天津渤海灣海上風(fēng)電勘察問(wèn)題分析與探討

夏帥 陳中和 李星 范大友

海上風(fēng)電場(chǎng)具有不占用土地、資源豐富等優(yōu)勢(shì)，是新能源的重要發(fā)展方向之一。根據(jù)中國(guó)風(fēng)能資源普查數(shù)據(jù)，中國(guó)沿海5~55 m 水深、70 m 高度海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)潛力約5 億kW，其中5~25 m 水深開(kāi)發(fā)潛力約1.9億kW。中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專(zhuān)業(yè)委員會(huì)（CWEA）發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截至“十三五”末（2020年），我國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量為1 087萬(wàn)kW，預(yù)計(jì)“十四五”末，中國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到2 500萬(wàn)~3 500萬(wàn)kW[1-2]。天津渤海灣地區(qū)風(fēng)力資源較豐富，春季多為偏北或西北風(fēng)，風(fēng)速大，一般在4 m/s 以上。夏季多東南風(fēng)，風(fēng)速較小，多在2.1~2.5 m/s；秋季以西南風(fēng)為主，風(fēng)速與夏季相近；冬季多西北風(fēng)，風(fēng)速多數(shù)在4 m/s 以上。瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)12 m/s以上的大風(fēng)，四季均可出現(xiàn)，尤其是偏東向岸大風(fēng)，是海上風(fēng)電建設(shè)較為理想的場(chǎng)地。截至“十三五”末，天津海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)量為11.7萬(wàn)kW，根據(jù)天津市可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃，“十四五”期間天津市將加快推進(jìn)遠(yuǎn)海90萬(wàn)kW海上風(fēng)電項(xiàng)目前期工作。因此，在渤海灣地區(qū)開(kāi)展相應(yīng)的海上風(fēng)電地質(zhì)勘察工作已經(jīng)勢(shì)在必行。

1 區(qū)域地質(zhì)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(shì)一般比較平坦，僅在天津港拋淤區(qū)存在較大起伏。其中，潮間帶地區(qū)寬度2.5~7.0 km，坡降為0.6‰~1.5‰。

天津渤海灣地區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)渤海灣盆地黃驊坳陷內(nèi)，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(qū)新生界基底構(gòu)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(qū)的一級(jí)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(jí)斷裂有薊運(yùn)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(guò)開(kāi)展淺地層剖面調(diào)查，發(fā)現(xiàn)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(xué)剖面上表現(xiàn)為多個(gè)連續(xù)性好的反射波組發(fā)生系統(tǒng)的錯(cuò)移。該活動(dòng)斷層位于北塘凹陷內(nèi)，其近東西向的斷層走向與北塘凹陷內(nèi)斷裂帶走向基本相符，可能是基巖斷層新活動(dòng)在上覆土層中形成的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，其特點(diǎn)是時(shí)間新、活動(dòng)性強(qiáng)。該斷層對(duì)工程土體的破壞可能體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：（1）地震可能引起斷層兩盤(pán)突然錯(cuò)動(dòng)，對(duì)土體和其上構(gòu)筑物都會(huì)產(chǎn)生巨大的破壞；（2）斷層兩盤(pán)的不均勻沉降，所產(chǎn)生的位移對(duì)橫跨斷層的建筑物也會(huì)產(chǎn)生危害；（3）斷層帶力學(xué)性質(zhì)軟弱，可能對(duì)土體的穩(wěn)定性有不良影響。

受調(diào)查程度所限，天津海域可能仍有活動(dòng)斷層尚未發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)電場(chǎng)前期勘察階段應(yīng)在場(chǎng)區(qū)和周邊針對(duì)活動(dòng)斷層進(jìn)行針對(duì)性調(diào)查研究工作。

