祁 磊，唐 佳，張宏強，華 放

1.中國石油集團工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

2.中國石油集團海洋工程有限公司天津分公司，天津 300451

3.冀東油田公司勘探開發(fā)建設(shè)監(jiān)督中心，河北唐山 063200

我國海上風(fēng)能資源較為豐富，海上風(fēng)電開發(fā)條件比較優(yōu)越。據(jù)統(tǒng)計“十四五”期間，我國海上風(fēng)電新增裝機總規(guī)模約5 000 × 104kW，預(yù)計到2025 年累計裝機并網(wǎng)容量將超過6 000 × 104kW。在海上風(fēng)力發(fā)電后補貼時代，降低海上風(fēng)電開發(fā)成本是發(fā)展海洋風(fēng)電的必由之路。海上風(fēng)電場工程地質(zhì)評價是海上風(fēng)電建設(shè)的基礎(chǔ)及關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對整個風(fēng)電場開發(fā)方案制定、工程設(shè)計等具有重要影響。據(jù)統(tǒng)計，風(fēng)電場基礎(chǔ)成本約占總成本的25%～35%，工程地質(zhì)評價的好壞直接影響著風(fēng)電項目開發(fā)的經(jīng)濟性和安全性，其在降低開發(fā)成本方面作用巨大。

場址的工程地質(zhì)災(zāi)害是工程地質(zhì)評價中需要關(guān)注的重要因素，如風(fēng)電場場址內(nèi)的淺層氣、地震、滑坡等。風(fēng)電場工程地質(zhì)災(zāi)害評價結(jié)果直接影響到海上風(fēng)電場場址選擇與風(fēng)機布置。GB 51395—2019《海上風(fēng)力發(fā)電場勘測標準》明確規(guī)定，在風(fēng)電開發(fā)工程勘察的各個階段都需進行各類災(zāi)害的調(diào)查及評價[1]。

目前，海上風(fēng)電場的工程地質(zhì)災(zāi)害評估相關(guān)研究非常少，陳麗蓉等[2]以上海南匯大型海上風(fēng)電場地質(zhì)災(zāi)害危險性評估為例，探討了海上風(fēng)電場地質(zhì)災(zāi)害危險性評估技術(shù)方法；李存義[3]以東南沿海某個海上風(fēng)電場地質(zhì)災(zāi)害危險性評估為例，開展了地質(zhì)災(zāi)害危險性評估，并提出具體的預(yù)防治理措施。

GIS（Geographic Information System）技術(shù)是一種采用計算機對地理空間數(shù)據(jù)進行獲取、管理、顯示和分析等的技術(shù)，其地理數(shù)據(jù)的空間分析功能是其在災(zāi)害監(jiān)測、土地勘測、環(huán)境管理、管網(wǎng)設(shè)計等方面獲得廣泛應(yīng)用的主要原因，并越來越多地應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險評價與風(fēng)險管理中。l989 年美國已經(jīng)采用GIS 技術(shù)對滑坡災(zāi)害進行了分析。我國也在20 世紀90 年代后期將GIS 與地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價結(jié)合起來，并建立了適合我國國情的地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)與評價系統(tǒng)[4]，但在海上風(fēng)電場工程地質(zhì)災(zāi)害評價中的應(yīng)用相對較少。

海上風(fēng)電場開發(fā)可分為規(guī)劃、預(yù)可行性研究、可行性研究、招標設(shè)計和施工詳圖設(shè)計五個階段[5]。各個階段的災(zāi)害評價內(nèi)容和深度是不一樣的。雖然在規(guī)劃階段通常不進行現(xiàn)場取樣或測試，而以收集資料進行評估為主，但其分析評估的結(jié)果又影響到后續(xù)階段的規(guī)劃、預(yù)算開支甚至整個風(fēng)電場的設(shè)計，因此規(guī)劃階段的地質(zhì)災(zāi)害評價非常重要。

鑒于此，本文以我國海南北部灣某海上風(fēng)電場為例，基于對場區(qū)特殊的海洋地質(zhì)環(huán)境條件和項目特點的分析，借助GIS 技術(shù)開展其場址在規(guī)劃階段的地質(zhì)災(zāi)害危險性現(xiàn)狀評估和預(yù)測評估等，以期為同類工程項目地質(zhì)災(zāi)害評估提供參考。本文中所指地質(zhì)災(zāi)害危險性參照“地質(zhì)災(zāi)害危險性評估技術(shù)要求”（國土資發(fā)〔2004〕69 號）對地質(zhì)條件復(fù)雜程度進行分類。

