海上风电项目精细化地质勘察分析

摘要：我国海上风能资源丰富，近几年，海上风电发展较快，已达到先进水平。海上作业难度大，条件复杂多变，风电项目的地质勘察面临巨大的挑战，传统的陆地或近岸勘察设备已无法满足精细化地质勘察的要求。以广东省东部沿海某海上风电项目为例，结合相应的勘察设备，分析钻探与静力触探的综合应用，探索成果统计精细化和管理精细化，以期提高我国海上风电勘察能力和质量。

关键词：海上风电；精细化地质勘察；钻探；静力触探

中图分类号：TV221 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）07-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.031

Analysis on Refined geological survey of offshore wind power projects

ZHOU Sheng， XU Qi

（CCCC FHDI Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou 510230， China）

Abstract： China has abundant offshore wind energy resources， in recent years， offshore wind power has developed rapidly and has reached an advanced level. Offshore operations are difficult and the conditions are complex and varied， and geological surveys for wind power projects face enormous challenges， and traditional land or nearshore survey equipment can no longer meet the requirements of refined geological surveys. Taking a certain offshore wind power project along the eastern coast of Guangdong province as an example， combined with corresponding survey equipment， the comprehensive application of drilling and static penetration testing is analyzed， and the refinement of statistical results and management is explored， in order to improve China’s offshore wind power survey capability and quality.

Keywords： offshore wind power; refined geological survey; drilling; static sounding

拟建海上风电场位于广东省东部沿海，离岸20～30 km。场址规划面积约为29 km2，海底水深介于19～26 m，它属于近海风电场。项目规划装机总容量为322 MW，拟布置46台7.0 MW风电机组，同时配套建设1座220 kV海上升压站和陆上开关站。

1 工程概况

1.1 海域特征

广东省沿海海浪主要受热带气旋和季风影响，一般东北向的海浪平均波高大于西南向的海浪。西南季风期的浪和涌平均波高小于东北季风期的浪和涌。根据项目附近海洋站2012—2015年实测波浪资料，年平均波高为0.9 m，历年最大波高为6.1 m，波向为北北东，该数据采集于超强台风“天兔”影响期间。年平均周期为4.9 s，最大周期为13.0 s。

广东省近岸海域的海流分布较为复杂，粤东的东部海域全年为东北向流，平均流速约为0.25 m/s，粤东的西部海域、珠江口外海及其西部海域的冬半年以西南向流为主，平均流速介于0.25～0.45 m/s，下半年为东北向流，平均流速为0.25～0.40 m/s。工程海域潮流性质属不规则半日潮流区，一日两潮不等现象比较显著。受巴士海峡的沿海岸分支潮波影响，区域性潮流涨潮为北东流向，落潮为南西或南流向，潮流类型主要为地形控制的往复流。

1.2 地形地貌

海上风电场场区主要为水下侵蚀-堆积平原地貌单元，海床底质为淤泥质和砂质。场区形状为梯形，地势相对平坦，东侧地势起伏相对较大，整体呈现西北高、东南低的地形走势。西北侧海底高程较大，最高为-18.0 m，东南侧海底高程较低，最低为-25.1 m。等高线整体呈现东北-西南走向，由北向南，海底高程逐渐降低。场区内无明显陡坎、海沟等地形。

1.3 地质情况

根据现场勘察揭露，并结合区域地质资料，工程场地主要由4个部分地层构成，上部以第四系全新统海相沉积地层为主，中部以第四系全新统海相冲积层为主，下部为第四系更新统海相冲积层和燕山期花岗岩。上部海相沉积地层以松散-稍密的粉细砂、中砂和粗砂为主，部分地段淤泥-淤泥质土软土层连续分布；中部海相冲积层以黏性土和砂土层为主，多呈交互状分布；下部地层以海相冲积砂土层为主。

