天津渤海湾海上风电勘察问题分析与探讨

夏帅 陈中和 李星 范大友

海上风电场具有不占用土地、资源丰富等优势，是新能源的重要发展方向之一。根据中国风能资源普查数据，中国沿海5~55 m 水深、70 m 高度海上风电开发潜力约5 亿kW，其中5~25 m 水深开发潜力约1.9亿kW。中国可再生能源学会风能专业委员会（CWEA）发布的数据显示，截至“十三五”末（2020年），我国海上风电累计装机容量为1 087万kW，预计“十四五”末，中国海上风电累计装机容量将达到2 500万~3 500万kW[1-2]。天津渤海湾地区风力资源较丰富，春季多为偏北或西北风，风速大，一般在4 m/s 以上。夏季多东南风，风速较小，多在2.1~2.5 m/s；秋季以西南风为主，风速与夏季相近；冬季多西北风，风速多数在4 m/s 以上。瞬时风速可达12 m/s以上的大风，四季均可出现，尤其是偏东向岸大风，是海上风电建设较为理想的场地。截至“十三五”末，天津海上风电累计装机量为11.7万kW，根据天津市可再生能源发展“十四五”规划，“十四五”期间天津市将加快推进远海90万kW海上风电项目前期工作。因此，在渤海湾地区开展相应的海上风电地质勘察工作已经势在必行。

1 区域地质概况

天津市海域海底地形整体上西高东低，海底范围高程-1.00~-13.00 m之间，海底地势一般比较平坦，仅在天津港抛淤区存在较大起伏。其中，潮间带地区宽度2.5~7.0 km，坡降为0.6‰~1.5‰。

天津渤海湾地区位于中朝准地台渤海湾盆地黄骅坳陷内，黄骅坳陷的基底和覆盖层的地层比较齐全，中、新生代沉积厚度大于10 000 m，新生代地层厚6 000~8 000 m。

研究区新生界基底构造由南向北凹、凸相间，主要有歧口凹陷、大港凸起、板桥凹陷、塘沽凸起、北塘凹陷及宁河凸起等，呈斜列式北北东向雁行排列，边缘以断裂为界。本区的一级断裂有3条，分别是沧东断裂、宁河—宝坻断裂和埕西断裂；二级断裂有蓟运河断裂、汉沽断裂、茶淀断裂、海河断裂、北大港断裂和歧东断裂等。

通过开展浅地层剖面调查，发现在天津市北蛏头沽东南约2 km 存在一条近东西向的全新世断层，在声学剖面上表现为多个连续性好的反射波组发生系统的错移。该活动断层位于北塘凹陷内，其近东西向的断层走向与北塘凹陷内断裂带走向基本相符，可能是基岩断层新活动在上覆土层中形成的构造结构面，其特点是时间新、活动性强。该断层对工程土体的破坏可能体现在以下3个方面：（1）地震可能引起断层两盘突然错动，对土体和其上构筑物都会产生巨大的破坏；（2）断层两盘的不均匀沉降，所产生的位移对横跨断层的建筑物也会产生危害；（3）断层带力学性质软弱，可能对土体的稳定性有不良影响。

受调查程度所限，天津海域可能仍有活动断层尚未发现，在风电场前期勘察阶段应在场区和周边针对活动断层进行针对性调查研究工作。

2 某海上风电场工程地质条件

某海上风电项目区位于天津市及其毗邻海域，场址中心距天津海岸约45 km，距天津南港边约36 km。场址规划总面积65.6 km2，水深在10~15 m之间。工程区周围为浅海区，地貌类型为渤海湾近海海湾堆积平原，海底地形高差起伏较小，总体上呈西高东低的趋势，海底地面标高范围在-11.00～-13.00 m，地形坡降相对于潮间带较缓，为0.3‰~0.7‰。

工程区所处的渤海湾盆地属于相对沉降区，长期接受沉积，第四纪沉积物厚达300~600 m。地层上部为淤泥、淤泥质土，下部为粉质黏土、细砂、粉砂等，渤海湾泥质海岸带海底表层沉积层以软土为主[3-5]。

