海上风电场工程勘察管理及技术应用分析

文 | 王凯

海上风能发电具有资源丰富、发电利用小时数高的优点，是目前新能源发展的前沿。截至2017年，全球建成海上风电装机容量1881万千瓦，预计到2020年底，全球海上风电装机容量可达4000万千瓦。风电机组为高耸构筑物，既要考虑风浪、水流对支撑结构和地基的作用，还要考虑在风电机组动荷载作用下，地基的变形和承载力，因此，风电机组基础受力比较复杂，对勘察成果的准确性要求更高，这就对勘察管理的有效性提出了更高的要求。目前在建的及已规划的海上风电场一般离岸远，交通不便，施工环境浪大流急，这些作业条件下勘察质量风险、安全风险和进度风险均较大，对勘察过程的有效管理更加困难。因此本文结合珠海金湾海上风电场项目，首先阐述了业主方如何从进度、质量及安全等方面对勘察过程进行全方位、全过程的管理，总结了海上风电场工程勘察管理的有效方法和措施；其次，介绍了波浪补偿分离式液压钻机、海床式静力触探设备等先进设备在本项目的应用及改进情况，并对勘察成果进行了对比分析，为海上风电勘察质量的提升提供参考和依据。

项目概况

珠海金湾海上风电场项目规划场址海域面积约52km2，建设装机容量规模300MW，项目场址位于珠江口外海面，场区至北侧三灶镇的最近距离约10.5km，至西北侧高栏岛的最近距离约10km，至东北侧横琴岛的最近距离约为15km，至东侧小万山岛的最近距离约20.5km，属于近海风电场。该项目场址具有海上风电场场址的典型施工环境特点。

项目勘察管理

勘察阶段是工程项目的前期准备阶段，勘察的进度、成果质量都将直接影响到整个项目的投资、进度和质量目标的实现。笔者通过对珠海金湾海上风电场项目勘察管理中存在的一些问题进行分析，总结出业主对海上风电勘察在质量、进度及安全管理方面的有效方法和措施。

一、质量管理

业主在勘察阶段对勘察单位的质量管理主要从选定勘察单位、审查勘察纲要着手，对勘察的外业和文件成果进行检查和过程管理，以保证勘察工作符合工程建设的质量要求。

图1 项目位置示意图

(一)选定勘察单位

选择勘察单位时，应重点考察企业的资质条件、技术设备水平、技术管理制度、质量管理体系、专职技术队伍、勘察单位业绩及服务质量等。在金湾海上风电场项目中经过对国内具备海上勘察能力的单位进行调研考察，采取邀请招标的方式，最终选择了一家具有综合甲级资质、海上勘察经验丰富、技术及实力雄厚的勘察单位，为后续工作的有效开展奠定了基础。

(二)勘察纲要的审查

勘察单位在进场前，结合项目的特点、勘察内容及深度的要求，按照相关规范规程，编制勘察纲要。纲要应体现设计意图，客观反映场地的地形地质情况，满足合同要求，勘察方案应合理，人员、设备配备须充足，技术管理制度要健全，质保安全措施应可行齐全，各项工作质量责任划分明确。业主对勘察纲要审查的意义在于明确勘察单位的工作内容及各项措施，勘察纲要可作为业主后续过程管理的规程及依据。

(三)勘察外业的质量管理

勘察的外业工作是对现场工程地质条件相关数据的采集，为勘察报告的编制提供客观基础资料。因此勘察外业的质量直接影响到项目的设计及施工，甚至影响到构筑物的安全性。因此如何有效地对勘察外业质量进行管理，是整个勘察过程管理的重点。在勘察外业过程中， 主要对以下几个方面进行管理：

1.勘察项目的技术负责人、分项专业负责人都应具有相应的岗位资格，并有高度责任感和熟练的操作经验，严格按操作规程作业；

2.勘察单位使用的测量仪器须经过检定合格；控制点、水准点等资料使用前须经过核查无误，每个钻孔孔位施放后须经过复测以保证钻孔孔位无误，钻孔定位测量各个过程须进行记录；测量记录不能随意涂改；如有涂改应注明原因并签名，所有记录及校对人员都必须签名；

3.针对海况差、水深大等场地，勘察单位需选用先进的钻探设备，尽量减小钻探过程中因波浪作用对原位土层产生的冲击扰动，避免造成土样扰动、原位测试数据失真；

4.勘察现场记录人员应正确判断记录地层的起讫深度，原始记录应真实及时。钻探记录应齐全清晰，岩性描述、分层正确并符合相关规范，并经有关作业人员检查签字。

(四)勘察文件的质量管理

组织设计、勘察单位及相关部门审查勘察成果，发现勘察成果有误或缺陷，应要求勘察单位修改完善，审查合格后，才能将勘察成果交付设计单位使用。

二、进度管理

针对珠海金湾海上风电场项目海上勘察的特点，从组织管理、技术、经济等方面制定相应的措施，进行勘察进度的管理。同时，在项目进展过程中，对各阶段完成的情况进行管理监控，保证项目在满足时间约束的条件下实现总体目标。

