福建兴化湾海上风电场勘察难点和问题探讨

周兴政，朱 泓

(1.福清海峡发电有限公司，福建 福州 350309；2.浙江华东建设工程有限公司，浙江 杭州 310014)

福建沿海海域广泛分布有花岗岩，花岗岩球状风化具有不均匀性、离散性、差异性、突变性等特点。风化深槽、暗礁、球状风化对于工程设计和施工来说十分不利，需要查明。本文就福建兴化湾海上风电场地质勘察中遇到的主要工程地质问题和勘察难点进行探讨。

1 工程概况

福建兴化湾海上风电场项目位于福清兴化湾内，邻近福清核电厂址，由两块区域组成，总面积约48.6 km2，总装机容量450 MW。工程分为二期，其中二期面积约18.5 km2，场址泥面高程-28～-3 m，中心离岸距离约4.7 km。

1.1 场址区基本地形地貌

拟建机位多位于水下岸坡及海底阶地地貌单元上。场区内有大小不一的岛礁、暗礁分布，局部分布海沟，地形复杂，东侧场区机位远岸处地形较平缓，西侧近岸处地形稍陡。

1.2 场址区基本地层概况

根据区域地质资料以及已有的勘察成果，区域内基岩地层以燕山早期第三次侵入(γ52(3)c)含黑云母花岗岩、燕山早期第二次侵入(γδ52(3)c)灰白色花岗闪长岩及侏罗系南园组第二段(J3nb)浅灰色流纹质晶屑碎斑熔岩夹凝灰岩、砂岩为主，局部为燕山期混合岩化作用形成的花岗片麻岩，第四系沉积地层主要为海积(Q4mc)淤泥、粘土、砂、残积(Qel)砂质粘性土等。

2 主要工程地质问题

工程区岩性主要为花岗岩，岩性复杂多变，基岩面起伏大，花岗岩的球状风化较为普遍，在全风化、强风化带内常残留有风化孤石。兴化湾一期项目前期勘探过程中未发现明显的球状风化孤石，但在施工沉桩过程中个别桩遇到了孤石，据实测孤石直径一般1～3 m，最大可达5 m，造成钢管桩瘪桩，无法正常沉桩，后续处理难度很大，增加了工程处理费用，且对工期影响很大。

基岩面起伏大，散体状花岗岩密实度不均一，个别钢管桩沉桩难以达到设计标高，停锤标准难以确定，造成钢管桩截桩较长，长度达3～10 m，浪费严重。

3 工程地质勘察难点

1)地形地貌基本被海水淹没，无法直观地观测到场区地形地貌、表层地层岩性、构造等地质特征。

2)场区岩性为花岗岩，具有不均匀性，离散性、差异性、突变性，并分布有孤石，对钢管桩施工方案的选择影响大。

3)场地地层不均一，地层结构、厚度变化大，地层起伏大，对基础型式选择影响较大。

4)现有规范的编制不完善，陆地风电场和海相沉积区的风电场勘察、设计、施工技术相对成熟，规范内容方面编制完整，但对于浅海一带花岗岩特殊岩土的勘察，因收集资料较少，规范中很少阐述，很多条款都是指明参考《海上平台场址工程地质勘察规范》(GB/T17503)，参照性差。

5)物探成果的多解性。仅仅依靠物探成果解译，场地风化岩深度和界面物探解译与实际钻探划分地层偏差很大，个别界面深度甚至误差十余米。可见物探成果在花岗岩地层中解译的难度和困难，需要钻孔资料的支撑。

4 工程中对策

根据工程规模和场区范围，通过海上地质钻探工作，结合现场原位测试技术、现场取样、室内试验等综合手段进行工程地质勘察。

4.1 球状风化现象的判定

4.1.1 钻探取芯分辨

在花岗岩节理裂隙发育地区，岩石沿节理面风化速度较中心部位快，有时几组方向的节理将岩石切割成多面体的小块，小岩石块的边缘和隅角从多个方向受到温度及水溶液等因素的作用而最先破坏，而且破坏深度较大，久而久之，其棱角逐渐消失，变成球形或椭球形，这种现象叫球状风化。这种现象常见于风化速度较快的粗粒花岗岩地区，细粒花岗岩中球状风化现象比较少见。因此勘察中若发现基岩面有异常起伏或钻取到一段岩芯后又揭露风化土层，应加深勘探深度，以利于判定是否为球状风化现象，防止把球状风化的孤石当成基岩层面。球状风化的残存孤石在残积土中往往突然出现，界面接触突然，缺乏正常的残积层-强风化层-中风化层的自然过渡，据此可初步判断是否为球状风化现象。