2 某海上風(fēng)電場(chǎng)工程地質(zhì)條件

某海上風(fēng)電項(xiàng)目區(qū)位于天津市及其毗鄰海域，場(chǎng)址中心距天津海岸約45 km，距天津南港邊約36 km。場(chǎng)址規(guī)劃總面積65.6 km2，水深在10~15 m之間。工程區(qū)周?chē)鸀闇\海區(qū)，地貌類(lèi)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(shì)，海底地面標(biāo)高范圍在-11.00～-13.00 m，地形坡降相對(duì)于潮間帶較緩，為0.3‰~0.7‰。

工程區(qū)所處的渤海灣盆地屬于相對(duì)沉降區(qū)，長(zhǎng)期接受沉積，第四紀(jì)沉積物厚達(dá)300~600 m。地層上部為淤泥、淤泥質(zhì)土，下部為粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粉砂等，渤海灣泥質(zhì)海岸帶海底表層沉積層以軟土為主[3-5]。

3 主要勘察問(wèn)題

某海上風(fēng)電場(chǎng)主要勘察問(wèn)題包括軟土震陷、地震液化、環(huán)境水土腐蝕、海床沖刷、不良地質(zhì)、設(shè)計(jì)參數(shù)確定等。

3.1 軟土震陷

工程區(qū)地震加速度值為0.20g，場(chǎng)區(qū)淺部存在較厚的飽和軟黏土，需要考慮軟土震陷問(wèn)題。

3.2 飽和粉砂土地震液化

根據(jù)附近資料本場(chǎng)地海底以下20 m范圍內(nèi)分布的飽和粉土、粉砂存在地震液化層，應(yīng)加強(qiáng)液化判別?？刹捎脴?biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行場(chǎng)地的液化判別。

初步判斷，地基持力層范圍內(nèi)的砂土在地震烈度8度時(shí)為液化土，地震液化時(shí)易造成工程傾斜錯(cuò)位，影響其使用及安全，設(shè)計(jì)時(shí)宜采取相應(yīng)措施消除液化影響。

3.3 環(huán)境水土腐蝕

工程區(qū)位于海域，地下水直接受海水補(bǔ)給，場(chǎng)地環(huán)境類(lèi)型屬Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地。其環(huán)境水腐蝕性一般相對(duì)較強(qiáng)。工程基礎(chǔ)應(yīng)根據(jù)耐久性要求采取相應(yīng)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(yīng)的防腐材料。另外，強(qiáng)腐蝕性情況下建議適當(dāng)增加混凝土腐蝕裕量，提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)，控制最大水膠比，適度加大抗?jié)B等級(jí)。

實(shí)踐證明，海洋環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)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(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)10~20 年內(nèi)就發(fā)生破壞，而鋼結(jié)構(gòu)在海水環(huán)境中，碳素鋼的年單面平均腐蝕速度在浪濺區(qū)可達(dá)0.2~0.5 mm，若不采取防腐措施，數(shù)年內(nèi)結(jié)構(gòu)將被破壞，強(qiáng)度降低，達(dá)不到使用要求。所以，風(fēng)機(jī)及其基礎(chǔ)防腐工作極為重要。

海水對(duì)樁基結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生腐蝕，而長(zhǎng)期與樁周土接觸的基樁也可能被樁周土腐蝕，本風(fēng)電場(chǎng)初勘資料亦顯示海水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性、對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性，故需對(duì)基樁周?chē)沫h(huán)境介質(zhì)（海水和樁周土）進(jìn)行腐蝕性評(píng)價(jià)。

因此，本風(fēng)電場(chǎng)水土腐蝕性判別擬安排2方面的內(nèi)容：一是擬進(jìn)行水質(zhì)全分析試驗(yàn)，同時(shí)取樣位置、潮流性質(zhì)及時(shí)間均宜具代表性，且送樣需及時(shí)；二是對(duì)樁周土取代表性樣品進(jìn)行土壤易溶鹽以及土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性測(cè)試。

