一種海底不穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于海洋地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種海底不穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法，針 對(duì)海底沉積層中天然氣水合物分解誘發(fā)的海底斜坡不穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)判，是一種定量評(píng)價(jià)方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 天然氣水合物的分解被認(rèn)為是引起世界上多處大陸邊緣帶海底滑塌的原因之一。 理論分析表明，天然氣水合物分解使得沉積物孔隙中的含氣量增加，產(chǎn)生過(guò)高的孔隙壓力， 降低沉積物的膠結(jié)強(qiáng)度。如果含水合物的沉積物層坡度較大，并且水合物分解比較顯著，會(huì) 導(dǎo)致沉積層的抗剪強(qiáng)度和承載能力降低，造成海底斜坡滑動(dòng)等不穩(wěn)定性。
[0003] 目前對(duì)水合物分解引起海底不穩(wěn)定性的研究主要W討論影響因素和定性研究為 主，缺少定量的評(píng)判方法，對(duì)于天然氣水合物分解與海底斜坡失穩(wěn)之間如何影響，水合物分 解誘因與其他因素之間如何制約等問(wèn)題目前仍不清楚?，F(xiàn)有的海底斜坡不穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方 法大致可分為極限平衡分析法和數(shù)值分析法兩種。
[0004] 極限平衡分析法的理論基礎(chǔ)是極限平衡理論，其要點(diǎn)是當(dāng)坡體的抗剪強(qiáng)度降低 后，坡體內(nèi)存在一個(gè)達(dá)到極限平衡狀態(tài)的滑動(dòng)面，使滑體處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，處于極限平衡 狀態(tài)的滑動(dòng)面必定滿足摩爾一庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。極限平衡分析法的模型簡(jiǎn)單，用的最為普 遍。但是該方法很大程度上依賴于對(duì)潛在滑坡的形狀和±體性質(zhì)的了解程度，不能解決超 孔隙水壓力、邊坡變形、動(dòng)力反應(yīng)及復(fù)雜地形等諸多因素的影響，也無(wú)法模擬斜坡的失穩(wěn)過(guò) 程，應(yīng)用上存在局限性。
[0005] 數(shù)值分析法是W描述滑坡體內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變特征的本構(gòu)模型為基礎(chǔ)來(lái)分析給定海 底斜坡的變形和穩(wěn)定性問(wèn)題。數(shù)值分析方法通常包括有限差分法、有限元法和邊界元法等。 送類方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠得出斜坡各點(diǎn)、各部位的穩(wěn)定狀態(tài)，能描述應(yīng)變到應(yīng)力的發(fā)展過(guò)程， 便于解釋斜坡失穩(wěn)的機(jī)制，有助于提高海底斜坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)水平。但該方法的計(jì)算精度取 決于本構(gòu)模型和單元體的選取。
[0006] 因此，尋求一種海底不穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法，將極限平衡分析法和有限元數(shù)值分析 方法相結(jié)合對(duì)海底斜坡的失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行與數(shù)值計(jì)算，結(jié)合兩種方法的長(zhǎng)處進(jìn)行天然氣水合 物分解引起海底斜坡不穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，在海底斜坡失穩(wěn)形態(tài)識(shí)別、失穩(wěn)過(guò)程模擬及斜坡可靠 性判定等方面均比較全面，采用海底斜坡地質(zhì)力學(xué)模型與有限元計(jì)算分析相結(jié)合的方法， 求解海底斜坡失穩(wěn)變形演化過(guò)程，進(jìn)行海底斜坡不穩(wěn)定計(jì)算和定量評(píng)價(jià)，對(duì)天然氣水合物 開(kāi)采過(guò)程中的海底穩(wěn)定性問(wèn)題具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足之處，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種海底 不穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法，定量分析深水區(qū)天然氣水合物分解對(duì)海底斜坡不穩(wěn)定的影響關(guān)系。
