海上風電場工程勘察管理及技術應用分析

文 | 王凱

海上風能發電具有資源豐富、發電利用小時數高的優點，是目前新能源發展的前沿。截至2017年，全球建成海上風電裝機容量1881萬千瓦，預計到2020年底，全球海上風電裝機容量可達4000萬千瓦。風電機組為高聳構筑物，既要考慮風浪、水流對支撐結構和地基的作用，還要考慮在風電機組動荷載作用下，地基的變形和承載力，因此，風電機組基礎受力比較復雜，對勘察成果的準確性要求更高，這就對勘察管理的有效性提出了更高的要求。目前在建的及已規劃的海上風電場一般離岸遠，交通不便，施工環境浪大流急，這些作業條件下勘察質量風險、安全風險和進度風險均較大，對勘察過程的有效管理更加困難。因此本文結合珠海金灣海上風電場項目，首先闡述了業主方如何從進度、質量及安全等方面對勘察過程進行全方位、全過程的管理，總結了海上風電場工程勘察管理的有效方法和措施；其次，介紹了波浪補償分離式液壓鉆機、海床式靜力觸探設備等先進設備在本項目的應用及改進情況，并對勘察成果進行了對比分析，為海上風電勘察質量的提升提供參考和依據。

項目概況

珠海金灣海上風電場項目規劃場址海域面積約52km2，建設裝機容量規模300MW，項目場址位于珠江口外海面，場區至北側三灶鎮的最近距離約10.5km，至西北側高欄島的最近距離約10km，至東北側橫琴島的最近距離約為15km，至東側小萬山島的最近距離約20.5km，屬于近海風電場。該項目場址具有海上風電場場址的典型施工環境特點。

項目勘察管理

勘察階段是工程項目的前期準備階段，勘察的進度、成果質量都將直接影響到整個項目的投資、進度和質量目標的實現。筆者通過對珠海金灣海上風電場項目勘察管理中存在的一些問題進行分析，總結出業主對海上風電勘察在質量、進度及安全管理方面的有效方法和措施。

一、質量管理

業主在勘察階段對勘察單位的質量管理主要從選定勘察單位、審查勘察綱要著手，對勘察的外業和文件成果進行檢查和過程管理，以保證勘察工作符合工程建設的質量要求。

圖1 項目位置示意圖

(一)選定勘察單位

選擇勘察單位時，應重點考察企業的資質條件、技術設備水平、技術管理制度、質量管理體系、專職技術隊伍、勘察單位業績及服務質量等。在金灣海上風電場項目中經過對國內具備海上勘察能力的單位進行調研考察，采取邀請招標的方式，最終選擇了一家具有綜合甲級資質、海上勘察經驗豐富、技術及實力雄厚的勘察單位，為后續工作的有效開展奠定了基礎。

(二)勘察綱要的審查

勘察單位在進場前，結合項目的特點、勘察內容及深度的要求，按照相關規范規程，編制勘察綱要。綱要應體現設計意圖，客觀反映場地的地形地質情況，滿足合同要求，勘察方案應合理，人員、設備配備須充足，技術管理制度要健全，質保安全措施應可行齊全，各項工作質量責任劃分明確。業主對勘察綱要審查的意義在于明確勘察單位的工作內容及各項措施，勘察綱要可作為業主后續過程管理的規程及依據。

(三)勘察外業的質量管理

勘察的外業工作是對現場工程地質條件相關數據的采集，為勘察報告的編制提供客觀基礎資料。因此勘察外業的質量直接影響到項目的設計及施工，甚至影響到構筑物的安全性。因此如何有效地對勘察外業質量進行管理，是整個勘察過程管理的重點。在勘察外業過程中， 主要對以下幾個方面進行管理：

1.勘察項目的技術負責人、分項專業負責人都應具有相應的崗位資格，并有高度責任感和熟練的操作經驗，嚴格按操作規程作業；

2.勘察單位使用的測量儀器須經過檢定合格；控制點、水準點等資料使用前須經過核查無誤，每個鉆孔孔位施放后須經過復測以保證鉆孔孔位無誤，鉆孔定位測量各個過程須進行記錄；測量記錄不能隨意涂改；如有涂改應注明原因并簽名，所有記錄及校對人員都必須簽名；

3.針對海況差、水深大等場地，勘察單位需選用先進的鉆探設備，盡量減小鉆探過程中因波浪作用對原位土層產生的沖擊擾動，避免造成土樣擾動、原位測試數據失真；

4.勘察現場記錄人員應正確判斷記錄地層的起訖深度，原始記錄應真實及時。鉆探記錄應齊全清晰，巖性描述、分層正確并符合相關規范，并經有關作業人員檢查簽字。

(四)勘察文件的質量管理

組織設計、勘察單位及相關部門審查勘察成果，發現勘察成果有誤或缺陷，應要求勘察單位修改完善，審查合格后，才能將勘察成果交付設計單位使用。

二、進度管理

針對珠海金灣海上風電場項目海上勘察的特點，從組織管理、技術、經濟等方面制定相應的措施，進行勘察進度的管理。同時，在項目進展過程中，對各階段完成的情況進行管理監控，保證項目在滿足時間約束的條件下實現總體目標。

