SMC 資料庫

議題背景：隨著政策推進，離岸風電的技術和產業，皆是臺灣極力發展的重點，即便離岸風電技術在歐洲已發展成熟，但臺灣的自然環境、生態、地質與歐洲迥然不同，臺灣目前才剛踏出發展技術關鍵的第一步「完成第一座示範風場的建置」。我們邀請專家陸續由風場評估、地質、生態、面對災害的風險等面向，說明相關問題。

成功大學水利與海洋工程學系教授　郭玉樹

Q1. 臺灣海峽的地質適合蓋風機嗎？

首先，臺灣離岸風場分布於臺灣海峽，北起桃園，南至雲林。北部桃竹苗地區近海地質概況與彰化雲林不同。其中，位於彰化近海，水深50公尺以內之離岸風場約佔總規劃面積70%以上，而彰化、雲林近海的海床地質條件主要受到濁水溪流域沖積影響，因此表層多為疏鬆砂土層；這些疏鬆砂土較容易因地震事件造成海床土壤液化，同時也可能因颱風事件造成海床大規模變動。

臺灣彰化近海海床土壤地質，與已完成開發的歐洲北海及波羅的海相比，臺灣近海的土壤地質條件軟弱（關於地質條件軟弱：請參考離岸風電名詞解釋5）。至於彰化近海軟弱的海床土壤是否適合建置離岸風場，主要取決於離岸風場開發成本。離岸風場是以發電收入為主要營收來源的電業設備，開發時需評估工程成本與發電收益，若發電收益具有足夠的開發價值，即便臺灣西部海域的海床地質條件軟弱，增加工程施作的難度與成本，現有的工程技術仍可以克服環境限制，吸引離岸風場開發商投入資金。因此，評估建置離岸風場的可行性，不只包含了環境地質概況調查；風能評估與財務分析更是決定風場開發與否的主要考量。

綜合上述，彰化近海土壤地質條件雖不如歐洲離岸風場良好，但是因為臺灣風能條件優異，且躉購電價（關於躉購：請參考能源名詞解釋4）有足夠的吸引力，仍然吸引了大量的國外離岸風場開發商來臺投資。

Q2. 聽說地震可能造成土壤液化，土壤液化是什麼？海床的土壤液化與陸地一樣嗎？

土壤液化現象是指在地下水層附近飽含水分的無凝聚性土壤，例如砂土或粉土，受到外力影響時，改變原本土壤顆粒的排列，由固體轉為類似液體的現象。常見造成土壤液化的外力條件包括地震力、波浪力或建築物挖築地基時，地下水水位差異對土壤造成壓力。

以地震造成的土壤液化為例，當地震的高頻率（頻率大於1赫茲）作用力，反覆推擠土壤，破壞原本土壤與水分子間的穩固狀態時，原本土壤顆粒間的孔隙水來不及排出，因此產生額外的孔隙水壓，當孔隙水壓累積量超過土壤顆粒與顆粒之間的接觸力時，將會抬起土壤顆粒，使土壤顆粒懸浮在水中。

海床與陸域土壤均可能經過岩石風化、侵蝕、搬運、堆積等過程。海床土壤為河道土砂搬運的終點，因此多為細顆粒沉積。此外，由於海床土壤長期處於完全水飽和的狀態；因此，當地震力作用時，疏鬆且完全水飽和的細顆粒海床土壤，在高頻率的地震反覆作用力下，極可能發生海床土壤液化。目前，描述陸域或海域土壤液化的力學行為與機制，並無明顯差異；然而，海床土壤受地震力產生土壤液化的現象，因缺乏海床孔隙水壓的觀測設備與相關研究，仍待實際觀測案例佐證。

Q3. 離岸風機又重又大，而且臺灣地震頻仍，會不會因為地震損壞倒塌？

回顧臺灣歷年重大地震事件，陸域構造物的受損方式主要可以區分為兩類：其一為地震造成上部結構物，因無法承受地震作用力而損壞或倒塌；另一類則為地震造成土壤液化後，導致結構物沉陷或傾斜。離岸風機是否可能因為地震而倒塌，也與陸域構造物受震損壞的機制相近。

離岸風機由葉片、風機主機、塔筒與水下基礎組成（離岸風電架構圖請參考：臺灣成為離岸風電中心的機會在軟實力），屬細長的鋼製支撐結構，離岸風機塔筒與基礎的結構韌性及強度，均需滿足各類設計載重條件。離岸風機支撐結構設計載重時，已將離岸風場20年至25年的生命週期中，所有運轉（及停機）的各種可能受力條件納入考量。因此，地震力作用時，離岸風機上部鋼塔筒結構斷折倒塌的機率並不高。然而，若海床土壤因地震作用時發生土壤液化，離岸風機沉重的支撐結構，極可能因基礎在液化土壤中，發生過大的差異沉陷（關於差異沉陷：請參考離岸風電名詞解釋6）而傾倒。