[0008] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種海底不穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法，包 括w下步驟：
[0009] 構(gòu)建海底斜坡的地質(zhì)力學(xué)模型，并將地質(zhì)力學(xué)模型概化為數(shù)值計(jì)算模型；
[0010] 利用改進(jìn)有限元強(qiáng)度折減法對(duì)所述數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行海底斜坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬 計(jì)算。
[0011] 所述構(gòu)建海底斜坡的地質(zhì)力學(xué)模型，并將地質(zhì)力學(xué)模型概化為數(shù)值計(jì)算模型，包 括W下步驟：
[0012] 建立海底斜坡的幾何模型，其中，沉積物層和水合物帶節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為X、Y;
[0013] 通過(guò)對(duì)組成海底斜坡的沉積物層和水合物帶進(jìn)行識(shí)別，賦予相應(yīng)的物理力學(xué)參 數(shù)，并W此建立海底斜坡的材料模型；
[0014] 通過(guò)設(shè)置的海水深度H、水合物分解量n求解海水產(chǎn)生的靜水壓力和孔隙水壓力 W及水合物分解產(chǎn)生的超孔隙壓力，并通過(guò)設(shè)置的靜水壓力和超孔隙壓力邊界條件，建立 海底斜坡的地質(zhì)力學(xué)模型；
[0015] 將建立的幾何模型、材料模型轉(zhuǎn)化為物理網(wǎng)格模型，并將物理網(wǎng)格模型和地質(zhì)力 學(xué)模型轉(zhuǎn)化為可用于數(shù)值模擬計(jì)算的數(shù)值計(jì)算模型。
[0016] 所述海底斜坡的幾何模型建立過(guò)程中的參數(shù)包括海水深度、斜坡角度、沉積物層 和水合物層的幾何形態(tài)、水合物帶厚度；首先結(jié)合實(shí)際地形和地震資料，設(shè)定海水深度、海 底斜坡角度W及沉積物層和水合物帶的幾何形態(tài)；然后輸入沉積物層和水合物帶的節(jié)點(diǎn)， 通過(guò)連接節(jié)點(diǎn)，繪制沉積物層和水合物帶面，最后通過(guò)面拉伸成體從而建立海底斜坡的幾 何模型。
[0017] 所述物理力學(xué)參數(shù)包括重度、彈性模量、泊松比、抗剪強(qiáng)度內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和抗 拉強(qiáng)度。
[0018] 所述海底斜坡的材料模型通過(guò)定義沉積物層和水合物帶的強(qiáng)度模型及物理特性 參數(shù)來(lái)完成，二者的強(qiáng)度模型均選用摩爾一庫(kù)倫強(qiáng)度模型，沉積物層特性參數(shù)包括沉積物 的比重和塑性系數(shù)，水合物帶特性參數(shù)主要包括水合物的空率、孔隙度、飽和度和水合物分 解量。
[0019] 所述海底斜坡的地質(zhì)力學(xué)模型基于上述海底斜坡的幾何模型和材料模型，分析靜 水壓力、孔隙水壓力和水合物分解產(chǎn)生超孔隙壓力的邊界條件W及受力模式，進(jìn)而求解靜 水壓力、孔隙水壓力和水合物分解產(chǎn)生的超孔隙壓力。
[0020] 所述將建立的幾何模型、材料模型轉(zhuǎn)化為物理網(wǎng)格模型，具體做法為：首先設(shè)置 沉積物與水合物帶各自的單元類型、材料模型、網(wǎng)格劃分的形狀、尺寸大小W及網(wǎng)格劃分模 式；然后網(wǎng)格化水合物帶，再網(wǎng)格化沉積物層，從而建立海底斜坡物理網(wǎng)格模型。
[0021] 所述將物理網(wǎng)格模型和力學(xué)模型轉(zhuǎn)化為可用于數(shù)值模擬計(jì)算的數(shù)值計(jì)算模型，具 體做法為：將物理網(wǎng)格模型的單元信息數(shù)據(jù)文件和單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化為后綴為數(shù) 值建模文件類型的數(shù)值建模文件。