2 勘察设备

2.1 海洋钻机

如果将普通钻机搭设在船载式钻探平台上进行勘探作业，在海况较差的作业条件下，就会对勘察质量产生不良影响。场区分布厚度较大的松软土层进行钻进或取样时，受波浪的影响，钻机和钻具将随着钻探船波动而上下晃动，从而造成钻具对松软土层产生冲击扰动，很难取到高质量的原状土样。同样，较硬的黏性土采用回旋取土器取样时，钻机的上下晃动将会带动取土器上下晃动，这样就会导致在取土过程中取土器的刃口（内管）不是一直深入土层，部分时间是脱离孔底的，如此地下水、泥浆等就会进入取土器的衬管内，造成所取的土样有扰动、不连续，甚至取土失败。另外，在勘探过程中取芯时，钻具上下浮动扰动钻具下的土层，也会造成原位测试数据（如标准贯入试验等）失真。

针对项目海域海况差、水深大等场地特点，调遣千吨级的钻探船作为钻探平台载体，钻探设备采用波浪补偿分离式液压钻机（型号HD-600），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。波浪补偿器工作原理如图1所示，钢丝绳通过钻塔顶部的定滑轮将动力头一边与波浪补偿器连接，一边与卷扬机连接。波浪补偿器为气压式，在勘探作业过程中，当需要在海浪和潮汐作用下保持动力头和钻具平衡时，根据动力头和孔中钻具的质量，调整波浪补偿器的气压使得动力头和钻具保持平衡状态[1]。

与传统钻机相比，动力头可活动，在波浪补偿器的作用下始终保证相对稳定状态，受波浪、潮汐等因素的影响较小，无须频繁调节套管高度，这样可以提高工作效率，增加海上作业窗口期，提高土样采取质量，减少原位测试数据失真等问题，从而提高钻探的精细化程度。

2.2 海床式孔压静力触探设备

静力触探试验采用海床式静力触探系统，包括探头、探杆（直径为36.7 mm）、压重铁块和裙板，可提供200 kN反力。主机驱动系统可驱动探杆向下贯入，数据采集和分析系统安装在甲板上。采用千吨级的勘探船作为承载平台。

孔压静力触探试验是参考国际土力学与岩土工程协会确定的试验程序，试验前确保所有探头的透水石进行真空饱和；安装透水石之前，将孔压测量计范围内的空隙填满硅油；记录试验前的零点漂移读数，判断探头是否处于正常使用状态；将仪器沉入海床，观察设备的倾斜程度，最大作业倾角为10°；以2 cm/s的速率进行标准贯入试验，同时记录锥尖阻力、侧摩阻力、孔隙水压力和探头倾角。每秒记录2次。达到终孔条件后，提升探杆，在探头处于空载条件下记录试验后的零点漂移读数。

相比传统钻探手段，孔压静力触探试验具有经济、快速和真实等特征，可对海洋各土层进行无扰动原位测试，其解译成果较丰富，且可与室内土工试验、标准贯入试验等原位测试成果进行对比分析[2-3]。

3 钻探与静力触探的综合应用

本次勘察布置部分孔压静力触探孔，少数静力触探孔距离钻孔约5 m，进行地层对比分析。孔压静力触探试验分层与钻探分层对比如图2所示。由此可见，孔压静力触探试验分层与钻探分层基本接近，对于很薄的层位，由于孔压静力触探试验数据是连续的（每厘米记录一次），孔压静力触探试验能将层位体现得更为精细。同时，孔压静力触探试验速度和资料处理快，单个静力触探孔试验时间为0.5～1.0个工作日，数据处理需要2～3 h，能够提高整体勘察效率。

本工程有效综合应用钻探与静力触探，二者相互验证，取长补短。采用部分静力触探孔代替钻探，提高整体勘察效率和精度。同时，进行大量钻孔和取样，从而更直观地认识地下岩土层。对两种方法进行相互对比，成果基本一致，连续的静力触探数据能揭示更为精细的地层。钻探与静力触探的综合应用充分发挥各自优势，从而提高勘察质量，缩短工期，降低成本。

4 成果统计精细化

海上风电场的地质勘察中，在每台风机机位中心点布置1个钻孔，海上升压站基础对角处桩中心点共布置2个钻孔。由于风机间距大，为获取每台风机更为精细的地质参数，每个孔均取大量的土样进行室内试验。由于单个机位钻孔地层厚薄不均，取样数量有限，统计前还需要剔除异常数据，导致风机位部分地层参数缺失。为解决这些问题，依据同一地貌单元相同地层工程地质性质接近的原则，首先划分场地地貌单元，对同一地貌单元的所有钻孔试验成果进行分层统计，得到分区统计成果表，然后对单个风机位的钻孔试样成果进行同层统计，再对柱状图中的细小层位单独统计。对于强度参数和标准贯入试验击数，数据的使用优先级为细层统计结果、单孔统计结果、分区统计结果，对于前一级缺失的地层数据，参考下一级数据，确保所有地层参数完整且相对可靠，从而实现各风机位地质参数的精细化。