大部分陸域結構物因土壤液化傾斜的案例，主要發生於採用淺基礎之低矮構造物。原因是土壤液化多發生於地表至地下30公尺深的範圍間，陸域構造物常見的淺基礎，如獨立基腳（Spread footing）、筏式基礎（Mat Foundation）等埋置深度皆小於30公尺，且無設置樁基礎，導致土壤液化時，構造物因過大的差異沉陷而傾斜。

與陸域結構物不同，臺灣西部海域的離岸風機採用的基礎型式為埋置深度50至90公尺間的深基礎，因此土壤液化並不一定會造成風機倒塌或損毀。常見離岸風機基礎型式從淺水域至深水域，分別是重力式基礎、沉箱式基礎、大口徑單樁基礎、多樁套管基礎、三樁式基礎等。目前臺灣主要採用大口徑單樁基礎及多樁套管基礎；樁基礎從海床面貫入海床土壤，不僅可以抵抗來自上部結構之側向作用力，當地震或海床土壤液化時，若樁基礎的樁徑與埋置深度足夠，也可以避免結構物產生過大之差異沉陷。

因此，設計離岸風機支撐結構時，若已將地震及土壤液化納入考量，即使海床土壤表層發生土壤液化，也不會因為離岸風機基礎的最大承受力不足，或變形量過大導致風機損毀倒塌。

Q4. 如何評估建造離岸風機或是營運過程中的土壤液化風險？

海床土壤液化發生的力學條件，為地震或其他環境外力造成的反覆作用力，大於土壤的抗液化強度。因此，若要評估海床土壤液化潛勢，須考量地震使土壤所受的反覆作用力強度，與土壤抗液化強度兩項指標。

目前經濟部標準檢驗局在「風力機—第1部：設計要求（CNS15176-1）」的國家標準規範文件附錄H中，建議離岸風場開發設計採用回歸期475年的地震（關於回歸期：請參考離岸風電名詞解釋7）作為評估地震力的依據。設計風機時，需分析地震危害度及地盤反應（如圖一中海床面、海床土壤、岩盤的地震加速度大小），算出地震造成海床土壤的反覆作用力。

圖一　地震作用力下土壤液化分析流程示意圖^[1]

土壤的抗液化強度主要與土壤種類與緊密程度有關（如圖一右側說明），可以用不同的分析方法評估緊密程度，例如經驗法、半經驗分析法以及室內土壤動態力學試驗等。因此對海床土壤進行現地力學試驗或取樣後，若採用半經驗分析法，可透過圓錐貫入試驗或標準貫入試驗量化土壤緊密程度，再透過學者收集既有的土壤液化災例，以迴歸分析法提出一套分析方法，決定土壤的抗液化強度。亦可將現地取樣的海床土壤於實驗室內進行土壤動態力學試驗，模擬現地海床土壤受地震反覆作用力下的孔隙水壓累積現象，決定土壤的抗液化強度。

Q5. 我們該如何理解目前評估地震與土壤液化風險的限制？

陸域構造物的土壤液化災害案例，可以從實際的地震事件觀察，並透過中央氣象局建置的陸域地震監測網，取得真實的地表地震加速度條件，反推地表下土壤受到的地震力。對於評估陸域土壤的液化潛勢，臺灣已累積了相當的經驗，然而，海域環境目前缺乏現地土壤液化災害的觀測實例，不足以了解海床土壤液化發生的機制以及災後的行為。若能取得土壤液化的觀測實例，並互相比對現地海床的地震力測量、海床土壤孔隙水壓量測等資料，方能完整釐清海床土壤上建置離岸風機，受地震力導致海床土壤液化的風險。

Q6. 除了上述提到的地震與土壤液化，是否應考量其他的地質因素？

針對臺灣彰化近海的離岸風場要設計風機基礎時，地震與土壤液化是普遍納入考量的設計條件。然而，目前所蒐集的海床土壤地球物理調查資料顯示，彰化近海海床地形變動十分劇烈，颱風事件可能造成海床地形同一位置之高度變化達7公尺以上。因此，海床面高度劇烈變動可能加深離岸風機支撐結構設計的困難。

另外，桃園到苗栗離岸風場的海床地質條件，與彰化近海截然不同，西北部離岸風場的海床土壤表層多為礫石層及風化板岩。礫石層不易讓離岸風機樁基礎貫入，風化板岩亦可能因樁基礎貫入時擾動，使得樁基礎可以承受的最大外在作用力降低、增加設計困難。

由於臺灣西部海域地質條件具有高度變異性，不同的離岸風場區位面臨的土壤地質潛在災害與工程挑戰均不相同；設計離岸風機基礎時應考量地震與土壤液化、海床地形變遷，和基礎鄰近海床土壤淘刷，亦應評估海床土壤參數不確定性對於基礎設計成本的影響。

註釋：

[1] Kuo, Y. S., Lin, C. S., Chai, J. F., Chang, Y. W., and Tseng, Y. H. (2019). “Case study of the ground motion analyses and seabed soil liquefaction potential of Changbin offshore wind farm,” Journal of Marine Science and Technology, 27(5): 448-462.