4.1.2 物探探测

物探方法多种多样，尤其对于花岗岩地区风化孤石的判断，许多单位也在摸索总结中。地震反射波法利用的是岩土层的阻抗差异(密度和速度差异)，如孤石与周边土层的密度和速度存在明显的差异，且海水(液体)更能消除地震波动信号中的面波等干扰，接收信号更好，且采用水上高频、高密度多次覆盖地震反射波法，分辨率会更高。

通过野外实际试验工作，并结合测区经验，工程区水域主要地层具有如下地球物理特征：

1)海水纵波速度Vp=1 480～1 500 m/s；

2)覆盖层的平均纵波速度Vp=1 600～1 700 m/s；

3)基岩的纵波速度Vp>2 000 m/s。

由以上波速资料可看出，不同岩土层波速差异较大，波阻抗差异明显，为开展水域地震反射波提供了良好的地球物理条件。

4.2 花岗岩风化程度的划分

花岗岩残积土和风化土中通常含有较多的石英砂砾，且粉性较高，颗粒间结合力较弱，野外肉眼分层难度较大，室内土工试验由于石英颗粒含量较多，试验成果也无法正确划分定名。根据福建省岩土工程勘察规范，花岗岩风化程度的划分主要依据原位测试成果，对于厚层状的强风化岩和全风化岩时，根据当地经验又进一步划分为碎块状、碎屑状和土状，见表1。标贯锤击数的准确性和岩土分层合理性与后期沉桩施工有很大的关系，有必要在勘察阶段划分清楚，为沉桩施工做指导。

表1 福建花岗岩标贯锤击数风化程度划分标准表

5 工程实例

福清兴化湾海域二期风机共布置了45台风机，在该海域风机基础设计主要采用高桩承台基础。

5.1 桩型与勘探点的布置

勘探孔布置的数量与桩型有关，而桩型又和场地地形、地层、海水深度、施工船舶吃水深度等条件息息相关，有时设计专业会根据风机位第一个勘探孔基岩层面的埋深、海水深度等地质条件，桩型设计随之变更，原有的布孔方案就要重新调整，这些因素给勘察布孔带来了一定的困难。

根据本案机位地层勘察情况分析和探讨，原则上6-8根的高桩承台基础，平面上宜呈等腰三角形布置3个勘探孔。当桩位遇到孤石等不良地质体时，应分析不良地质体埋深位置，如果孤石位于钢管桩沉桩深度范围内，则需要增加勘探工作量，以探明不良地质体的分布范围。如场区53号机位，因距离岛屿较近，经多次移位多个勘探孔中均见有孤石，这样机位的工程地质条件只能提醒设计和施工单位提前采取相应的施工处理措施，避免在施工中出现被动局面。如果孤石埋深超过了沉桩深度在嵌岩段范围内时，嵌岩施工处理属于可控范围，风机机位可以不再增加勘探工作量或移位。如：20号机位钻探岩芯中就发现有明显的孤石，经过设计验算，孤石位置处于嵌岩段，不会造成瘪桩现象，就不再增加勘探工作量。

5.2 孤石的判断

为查明工程场地及风机位置基岩面埋深及球状风化孤石发育情况及分布情况，采用了水上高频、高密度多次覆盖地震反射波勘探法的物探方法(CDP)。

5.2.1 物探成果的解译原则

水域地震反射资料成果解释工作以反射波时间剖面图为基础，图中各反射波的时序分布关系与形态特征是地层地质现象的客观反映。解释原则：

1)对于岩土层层位的划分，主要是追踪时间剖面图中的连续同相轴；

2)对于异常的划分(可能发育孤石的位置)，主要是寻找绕射弧或者局部能量较强且附近同相轴不连续的位置。

图1中绿色、黄色、红色和蓝色实线均为地震反射解释的岩土层分界线，其中绿色实线为水底地形线，红色或者黄色实线为土层的分界面，蓝色实线为中风化基岩面。红色圈圈标示的为异常区域是孤石发育的潜在区域，通常表现为绕射弧现象或者局部能量较强且附近同相轴不连续。

