巖溶山區風電場勘察方法探討

劉漢陽

(湖北省電力勘測設計院，湖北武漢 430040)

0 引言

風電是近年來發展最快的新興可再生能源，到2010年年底，全球累計風電裝機容量約2億kW，最近5年年均增長率約30%。根據我國“十二五”時期發展目標:2015年，投入運行的風電裝機容量達到1億kW，年發電量達到1 900億kWh，風電發電量在全部發電量中的比重超過3%。大陸殼75%地區是沉積巖，沉積巖的15%則是由碳酸鹽組成［1］。巖溶山區，山體相對高差大，巖溶發育的不確定性和隱蔽性，勘察難度大。巖溶山體風資源豐富區域，為良好的風電場。在安全可靠，經濟實用的基礎上，如何進行有效的勘察工作。本文通過湖北利川齊岳山4座風電場的勘察經歷，分析和總結各種勘測方法的適用性與經濟性，總結適合巖溶山區風電場勘察的方法。

1 巖溶山區與風電場的特點分析

1.1 巖溶山區特征

巖溶是指地下水和地表水對可溶性巖石的化學作用和物理作用及其形成的水文現象和地貌現象。

巖溶包括溶洞的發育，一般應具備四個條件:可溶性的巖石、巖石具有結構裂隙通道、流動的地下水、水具有侵蝕性［2］。

巖溶發育的影響因素:地形地貌、空間位置、地殼運動、氣候、水文條件等［3］。

湖北利川齊岳山山脈，山體高差大，地下水埋藏深，四季雨量大，形成了良好的灰巖溶蝕環境。

湖北利川齊岳山，位于湖北西部與重慶云陽交界，齊岳山山脈在大地構造單元上屬揚子準地臺上揚子臺坪八面山臺褶帶的利川臺褶束西部地段，受齊岳山背斜和齊岳山斷裂的影響。

風場區域為南偏西—北偏東走向山脈，地形地貌屬于中山區，海拔高度在1 485 m～1 735 m之間，為良好的風電場建設地。風機位多位于山頂及山脊，林木稀少，多為灌木林及油竹林，局部為人工開墾的旱地。風機區域屬典型的巖溶地貌。風機位地段基巖出露，多為半裸露石芽，溶溝、溶槽及溶蝕裂隙強烈發育;區內地表分布有塌陷漏斗、塌陷坑，出露基巖溶蝕強烈等(見圖1)。

圖1 山頂地表巖溶發育情況

1.2 風電場勘察特點

齊岳山風電場，多為一山一風機的模式，風電基礎主要采用圓形梁板式(圓筏式)，直徑16 m～18 m，基礎埋深3.0 m～4.0 m，持力層為中風化灰巖。

風機基礎底面總荷載(風機和基礎與基礎上的土體):Fk+Gk=20 000 kN。

最大偏心彎矩:Mkmax=14 000 kN·m。

軸心荷載作用時基礎底面的平均壓力值:Pk=95 kPa。

偏心荷載作用下，基礎邊緣的最大壓力值:Pkmax=190 kPa;Pkmin=0 kPa;基礎底面脫開面積約12%。

齊岳山山體，第四系覆蓋層較薄，多為0.5 m～3.0 m，局部基巖直接裸露，基巖為三疊系下統(T1)中厚層狀灰巖，灰色、灰白色，中風化，微晶結構，中厚層狀構造，山體地表多直接半裸露，層理明顯，溶蝕強烈，巖層走向以北東或南西為主。巖石地基承載力特征值:fa=1 500 kPa～2 500 kPa。中風化灰巖完全滿足風機基礎承載力的要求。

2 勘察方法分析

風電場風機基礎持力層為中風化灰巖，其承載力滿足風機基礎的要求:

勘察工作的重點為查明地基中巖溶的發育情況，保證風機基礎地基的整體穩定性?？睖y工作中具體查明擬建工程范圍及有影響地段的各種巖溶洞隙的位置、規模、埋深，巖溶堆填物的形狀和地下水特征。

巖溶勘察采用的方法:工程地質測繪和調查，物探、鉆探等多種手段結合的方法進行。

2.1 工程地質測繪和調查

工程地質測繪和調查作為一項最基本的勘察方法，在巖溶勘察中具有:實用性強，實施簡單。工作中，重點調查下列問題:

