中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 四川成都 611130
摘要：在可持续发展理念不断深化的背景下，我国的风电事业得到了飞速发展，风电工程的数量持续增加，装机容量也在不断增长。但是，部分风能较为丰富的地区，其本身岩溶地基，存在着溶洞、塌陷等不良地质现象，对于风电工程的建设是一个巨大的考验，如何有效应对岩溶地区特殊的地质条件，确保风电工程的施工质量，是需要相关技术人员深入研究的课题。本文结合具体的工程实例，对岩溶地区山地风电工程的地质问题进行了剖析，并提出了相应的地基处理措施。
关键词：岩溶地区；风电工程；地质问题
前言：作为一种清洁可再生的能源，风电在节能减排的大背景下受到了世界各国的广泛关注，凭借着其本身建设周期短、装机规模灵活、环境友好等优点，也成为了我国新能源战略的核心项目之一，能够在很大程度上缓解当前我国存在的电能供应不足的问题。而伴随着我国风电事业的发展，岩溶地区山区的风险工程也在不断增多，做好岩溶地区风电场地质问题的分析和研究，对于风电事业的发展有着非常积极的意义。
1 风电的相关概念
相关统计数据显示，截止到2016年，我国的风电装机容量达到了23328兆瓦，占据了全球风电市场份额的42.7%，在我国社会经济发展中发挥着不容忽视的作用。
风电的基本原理，是利用相应的风电机组，将风的动能转化为电能，其本身不会产生污染物质，是一种清洁可再生的能源，而且相比较水能的总量要超出10倍以上，在世界范围内受到了广泛的关注，尤其是在缺少水源、燃料或者交通不便的岛屿、山区、高原等地，因地制宜的发展风电可以说是大有可为[1]。
风力发电机组包括了风轮、发电机和塔架三部分，风轮能够将风的动能转化为机械能，一般是以轻质高强的碳纤维或者玻璃钢等材料制成，发电机由风轮带动，将机械能转化为电能，铁塔则是支撑风轮和发电机的构架，为了获得更大更均匀的风力，一般修建的比较高，在12-80m之间，可以根据地面障碍物的高度以及风轮的直径确定。而为了保障安全，还要求铁塔的基础和整体架构具备足够的强度和稳定性。从这个角度分析，在风电工程建设中，必须切实做好基础的处理工作[2]。
2 岩溶地区风电工程的地质问题
2.1工程概况
某风电场整体装机容量为49.5MW，共有33台1500kW的风力发电机，采用一线一变单元接线的方式。该风电场位于贵州某山区，周边山林密布，沟谷发育，属于比较典型的中山地貌。风电机组设置在山顶，其场地为东南-西北向分布，全长12km，高程在1230-1540m之间，局部存在较大的地形起伏，山脊平均坡度为15°，部分风电机组设置在山脊相对狭窄的位置，需要对其进行基础的平整处理。同时，机组分布山脊的两侧为陡坡，高度多超过100m，坡度在30-70°之间，南侧相对较缓，基岩零星裸露，北侧局部为陡崖，基岩大部裸露。
整个场地广泛分布有灌木和草地，场地范围冲沟发育，沟的长度从1km到5km不等，存在季节性流水，其中几条比较大的冲沟全年流水，汇入山下的河流。不过，考虑风电机组布置的高度和位置，冲沟基本不会对其产生较大的影响。
2.2地质条件
在该风电场中，风电机组多数布置在山脊坡顶位置，基本不会受到地下水的影响，以大气降水补给为主的基岩裂隙水会向着两侧的沟谷排泄，在塔基施工的开挖深度范围内，不会遇到大量地下水出露的问题，不过如果是雨季，丰富的大气降水可能会引发地表水下渗的情况[3]。
地质勘察数据显示，风电场所处范围内的岩层属于浅海相泥灰岩沉积，其下部以薄-中厚层泥灰岩为主，整体为浅紫红色，局部区域夹杂有钙质页岩和薄层灰岩；上部则以钙质页岩位置，同样成浅紫红色，局部夹杂有砂质页岩以及由方解石、白云石和粘土矿物等组成的泥灰岩。地层在周边的沟谷内清晰可见，平均高程不超过990m。
风电场周边的岩层为浅海-泄湖相沉积，以浅紫红色以及浅灰色的灰岩、泥质灰岩以及灰质白云岩为主，在风电场场地中广泛分布，也是风电机组布置的主要地层。现场地质勘察结果表明，该地层以中厚-厚层状结构为主，局部位置为薄层状，表面略微风化，多呈浅灰色或者灰黑色，呈刀砍纹，根据内部蕴含的矿物成分的不同，内部岩层的颜色也存在一定的差异性，不过同样以灰色位置，间杂有砖红色或者浅紫红色，方解石脉中的泥灰岩以浅黄或者灰黄色位置，极少数为砖红色，局部存在碎屑状夹层发育[4]。
