瓊東南陸坡區(qū)復(fù)雜地形深水井場海底穩(wěn)定性評(píng)估*

歐陽敏 吳 濤 李 列 李 林 邱 宇 朱 其

（1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057； 2.成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院 四川成都 610059）

海底滑坡是海底巖石或沉積物在各類觸發(fā)因素下發(fā)生失穩(wěn)破壞，并在重力作用下向邊坡下運(yùn)動(dòng)的一種地質(zhì)現(xiàn)象，多發(fā)生在具有較大的坡角的陸架坡折帶及以下海域［1-4］。瓊東南陸坡區(qū)的油氣和天然氣水合物資源十分豐富［5］，是我國重要的勘探開發(fā)區(qū)域。然而，該區(qū)域坡角較大且海底土強(qiáng)度低、松軟易變形，很容易發(fā)生海底失穩(wěn)，一旦發(fā)生滑坡，則可能嚴(yán)重破壞海底井口和海底管道等水下結(jié)構(gòu)物，引起井口傾覆和管線折斷［6］等重大損失。因此，瓊東南陸坡區(qū)的鉆井必須考慮海底滑坡的問題。

海底地質(zhì)調(diào)查是預(yù)防海底滑坡的重要手段，其調(diào)查內(nèi)容主要包括多波束水深測量、海底土取樣、原位測試、高分辨地震和淺地層剖面探測等［7-10］。海底滑坡評(píng)估需要綜合利用以上各種資料，其中，現(xiàn)有滑坡的識(shí)別可以利用海底地形地貌資料、淺地層剖面以及地震資料來完成，而海底邊坡穩(wěn)定性的定量評(píng)價(jià)則需要借助力學(xué)手段。目前，邊坡穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)分析方法主要包括極限平衡法、數(shù)值模擬法和概率法［11-14］。3種方法各有優(yōu)劣：極限平衡法是目前工程實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛的、計(jì)算過程相對(duì)簡單的一種定量分析方法，不過該方法忽略了滑坡體的內(nèi)部形變，分析時(shí)需假定滑動(dòng)面，只適用于簡單的邊坡分析；概率法采用可靠性理論分析海底滑坡在特定時(shí)間內(nèi)發(fā)生的概率，但無法給出滑動(dòng)面的形狀以及無法揭示海底滑坡發(fā)生的力學(xué)本質(zhì)；數(shù)值模擬法以土體本構(gòu)模型為基礎(chǔ)，可計(jì)算海底邊坡的變形和穩(wěn)定性，與強(qiáng)度折減法配合使用可計(jì)算安全系數(shù)，該方法可以考慮多種因素的影響，適用于復(fù)雜邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。本研究即采用了數(shù)值模擬法分析深水井場海底穩(wěn)定性。

目前針對(duì)深水陸坡井場，特別是考慮鉆井影響的海底邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面的研究較少。本文基于FLAC 3D強(qiáng)度折減法建立了海底穩(wěn)定性計(jì)算方法，分析邊坡安全系數(shù)的影響因素，并以位于瓊東南陸坡區(qū)的寶島某深水井場為例，考慮海底淺層土強(qiáng)度的垂向非均質(zhì)性的影響，利用強(qiáng)度折減法計(jì)算海底邊坡安全系數(shù)，研究井口返出巖屑和鉆井振動(dòng)對(duì)海底邊坡穩(wěn)定性的影響及井口周圍海底邊坡的穩(wěn)定性，優(yōu)選鉆井井位。