1 項目場址環(huán)境地質(zhì)條件

某海上風(fēng)電場位于海南省西北部北部灣海域內(nèi)，規(guī)劃裝機規(guī)模為60 × 104kW 。場址中心離岸距離約44 km，風(fēng)電場東西向?qū)捈s4.20 km，南北長23.10～24.00 km，規(guī)劃場址面積98.60 km2，水深范圍30.00～46.00 m。秋季風(fēng)速相對較大，夏季風(fēng)速較?。辉缕骄畲箫L(fēng)速為10.07 m/s，月平均最小風(fēng)速為5.88 m/s，全年平均風(fēng)速為7.67 m/s，風(fēng)速在年內(nèi)變化幅度較大。場址區(qū)地表被第四系沖洪積物覆蓋，場址區(qū)及附近區(qū)域無大的活動性斷裂與發(fā)震構(gòu)造分布，總體上處于一個相對穩(wěn)定的地塊區(qū)內(nèi)。本場地位于7度抗震區(qū)，場地地面下20 m深度范圍內(nèi)分布有飽和砂土。場區(qū)巖土層分為六個大層，自上而下分別為：粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂、黏土、粉砂、粉質(zhì)黏土。

①粉砂(Q4m)：灰色，頂部約2 m 灰黃色，稍密-中密狀，飽和，層厚13.20 m。

②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(Q4m)：灰色，流塑狀，干強度中等，層厚15.00～25.00 m，局部厚30.00 m。

③粉砂(Q4m)：灰黃色，中密狀，飽和，層厚1.00 m。

④黏土(Q4m)：黃色，軟塑為主，頂部約80 cm為軟塑狀，干強度中等，層厚3.40 m。

⑤粉砂(Q4m)：灰色，中密-密實狀，飽和，層厚9.90 m。

⑥粉質(zhì)黏土(Q4m)：灰色，可塑為主，局部為硬塑狀，干強度高，層厚大于10.00 m。

2 場址地質(zhì)災(zāi)害因素初步分析

海上風(fēng)電場可能存在的地質(zhì)災(zāi)害類型及其觸發(fā)機理和危害如表1所示。

表1 各類工程地質(zhì)災(zāi)害觸發(fā)機理及其危害

結(jié)合該海上風(fēng)電場的地質(zhì)及環(huán)境條件初步預(yù)測了該場址的災(zāi)害類型及影響。

1）滑坡、塌陷等水下塊體運動：風(fēng)場建成后，風(fēng)浪流及風(fēng)機等動載荷引起的地層強度弱化進而引起滑坡、塌陷等。

2）沙波：風(fēng)場所處位置水深、海流及表層粉砂具備形成沙波的環(huán)境條件。

3）沖刷：表層泥沙中值粒徑為0.01 mm，垂向平均最大流速為0.79 m/s，海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)建設(shè)后，波流作用下存在局部沖刷的可能。

4）液化：本場地位于7度抗震區(qū)，場地地面下20 m深度范圍內(nèi)分布有飽和砂土，存在液化可能。

5）其他：因所掌握資料較少，場區(qū)內(nèi)可能還存在淺層氣、埋藏古河道、潮流沙脊等其他對風(fēng)機建設(shè)有潛在影響的地質(zhì)災(zāi)害因素。

根據(jù)調(diào)研和所掌握資料，基于Arcgis Pro 建立了該風(fēng)電場的地質(zhì)災(zāi)害評估模型，如圖1所示。評估模型是基于所搜集的北部灣海流netcdf 數(shù)據(jù)、全球數(shù)字高程模型ETOPO15、中國地震斷層分布圖、南海淺層氣分布等資料構(gòu)建的?；谠撃Ｐ统醪介_展了場址地質(zhì)災(zāi)害的現(xiàn)狀評估和預(yù)測評估。

圖1 某風(fēng)電場的地質(zhì)災(zāi)害評估模型

2.1 淺層氣

北部灣盆地等南海陸架海區(qū)分布著大面積的淺層氣[6]，在場址附近的北部灣海區(qū)分布有較大面積的淺層氣區(qū)，但淺層氣區(qū)位置與風(fēng)電場位置關(guān)系尚不清楚，因此本文采用Arcgis Pro 配準工具對南海淺層氣分布圖按照經(jīng)緯度進行地理配準，從而獲得北部灣淺層氣區(qū)與風(fēng)電場場址相對位置，配準后兩者關(guān)系如圖2所示。

圖2 北部灣淺層氣區(qū)與風(fēng)電場場址相對位置

從圖2 中可發(fā)現(xiàn)規(guī)劃風(fēng)電場場址臨近淺層氣大范圍分布區(qū)，場址南端可能有淺層氣分布。根據(jù)地層分布可知，第③粉砂(Q4m)和第⑤粉砂(Q4m)層上下層均具備淺層氣圈閉條件，預(yù)測淺層氣分布在粉砂層，深度在28 m以下。

淺層氣的分布易產(chǎn)生地層不均勻沉降、觸發(fā)滑坡（處于坡頂位置）、誘發(fā)土體液化，從而導(dǎo)致海上風(fēng)機基礎(chǔ)沉陷、平臺傾覆、電纜斷裂等災(zāi)害事故[7]，地質(zhì)災(zāi)害危險性中等，因此在預(yù)可行性研究、可行性研究等階段需通過物探及工程地質(zhì)調(diào)查手段明確淺層氣埋深及橫向分布范圍，對其危險性進行定量化評價。