3 主要勘察问题

某海上风电场主要勘察问题包括软土震陷、地震液化、环境水土腐蚀、海床冲刷、不良地质、设计参数确定等。

3.1 软土震陷

工程区地震加速度值为0.20g，场区浅部存在较厚的饱和软黏土，需要考虑软土震陷问题。

3.2 饱和粉砂土地震液化

根据附近资料本场地海底以下20 m范围内分布的饱和粉土、粉砂存在地震液化层，应加强液化判别。可采用标准贯入试验来进行场地的液化判别。

初步判断，地基持力层范围内的砂土在地震烈度8度时为液化土，地震液化时易造成工程倾斜错位，影响其使用及安全，设计时宜采取相应措施消除液化影响。

3.3 环境水土腐蚀

工程区位于海域，地下水直接受海水补给，场地环境类型属Ⅱ类场地。其环境水腐蚀性一般相对较强。工程基础应根据耐久性要求采取相应的防腐蚀措施，建议采用抗腐性水泥，或在普通水泥中掺入抗硫酸盐的外加剂、掺入矿物掺合剂、钢筋阻锈剂；钢筋涂抹相应的防腐材料。另外，强腐蚀性情况下建议适当增加混凝土腐蚀裕量，提高混凝土强度等级，控制最大水胶比，适度加大抗渗等级。

实践证明，海洋环境对钢结构或钢筋混凝土的腐蚀很大。海洋工程钢筋混凝土若不采取防腐措施，氯离子深入引起钢筋腐蚀往往导致混凝土结构10~20 年内就发生破坏，而钢结构在海水环境中，碳素钢的年单面平均腐蚀速度在浪溅区可达0.2~0.5 mm，若不采取防腐措施，数年内结构将被破坏，强度降低，达不到使用要求。所以，风机及其基础防腐工作极为重要。

海水对桩基结构会产生腐蚀，而长期与桩周土接触的基桩也可能被桩周土腐蚀，本风电场初勘资料亦显示海水对混凝土结构具有弱腐蚀性、对钢结构具有中等腐蚀性，故需对基桩周围的环境介质（海水和桩周土）进行腐蚀性评价。

因此，本风电场水土腐蚀性判别拟安排2方面的内容：一是拟进行水质全分析试验，同时取样位置、潮流性质及时间均宜具代表性，且送样需及时；二是对桩周土取代表性样品进行土壤易溶盐以及土对钢结构腐蚀性测试。

3.4 海床冲刷

工程区浅表层为淤泥及淤泥质黏性土，抗冲刷能力差，本工程风机和升压平台建成后，将改变原有海洋环境的水流作用，在波浪、潮流等海洋动力作用下，风机和升压平台桩基础周围将形成局部冲刷现象。海床冲刷对风机及升压平台基础稳定产生一定的不良影响。

地基土的特性与冲刷速率有较直接关系，需重视有无抗冲层及其可能冲刷深度范围内的组成物质，涉及到泥沙冲淤分析计算时，床沙的分类应按表1 执行，并应通过室内试验提供指定不同部位、不同深度的颗粒级配资料。根据设计需要提供风机机位处浅部地层的各种颗粒级配特征值、允许不冲流速等。对于风机基础地层的允许不冲流速，一般采用查表法或经验公式法求得，均需依据河床组成物质及其颗分曲线（含级配特征值如平均粒径和中值粒径D50等）。

表1 泥沙冲淤分析计算床沙分类粒径 mm

3.5 其它不良地质现象

天津海域海底发育的不良地质现象主要有浅层气、埋藏三角洲前缘、水下沙脊等。

3.5.1 浅层气

浅层气在上覆水体及地层的压力作用下，沿地层孔隙向上运移，聚积在上部的浅表地层内，多分布于河口与陆架海区中。由于浅层气以沉积物中“气”的形式存在，改变了土质的力学性质，使其强度降低，结构变松，减小了基底支撑力，在外载荷重下，含气沉积物会发生蠕变，使地层抗剪强度降低，加剧海底不稳定性，影响工程基础，触发海底扰动变形。

天津市北部海域全新统内存在多处浅层气区，主要沿海岸线分布，远离海岸浅层气减少。虽气体未出现海底外溢情况，但富集程度较高，加之其连片数千米，在长期强大压力下，随着压力的持续作用，可能继续上移，甚至可能发生喷溢，造成危害。

