柴達木盆地戈壁灘風電場地基土工程特性及建設適宜性淺析

郭 允，劉超楊

（1.國家能源集團海西光伏發電有限公司，青海 海西蒙古族藏族自治州 817000；2.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

中國大西北地區戈壁灘地廣人稀，自然環境惡劣，環境承載力差，生物多樣性貧乏，但蘊藏有巨量的可利用資源，“風能”是最為典型的資源之一[1]。在國家大力推廣新能源、新型電力系統大背景下，2030年前實現風能、太陽能總裝機達到12億kW以上目標，戈壁風電建設是其中最重要的環節之一[2]。目前對戈壁資源的開發還處于初級階段，相應的工程建設經驗不足。本文以青海省大柴旦某風電建設場地為例，對戈壁場地工程特性及工程建設適宜性進行評價研究。

1 戈壁基本地質及風機常用基礎形式

1.1 戈壁基本地質

柴達木盆地位于青海省中西部，為昆侖山、祁連山、阿爾金山環繞的內陸高原盆地，呈不規則棱形，海拔2 675～3 350 m，面積約25萬km2。受到地質構造的控制，盆地地勢整體西北向東南傾斜。同時從山地向盆地中心具有明顯的帶狀分布，表現為隆起的剝蝕山地、山前洪積平原、湖積平原以及一些過渡地帶。

晚全新世以來，湖泊和河流的侵蝕、風化以及風力作用持續地改造柴達木盆地內部地貌，形成包括雅丹、丹霞、風蝕劣地、固定沙丘、流動沙丘、半固定沙丘、鹽堿地和礫、砂戈壁等地貌[3]。

研究區戈壁分布范圍廣，面積約為4.6萬km2，為盆地內最為典型的地貌類型之一。盆地內戈壁大部分是洪積成因的，少量是沖-洪積，為常年流水河流及季節性河流攜帶大量礫、砂堆積形成洪積平原，自砂源向遠處顆粒逐漸變細，磨圓漸好。盆地所處荒漠氣候區，降雨量遠小于蒸發量，近地表多形成鹽堿地。區內含鹽化學成分不同，形成的鹽漬土具有腐蝕性、溶陷性，部分區域土具有鹽脹特征。

1.2 風資源特征

柴達木盆地是青海省風能儲量最大的幾個地區之一，盆地平均風功率在25～75 W/m2之間，風能可用時間在3 000～5 000 h[4]。盆地地勢西北高、東南低，南北向均為高山，西北向為盆地內優勢風向，年8級以上大風可達25～75 d，風力資源十分豐富[5]。

1.3 風電基礎選擇

風機常用的基礎結構形式有擴展基礎、梁板基礎、巖石預應力錨桿基礎、樁基礎及預應力筒型基礎，NB/T 10311—2019《陸上風電場工程風電機組基礎設計規范》[6]中給出了不同工程場址地質條件下適用的基礎選型。戈壁灘涂一般為礫砂、粗至粉砂地層，其特點為土層厚度大、結構密實，擴展基礎最為典型。

2 研究區基本地質條件

本次研究選點為柴達木盆地東北部大柴旦地區，研究區范圍約（10×10）km2，為一典型戈壁場地。場地地勢向南單斜，為柴達木盆地北緣盆內山前洪積沙坪[7]，整體屬剝蝕-洪積傾斜平原戈壁地貌[8]，如圖1所示。場地分布第四系上更新統（Q3）砂層及全新統（Q4）砂層，Q3地層主要由北側綠梁山山洪攜帶剝蝕沖蝕砂層沉積形成，Q4則為后期山洪剝蝕綠梁山及Q3沉積地層推向更遠沉積而成，典型剖面如圖2所示。

圖1 研究區地理位置及地貌

圖2 研究區北—南向典型地質剖面

勘探及調查表明，研究區地下水位在300 m以上，且隨著深度變化，水體含鹽量逐漸降低，淺層多為鹵水，揭穿穩定隔水層后，深層可獲取潔凈穩定地下水。

2.1 土層特性

研究區土層為上更新統至全新統洪積砂層，土層厚度大。室內顆粒分析試驗結果顯示，砂層以礫砂、粗砂、細砂、粉砂4種砂質組成。研究區不同深度范圍20件土樣室內顆粒分析，統計各個粒徑區間的砂體質量，繪制的顆粒級配曲線如圖3所示。

圖3 顆粒級配曲線

在不同土層深度取樣15件做室內含鹽量分析，依據土層含鹽量標準（＞0.3%）判定場地土為非鹽漬土—中鹽漬土，整體含鹽量深度關系表現為隨深度增加含鹽量呈對數減弱趨勢。場地土含鹽類型為亞氯鹽，含鹽量深度關系如圖4所示。

圖4 含鹽量深度關系圖

2.2 現場試驗

地質勘察過程中粗粒土獲取原狀原土樣進行室內試驗是十分困難的，圓錐形動力觸探試驗（DPT）及標準貫入（SPT）試驗等現場貫入性原位試驗是十分有效的室內物理力學試驗替代方法。貫入性原位試驗能夠獲得不同深度土層貫入特性，從而對土體進行分層，評價土體物理力學性狀，推導力學指標（強度、承載力）等，為工程建設提供必要的設計、評價指標。

