海上风电项目科学选址研究

李晓蕾

（中海油田服务股份有限公司物探事业部，天津 300450）

0 引言

海上风力发电厂是利用海上风力资源发电的新型发电厂。在环境保护形势日益严峻和海洋资源丰富且可循环利用的背景下，风力资源巨大的海域成了人们目光的焦点[1-4]。为了贯彻能源发展“十三五”规划，中国海油立足自身技术，提出通过加快百万千瓦级海上风电场建设，全力推动深远海浮式风电技术的研究与示范，全面加速新能源业务发展，逐步将深远海风电作为中国海油结合油气主业、探索新能源产业差异化发展的一条新路径，持续探索“风光发电+油气产业”“风光发电+天然气发电”“海上风电+海洋牧场”等融合发展新模式。

然而，相对于陆上风电，海上风电场面临着更为不利的运维条件，一旦发生严重扰动或故障，电网会受到更为严重的冲击。由于受海洋特殊自然环境及输电方式等的影响，海上风电并网工程的规划设计与运行控制面临着许多新的问题与挑战。本文介绍了某海上风电项目场址选址的设计研究，通过前期工程物探调查、海洋环境调查等手段为选址提供了科学可靠的依据，随后通过工程地质调查，包括导航定位、水深测量、PCPT 测试、钻孔取芯、标准贯入试验、圆锥动力触探试验、岩土试验、桩基参数确定等进行了风电站前期布设研究，最终确定了该场址选址可行、可靠。

1 工程勘察的目的与意义

在进行海上风电项目场址选址设计的可行性研究时，预测成本工作中最大的不确定性之一是项目的地质条件。地质条件相关的问题会严重影响项目成本、设计、进度、施工方法、盈利能力等[5-7]。为了降低海上风电项目设计、建设和运营过程中地质条件不确定带来的风险，需要对目标海域进行全方位的工程勘察。通过综合研究评估这些信息，可以为后续海上风电项目场址选址设计提供可靠依据[8-9]。

通过工程物探方法查明风电全场区内、风电机组局部、海上升压站局部及海缆路由区域的水深海底地形、海底地貌特征和海底障碍物分布情况、海底浅地层结构与变化规律、海底及海底地层中具有潜在危害地质类型，如埋藏古河道、浅层断层、浅层气、砂土液化区、沙波、硬质海底，基岩等的分布，综合分析并评估上述灾害地质对风机、海上升压站安装及海缆铺设的影响，为后续设计提供科学可靠的依据。

通过工程地质钻探、原位测试、室内试验等勘察方法，查明风电场场址区的工程地质条件、海水和海床沉积物腐蚀性特征，提供高质量的地勘数据，主要包含土层、强度、变形、腐蚀因子含量等参数，为风机基础、海上升压站基础和集电电缆设计提供依据。

工程地质勘察的主要任务有：①完成相应的岩土钻探、静力触探试验及室内试验工作；②查明地基岩土类别、层次、厚度及沿垂直方向的分布规律，高程系统采用85 高程；③提供地基岩土基本物理力学参数（包括压缩模量、泊松比等）、承载力、土层抗剪切指标及标贯击数、压缩指标、沿土层的不同桩型的侧极限摩擦阻力及桩端极限阻力；④对不良地质作用进行评价及说明。

通过了解海洋水质状况，掌握海洋环境质量现状及变化趋势，评价海洋环境质量，查明海水及地下水、海床及海岸岩（土）体对混凝土和钢结构的腐蚀性等问题，可以为电缆设计和位置铺设提供依据。

通过工程地质表层取样、原位测试、室内试验等勘察方法，结合工程物探调查结果，查明集电电缆路由的工程地质条件，提供高质量的地勘数据，提供足够和充分的土层工程特性参数，为场内电缆布置设计和铺设提供依据。

2 风电项目前期布设工程勘察

风电项目建设过程中，其前期布设研究直接决定着工程的工期、质量与效益[10]。为了保证风电项目的高质量建设，需要在工程合理规划的基础上进行前期布设研究，通过综合评价各项数据，为风电项目安全高效运行奠定基础。

2.1 某海上风电项目工程概况

某海上风电项目场址涉海面积约48 km2，场址水深范围为23～27 m，中心离岸距离约20 km。拟布置55 台风电机组，并配套建设一座220 kV 海上升压站及陆上运维基地。风电机组发出的电能，通过集电海底电缆接入海上升压站，升压后通过220 kV 海底电缆接入位于运维基地内的集控中心，并通过架空线路送到220 kV 汇能站。

2.2 工作量布设情况

每个机位布设1 个控制性钻孔，升压站布设4 个控制性钻孔，风电场共布设59 个控制性钻孔。控制性钻孔终孔深度的确定遵循以下规则：正常情况下一般为60 m；进入中风化岩层不少于15 m，且钻孔总深度不少于50 m；若未揭露岩层，终孔深度为70 m；若50 m范围内已经揭露微风化岩层（或特殊情况），经业主认可后方可终孔。