(一)組織管理措施

1.在委托勘察設計單位前，業主單位應先編制項目總體進度計劃及節點，勘察單位根據上述計劃節點編制合理且細化的進度安排計劃，制定各班組的作業順序，保證作業面，以減少通航條件對勘察進度的不利影響。勘察期間進行計劃進度和實際進度的動態比對，出現進度落后的情況及時進行原因分析，并采取針對性的措施，必要時增加勘察作業班組；

2.場區水域一般受臺風、冷空氣強風等季節性風浪影響大，將會影響勘察進度，應合理選擇避風錨地并事先與海事部門、避風港管理部門溝通，以減少回港避風的時間成本并保證進度。

(二)技術措施

勘察單位應選擇大型船舶作為鉆探船，提高鉆探船的防風抗浪性能。使用抗浪性能良好的勘探設備，減少海況等因素對勘察進度的影響。在金灣海上風電場項目中，選用總噸位為1200噸的海船搭載鉆探平臺，并采用分離式液壓鉆機作為鉆探設備(后文詳細介紹)，有效地減少了惡劣海況對勘察外業造成的待工時間。

(三)經濟措施

根據進度計劃合理安排資金和各項資源的投入，并保證后勤供應；制定經濟激勵制度， 提高作業班組積極性，促進勘察進度，督促勘察單位按計劃提交勘察成果。

三、安全管理

海上風電的勘察作業，將面對海況環境惡劣、天氣多變、點多線長、離岸遠、交通不便等不利因素，給安全管理帶來較大困難。海上勘察施工安全管理應結合海洋環境，對常規的安全管理措施和手段進行改進，以適應海上作業的特殊性，實現安全生產的目標。本項目主要從以下幾個方面著手：

(一)收集和發布氣象水文信息

海上施工受海況及天氣限制，在流急、風浪大等惡劣海況下作業發生安全事故的可能性很大，所以組織作業生產應掌握作業海域的氣象水文條件，選擇合適的施工時間，避免在惡劣海況條件下進行生產活動。

(二)保證設備設施完好

勘探班組選定一名安全員，開工前必須先仔細檢查儀器設備及工具，不得使用有妨礙安全的工具。工作前應進行安全檢查，發現問題及時糾正。對于鉆機、卷揚機、吊機等機械設備執行專人操作及管理制度，定期檢修及保養，減少機械故障，使其能夠保持良好工作狀態。

(三)施工作業環境

船舶是實施勘察任務和設備、人員活動的載體，所以應加強對海上施工船舶在安全方面的管理，避免發生海上船舶事故，有效保障施工。因此必須選擇船況良好，證件、船員配備齊全的船舶搭載鉆探平臺。勘探過程中，安排船員值守、瞭望，當附近有大型船舶時通過旗號、燈號和高頻等提醒過往船舶慢速通過，如過往船舶產生涌浪，及時提醒鉆探作業人員。鉆探船舶應在海事部門審批的施工范圍內施工，并安裝警示燈。

(四)人員防護措施

加強人員的安全教育，所有進入施工現場的人員必須戴好安全帽、穿好救生衣及勞保鞋等。鉆探船配備足夠的救生衣，做好安全防護措施。當施工現場出現危及施工安全的狀況時，安全員應立即下令停止作業，及時疏散、撤離人員。作業人員應注意休息，杜絕疲勞作業引發安全事故。

(五)加強安全監督檢查

項目組定期組織安全檢查，還要根據工作需要進行不定期的檢查；加強對安全檢查工作的領導，在安全檢查中，勘察經理親自組織，全程參加，防范于未然。

勘察設備及技術

勘察設備及技術是影響整個勘察的質量、進度及安全的重要因素，在金灣海上風電場項目中，設備上采用了波浪補償分離式液壓鉆機、海床式靜力觸探設備等，并對設備進行了改進， 取得了較好的效果。在勘察方法上除了采用鉆探、取樣、室內試驗外，還采用了標準貫入試驗、十字板剪切試驗、鉆孔波速測試、電阻率測試、孔壓靜力觸探試驗等原位測試方法進行綜合勘察。

一、波浪補償分離式液壓鉆機的應用

采用傳統鉆機作業時，因整套鉆機連接在船舶平臺上，受風浪影響，鉆機會隨著船舶的擺動而擺動，從而造成采取土樣質量低、原位試驗數據不準確，甚至因設備搖擺幅度太大造成停工等問題。因此本項目使用千噸級的鉆探船作為鉆探平臺載體，配置抗風浪能力強且具波浪補償能力的液壓驅動分離式海洋鉆機(圖 2)進行海上鉆孔。波浪補償分離式液壓鉆機主要由動力站、液壓控制系統、動力頭、液壓卷揚組、液壓泥漿泵、波浪補償平衡器、鉆塔以及液壓油管等部件組成。該設備首次應用于港珠澳大橋島隧工程勘察中并經施工檢驗取得良好的效果。珠海金灣海上風電場項目鉆孔孔深要求大，對設備的動力較常規項目要求高，因此本項目實施過程中對動力頭及液壓油管等部件都進行了設備改進， 使得鉆進速度更快、設備故障率降低。