2.2 滑坡、塌陷等水下塊體運動

由于在規(guī)劃階段未開展工程物探調(diào)查，尚未掌握該風(fēng)電場的詳細水深數(shù)據(jù)，本文采用NGDC 提供的ETOPO 200 水深格網(wǎng)數(shù)據(jù)，選取數(shù)據(jù)為15 弧秒分辨率，截取北部灣部分格網(wǎng)數(shù)據(jù)生成柵格數(shù)據(jù)，構(gòu)建了該風(fēng)電場及周邊海域的等深線圖（如圖3 所示）。根據(jù)等深線圖可看出：場址區(qū)整體呈東高西低地勢分布，水深落差近20 m，南側(cè)水深落差較北側(cè)變化劇烈。

圖3 海上風(fēng)電場及其周邊海域等深線

按照場址區(qū)水深變化特點，由北向南分別建立3 條縱剖線（見圖4），可發(fā)現(xiàn)3 個位置整體坡角均小于1°，地勢平坦；但因坡頂有淺層氣分布（如圖2所示），存在誘發(fā)海底滑坡或沉降可能性，將會對坡底基礎(chǔ)及電纜造成一定危害。同時建成后環(huán)境及風(fēng)機等引起的地層強度弱化存在觸發(fā)滑坡、塌陷等災(zāi)害的可能性，地質(zhì)災(zāi)害危險性中等，因此在預(yù)可行性研究、可行性研究等階段需通過物探及工程地質(zhì)調(diào)查手段明確風(fēng)電場東側(cè)及西側(cè)工程地質(zhì)特性，根據(jù)場地土容重、抗剪強度等評估滑坡失穩(wěn)的可能性，對其危險性進行定量化評價。

圖4 穿越風(fēng)場的3條縱剖線及其縱剖面

2.3 地震及斷層

區(qū)域地質(zhì)資料表明，該風(fēng)電場主要受東西向的王五—文教大斷裂控制，其距離風(fēng)場約60 km，另外存在一系列次生斷裂構(gòu)造。為明確其對風(fēng)電場的影響，采用我國地震局地質(zhì)研究所提供的中國地震斷層分布圖進行了分析，將中國地震斷層分布圖通過地理配準添加到風(fēng)場災(zāi)害評估模型中（見圖5）?？砂l(fā)現(xiàn)風(fēng)電場場址周邊斷層均為早中更新世斷層，且自1605年瓊州大地震后，至今未發(fā)現(xiàn)有新的活動痕跡，因此地震斷裂錯動對風(fēng)電場場址的影響可忽略。

圖5 場址附近斷層分布

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016年版）判定，場地土類型以中軟土～中硬土為主，場地類別為Ⅲ類，場區(qū)上部有15.00～25.00 m厚的軟弱土層，屬于抗震不利地段。場地海床以下分布有飽和砂土，為中等液化，地質(zhì)災(zāi)害危險性中等，因此在預(yù)可行性研究、可行性研究等階段需進一步評價地震液化的影響。

2.4 沖刷

風(fēng)電場建設(shè)后，波流會改變海底局部水沙環(huán)境，在風(fēng)機基礎(chǔ)局部可能形成沖刷坑，根據(jù)環(huán)境條件參數(shù)（見表2），位置見圖6，并假定樁徑為8.5 m，采用韓海騫公式、王汝凱公式[8]計算出風(fēng)電場內(nèi)不同位置的沖刷坑深度和半徑，計算結(jié)果見表3。

圖6 沖刷計算位置示意

表2 環(huán)境條件參數(shù)

表3 沖刷計算結(jié)果

從表3可發(fā)現(xiàn)沖刷深度＞5 m、半徑＞13 m，地質(zhì)災(zāi)害危險性中等，因此，在建設(shè)及運維過程中需采取預(yù)防及維護措施，盡量規(guī)避沖刷對風(fēng)機的影響。

3 結(jié)束語

本文以某一海上風(fēng)電場為例，探討了GIS 技術(shù)在海上風(fēng)電場規(guī)劃階段的工程地質(zhì)災(zāi)害評價中的應(yīng)用。首先基于場區(qū)海洋地質(zhì)及環(huán)境條件構(gòu)建了該風(fēng)電場的工程地質(zhì)災(zāi)害評價模型，并對淺層氣、滑坡、地震、斷層及沖刷等典型地質(zhì)災(zāi)害進行了分析，并給出了各類災(zāi)害的危險程度。

基于GIS 的地質(zhì)災(zāi)害評價并不僅限于在規(guī)劃階段的應(yīng)用，該技術(shù)同樣可用于預(yù)可行性研究、可行性研究、招標設(shè)計和施工詳圖設(shè)計等其他階段的工程地質(zhì)災(zāi)害評價中，借助于后期精細的工程地質(zhì)參數(shù)和物探數(shù)據(jù)，基于GIS 的工程地質(zhì)災(zāi)害評價結(jié)果將更加可靠。