1)巖溶洞隙的類型，形態、分布和發育規律。

2)基巖面起伏、形態和覆蓋層厚度。

3)地下水賦存條件、水位變化和運動規律。

4)巖溶發育與地貌、地質構造、地層陽新、地下水的關系。

5)調查訪問當地村民巖溶的信息。

在齊岳山風電場的風機位勘察中，首先進行工程地質測繪和調查工作，保證風機位30 m范圍內，地表無明顯的溶洞或塌陷坑，地表穩定等。對于出現直徑小于3 m的溶洞，應分析溶洞的長度與寬度，近年的塌陷情況，是否在風機基礎邊緣位置等，再判斷是否適合風機的建設;對于直徑大于3 m的溶洞，應評價溶洞的穩定性，是否可進行工程處理或進行風機的位移處理，巖溶發育的地段，可直接否定該風機位。

該方法存在的問題是:不能有效的對風機位地基進行觀察，僅能對地表巖溶進行描述。

2.2 物探方法

巖溶地區，對比物探勘探的各種方法，現分析在當前運用最廣泛，適用價值最高的兩種方法:高密度電阻率法(簡稱:高密度電法)和地質雷達法。

高密度電法是以不同巖(礦)石之間導電性能差異為基礎，通過接地電極在地下建立人工電場，用電測儀器觀測因不同導電地質體存在時地表電場的變化，從而推斷和解釋地下地質體的分布或產狀，達到解決地質問題的目的。高密度電法的裝置特點是它能在地面陳列式一次性敷設幾十個甚至上千個電極，按設定程序迅速完成數百個乃至數萬個數據的采集，從而獲得大量的地電信息;同時，它實行密集采樣來提高采樣率，用“多次覆蓋”的方法來提高信噪比(多次覆蓋是指由不同的供電電極、不同的測量電極在地電斷面上相同的“點”進行多次測量)。高密度電阻率法又叫電阻率層析成像，是集電剖面法和電測深法的特點為一體的一種地學層析成像技術。因此，是高精度的直流電法，能形象直觀地反映出地下地質體的空間特征。

該方法的優點:成果運用成熟，受地形的影響較小，且所得的成果較清晰，干擾少。缺點:測線剖面要求較長(多大于50 m)，測點與基巖裸露區域接觸較差。

地質雷達由主機、天線和配套軟件等幾部分組成，根據電磁波在有耗介質中的傳播特性，發射天線向被測介質發射高頻脈沖電磁波，當其遇到不均勻體(界面)時會反射一部分電磁波，其反射系數主要取決于被測介質的介電常數，雷達主機通過對此部分的反射波進行適時接收和處理，達到探測識別目標物體的目的。

該方法的優點:測線較短(可為15 m～30 m);地質雷達直接利用基巖表面探測巖溶，可探測到規模較小的洞悉［4］。缺點:現場電磁波干擾因素較多，測量過程中天線與地面耦合條件較差。

2.3 鉆探方法

巖芯鉆探取芯，可直接查明巖石成分、性質、結構、厚度等，溶洞頂板厚度，溶洞的充填情況、充填物性質，地下溶洞、暗河的分布等。

該方法成熟、直觀，可直接對風機位巖芯進行觀察描述。

該方法存在的問題是:鉆探點的情況，不能代表風機位整個地基的情況，且在山頂鉆探，設備與鉆探用水較為困難。在利川齊岳山進行風機位鉆探，平均1個鉆孔需7 d～15 d，費用高，勘測效果一般等。

2.4 勘探方法的選用

根據現場巖溶山區地貌的特點，在多次試驗與嘗試的情況下，巖溶山區風機位的勘察主要采用如下方法:

1)理論風機位的工程地質測繪和調查，避開地表巖溶強烈發育帶;

2)風機位的地質雷達勘測，地表下無大的異常點;

3)選取代表性風機點，對一般的地質雷達異常點進行鉆探驗證，驗證風機位保證在1/3以上，保證地質雷達的可靠性。

3 結論與建議

湖北利川齊岳山風電場的勘測過程中，采用了工程地質測繪和調查與地質雷達勘測為主，鉆探為輔的方法，現場開挖揭露的地質情況，基本與勘測報告中建議的問題相符。該方法效果明顯，成本較低，適合巖溶山區風電場等類似工程野外工程的勘測。

［1］楊景春，李有利.地貌學原理［M］.北京:北京大學出版社，2005.

［2］劉之葵，梁金城.巖溶區溶洞及土洞對建筑地基的影響［M］.北京:地質出版社，2006.

［3］《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊［M］.第4版.北京:中國建筑工業出版社，2007.

［4］張 琳，石遠華，俞仁泉.探地雷達在巖溶勘察中的應用［J］.西北大學學報(自然科學版)，2010(6):51-52.