岩溶山区风电场勘察方法探讨

2014-06-06刘汉阳

山西建筑 2014年16期

刘汉阳

(湖北省电力勘测设计院，湖北武汉 430040)

0 引言

风电是近年来发展最快的新兴可再生能源，到2010年年底，全球累计风电装机容量约2亿kW，最近5年年均增长率约30%。根据我国“十二五”时期发展目标:2015年，投入运行的风电装机容量达到1亿kW，年发电量达到1 900亿kWh，风电发电量在全部发电量中的比重超过3%。大陆壳75%地区是沉积岩，沉积岩的15%则是由碳酸盐组成［1］。岩溶山区，山体相对高差大，岩溶发育的不确定性和隐蔽性，勘察难度大。岩溶山体风资源丰富区域，为良好的风电场。在安全可靠，经济实用的基础上，如何进行有效的勘察工作。本文通过湖北利川齐岳山4座风电场的勘察经历，分析和总结各种勘测方法的适用性与经济性，总结适合岩溶山区风电场勘察的方法。

1 岩溶山区与风电场的特点分析

1.1 岩溶山区特征

岩溶是指地下水和地表水对可溶性岩石的化学作用和物理作用及其形成的水文现象和地貌现象。

岩溶包括溶洞的发育，一般应具备四个条件:可溶性的岩石、岩石具有结构裂隙通道、流动的地下水、水具有侵蚀性［2］。

岩溶发育的影响因素:地形地貌、空间位置、地壳运动、气候、水文条件等［3］。

湖北利川齐岳山山脉，山体高差大，地下水埋藏深，四季雨量大，形成了良好的灰岩溶蚀环境。

湖北利川齐岳山，位于湖北西部与重庆云阳交界，齐岳山山脉在大地构造单元上属扬子准地台上扬子台坪八面山台褶带的利川台褶束西部地段，受齐岳山背斜和齐岳山断裂的影响。

风场区域为南偏西—北偏东走向山脉，地形地貌属于中山区，海拔高度在1 485 m～1 735 m之间，为良好的风电场建设地。风机位多位于山顶及山脊，林木稀少，多为灌木林及油竹林，局部为人工开垦的旱地。风机区域属典型的岩溶地貌。风机位地段基岩出露，多为半裸露石芽，溶沟、溶槽及溶蚀裂隙强烈发育;区内地表分布有塌陷漏斗、塌陷坑，出露基岩溶蚀强烈等(见图1)。

图1 山顶地表岩溶发育情况

1.2 风电场勘察特点

齐岳山风电场，多为一山一风机的模式，风电基础主要采用圆形梁板式(圆筏式)，直径16 m～18 m，基础埋深3.0 m～4.0 m，持力层为中风化灰岩。

风机基础底面总荷载(风机和基础与基础上的土体):Fk+Gk=20 000 kN。

最大偏心弯矩:Mkmax=14 000 kN·m。

轴心荷载作用时基础底面的平均压力值:Pk=95 kPa。

偏心荷载作用下，基础边缘的最大压力值:Pkmax=190 kPa;Pkmin=0 kPa;基础底面脱开面积约12%。

齐岳山山体，第四系覆盖层较薄，多为0.5 m～3.0 m，局部基岩直接裸露，基岩为三叠系下统(T1)中厚层状灰岩，灰色、灰白色，中风化，微晶结构，中厚层状构造，山体地表多直接半裸露，层理明显，溶蚀强烈，岩层走向以北东或南西为主。岩石地基承载力特征值:fa=1 500 kPa～2 500 kPa。中风化灰岩完全满足风机基础承载力的要求。

2 勘察方法分析

风电场风机基础持力层为中风化灰岩，其承载力满足风机基础的要求:

勘察工作的重点为查明地基中岩溶的发育情况，保证风机基础地基的整体稳定性。勘测工作中具体查明拟建工程范围及有影响地段的各种岩溶洞隙的位置、规模、埋深，岩溶堆填物的形状和地下水特征。

岩溶勘察采用的方法:工程地质测绘和调查，物探、钻探等多种手段结合的方法进行。

2.1 工程地质测绘和调查

工程地质测绘和调查作为一项最基本的勘察方法，在岩溶勘察中具有:实用性强，实施简单。工作中，重点调查下列问题:

1)岩溶洞隙的类型，形态、分布和发育规律。

2)基岩面起伏、形态和覆盖层厚度。

3)地下水赋存条件、水位变化和运动规律。

4)岩溶发育与地貌、地质构造、地层阳新、地下水的关系。

5)调查访问当地村民岩溶的信息。

在齐岳山风电场的风机位勘察中，首先进行工程地质测绘和调查工作，保证风机位30 m范围内，地表无明显的溶洞或塌陷坑，地表稳定等。对于出现直径小于3 m的溶洞，应分析溶洞的长度与宽度，近年的塌陷情况，是否在风机基础边缘位置等，再判断是否适合风机的建设;对于直径大于3 m的溶洞，应评价溶洞的稳定性，是否可进行工程处理或进行风机的位移处理，岩溶发育的地段，可直接否定该风机位。

该方法存在的问题是:不能有效的对风机位地基进行观察，仅能对地表岩溶进行描述。

2.2 物探方法

岩溶地区，对比物探勘探的各种方法，现分析在当前运用最广泛，适用价值最高的两种方法:高密度电阻率法(简称:高密度电法)和地质雷达法。

高密度电法是以不同岩(矿)石之间导电性能差异为基础，通过接地电极在地下建立人工电场，用电测仪器观测因不同导电地质体存在时地表电场的变化，从而推断和解释地下地质体的分布或产状，达到解决地质问题的目的。高密度电法的装置特点是它能在地面陈列式一次性敷设几十个甚至上千个电极，按设定程序迅速完成数百个乃至数万个数据的采集，从而获得大量的地电信息;同时，它实行密集采样来提高采样率，用“多次覆盖”的方法来提高信噪比(多次覆盖是指由不同的供电电极、不同的测量电极在地电断面上相同的“点”进行多次测量)。高密度电阻率法又叫电阻率层析成像，是集电剖面法和电测深法的特点为一体的一种地学层析成像技术。因此，是高精度的直流电法，能形象直观地反映出地下地质体的空间特征。

该方法的优点:成果运用成熟，受地形的影响较小，且所得的成果较清晰，干扰少。缺点:测线剖面要求较长(多大于50 m)，测点与基岩裸露区域接触较差。

地质雷达由主机、天线和配套软件等几部分组成，根据电磁波在有耗介质中的传播特性，发射天线向被测介质发射高频脉冲电磁波，当其遇到不均匀体(界面)时会反射一部分电磁波，其反射系数主要取决于被测介质的介电常数，雷达主机通过对此部分的反射波进行适时接收和处理，达到探测识别目标物体的目的。

该方法的优点:测线较短(可为15 m～30 m);地质雷达直接利用基岩表面探测岩溶，可探测到规模较小的洞悉［4］。缺点:现场电磁波干扰因素较多，测量过程中天线与地面耦合条件较差。