3.5.2 埋藏三角洲前缘

埋藏三角洲前缘主要分布于海河河口及蓟运河河口以北海域，是三角洲的水下部分，内含淤泥质夹层，具有沉积速率快、沉积构造复杂、沉积结构坡降大且不稳定等特点，造成沉积物抗剪强度低，容易形成滑坡及流动，造成持力不均。天津市海域海河河口处埋藏三角洲前缘是海河沉积物入海的结果，发育在天津港附近海底以下1~2 m，厚6~7 m；天津市海域蓟运河河口以北海域的埋藏三角洲前缘发育在天津北部海底以下1~2 m，厚6~10 m。

3.5.3 水下沙脊

水下沙脊形态为长轴丘形，斜层理的倾向指向沙脊的迁移方向，沙脊的长轴方向则指向潮流主流向，平面上水下沙脊则呈线状展布。移动性较强的潮流沙脊可造成工程设施的破坏，对输油管线及光缆不利。

研究区水下沙脊发育于涧河河口以南15 km，水深较浅（5~7 m）的近岸带，斜层理倾向显示其西北方向迁移，与潮流运移方向一致，可能是滦河入海沉积物在强潮流作用搬运沉积形成脊状砂质堆积体。

3.6 设计参数确定

某海上风电场主要设计参数包括桩基设计参数、水平作用力下桩的计算p-y法和m法计算参数、地基基础设计动力参数、风机接地设计参数。

3.6.1 桩基设计参数

基桩抗拔承载力的确定和沉桩可行性判定是本工程风机和海上升压站基础设计、施工的重点，因此本次拟采用海上动力触探、标贯等原位测试和室内土工试验获得可靠的桩基设计参数及作为沉桩可行性分析的依据。

3.6.2 水平作用力下桩的计算p-y法和m法计算参数

海上风电工程风机水平作用力下桩的计算可采用p-y曲线或m法进行地基基础计算。其中p-y曲线保证了桩与土之间的变形协调，适用于线性与非线性、静载与循环载荷，避免了现行单一参数法的缺陷。

p-y曲线是指在水平作用力下，泥面下某个深度x处土反力p与该点桩的绕度y之间的关系曲线。该方法计算需要2个重要的地质参数，其一是黏性土的不排水抗剪强度指标cu（黏聚力）、ε50（三轴不排水压缩试验，最大主应力与最小主应力差一半时土的应变值），其二是砂土的内摩擦角φ。

m法是一种线性弹性地基反力法。该方法计算需要一个重要的地质参数即土的水平地基抗力系数随深度增长的比例系数m。

同时，场区浅部为新近沉积的软弱淤泥质土，这些土在自重作用下还没有完全固结，土中孔隙水压力仍在继续消散，存在一定的欠固结性。

针对上述分析，本次土试验项目侧重考虑上部软黏土的三轴不固结不排水剪及其ε50，也布置部分无侧限试验进行对比验证，其它土层抗剪强度试验也做少部分的三轴固结不排水剪等。

同时，拟加强现场取样质量，在软弱黏性土中多用薄壁取土器进行取土，砂性土采用环刀取样，及时密封，并采取现场防震、防冻、防晒、避免搬运扰动措施。为获得土的强度、压缩性等指标，布置标贯试验，现场控制标贯试验质量（在标贯孔径、清孔、船体平稳、泥浆配置等方面尤为注重）。

3.6.3 地基基础设计动力参数

风力发电机组为动力设备，风机—塔架—基础—地基系统避免发生共振现象，因此风机需要进行动力计算分析。为场地类别判别、软土震陷及动力分析提供地质依据，拟进行波速试验，提供动剪切模量、动弹性模量、阻尼比等参数及相关曲线。

3.6.4 风机接地设计参数

为获得土壤地电阻率，需布置海上电阻率测井试验。

4 结 语

海上风电作为可再生清洁能源，具有不占用陆地等优点，对我国“碳达峰”、“碳中和”目标的实现有重要意义。天津渤海湾风电场主要存在活断层、软土震陷、地震液化、环境水土腐蚀、海床冲刷、不良地质、设计参数确定等勘察问题，在海上风电勘察过程中有针对性地去发现及解决海上风电建设中可能遇到的问题，在很大程度上可以降低工程建设风险，对工程的安全有序建设意义重大。