(一)组织管理措施

1.在委托勘察设计单位前，业主单位应先编制项目总体进度计划及节点，勘察单位根据上述计划节点编制合理且细化的进度安排计划，制定各班组的作业顺序，保证作业面，以减少通航条件对勘察进度的不利影响。勘察期间进行计划进度和实际进度的动态比对，出现进度落后的情况及时进行原因分析，并采取针对性的措施，必要时增加勘察作业班组；

2.场区水域一般受台风、冷空气强风等季节性风浪影响大，将会影响勘察进度，应合理选择避风锚地并事先与海事部门、避风港管理部门沟通，以减少回港避风的时间成本并保证进度。

(二)技术措施

勘察单位应选择大型船舶作为钻探船，提高钻探船的防风抗浪性能。使用抗浪性能良好的勘探设备，减少海况等因素对勘察进度的影响。在金湾海上风电场项目中，选用总吨位为1200吨的海船搭载钻探平台，并采用分离式液压钻机作为钻探设备(后文详细介绍)，有效地减少了恶劣海况对勘察外业造成的待工时间。

(三)经济措施

根据进度计划合理安排资金和各项资源的投入，并保证后勤供应；制定经济激励制度， 提高作业班组积极性，促进勘察进度，督促勘察单位按计划提交勘察成果。

三、安全管理

海上风电的勘察作业，将面对海况环境恶劣、天气多变、点多线长、离岸远、交通不便等不利因素，给安全管理带来较大困难。海上勘察施工安全管理应结合海洋环境，对常规的安全管理措施和手段进行改进，以适应海上作业的特殊性，实现安全生产的目标。本项目主要从以下几个方面着手：

(一)收集和发布气象水文信息

海上施工受海况及天气限制，在流急、风浪大等恶劣海况下作业发生安全事故的可能性很大，所以组织作业生产应掌握作业海域的气象水文条件，选择合适的施工时间，避免在恶劣海况条件下进行生产活动。

(二)保证设备设施完好

勘探班组选定一名安全员，开工前必须先仔细检查仪器设备及工具，不得使用有妨碍安全的工具。工作前应进行安全检查，发现问题及时纠正。对于钻机、卷扬机、吊机等机械设备执行专人操作及管理制度，定期检修及保养，减少机械故障，使其能够保持良好工作状态。

(三)施工作业环境

船舶是实施勘察任务和设备、人员活动的载体，所以应加强对海上施工船舶在安全方面的管理，避免发生海上船舶事故，有效保障施工。因此必须选择船况良好，证件、船员配备齐全的船舶搭载钻探平台。勘探过程中，安排船员值守、瞭望，当附近有大型船舶时通过旗号、灯号和高频等提醒过往船舶慢速通过，如过往船舶产生涌浪，及时提醒钻探作业人员。钻探船舶应在海事部门审批的施工范围内施工，并安装警示灯。

(四)人员防护措施

加强人员的安全教育，所有进入施工现场的人员必须戴好安全帽、穿好救生衣及劳保鞋等。钻探船配备足够的救生衣，做好安全防护措施。当施工现场出现危及施工安全的状况时，安全员应立即下令停止作业，及时疏散、撤离人员。作业人员应注意休息，杜绝疲劳作业引发安全事故。

(五)加强安全监督检查

项目组定期组织安全检查，还要根据工作需要进行不定期的检查；加强对安全检查工作的领导，在安全检查中，勘察经理亲自组织，全程参加，防范于未然。

勘察设备及技术

勘察设备及技术是影响整个勘察的质量、进度及安全的重要因素，在金湾海上风电场项目中，设备上采用了波浪补偿分离式液压钻机、海床式静力触探设备等，并对设备进行了改进， 取得了较好的效果。在勘察方法上除了采用钻探、取样、室内试验外，还采用了标准贯入试验、十字板剪切试验、钻孔波速测试、电阻率测试、孔压静力触探试验等原位测试方法进行综合勘察。

一、波浪补偿分离式液压钻机的应用

采用传统钻机作业时，因整套钻机连接在船舶平台上，受风浪影响，钻机会随着船舶的摆动而摆动，从而造成采取土样质量低、原位试验数据不准确，甚至因设备摇摆幅度太大造成停工等问题。因此本项目使用千吨级的钻探船作为钻探平台载体，配置抗风浪能力强且具波浪补偿能力的液压驱动分离式海洋钻机(图 2)进行海上钻孔。波浪补偿分离式液压钻机主要由动力站、液压控制系统、动力头、液压卷扬组、液压泥浆泵、波浪补偿平衡器、钻塔以及液压油管等部件组成。该设备首次应用于港珠澳大桥岛隧工程勘察中并经施工检验取得良好的效果。珠海金湾海上风电场项目钻孔孔深要求大，对设备的动力较常规项目要求高，因此本项目实施过程中对动力头及液压油管等部件都进行了设备改进， 使得钻进速度更快、设备故障率降低。