控制性钻孔中，当PCPT 锥尖阻力小于70 MPa 或在PCPT 作业安全范围内，PCPT 与钻探取样交替进行，按钻探取样长度1 m 与PCPT 长度3 m 交替进行。在地层较薄、原状样品数量少的情况下，PCPT 和钻探取样可单独进行，两孔距离满足规范要求（一般不大于3 m）；当PCPT 锥尖阻力大于70 MPa 或超出PCPT作业安全范围时，开展“钻探取样+标贯试验”作业，间距一般按2 m 考虑。标准贯入试验至中等风化岩面或跳锤为止（如连续跳锤，可视地质情况增大试验间距或终止试验），如遇硬的风化岩导致标准贯入试验难以进行，可进行圆锥动力触探试验。

2.3 水深测量

每次钻探和PCPT 作业开始前，先用安装在船底钻探月池旁的测深仪和PCPT 上的深度传感器测一次水深，用于确定一个基准水深值。在作业期间每隔半小时用船上的测深仪测量一次水深，同时校正钻孔取样和PCPT 测试深度。需要说明的是，钻孔作业中水深数据为实测值，未做任何水深基准面和潮位订正，因此不可将其单独用于水深设计。

2.4 PCPT 测试

PCPT 测试所使用的仪器设备为Wison-APB 钻孔PCPT 系统，其探头锥角为60°、锥头面积为10 cm2，摩擦套筒面积为150 cm2。孔压传感器安装在探头锥头的肩部以上5 mm 处。每次PCPT 测试的连续贯入行程为3 m，贯入速度为20 mm/s。测试结束后，将已测试过的土层钻掉，并用泥浆清孔和护壁，然后再继续下一回次的PCPT 测试。PCPT 测试和清孔如此循环进行，直至终孔深度。

2.5 钻孔取芯

钻孔所采用的钻探设备包括液压顶驱回转钻机、泥浆泵、海底基础板以及Wison-APB 液压取样/PCPT系统，钻进过程中使用泥浆进行清孔和护壁。取样采用Wison 液压取样器，配以外径为76 mm、内径为72 mm的不锈钢取芯筒，压入速度为2 cm/s，岩石取样配备专用岩石绳索取芯工具，采用ZD-200A 型钻机和金刚石复合片钻头（PDC）。

2.6 标准贯入试验

试验采用Φ42 mm 触探杆，锤重63.5 kg（自由下落，落距76 cm）。先用钻具钻至试验位置以上15 cm处，再将贯入器打入土层15 cm（不计击数）后，记录每击入10 cm 的锤击数，累计30 cm 的锤击数为该次标准贯入试验锤击数。当土层坚硬或密实，贯入深度未达到30 cm，即锤击数达50 击时，记录击入深度并终止试验，将锤击数换算成相当于贯入深度为30 cm 对应的等效锤击数n。试验时，对孔内浮土均进行了清除，且保持钻杆垂直。

2.7 圆锥动力触探试验

与标准贯入试验相似，试验采用Φ42 mm 触探杆，将标准贯入器换为重63.5 kg 的圆锥探头（重型动力触探）。通过自动落锤将圆锥打入岩土层中，记录每击入10 cm 的锤击数。圆锥动力触探试验适用于砂土、碎石土、极软岩的测试。

3 室内试验研究

3.1 岩土试验

每个土样取上后，首先要检查取样管末端的土质。如果是黏性土，当土样还在取样管内时都要进行小型手动十字板、微型电动十字板和袖珍贯入试验。试验完毕后，或者当取样管末端土质为粒状土时，用液压推出器将土样从取样管中推出，由工程师进行肉眼分类，对大多数土样进行密度和含水量测量，然后挑选部分质量好的土样包装放入不透气的容器中密封装箱，运往陆地实验室进行试验。

（1）现场试验包括：目测分类、含水量容重、袖珍贯入试验、微型十字板试验（分扰动和非扰动）、手动十字板试验、点荷载试验。

（2）砂土试验包含：相对密度试验、颗分试验、固结排水试验。黏性土试验还包含：液塑限试验、比重计试验、电动十字板试验、三轴固结不排水剪切试验、三轴不固结不排水剪切试验、固结试验、无侧限抗压试验等。

（3）高级土工试验包括：共振柱试验、静单剪试验、动单剪试验。岩石测试包含岩石的土力学实验、易溶盐试验、导热性能、电导率测试、腐蚀因子测试等。其中，岩石的土力学实验项目包括但不限于：岩矿鉴定、天然块体密度、饱和含水率、天然含水率、饱和、干燥、天然单轴抗压试验、点荷载试验、饱和弹性模量、泊松比、剪切波速等。

3.2 桩基参数确定

桩基参数的确定严格按照有关的规范和标准进行。本次勘探升压站和风机位置均进行钻孔取样和原位测试。在覆盖土层和部分全风化、强风化岩层中，PCPT 测试除个别孔外，均完成了完整的剖面，该剖面直观、真实地反映了岩土层的排水属性、岩土类型、岩土强度、厚度等随深度的变化，以及砂土的密实度、黏性土的强度、灵敏度和固结度等特性。岩土参数的确定应综合考虑PCPT 测试结果和岩土取样试验结果，为准确确定岩土层的工程特性提供可靠的依据。

4 结束语

作为新能源发电的重要组成部分，海上风电是未来的高增长产业之一。海上风电产业链长，集合了当代高端装备制造的顶尖技术，是最能体现高端技术创新能力的可再生能源领域。本文通过工程勘察为某海上风电项目场址选址设计提供了可靠依据，随后通过前期布设研究综合评价各项数据，验证了本次选址的可靠性、安全性及应用性，为后续其他风电项目场址选址树立了优秀的范例。