5 管理精细化

5.1 安全管理

项目部成立安全管理组织机构，明确安全管理人员职责。制定设备安全管理措施、人员防护措施与环境保护措施等，实行安全监督检查。项目开工前全面检查现场作业船舶和工作平台，进行危险源辨识、风险评价，制定实施方案和应急预案。每条船配备专职安全员，每日开工前均进行安全交底。安全员时刻关注天气变化，每日向现场项目经理汇报情况，并获取最新指示。项目负责人定期组织安全检查、培训教育和应急演练等[4]。

由于施工作业海域较大，勘探船与过往船舶、渔船等相互造成一定的碍航。从安全角度考虑，施工前，办妥航行通（警）告及水上作业许可证等有关施工手续，勘探船应在海事管理机构核定的安全作业区内活动，不得无故扩大活动水域范围，同时配备应急船和警戒船，船上加强瞭望，落实专人在VHF16频道昼夜值守，及早与附近其他船舶保持通信畅通[5]。

5.2 质量管理

本次地质勘察由海上勘察经验丰富的工程师担任负责人，配置经验丰富、专业水平高的勘察管理团队，参加外业勘察与测试的操作人员均具备相应岗位的技术资格或技术等级，有高度责任感和一定的操作经验，严格按操作规程作业。勘察实施过程将严格执行相关规范标准、业主和委托方的质量管理体系和企业质量管理体系，针对本次勘察的特点对勘察全过程进行动态质量控制，现场技术员实时指导和监督勘察各道工序，保证勘察各道工序满足规范标准要求[6]。

勘察外业与室内试验使用经校准证实功能合适的仪器设备。勘察外业或室内试验前，勘察经理及技术人员对使用的仪器设备及其附件进行必要的检查、率定与校准，确保其运行正常，以保证采集的勘察资料数据准确可靠。收集工作区域的地质资料，根据规范及设计要求编制勘察大纲，逐级进行勘察技术交底和必要的培训，使得所有勘察人员掌握本次勘察的特点、难点、关键技术和技术要求，并设置质量控制点控制质量。适当开展劳动竞赛活动，更好地激发和调动勘察项目部全体成员的积极性、创造性和质量安全意识，提高勘察技能。

6 结论

根据海域特征，本项目采用波浪补偿分离式液压钻机，提高工作效率，增加海上作业窗口期，提高土样采取质量，减少原位测试数据失真等问题，实现钻探的精细化。采用海床式孔压静力触探设备，获得大量真实的数据，同时与钻探进行对比，地层划分一致性较好，实现原位测试数据的精细化。本项目以海洋钻探和海床式孔压静力触探为主要勘察手段，波速测试和十字板原位测试为辅，二者有效综合应用，相互验证，取长补短，从而提高勘察质量、缩短工期和增加效益。在土工试验成果的统计上也进行创新，对强度参数进行级统计，保证所有土层数据的完整和可靠，实现成果统计的精细化。项目实施过程中，对安全、质量管理提出高要求和高标准，落实监督检查、全员参与和全过程控制等，实现精细化管理。

参考文献

1 林吉兆，麦若绵，梁文成.波浪补偿分离式液压钻机在海上勘察中的应用[J].港口科技，2014（2）：24-28.

2 杜 宇，佘 红，代云霞.CPTU数据解译在港珠澳大桥勘察中的应用[J].水运工程，2013（7）：30-34.

3 郭根发.海床式静力触探在海上风电项目勘察中的应用[J].吉林水利，2022（12）：8-13.

4 王立晗.海上风电工程勘察问题的研究[J].工程技术研究，2018（8）：55-56.

5 陈爱娟.海上风电项目地质勘察工程施工对船舶通航安全影响研究[J].中国水运，2022（11）：12-14.

6 廖建航.港珠澳大桥岛隧工程精细化地质勘察管理[J].水运工程，2013（7）：15-18.