分离式液压钻机主要有以下几个效果：动力大，钻进速度快；因为动力头自由活动，与塔架及船体分离，减少了海浪对作业的影响及土样的扰动；在波浪较大时，仍然能够正常作业，具有较强的抗浪性能。以上因素，使得波浪补偿分离式液压钻机的应用，保障了本项目的勘察进度，提高了成果质量，降低了安全风险。

二、海床式静力触探设备的应用

珠海金湾海上风电场水域海底上部分布有较厚的软土层，下部以粘土层为主，局部分布有砂土层。由于风电机组桩基础设计，一个重要方面是确定桩基参数，孔压静力触探试验可以连续地高密度地测出土体的侧壁摩阻力及端阻力，提供准确的岩土参数，其原理见图3，该试验具有速度快、精度高等特点。

结合作业环境和地基条件，珠海金湾海上风电场项目勘察采用具有 20吨反力的海床式静力触探设备进行静力触探试验。为减少土体对探杆的摩擦阻力，采用注浆技术，并对贯入方法进行改进，有效地增加了试验深度，使得试验深度达到了49m，试验理论反力达到了30吨。图4为CPT试验成果图，其中红色曲线为侧壁摩阻力fs（kPa）与深度的关系曲线， 蓝色曲线为锥尖阻力qc（MPa）与深度的关系曲线。

在进行静力触探试验过程中，对放置于海床表面的静力触探设备海床支架的水平倾角要求在5度以内， 否则将会对贯入土中的探头倾角和贯入深度产生较大的不良影响。针对场区表层分布厚层淤泥的作业条件， 为了能保证海床式静力触探设备海床支架能在测试期间平稳地置于海床表面的淤泥中，且尽可能地保证静力触探试验的贯入深度，本次测试实施前特对海床式静力触探设备海床支架进行改造，在底部增加设置有泄水孔、隔层等装置的扩大型裙板，如图5。实施后 证明，加设扩大裙板后海床式静力触探设备海床支架在测试过程水平倾角保持在 3 度以内。

在进行孔压静力触探试验成果数据解译时，参考了港珠澳大桥岛隧工程 CPTU 试验研究专题报告中的相关研究成果，利用孔压静力触探试验成果进行土体分类，由实测的锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压力等测试数据推算粘性土的不排水抗剪强度和砂土的内摩擦角；并利用孔压静力触探试验测试数据估算桩基承载力。

图2 波浪补偿分离式液压钻机

图3 海床式静力触探系统原理

图4 CPT 试验成果图

三、勘察技术方法

本次勘察除了采用钻探、取样、室内试验外，还采用了标准贯入试验、十字板剪切试验、孔压静力触探试验等原位测试方法进行综合勘察。在勘察成果编制过程中，将各种勘察手段取得的成果数据进行对比分析。如表1为部分试验成果对比分析，结果表明，静力触探试验指标在桩侧极限摩阻力标准值的换算上，与室内试验指标换算结果较一致。在粘性土的不排水抗剪强度换算方面，因室内试验受应力释放等影响，室内试验结果偏小，静力触探试验结果在一般粘性土的换算强度上与标准贯入试验的成果较接近。最终通过了钻探、室内试验及多种原位测试试验等综合勘察手段，并结合地区工程经验，提出了更加精细准确和合理的岩土参数。

表1 试验成果对比分析

图5 海床支架扩大裙板

结论

海上风电机组所受荷载复杂，对勘察成果的准确性要求更高。场址离岸较远，对勘察过程的有效管理困难。建设单位应根据海上风电勘察的特殊性，制定相关的管理制度， 特别在进度、质量及安全方面对勘察过程进行全方位、全过程的管理，提高勘察效率及质量， 保障实现项目的总体目标。在珠海金湾海上风电场项目勘察中，采用具有波浪补偿功能的分离式液压钻机进行外业钻探，采用海床式静力触探试验技术，采取多种勘察手段进行综合勘察， 在恶劣海况的作业条件下安全、质量和进度均有保证，提出的岩土参数准确、合理。

目前国内海上风电勘察在技术方法和设备上都有了长足的发展，但是在许多方面还需要进一步深入研究，如海床式十字板设备、海底硬土的取土技术、能够提供更大反力的静力触探设备等。因此，建议在海上风电勘察中能够继续积极改进勘察设备和运用新技术、新方法， 同时也建议引入勘察监理进行全过程的勘察监督管理，确保勘察工作成果质量，为工程项目提供更加精确的设计输入。