A剖面中红色圈圈标示的异常区域表现为存在明显的绕射弧；B和C剖面中红色圈圈标示的异常区域表现为存在绕射弧，局部能量较强，同相轴不连续，均为发育孤石可能较大的位置。

图1 A、B和C地震反射时间剖面图(从左往右)

5.2.2 钻孔验证

根据现场物探测试分析几个机位出现的异常点，选取了34号、54号、56号三个机位靠近施工布桩位置进行取芯验证。对比情况见表2。

表2 钻孔岩芯与物探解译异常点对比表

本次只验证了3个孔的实际情况，根据三个钻孔中对物探CDP成果解译异常点的检验，其中54号机位CDP反映情况与实际钻孔岩芯揭露情况比较相近，该段岩脉性状与周边风化岩性状差异较大，物探反映明显；34号、56号机位解译效果不是很明显，因此在判断孤石上尚未找到一个效果明显的勘察手段。由于影响物探解译的因素很多，如仪器的适用性、地层岩性复杂性、风化程度的不均一性、海水深度，都会给成果的解译带来一定的干扰和误判，这些问题都有待于进一步的研究和探讨。

5.2.3 施工阶段沉桩情况验证

勘探期间有些钻孔岩芯中并未发现有孤石存在的迹象，而在实际沉桩过程中机位范围内部分桩却有出现瘪桩情况，瘪桩变形情况经水下探测，其变形形态见示意图2。表3为工程区6桩嵌岩桩施工过程中记录的瘪桩桩位和最终停锤贯入度情况，其中55-6桩瘪桩结果桩底内凹变形约0.6 cm左右，对照钻孔岩芯、地质剖面图以及停锤贯入度综合分析，造成瘪桩的原因是桩底存在块体较大的风化孤石，强度较高，沉桩难以穿透；另一个方面分析原因是部分桩的桩底已打入碎裂状强风化花岗岩岩层中，如29号机位的4个桩瘪桩情况，主要是桩底已接近或打入碎块状强风化花岗岩中，对照钻孔岩芯，桩底相应高程位置上的岩芯呈5～8 cm块状，对于大直径打入式桩沉桩十分困难，强行锤击就容易引起瘪桩和卷边。因此在花岗岩地区沉桩过程中如何消化和理解地质成果十分必要。

图2 部分桩桩底瘪桩形状示意图

5.3 标贯锤击数与沉桩的关系

孔内标贯测试数据在花岗岩地区工程中非常重要，在沉桩施工过程时，标贯的锤击数与沉桩的贯入度有直接的关系。如：福清兴化湾风电场17号机位高桩承台钢管桩设计桩长为60余米，桩外径1 900 mm，壁厚28 mm，桩基采用斜桩，斜率为6∶1。根据现场标贯锤击数对地层的划分，50～70击/30 cm主要为散体状花岗岩，70击/30 cm以上基本划分为碎裂状花岗岩。结合现场桩基沉桩施工，当未经修正的标贯锤击数达到50～70击/30 cm以上时，沉桩速率明显变慢，当标贯锤击数达到70击/30 cm以上，即使加大锤击能量，沉桩也十分困难，基本达到停锤要求，见表4。

表3 施工沉桩瘪桩桩号表

6 结 语

随着福建、广东浅海海域花岗岩特殊岩土地区海上风电的陆续开发，遇到的工程地质问题将会越来也多，花岗岩地区特殊岩土风机基础的勘察准确程度直接影响到设计质量、钢管桩基础施工的难度和工程成本。以上仅仅总结了兴化湾一带花岗岩地区的几个勘察方法和工作要点，是对工程的一次写真，由于花岗岩地层具有地区性、不均匀性、离散性、差异性、突变性等性状，对花岗岩中不良地质尤其是对孤石判断准确率和测试精度各个单位仍在探索之中。本文做抛砖引玉为今后类似工程借鉴之用。

表4 17号风机嵌岩沉桩段和18号风机摩擦桩沉桩贯入度与标贯对比表