1 深水井場海底穩(wěn)定性評(píng)估方法

1.1 基于FLAC 3D強(qiáng)度折減法的邊坡安全系數(shù)計(jì)算

FLAC 3D是一款基于顯式有限差分法的巖土工程數(shù)值模擬軟件，可用于邊坡穩(wěn)定性分析。極限平衡法中基于抗滑力與滑動(dòng)力比值的安全系數(shù)定義很難直接用于數(shù)值模擬［15］，因此通常采用將強(qiáng)度折減法與彈塑性數(shù)值方法相結(jié)合的邊坡穩(wěn)定性分析方法計(jì)算邊坡安全系數(shù)，其基本原理是先引入某一強(qiáng)度折減系數(shù)將土體的抗剪強(qiáng)度（黏聚力和內(nèi)摩擦角）進(jìn)行折減，得到折減后的強(qiáng)度參數(shù)［16］為

式（1）中：τf為土體抗剪強(qiáng)度，kPa；c0為折減前的黏聚力，kPa；φ0為折減前的內(nèi)摩擦角，（°）；F為強(qiáng)度折減系數(shù)；σ為剪切面上的正應(yīng)力，kPa。

1.2 深水鉆井對(duì)海底邊坡穩(wěn)定性的影響分析

深水鉆井對(duì)海底邊坡來說是一種工程擾動(dòng)，主要通過以下2個(gè)作用影響海底穩(wěn)定性。

1.2.1 水下井口裝置和鉆井返出巖屑的重力載荷

深水鉆井時(shí)的高壓井口頭、水下防噴器等井口裝置坐在表層導(dǎo)管上，表層導(dǎo)管下入海底以下數(shù)十米的深度，這樣水下井口的重量可通過表層導(dǎo)管與淺層土之間的相互作用支撐，因此，水下井口的重力載荷對(duì)海底邊坡穩(wěn)定性的影響較小。

深水鉆井中，表層套管井段為開眼循環(huán)鉆井，返出巖屑直接堆積在海床上，因此與水下井口裝置相比，井口返出巖屑對(duì)海底穩(wěn)定性的影響更大，井口返出巖屑的質(zhì)量為

式（2）中：Ws為井口返出巖屑的質(zhì)量，t；ρs為土體密度，t／m3；D1和D2為導(dǎo)管段的井眼直徑，m；H1和H2分別為導(dǎo)管段和表層套管段的井深，m。

返出巖屑在海床面產(chǎn)生的附加重力載荷可能誘發(fā)海底邊坡失穩(wěn)，此時(shí)坡面處的附加正應(yīng)力和剪應(yīng)力為

式（3）中：β為邊坡坡角，（°）；Fn和Ft分別為重力載荷分解產(chǎn)生的法向力和切向力，N；σn和σt分別為坡面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，Pa；A為井口返出巖屑在海底的分布面積，m2。

1.2.2 鉆井振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載荷

深水鉆井過程中，表層導(dǎo)管通過噴射方法下入，高壓射流對(duì)淺層土的破碎作用會(huì)在井眼附近產(chǎn)生動(dòng)載荷，表層導(dǎo)管安裝完成后，后續(xù)井段則通過鉆頭鉆進(jìn)，鉆頭在鉆壓和旋轉(zhuǎn)作用下破碎地層，同樣將產(chǎn)生一定強(qiáng)度的動(dòng)載荷，可能誘發(fā)邊坡失穩(wěn)。

1.3 海底邊坡安全系數(shù)分析

導(dǎo)致海底滑坡的原因包括海底土抗剪強(qiáng)度降低和剪應(yīng)力增加2種：坡角和土體密度主要影響剪應(yīng)力；不排水抗剪強(qiáng)度則主要反映土體抵剪切破壞的能力。這里以二維均質(zhì)邊坡為例，通過數(shù)值模擬分析自然狀態(tài)下坡角、土體不排水強(qiáng)度和密度對(duì)安全系數(shù)的影響。

1.3.1 邊坡穩(wěn)定性模型建立

二維均質(zhì)邊坡長100 m，坡頂高40 m，坡頂長20 m，建模時(shí)通過調(diào)整坡底高度研究坡角對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響。坡角20°時(shí)的邊坡幾何模型示意圖如圖1所示。