[0022] 所述海底斜坡是否穩(wěn)定是利用有限元數(shù)值分析方法基于摩爾一庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則計(jì) 算安全系數(shù)來(lái)判斷的，安全系數(shù)計(jì)算公式為：
[0023]
(1)
[0024] 式中；c、巧分別是巖±體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角；T和o分別為剪切面上的有效法 向應(yīng)力與有效剪切應(yīng)力；Fs為安全系數(shù)。
[0025] 根據(jù)建立的海底斜坡地質(zhì)力學(xué)模型，選取海底斜坡的一部分進(jìn)行受力分析，由極 限平衡理論可知：
[002引式中，0 ?為巖±體自重應(yīng)力；0hp為海水作用在坡頂?shù)撵o水壓力（面力）；0P為 海水作用在坡體內(nèi)的孔隙水壓力（體力）；0 6P為水合物分解產(chǎn)生的超孔隙壓力；Ys為沉 積物層的容重；Y?為水的容重；a為地震加速度；目為潛在滑移面的傾角；hi為海平面至斜 坡頭部的深度；h2為海平面至水合物帶頭部的深度；h3為海平面至斜坡尾部的深度；h4為海 平面至水合物帶尾部的深度。
[0029] 所述改進(jìn)有限元強(qiáng)度折減法包括W下步驟：
[0030] 1)根據(jù)海底斜坡數(shù)值計(jì)算模型，定義本構(gòu)關(guān)系和海底斜坡沉積物的性質(zhì)，定義邊 界條件和初始條件，確定強(qiáng)度折減系數(shù)的計(jì)算精度和上下限，計(jì)算海底斜坡初始應(yīng)力場(chǎng)，初 步分析斜坡的變形和應(yīng)力，并記錄最大變形；
[0031] 2)增大強(qiáng)度折減系數(shù)Fg，按照式（4)計(jì)算折減后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，然后將折減后 的參數(shù)賦給數(shù)值計(jì)算模型，重新計(jì)算，并記錄計(jì)算收斂后的海底斜坡最大變形和塑性應(yīng)變 發(fā)展情況；
[0032]
(4)
[003引式中，F(xiàn),為強(qiáng)度折減系數(shù)；C和許分別表示材料實(shí)際的粘聚力和內(nèi)摩擦角；C'和 夢(mèng)'分別表示材料折減后的粘聚力和內(nèi)摩擦角；
[0034] 3)重復(fù)第2)步，不斷增大Fg值，對(duì)海底斜坡沉積物的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，直 至計(jì)算模型不收斂，則認(rèn)為海底斜坡發(fā)生失穩(wěn)破壞；斜坡安全系數(shù)即為發(fā)散前一步計(jì)算的Fs值；對(duì)于本身就不穩(wěn)定的海底斜坡，在第1)步計(jì)算中就不會(huì)收斂，因此在進(jìn)行第2)步和 第3)步計(jì)算時(shí)，應(yīng)將Fg逐漸減小，直至計(jì)算收斂、斜坡重新穩(wěn)定。
[0035] 所述收斂條件的設(shè)定原則為：在計(jì)算過(guò)程中將每次循環(huán)的計(jì)算時(shí)步設(shè)置為30000 步，不平衡率上限值設(shè)置為10 5,減少人為因素帶來(lái)的誤差，W每次計(jì)算循環(huán)后的不平衡率 值是否小于10 5作為收斂條件。
[0036] 本發(fā)明定量分析深水區(qū)天然氣水合物分解對(duì)海底斜坡不穩(wěn)定的影響關(guān)系，采用極 限平衡與有限元相結(jié)合的方法對(duì)海底斜坡的失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行建模與數(shù)值分析，通過(guò)海底斜坡 穩(wěn)定性的影響因子指標(biāo)體系來(lái)構(gòu)建海底斜坡的地質(zhì)力學(xué)模型；基于摩爾一庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則 提出評(píng)價(jià)海底斜坡穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)方法，進(jìn)而通過(guò)有限元數(shù)值模擬手段，探討天然氣水合物 分解作用下海底斜坡穩(wěn)定性影響因子的敏感性、海底斜坡的穩(wěn)定性W及失穩(wěn)演化過(guò)程。
[0037] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，先根據(jù)海底斜坡賦存的地