于天津市及其毗鄰海域，場址中心距天津海岸約45 km，距天津南港邊約36 km。場址規劃總面積65.6 km2，水深在10~15 m之間。工程區周圍為淺海區，地貌類型為渤海灣近海海灣堆積平原，海底地形高差起伏較小，總體上呈西高東低的趨勢，海底地面標高范圍在-11.00～-13.00 m，地形坡降相對于潮間帶較緩，為0.3‰~0.7‰。

工程區所處的渤海灣盆地屬于相對沉降區，長期接受沉積，第四紀沉積物厚達300~600 m。地層上部為淤泥、淤泥質土，下部為粉質黏土、細砂、粉砂等，渤海灣泥質海岸帶海底表層沉積層以軟土為主[3-5]。

3 主要勘察問題

某海上風電場主要勘察問題包括軟土震陷、地震液化、環境水土腐蝕、海床沖刷、不良地質、設計參數確定等。

3.1 軟土震陷

工程區地震加速度值為0.20g，場區淺部存在較厚的飽和軟黏土，需要考慮軟土震陷問題。

3.2 飽和粉砂土地震液化

根據附近資料本場地海底以下20 m范圍內分布的飽和粉土、粉砂存在地震液化層，應加強液化判別?？刹捎脴藴守炄朐囼瀬磉M行場地的液化判別。

初步判斷，地基持力層范圍內的砂土在地震烈度8度時為液化土，地震液化時易造成工程傾斜錯位，影響其使用及安全，設計時宜采取相應措施消除液化影響。

3.3 環境水土腐蝕

工程區位于海域，地下水直接受海水補給，場地環境類型屬Ⅱ類場地。其環境水腐蝕性一般相對較強。工程基礎應根據耐久性要求采取相應的防腐蝕措施，建議采用抗腐性水泥，或在普通水泥中摻入抗硫酸鹽的外加劑、摻入礦物摻合劑、鋼筋阻銹劑；鋼筋涂抹相應的防腐材料。另外，強腐蝕性情況下建議適當增加混凝土腐蝕裕量，提高混凝土強度等級，控制最大水膠比，適度加大抗滲等級。

實踐證明，海洋環境對鋼結構或鋼筋混凝土的腐蝕很大。海洋工程鋼筋混凝土若不采取防腐措施，氯離子深入引起鋼筋腐蝕往往導致混凝土結構10~20 年內就發生破壞，而鋼結構在海水環境中，碳素鋼的年單面平均腐蝕速度在浪濺區可達0.2~0.5 mm，若不采取防腐措施，數年內結構將被破壞，強度降低，達不到使用要求。所以，風機及其基礎防腐工作極為重要。

海水對樁基結構會產生腐蝕，而長期與樁周土接觸的基樁也可能被樁周土腐蝕，本風電場初勘資料亦顯示海水對混凝土結構具有弱腐蝕性、對鋼結構具有中等腐蝕性，故需對基樁周圍的環境介質（海水和樁周土）進行腐蝕性評價。

因此，本風電場水土腐蝕性判別擬安排2方面的內容：一是擬進行水質全分析試驗，同時取樣位置、潮流性質及時間均宜具代表性，且送樣需及時；二是對樁周土取代表性樣品進行土壤易溶鹽以及土對鋼結構腐蝕性測試。

3.4 海床沖刷

工程區淺表層為淤泥及淤泥質黏性土，抗沖刷能力差，本工程風機和升壓平臺建成后，將改變原有海洋環境的水流作用，在波浪、潮流等海洋動力作用下，風機和升壓平臺樁基礎周圍將形成局部沖刷現象。海床沖刷對風機及升壓平臺基礎穩定產生一定的不良影響。

地基土的特性與沖刷速率有較直接關系，需重視有無抗沖層及其可能沖刷深度范圍內的組成物質，涉及到泥沙沖淤分析計算時，床沙的分類應按表1 執行，并應通過室內試驗提供指定不同部位、不同深度的顆粒級配資料。根據設計需要提供風機機位處淺部地層的各種顆粒級配特征值、允許不沖流速等。對于風機基礎地層的允許不沖流速，一般采用查表法或經驗公式法求得，均需依據河床組成物質及其顆分曲線（含級配特征值如平均粒徑和中值粒徑D50等）。

表1 泥沙沖淤分析計算床沙分類粒徑 mm

3.5 其它不良地質現象

天津海域海底發育的不良地質現象主要有淺層氣、埋藏三角洲前緣、水下沙脊等。

3.5.1 淺層氣

淺層氣在上覆水體及地層的壓力作用下，沿地層孔隙向上運移，聚積在上部的淺表地層內，多分布于河口與陸架海區中。由于淺層氣以沉積物中“氣”的形式存在，改變了土質的力學性質，使其強度降低，結構變松，減小了基底支撐力，在外載荷重下，含氣沉積物會發生蠕變，使地層抗剪強度降低，加劇海底不穩定性，影響工程基礎，觸發海底擾動變形。

