海上風電項目科學選址研究

李曉蕾

（中海油田服務股份有限公司物探事業部，天津 300450）

0 引言

海上風力發電廠是利用海上風力資源發電的新型發電廠。在環境保護形勢日益嚴峻和海洋資源豐富且可循環利用的背景下，風力資源巨大的海域成了人們目光的焦點[1-4]。為了貫徹能源發展“十三五”規劃，中國海油立足自身技術，提出通過加快百萬千瓦級海上風電場建設，全力推動深遠海浮式風電技術的研究與示范，全面加速新能源業務發展，逐步將深遠海風電作為中國海油結合油氣主業、探索新能源產業差異化發展的一條新路徑，持續探索“風光發電+油氣產業”“風光發電+天然氣發電”“海上風電+海洋牧場”等融合發展新模式。

然而，相對于陸上風電，海上風電場面臨著更為不利的運維條件，一旦發生嚴重擾動或故障，電網會受到更為嚴重的沖擊。由于受海洋特殊自然環境及輸電方式等的影響，海上風電并網工程的規劃設計與運行控制面臨著許多新的問題與挑戰。本文介紹了某海上風電項目場址選址的設計研究，通過前期工程物探調查、海洋環境調查等手段為選址提供了科學可靠的依據，隨后通過工程地質調查，包括導航定位、水深測量、PCPT 測試、鉆孔取芯、標準貫入試驗、圓錐動力觸探試驗、巖土試驗、樁基參數確定等進行了風電站前期布設研究，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

在進行海上風電項目場址選址設計的可行性研究時，預測成本工作中最大的不確定性之一是項目的地質條件。地質條件相關的問題會嚴重影響項目成本、設計、進度、施工方法、盈利能力等[5-7]。為了降低海上風電項目設計、建設和運營過程中地質條件不確定帶來的風險，需要對目標海域進行全方位的工程勘察。通過綜合研究評估這些信息，可以為后續海上風電項目場址選址設計提供可靠依據[8-9]。

通過工程物探方法查明風電全場區內、風電機組局部、海上升壓站局部及海纜路由區域的水深海底地形、海底地貌特征和海底障礙物分布情況、海底淺地層結構與變化規律、海底及海底地層中具有潛在危害地質類型，如埋藏古河道、淺層斷層、淺層氣、砂土液化區、沙波、硬質海底，基巖等的分布，綜合分析并評估上述災害地質對風機、海上升壓站安裝及海纜鋪設的影響，為后續設計提供科學可靠的依據。

通過工程地質鉆探、原位測試、室內試驗等勘察方法，查明風電場場址區的工程地質條件、海水和海床沉積物腐蝕性特征，提供高質量的地勘數據，主要包含土層、強度、變形、腐蝕因子含量等參數，為風機基礎、海上升壓站基礎和集電電纜設計提供依據。

工程地質勘察的主要任務有：①完成相應的巖土鉆探、靜力觸探試驗及室內試驗工作；②查明地基巖土類別、層次、厚度及沿垂直方向的分布規律，高程系統采用85 高程；③提供地基巖土基本物理力學參數（包括壓縮模量、泊松比等）、承載力、土層抗剪切指標及標貫擊數、壓縮指標、沿土層的不同樁型的側極限摩擦阻力及樁端極限阻力；④對不良地質作用進行評價及說明。

通過了解海洋水質狀況，掌握海洋環境質量現狀及變化趨勢，評價海洋環境質量，查明海水及地下水、海床及海岸巖（土）體對混凝土和鋼結構的腐蝕性等問題，可以為電纜設計和位置鋪設提供依據。

通過工程地質表層取樣、原位測試、室內試驗等勘察方法，結合工程物探調查結果，查明集電電纜路由的工程地質條件，提供高質量的地勘數據，提供足夠和充分的土層工程特性參數，為場內電纜布置設計和鋪設提供依據。

2 風電項目前期布設工程勘察

風電項目建設過程中，其前期布設研究直接決定著工程的工期、質量與效益[10]。為了保證風電項目的高質量建設，需要在工程合理規劃的基礎上進行前期布設研究，通過綜合評價各項數據，為風電項目安全高效運行奠定基礎。

2.1 某海上風電項目工程概況

某海上風電項目場址涉海面積約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 臺風電機組，并配套建設一座220 kV 海上升壓站及陸上運維基地。風電機組發出的電能，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維基地內的集控中心，并通過架空線路送到220 kV 匯能站。

2.2 工作量布設情況

每個機位布設1 個控制性鉆孔，升壓站布設4 個控制性鉆孔，風電場共布設59 個控制性鉆孔?？刂菩糟@孔終孔深度的確定遵循以下規則：正常情況下一般為60 m；進入中風化巖層不少于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范圍內已經揭露微風化巖層（或特殊情況），經業主認可后方可終孔。

控制性鉆孔中，當PCPT 錐尖阻力小于70 MPa 或在PCPT 作業安全范圍內，PCPT 與鉆探取樣交替進行，按鉆探取樣長度1 m 與PCPT 長度3 m 交替進行。在地層較薄、原狀樣品數量少的情況下，PCPT 和鉆探取樣可單獨進行，兩孔距離滿足規范要求（一般不大于3 m）；當PCPT 錐尖阻力大于70 MPa 或超出PCPT作業安全范圍時，開展“鉆探取樣+標貫試驗”作業，間距一般按2 m 考慮。標準貫入試驗至中等風化巖面或跳錘為止（如連續跳錘，可視地質情況增大試驗間距或終止試驗），如遇硬的風化巖導致標準貫入試驗難以進行，可進行圓錐動力觸探試驗。