分離式液壓鉆機主要有以下幾個效果：動力大，鉆進速度快；因為動力頭自由活動，與塔架及船體分離，減少了海浪對作業的影響及土樣的擾動；在波浪較大時，仍然能夠正常作業，具有較強的抗浪性能。以上因素，使得波浪補償分離式液壓鉆機的應用，保障了本項目的勘察進度，提高了成果質量，降低了安全風險。

二、海床式靜力觸探設備的應用

珠海金灣海上風電場水域海底上部分布有較厚的軟土層，下部以粘土層為主，局部分布有砂土層。由于風電機組樁基礎設計，一個重要方面是確定樁基參數，孔壓靜力觸探試驗可以連續地高密度地測出土體的側壁摩阻力及端阻力，提供準確的巖土參數，其原理見圖3，該試驗具有速度快、精度高等特點。

結合作業環境和地基條件，珠海金灣海上風電場項目勘察采用具有 20噸反力的海床式靜力觸探設備進行靜力觸探試驗。為減少土體對探桿的摩擦阻力，采用注漿技術，并對貫入方法進行改進，有效地增加了試驗深度，使得試驗深度達到了49m，試驗理論反力達到了30噸。圖4為CPT試驗成果圖，其中紅色曲線為側壁摩阻力fs（kPa）與深度的關系曲線， 藍色曲線為錐尖阻力qc（MPa）與深度的關系曲線。

在進行靜力觸探試驗過程中，對放置于海床表面的靜力觸探設備海床支架的水平傾角要求在5度以內， 否則將會對貫入土中的探頭傾角和貫入深度產生較大的不良影響。針對場區表層分布厚層淤泥的作業條件， 為了能保證海床式靜力觸探設備海床支架能在測試期間平穩地置于海床表面的淤泥中，且盡可能地保證靜力觸探試驗的貫入深度，本次測試實施前特對海床式靜力觸探設備海床支架進行改造，在底部增加設置有泄水孔、隔層等裝置的擴大型裙板，如圖5。實施后 證明，加設擴大裙板后海床式靜力觸探設備海床支架在測試過程水平傾角保持在 3 度以內。

在進行孔壓靜力觸探試驗成果數據解譯時，參考了港珠澳大橋島隧工程 CPTU 試驗研究專題報告中的相關研究成果，利用孔壓靜力觸探試驗成果進行土體分類，由實測的錐尖阻力、側摩阻力和孔隙水壓力等測試數據推算粘性土的不排水抗剪強度和砂土的內摩擦角；并利用孔壓靜力觸探試驗測試數據估算樁基承載力。

圖2 波浪補償分離式液壓鉆機

圖3 海床式靜力觸探系統原理

圖4 CPT 試驗成果圖

三、勘察技術方法

本次勘察除了采用鉆探、取樣、室內試驗外，還采用了標準貫入試驗、十字板剪切試驗、孔壓靜力觸探試驗等原位測試方法進行綜合勘察。在勘察成果編制過程中，將各種勘察手段取得的成果數據進行對比分析。如表1為部分試驗成果對比分析，結果表明，靜力觸探試驗指標在樁側極限摩阻力標準值的換算上，與室內試驗指標換算結果較一致。在粘性土的不排水抗剪強度換算方面，因室內試驗受應力釋放等影響，室內試驗結果偏小，靜力觸探試驗結果在一般粘性土的換算強度上與標準貫入試驗的成果較接近。最終通過了鉆探、室內試驗及多種原位測試試驗等綜合勘察手段，并結合地區工程經驗，提出了更加精細準確和合理的巖土參數。

表1 試驗成果對比分析

圖5 海床支架擴大裙板

結論

海上風電機組所受荷載復雜，對勘察成果的準確性要求更高。場址離岸較遠，對勘察過程的有效管理困難。建設單位應根據海上風電勘察的特殊性，制定相關的管理制度， 特別在進度、質量及安全方面對勘察過程進行全方位、全過程的管理，提高勘察效率及質量， 保障實現項目的總體目標。在珠海金灣海上風電場項目勘察中，采用具有波浪補償功能的分離式液壓鉆機進行外業鉆探，采用海床式靜力觸探試驗技術，采取多種勘察手段進行綜合勘察， 在惡劣海況的作業條件下安全、質量和進度均有保證，提出的巖土參數準確、合理。

目前國內海上風電勘察在技術方法和設備上都有了長足的發展，但是在許多方面還需要進一步深入研究，如海床式十字板設備、海底硬土的取土技術、能夠提供更大反力的靜力觸探設備等。因此，建議在海上風電勘察中能夠繼續積極改進勘察設備和運用新技術、新方法， 同時也建議引入勘察監理進行全過程的勘察監督管理，確保勘察工作成果質量，為工程項目提供更加精確的設計輸入。