在风电场范围内，覆盖层广泛分布，以第四系全新统坡残积堆积为主，地质勘察结果显示，土层类型为粉质粘土，多呈黄褐色或者棕红色，浅表10-50cm的深度范围内，存在着大量的植物根系，土层呈灰黑色，天然状态下为可塑-硬塑状态，强度较高，在遇水后强度会迅速下降，部分区域含有少量粒径在2mm以上的砾石，含量在5%-10%左右，多为灰岩颗粒。土层本身的厚度波动较大，从数米到十数米不等，而在山脊坡顶位置的土层厚度相对较小，在2-8m之间[5]。
2.3地质问题
在风电场内，机组多处于山丘顶部，较为浑圆，地势相对开阔，极少不良地质发育，而经现场地质勘察，主要不良地质包括危岩、小型坡体塌滑以及灰岩区域的岩溶塌陷等。这里对主要的岩溶地质问题进行分析。
（1）不均匀沉降问题：在整个风电场中，覆盖层的厚度较大，而且分布不均匀，在灰岩区域存在比较严重的岩溶现象，溶蚀后的灰岩发育为溶芽、溶坑等，露天溶坑被粉质粘土充填。在这种情况下场地的地基总体缺乏均匀性，可能会出现地基的不均匀沉降问题，如果不能对其进行有效防范，风电机组的稳定性和安全性将无法得到保障。因此，在进行基础设计时，需要充分考虑不均匀沉降问题，做好基础沉降以及倾斜的复核工作，如果必要，还应该对粉质粘土进行置换，提升基础的稳定性和承载能力[6]。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
（2）岩溶地基问题：在场地内，三叠系下统的灰岩、泥灰岩等可溶性岩体广泛分布，其在水流的作用下，容易出现溶蚀问题，通常会沿层面、裂隙、断层带以及平行不整合接触截面等溶蚀发育，形成相应的溶隙、溶沟、溶洞、溶槽等岩溶地质问题。根据现场地质勘察得到的结论，风电场内岩溶较为发育，在部分区域的地表可以清晰的看到岩溶塌陷以及小型溶洞。结合物探技术，在部分风电机组的基础位置，存在有隐性地下溶洞，可能威胁风机基础的稳定性和安全性，在进行布设时，应该尽可能避开岩溶发育区，如果无法避开，则需要做好相应的地基处理工作。
（3）侧坡稳定性问题：场地内侧坡的坡度在30°-70°，总体上成北侧陡南侧缓的趋势，北侧的坡度多在50°以上，坡高超过100m，岩体风化卸荷作用强烈，在部分浅表地段，岩体受结构面组合的影响，形成了不稳定块体，如果遭遇强降水、大风或者地震等外力作用，这些不稳定块体可能会出现垮塌，继而导致小规模的崩塌现象，影响侧坡整体的稳定性。在部分以土层为主的坡段，浅表以粉质粘土为主，厚度在2-8m之间，被灌木和草丛覆盖，受强降水或者人工开挖的影响，陡缓交替区域或者水流汇集区域侧坡可能会出现沿基覆界线的局部塌滑情况。对此，应该尽量确保风机与陡坡保持一定的距离，理论上应该设置在强卸荷岩体以外，如果需要将其设置在强卸荷岩体区域内，需要做好侧坡的支护工作，同时对较大的卸荷裂缝进封闭处理，切实保障风电机组的运行安全[7]。
（4）基坑与后坡的稳定问题：风电塔架的基础埋深设计为3-5m，在基坑开挖后，发现其主要包括粉质粘土和基岩，稳定性较好，不过同样需要做好相应的基坑支护工作，尤其是开挖坡比无法满足稳定坡比要求，或者地下水、大气降水影响开挖时，更是必须强化护壁，做好排水工作，以避免出现边坡的垮塌问题。考虑到场地局部地段相对狭窄，为了确保施工的顺利进行，需要对其进行整平作业。对于部分地段整平后可能出现的后边坡问题，考虑到开挖深度较浅，加上以强风化和强卸荷岩体位置，其本身的完整性差，需要采取适当的支护措施，对后边坡进行保护，确保边坡的稳定性。
3 岩溶地区风电工程的地基处理
立足该风电工程项目，在岩溶地区山地进行工程建设时，需要充分考虑地质条件对于基础稳定性的影响，做好相应的地基处理工作，以保证良好的施工效果。具体来讲，需要结合设计方案，从风电机组所处的地理位置出发，切实做好地质状况的分析，明确塔架基础对于地基的要求，明确岩溶地区的发育形态、发育特征、溶洞分布、溶洞体积，明确岩体的强度和结构稳定性，并且对溶洞的填充情况以及水活动等进行全面分析，坚持因地制宜、具体问题具体分析的原则，做好相应的地基处理工作[8]。