2.3 水深測量

每次鉆探和PCPT 作業開始前，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，用于確定一個基準水深值。在作業期間每隔半小時用船上的測深儀測量一次水深，同時校正鉆孔取樣和PCPT 測試深度。需要說明的是，鉆孔作業中水深數據為實測值，未做任何水深基準面和潮位訂正，因此不可將其單獨用于水深設計。

2.4 PCPT 測試

PCPT 測試所使用的儀器設備為Wison-APB 鉆孔PCPT 系統，其探頭錐角為60°、錐頭面積為10 cm2，摩擦套筒面積為150 cm2?？讐簜鞲衅靼惭b在探頭錐頭的肩部以上5 mm 處。每次PCPT 測試的連續貫入行程為3 m，貫入速度為20 mm/s。測試結束后，將已測試過的土層鉆掉，并用泥漿清孔和護壁，然后再繼續下一回次的PCPT 測試。PCPT 測試和清孔如此循環進行，直至終孔深度。

2.5 鉆孔取芯

鉆孔所采用的鉆探設備包括液壓頂驅回轉鉆機、泥漿泵、海底基礎板以及Wison-APB 液壓取樣/PCPT系統，鉆進過程中使用泥漿進行清孔和護壁。取樣采用Wison 液壓取樣器，配以外徑為76 mm、內徑為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 型鉆機和金剛石復合片鉆頭（PDC）。

2.6 標準貫入試驗

試驗采用Φ42 mm 觸探桿，錘重63.5 kg（自由下落，落距76 cm）。先用鉆具鉆至試驗位置以上15 cm處，再將貫入器打入土層15 cm（不計擊數）后，記錄每擊入10 cm 的錘擊數，累計30 cm 的錘擊數為該次標準貫入試驗錘擊數。當土層堅硬或密實，貫入深度未達到30 cm，即錘擊數達50 擊時，記錄擊入深度并終止試驗，將錘擊數換算成相當于貫入深度為30 cm 對應的等效錘擊數n。試驗時，對孔內浮土均進行了清除，且保持鉆桿垂直。

2.7 圓錐動力觸探試驗

與標準貫入試驗相似，試驗采用Φ42 mm 觸探桿，將標準貫入器換為重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。圓錐動力觸探試驗適用于砂土、碎石土、極軟巖的測試。

3 室內試驗研究

3.1 巖土試驗

每個土樣取上后，首先要檢查取樣管末端的土質。如果是黏性土，當土樣還在取樣管內時都要進行小型手動十字板、微型電動十字板和袖珍貫入試驗。試驗完畢后，或者當取樣管末端土質為粒狀土時，用液壓推出器將土樣從取樣管中推出，由工程師進行肉眼分類，對大多數土樣進行密度和含水量測量，然后挑選部分質量好的土樣包裝放入不透氣的容器中密封裝箱，運往陸地實驗室進行試驗。

（1）現場試驗包括：目測分類、含水量容重、袖珍貫入試驗、微型十字板試驗（分擾動和非擾動）、手動十字板試驗、點荷載試驗。

（2）砂土試驗包含：相對密度試驗、顆分試驗、固結排水試驗。黏性土試驗還包含：液塑限試驗、比重計試驗、電動十字板試驗、三軸固結不排水剪切試驗、三軸不固結不排水剪切試驗、固結試驗、無側限抗壓試驗等。

（3）高級土工試驗包括：共振柱試驗、靜單剪試驗、動單剪試驗。巖石測試包含巖石的土力學實驗、易溶鹽試驗、導熱性能、電導率測試、腐蝕因子測試等。其中，巖石的土力學實驗項目包括但不限于：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、點荷載試驗、飽和彈性模量、泊松比、剪切波速等。

3.2 樁基參數確定

樁基參數的確定嚴格按照有關的規范和標準進行。本次勘探升壓站和風機位置均進行鉆孔取樣和原位測試。在覆蓋土層和部分全風化、強風化巖層中，PCPT 測試除個別孔外，均完成了完整的剖面，該剖面直觀、真實地反映了巖土層的排水屬性、巖土類型、巖土強度、厚度等隨深度的變化，以及砂土的密實度、黏性土的強度、靈敏度和固結度等特性。巖土參數的確定應綜合考慮PCPT 測試結果和巖土取樣試驗結果，為準確確定巖土層的工程特性提供可靠的依據。

4 結束語

作為新能源發電的重要組成部分，海上風電是未來的高增長產業之一。海上風電產業鏈長，集合了當代高端裝備制造的頂尖技術，是最能體現高端技術創新能力的可再生能源領域。本文通過工程勘察為某海上風電項目場址選址設計提供了可靠依據，隨后通過前期布設研究綜合評價各項數據，驗證了本次選址的可靠性、安全性及應用性，為后續其他風電項目場址選址樹立了優秀的范例。