3.4 海床沖刷

工程區(qū)淺表層為淤泥及淤泥質(zhì)黏性土，抗沖刷能力差，本工程風(fēng)機(jī)和升壓平臺(tái)建成后，將改變?cè)泻Ｑ蟓h(huán)境的水流作用，在波浪、潮流等海洋動(dòng)力作用下，風(fēng)機(jī)和升壓平臺(tái)樁基礎(chǔ)周?chē)鷮⑿纬删植繘_刷現(xiàn)象。海床沖刷對(duì)風(fēng)機(jī)及升壓平臺(tái)基礎(chǔ)穩(wěn)定產(chǎn)生一定的不良影響。

地基土的特性與沖刷速率有較直接關(guān)系，需重視有無(wú)抗沖層及其可能沖刷深度范圍內(nèi)的組成物質(zhì)，涉及到泥沙沖淤分析計(jì)算時(shí)，床沙的分類(lèi)應(yīng)按表1 執(zhí)行，并應(yīng)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)提供指定不同部位、不同深度的顆粒級(jí)配資料。根據(jù)設(shè)計(jì)需要提供風(fēng)機(jī)機(jī)位處淺部地層的各種顆粒級(jí)配特征值、允許不沖流速等。對(duì)于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)地層的允許不沖流速，一般采用查表法或經(jīng)驗(yàn)公式法求得，均需依據(jù)河床組成物質(zhì)及其顆分曲線（含級(jí)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(jì)算床沙分類(lèi)粒徑 mm

3.5 其它不良地質(zhì)現(xiàn)象

天津海域海底發(fā)育的不良地質(zhì)現(xiàn)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(yùn)移，聚積在上部的淺表地層內(nèi)，多分布于河口與陸架海區(qū)中。由于淺層氣以沉積物中“氣”的形式存在，改變了土質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)，使其強(qiáng)度降低，結(jié)構(gòu)變松，減小了基底支撐力，在外載荷重下，含氣沉積物會(huì)發(fā)生蠕變，使地層抗剪強(qiáng)度降低，加劇海底不穩(wěn)定性，影響工程基礎(chǔ)，觸發(fā)海底擾動(dòng)變形。

天津市北部海域全新統(tǒng)內(nèi)存在多處淺層氣區(qū)，主要沿海岸線分布，遠(yuǎn)離海岸淺層氣減少。雖氣體未出現(xiàn)海底外溢情況，但富集程度較高，加之其連片數(shù)千米，在長(zhǎng)期強(qiáng)大壓力下，隨著壓力的持續(xù)作用，可能繼續(xù)上移，甚至可能發(fā)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(yùn)河河口以北海域，是三角洲的水下部分，內(nèi)含淤泥質(zhì)夾層，具有沉積速率快、沉積構(gòu)造復(fù)雜、沉積結(jié)構(gòu)坡降大且不穩(wěn)定等特點(diǎn)，造成沉積物抗剪強(qiáng)度低，容易形成滑坡及流動(dòng)，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(jié)果，發(fā)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(yùn)河河口以北海域的埋藏三角洲前緣發(fā)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(tài)為長(zhǎng)軸丘形，斜層理的傾向指向沙脊的遷移方向，沙脊的長(zhǎng)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(dòng)性較強(qiáng)的潮流沙脊可造成工程設(shè)施的破壞，對(duì)輸油管線及光纜不利。

研究區(qū)水下沙脊發(fā)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(yùn)移方向一致，可能是灤河入海沉積物在強(qiáng)潮流作用搬運(yùn)沉積形成脊?fàn)钌百|(zhì)堆積體。

3.6 設(shè)計(jì)參數(shù)確定

某海上風(fēng)電場(chǎng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括樁基設(shè)計(jì)參數(shù)、水平作用力下樁的計(jì)算p-y法和m法計(jì)算參數(shù)、地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)動(dòng)力參數(shù)、風(fēng)機(jī)接地設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.6.1 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)

基樁抗拔承載力的確定和沉樁可行性判定是本工程風(fēng)機(jī)和海上升壓站基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工的重點(diǎn)，因此本次擬采用海上動(dòng)力觸探、標(biāo)貫等原位測(cè)試和室內(nèi)土工試驗(yàn)獲得可靠的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)及作為沉樁可行性分析的依據(jù)。

