台灣離岸風電受震地盤反應分析探討

因應能源轉型及淨零碳排議題，台灣離岸風電領域蓬勃發展，近期更正式邁入第三階段區塊開發。CTCI中鼎集團身為國內工程產業龍頭，近年陸續參與多項離岸風電水下基樁及基礎轉接段製造工作，裝置總容量約當1,140MW，並持續投入相關領域的技術研究。

本文將就中鼎集團旗下萬鼎公司設計經驗，探討地震載重對離岸風機結構設計之影響，並依標檢局於2023年公布之「離岸風力發電場址調查及設計技術指引」規定，就局部離岸風場之地震危害評估作業（包含PSHA & SSRA）及地盤反應分析流程進行說明。

機率式地震危害度分析（PSHA）

PSHA之目的係為統整1900年至現今之地震目錄，為各地震動評估公式列出權重，以建立地震危害度分析模型，得到代表風場下方堅實岩盤之均布危害度反應譜，並擬合代表性（危害最高）地震歷時（反應譜）供SSRA使用。依CNS15176-1規範（經濟部，2018），於機率式地震危害度分析流程中各階段之要求為：
1.整合場址半徑320公里範圍內之所有震源及斷層資料，並劃分震源分區及選定震源模型來確認地震源特徵。

2.透過地震動預估模式分析地震能量衰減情形，並計算場址發生地震超越某一地動值之機率，其公式中ε值代表標準偏差與平均預估值之比例，此不確定性範圍應至少涵蓋±1.5ε。

3.選用邏輯樹法處理模式，建立5%、16%、50%、平均值、84%、95%之地震危害度曲線，以代表其不確定性。

4.為確保風機結構能抵抗地震力之影響，採475年回歸期之均布危害度反應譜，並涵蓋0.01秒至5秒或以上週期至少20點。此反應譜於風場各代表性座標位置在一秒週期之加速度值與相鄰位置之差異需小於0.05g。

5.選擇較具影響力之真實地震歷時（反應譜），並與均布危害度反應譜進行人工擬合，得到設計地震歷時（反應譜）供後續地盤反應分析使用。

特定場址地盤反應分析（SSRA）

SSRA之目的係為評估設計地震歷時（反應譜）於堅實岩盤傳遞至風機位置所受之土層特性，以得到結構動力分析所需輸入之特定場址加速度地震歷時（反應譜），依CNS15176-1規範（經濟部，2018），每一離岸風機位置皆須進行地盤反應分析。

1.分析軟體

本文採DEEPSOIL V7.0程式來進行地盤反應分析，根據地質鑽探及既有地質資料建立各分析模型，並依地層剪力波速定義堅實岩盤深度（Vsd30 ≧360 m/s），作為後續設計地震歷時輸入位置。於地質分析模型中，需輸入各土層單位重、剪力波速、動態參數曲線等參數。

2.土壤剪力波速（Vs）

於海上鑽探作業中，通常採CPT型式以獲取風場地質資料，而CPT資料除用來判斷地層種類與界面外，一般會依經驗公式轉換成各土層剪力波速（Vs），然公式之種類繁多，建議將多種公式轉換結果與PS-logging等資料進行比對，經評估後選擇合適公式。

3.土壤動態參數曲線

動態參數曲線主要分為剪力模數衰減曲線（Modulus reduction curve）與阻尼比曲線（Damping ratio curve），一般以共振柱、動態三軸等試驗獲得土壤在各剪應變下對應之動態參數，再進行迴歸分析以求得動態參數曲線。若僅有少數或無動態試驗結果，其於設計分析上會產生較大之不確定性，故本文統整國內外之相關資料，並對各地層之動態參數選擇提供建議。

(1)砂土地層
Seed and Idriss（1970）之研究資料統整大量之文獻及試驗數據並迴歸得出一具代表性之動態參數曲線及範圍；國內交通部港灣技術研究中心（1986）針對台灣西部海床之沉泥質砂土進行一系列動態參數研究，並統整出動態參數範圍。依萬鼎設計經驗，後者較符合實際試驗數據範圍，建議可將其作為參考依據。
(2)黏土地層
Vucetic and Dobry（1991）之文章中，統整大量文獻及試驗數據並迴歸得出具代表性之動態參數曲線，且提出黏土之動態參數會隨塑性指數（Plasticity index, PI值）產生變化，考量到黏土變異性較大的情況下，此篇文獻應具有較高之參考性。
(3)礫石地層
Rollins et al.（1998）之文章中，統整大量文獻及試驗數據並迴歸得出具代表性之動態參數曲線及範圍。本文就地質資料中礫石含量及最大粒徑等參數，與此文獻比對確認其彙整數據中包含相似之礫石層資料，藉以研判其具有一定之參考性。

4.地盤反應分析成果與發展

設定完分析模型中各層之參數後，將設計地震歷時輸入堅實岩盤位置以執行地盤反應分析，其中地震歷時應採至少七組，每組包含三筆方向（N/S、E/W、V）、至少兩種回歸週期（475年、95年），不同輸出深度（依結構動力分析需求），故於一離岸風場通常會產出數千至上萬筆SSRA成果，需耗費大量人力進行彙整。

結論

中鼎集團致力以核心本業投入永續發展，並於世界各地打造對環境有益的「綠色工程」，離岸風電領域的發展是其中十分重要的一環。為持續提升中鼎集團在離岸風電領域的競爭力，在今（2023）年的中技社技術研發計畫中，集團旗下萬鼎公司攜手台科大研發團隊，合作開發SSRA流程之自動化程序，以達節省人力及成本的效益，也將作為未來離岸風電相關設計工作自動化程式開發的開始，並期透過智慧科技的輔助，深化工程產業的數位轉型。