首先，对于地表岩溶强烈发育，同时岩溶洞穴较大，处于洼地边缘区域，或者溶蚀漏斗段，又或者下卧基岩表面位置坡度较大的地基基础，应该做好风电机组塔架位置的调整工作，找出最佳的安装位置，尽可能减少岩溶发育对于塔架基础的影响，确保风电机组的稳定可靠运行。
其次，对于地基中存在溶沟、溶槽以及浅层溶洞的情况，在进行基础施工时，需要结合实际情况，对其中存在的软弱性填充物进行清理，如腐殖土、粉质粘土等，然后利用强度较高，稳定性较好的灰土、碎石或者素混凝土进行回填处理，提升地基的完整性和强度。也可以基于压缩地基，凿除局部存在的突出基岩，待大致平整后，利用可压缩性垫层进行铺盖，实现对地基变形量的调整。不过这种方法的工程量相对较大，施工繁琐，而且会在一定程度上增大施工成本，因此仅仅被用于个别地基条件恶劣的区域。
然后，在场地总体的北侧，边坡坡度较大，局部存在有陡崖，岩体本身受风化荷载的影响较大，在不利结构面的组合下，可能形成不稳定岩体，而且岩体具备一定的规模，在这种情况下，一旦遭遇强降水、狂风或者地震作用，又或者人工开挖导致其失去平衡，就可能引发局部垮塌问题，威胁风机的运行安全。部分风机设置在相对狭窄的山脊坡顶，存在比较强烈的岩体卸荷作用，可能会在一定的深度范围内形成卸荷张拉裂缝，导致裂缝外部岩体失稳，继而影响场地的稳定性。对于这种情况，应该尽量将风机设置在距离侧坡一定的安全距离之外，保证塔架的安全性。
最后，对于遭风化溶蚀强烈作用，破碎相对严重的岩体，需要结合相应的技术措施进行加固处理，如灌浆加固、清爆填塞等，提升基础的可靠性。如果岩溶洞穴的体积较小，可以通过镶补、嵌塞等措施进行处理；如果岩溶洞穴的体积较大，则可以利用低强混凝土、块石型混凝土等进行填塞，然后灌浆加固。另外，应该在风电机组的基础位置，做好相应的截排水处理，减少地表水下渗，从而有效避免基底下的土洞和岩溶继续发育。如果风电机组设置在斜坡上位，应该避免选择半挖半填压实填土地基，而是采用全挖地基。如果斜坡的坡度较大，需要关注长溶蚀引发的控制性结构面对于基坑边坡以及基础稳定性的影响，采取有效的预防和控制措施[9]。
4 结语
总而言之，在岩溶地区山区，地质条件异常复杂，岩溶强烈发育且类型多样，加上局部存在的陡坡、破碎岩体、不稳定岩体以及土层不均匀等问题，给风电工程的施工提出了许多的难题。对此，工程技术人员应该做好地质勘察工作，对风电场施工范围内存在的地质问题进行全面细致的分析，结合因地制宜的原则进行处理，在保障质量和安全的前提下，提升工程的施工效率，推动我国风电事业的长远发展。
参考文献：
[1]张隆刚,易志伟,夏贤峰.岩溶地区风电机组塔架地基处理——以白马雪山风电场工程为例[J].人民长江,2013,44(6):70-71.
[2]唐静,朱艳.某风电场工程地质问题的研究与评价[J].甘肃科技纵横,2015,44(6):20-21.
[3]吴继亮,刘超.台风地区山地风电场风机基础选型分析[J].工程建设与设计,2015,(9):46-48.
[4]龙海涛,李青春,雷胜强.岩溶地区山区风电工程地质问题初探[J].低碳世界,2015,(6):127-128.
[5]袁文博.喀斯特岩溶地区风电安装中的地基加固工艺[J].石油化工建设,2013,35(4):104-105.
[6]王瑞峰.贵州地区风电场风机基础地基处理方法浅析[J].建筑工程技术与设计,2015,(2):77-78.
[7]周鹏,苏萌.贵州地区风电场建设探讨[J].风能,2014,(1):70-72.
[8]谢芳.高密度电法在云南某风电场升压站站址岩溶勘查的实践应用[J].中外企业家,2015,(3):206-207.
[9]张前,王俊,尚义敏.地质雷达在湖北利川齐越山风电场工程塔基岩溶探测中的应用研究[J].资源环境与工程,2010,24(6):691-694.
论文作者:李青
论文发表刊物:《防护工程》2017年第6期
论文发表时间:2017/7/14
标签：岩溶论文; 风电论文; 地基论文; 地质论文; 机组论文; 基础论文; 地区论文; 《防护工程》2017年第6期论文;