3.6.2 水平作用力下樁的計(jì)算p-y法和m法計(jì)算參數(shù)

海上風(fēng)電工程風(fēng)機(jī)水平作用力下樁的計(jì)算可采用p-y曲線或m法進(jìn)行地基基礎(chǔ)計(jì)算。其中p-y曲線保證了樁與土之間的變形協(xié)調(diào)，適用于線性與非線性、靜載與循環(huán)載荷，避免了現(xiàn)行單一參數(shù)法的缺陷。

p-y曲線是指在水平作用力下，泥面下某個(gè)深度x處土反力p與該點(diǎn)樁的繞度y之間的關(guān)系曲線。該方法計(jì)算需要2個(gè)重要的地質(zhì)參數(shù)，其一是黏性土的不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)cu（黏聚力）、ε50（三軸不排水壓縮試驗(yàn)，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力差一半時(shí)土的應(yīng)變值），其二是砂土的內(nèi)摩擦角φ。

m法是一種線性彈性地基反力法。該方法計(jì)算需要一個(gè)重要的地質(zhì)參數(shù)即土的水平地基抗力系數(shù)隨深度增長(zhǎng)的比例系數(shù)m。

同時(shí)，場(chǎng)區(qū)淺部為新近沉積的軟弱淤泥質(zhì)土，這些土在自重作用下還沒(méi)有完全固結(jié)，土中孔隙水壓力仍在繼續(xù)消散，存在一定的欠固結(jié)性。

針對(duì)上述分析，本次土試驗(yàn)項(xiàng)目側(cè)重考慮上部軟黏土的三軸不固結(jié)不排水剪及其ε50，也布置部分無(wú)側(cè)限試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，其它土層抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)也做少部分的三軸固結(jié)不排水剪等。

同時(shí)，擬加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)取樣質(zhì)量，在軟弱黏性土中多用薄壁取土器進(jìn)行取土，砂性土采用環(huán)刀取樣，及時(shí)密封，并采取現(xiàn)場(chǎng)防震、防凍、防曬、避免搬運(yùn)擾動(dòng)措施。為獲得土的強(qiáng)度、壓縮性等指標(biāo)，布置標(biāo)貫試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)控制標(biāo)貫試驗(yàn)質(zhì)量（在標(biāo)貫孔徑、清孔、船體平穩(wěn)、泥漿配置等方面尤為注重）。

3.6.3 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)動(dòng)力參數(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為動(dòng)力設(shè)備，風(fēng)機(jī)—塔架—基礎(chǔ)—地基系統(tǒng)避免發(fā)生共振現(xiàn)象，因此風(fēng)機(jī)需要進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算分析。為場(chǎng)地類(lèi)別判別、軟土震陷及動(dòng)力分析提供地質(zhì)依據(jù)，擬進(jìn)行波速試驗(yàn)，提供動(dòng)剪切模量、動(dòng)彈性模量、阻尼比等參數(shù)及相關(guān)曲線。

3.6.4 風(fēng)機(jī)接地設(shè)計(jì)參數(shù)

為獲得土壤地電阻率，需布置海上電阻率測(cè)井試驗(yàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

海上風(fēng)電作為可再生清潔能源，具有不占用陸地等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)我國(guó)“碳達(dá)峰”、“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有重要意義。天津渤海灣風(fēng)電場(chǎng)主要存在活斷層、軟土震陷、地震液化、環(huán)境水土腐蝕、海床沖刷、不良地質(zhì)、設(shè)計(jì)參數(shù)確定等勘察問(wèn)題，在海上風(fēng)電勘察過(guò)程中有針對(duì)性地去發(fā)現(xiàn)及解決海上風(fēng)電建設(shè)中可能遇到的問(wèn)題，在很大程度上可以降低工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)工程的安全有序建設(shè)意義重大。