本次研究過程中在研究場地網格狀布置試驗點，對場地土進行動力觸探及標準貫入試驗。

2.2.1 動力觸探試驗

分別對粗砂層、細砂層進行圓錐形動力觸探試驗，并繪制成果直方圖，如圖5所示。結果顯示，粗砂（礫砂）層動探擊數在40～83之間，均值為55.8，眾數為55。細沙層動探擊數在33～55之間，均值42.6，眾數為41。兩類砂層數據較離散，總體趨勢為粗砂（礫砂）大于細砂。

圖5 動探擊數N63.5頻率直方圖

2.2.2 標準貫入試驗

試驗過程中粗砂進行標準貫入試驗，結果擊數非常大，且多數情況下出現反彈，在現場試驗條件基礎上，整理了完成的3段粗砂標貫試驗及26段細砂標準貫入試驗，數據成果繪制成直方圖，如圖6所示。

圖6 標準貫入擊數頻率直方圖

成果顯示粗砂標準貫入擊數均在60擊以上，均值130。細砂26段標準貫入試驗，擊數14～250，均值70，其中小于30的有兩段。

3 力學參數推定

3.1 密實度判斷

動力觸探試驗結果顯示，粗砂層N63.5值為40～83，依據規范JGJ 340—2015[9]相關標準，該層土為密實土。細沙層動力觸探結果N63.5在33～55之間，也為密實土。標準貫入試驗結果顯示，除局部細沙層為稍密—中密外，其余均為密實。試驗結果分析推定，研究區戈壁場地洪積粗粒土主要為密實狀態，局部淺表層含稍密—中密土體。

3.2 力學參數推定

結合現有國內外工程技術標準，依據經驗公式及關系對研究區土層物理力學性質進行推定。

依據工程地質手冊[10]重型動力觸探擊數推算土層變形模量相關公式：

參考工程地質手冊[10]關于內摩擦角及JGJ 340—2015規范[9]、TB 10018—2018規程[11]關于地基承載力相關經驗關系。推定土層參數值如表1所示。

表1 戈壁粗粒洪積土推定物理力學參數

表1 （續）

4 場地工程地質評價

4.1 區域構造穩定性

研究區屬柴達木盆地東北緣沖積平原，平原區第四系與基巖直接接觸，也基本屬于第四紀的斷陷谷地，而第四紀以來山區呈間歇性大幅度上升，新構造運動主要表現形式為盆地周邊山地隆起，盆地自身下陷，區域上新構造運動較活躍。

建設場址屬Ⅱ類場地，所處地震區地震動峰值加速度0.10g，相應地震烈度VII度，基本地震動反應譜特征周期0.40 s。場址50 km范圍內無發震斷裂分布，按照NB/T 35098—2017規范[12]綜合判斷工程區區域構造穩定性較好。

4.2 場地穩定性及地基均勻性

戈壁場地地勢開闊、地形平緩，周邊無引起場地失穩的邊界地質條件，無崩塌滑坡、地面塌陷，場地穩定性好。

場地地基土為中密—密實礫砂、粗砂層及稍密—中密細砂（粉砂）層和密實細砂粉砂層，土層厚度大，物質成分相對均勻。

土層密實度依據動力觸探試驗雖然有一定差異，但整體為密實狀態，局部淺層含稍密—中密土體，整體而言地基均勻性好。

4.3 地基土地質綜合評價

研究場地內主要土層為洪積砂層，為中密—密實礫砂、粗砂層及稍密—中密細砂（粉砂）層和密實細砂粉砂層，成份以長石、石英為主，土體均一性好。

土層含鹽量較高，且從表層至下逐漸減弱，為中鹽漬土—非鹽漬土，土層具有弱—強腐蝕性及溶陷性，工程建設過程需進行防腐及地基處理。

土體結構密實，均勻性好，物理力學性質較好，適宜選做風機塔基基礎。同時在基礎選型過程中，結合經濟性、施工便捷性等因素，適宜采用擴展基礎。

4.4 建設適宜性評價

研究場地區域構造穩定性較好，屬于抗震一般地段。擬建場地地形平坦，地貌簡單，場地整體穩定。巖土分布相對均勻，工程性質好。綜合評價場地適宜風電工程建設。

5 結語

柴達木盆地戈壁分布廣，蘊藏有巨量風能資源，在國家“碳達峰、碳中和”大目標背景下，戈壁風電資源開發具有十分重大的意義。戈壁土多為洪積土層，土體粒徑粗，天然密實度大，含鹽量高，物理力學性質良好，但也具有腐蝕性及溶陷性等工程不利特性。

典型案例區屬柴達木盆地東北緣典型沖積平原，場地區域構造、場地地基穩定性好，地基土土質均勻，地基承載力高，建設適宜性好。

研究區研究場地內主要土層為洪積砂層，土層含鹽量從表層至下為中鹽漬土—非鹽漬土，土層具有中—強腐蝕性及溶陷性，在基礎設計時需考慮地基土腐蝕性及地基土溶陷性。

總體而言，中國大西北地域廣闊，蘊藏的風能、太陽能及其他資源值得我輩能源建設人員深耕開發，同時戈壁地廣人稀的自然環境為工程建設避開了多數建設制約條件，非常適宜工程建設。