天津市北部海域全新統內存在多處淺層氣區，主要沿海岸線分布，遠離海岸淺層氣減少。雖氣體未出現海底外溢情況，但富集程度較高，加之其連片數千米，在長期強大壓力下，隨著壓力的持續作用，可能繼續上移，甚至可能發生噴溢，造成危害。

3.5.2 埋藏三角洲前緣

埋藏三角洲前緣主要分布于海河河口及薊運河河口以北海域，是三角洲的水下部分，內含淤泥質夾層，具有沉積速率快、沉積構造復雜、沉積結構坡降大且不穩定等特點，造成沉積物抗剪強度低，容易形成滑坡及流動，造成持力不均。天津市海域海河河口處埋藏三角洲前緣是海河沉積物入海的結果，發育在天津港附近海底以下1~2 m，厚6~7 m；天津市海域薊運河河口以北海域的埋藏三角洲前緣發育在天津北部海底以下1~2 m，厚6~10 m。

3.5.3 水下沙脊

水下沙脊形態為長軸丘形，斜層理的傾向指向沙脊的遷移方向，沙脊的長軸方向則指向潮流主流向，平面上水下沙脊則呈線狀展布。移動性較強的潮流沙脊可造成工程設施的破壞，對輸油管線及光纜不利。

研究區水下沙脊發育于澗河河口以南15 km，水深較淺（5~7 m）的近岸帶，斜層理傾向顯示其西北方向遷移，與潮流運移方向一致，可能是灤河入海沉積物在強潮流作用搬運沉積形成脊狀砂質堆積體。

3.6 設計參數確定

某海上風電場主要設計參數包括樁基設計參數、水平作用力下樁的計算p-y法和m法計算參數、地基基礎設計動力參數、風機接地設計參數。

3.6.1 樁基設計參數

基樁抗拔承載力的確定和沉樁可行性判定是本工程風機和海上升壓站基礎設計、施工的重點，因此本次擬采用海上動力觸探、標貫等原位測試和室內土工試驗獲得可靠的樁基設計參數及作為沉樁可行性分析的依據。

3.6.2 水平作用力下樁的計算p-y法和m法計算參數

海上風電工程風機水平作用力下樁的計算可采用p-y曲線或m法進行地基基礎計算。其中p-y曲線保證了樁與土之間的變形協調，適用于線性與非線性、靜載與循環載荷，避免了現行單一參數法的缺陷。

p-y曲線是指在水平作用力下，泥面下某個深度x處土反力p與該點樁的繞度y之間的關系曲線。該方法計算需要2個重要的地質參數，其一是黏性土的不排水抗剪強度指標cu（黏聚力）、ε50（三軸不排水壓縮試驗，最大主應力與最小主應力差一半時土的應變值），其二是砂土的內摩擦角φ。

m法是一種線性彈性地基反力法。該方法計算需要一個重要的地質參數即土的水平地基抗力系數隨深度增長的比例系數m。

同時，場區淺部為新近沉積的軟弱淤泥質土，這些土在自重作用下還沒有完全固結，土中孔隙水壓力仍在繼續消散，存在一定的欠固結性。

針對上述分析，本次土試驗項目側重考慮上部軟黏土的三軸不固結不排水剪及其ε50，也布置部分無側限試驗進行對比驗證，其它土層抗剪強度試驗也做少部分的三軸固結不排水剪等。

同時，擬加強現場取樣質量，在軟弱黏性土中多用薄壁取土器進行取土，砂性土采用環刀取樣，及時密封，并采取現場防震、防凍、防曬、避免搬運擾動措施。為獲得土的強度、壓縮性等指標，布置標貫試驗，現場控制標貫試驗質量（在標貫孔徑、清孔、船體平穩、泥漿配置等方面尤為注重）。

3.6.3 地基基礎設計動力參數

風力發電機組為動力設備，風機—塔架—基礎—地基系統避免發生共振現象，因此風機需要進行動力計算分析。為場地類別判別、軟土震陷及動力分析提供地質依據，擬進行波速試驗，提供動剪切模量、動彈性模量、阻尼比等參數及相關曲線。

3.6.4 風機接地設計參數

為獲得土壤地電阻率，需布置海上電阻率測井試驗。

4 結 語

海上風電作為可再生清潔能源，具有不占用陸地等優點，對我國“碳達峰”、“碳中和”目標的實現有重要意義。天津渤海灣風電場主要存在活斷層、軟土震陷、地震液化、環境水土腐蝕、海床沖刷、不良地質、設計參數確定等勘察問題，在海上風電勘察過程中有針對性地去發現及解決海上風電建設中可能遇到的問題，在很大程度上可以降低工程建設風險，對工程的安全有序建設意義重大。