圖1 二維均質(zhì)邊坡模型示意圖Fig.1 Schematic of two-dimensional homogeneous slope model

采用平面應(yīng)變模型求解，模型底部為固定邊界，左右側(cè)面的法向位移為0，坡面設(shè)為自由邊界。令坡頂和坡面處的孔隙壓力等于0，模型底面為非滲透邊界條件，整個(gè)模型的初始孔隙壓力等于靜水壓力，然后對(duì)整個(gè)模型施加由土體自重引起的體積力，計(jì)算時(shí)土體密度取值1 400～2 100 kg／m3，土體不排水抗剪強(qiáng)度5～50 kPa。

1.3.2 邊坡安全系數(shù)分析

圖2 坡角、土體密度和強(qiáng)度對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響Fig.2 Effect of slope angle，soil density and undrained shear strength on slope factor of safety

坡角、土體不排水強(qiáng)度和密度對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響如圖2所示。①在不同的不排水抗剪強(qiáng)度下，安全系數(shù)隨邊坡坡角的增大而逐漸降低：坡角越小，邊坡安全系數(shù)的下降越快；坡角逐漸增大，邊坡安全系數(shù)的下降變緩，最后趨于平穩(wěn)。表明邊坡安全系數(shù)對(duì)于低緩坡的坡角變化具有更大的敏感性。②安全系數(shù)與不排水抗剪強(qiáng)度呈線性正相關(guān)關(guān)系，這與安全系數(shù)的定義相吻合，表明土體不排水抗剪強(qiáng)度的增大加強(qiáng)了邊坡的抗破壞能力。③安全系數(shù)與土體密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即安全系數(shù)隨土體密度的增大而減小，且坡角越小，土體密度對(duì)安全系數(shù)的影響越大，不過與坡角和土體強(qiáng)度相比，土體密度對(duì)安全系數(shù)的影響相對(duì)較小。

2 陸坡區(qū)深水井場海底穩(wěn)定性評(píng)估

陸坡區(qū)海底地形非常復(fù)雜，僅分析單一均質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性無法滿足滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估要求。以瓊東南陸坡區(qū)寶島某深水井場為例，探索復(fù)雜地形深水井場的滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。

2.1 深水井場水深及工程地質(zhì)條件

2.1.1 井場水深及海底地形

采用自主水下機(jī)器人對(duì)5 km×5 km范圍內(nèi)的海底地形進(jìn)行多波束井場調(diào)查，以獲得精細(xì)海底水深圖。有圖3a可見，井場水深范圍242.3～1 292.9 m，最大高差1 050.6 m，地形起伏很大；井場整體由西北向東南方向傾斜，海底發(fā)育多條西北—東南走向的海底峽谷，鮮見平坦區(qū)域。為減輕溝谷中可能存在的海底濁流對(duì)井口的沖刷，在兼顧鉆探目的層位置的前提下，目標(biāo)井位選在靠近海底峽谷的脊部，此處水深約為916.5 m。

由圖3b可見，海底坡角范圍較大為0°～65°，且多數(shù)區(qū)域的坡角30°以上表明存在著很多陡崖。目標(biāo)井位海底坡角約4.5°，井位方圓200 m內(nèi)的最大高差達(dá)130 m，說明存在一定的滑坡風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 寶島某深水井場水深（a）及海底坡角（b）Fig.3 Water depth and seafloor slope of Baodao deep water drilling site

2.1.2 淺層地質(zhì)情況

圖4為目標(biāo)井位附近過1號(hào)取樣站位（距目標(biāo)井位西南方向60 m處）的淺地層剖面，可以看到明顯的滑塌體的存在?；w底部滑移面很清晰，因此海底穩(wěn)定性分析時(shí)應(yīng)特別注意此界面上下地層性質(zhì)的變化。

2.1.3 海底土的土體工程參數(shù)

在目標(biāo)井位附近共取得6個(gè)站位長1.3～3.3 m的海底土柱狀樣，測試表明該海底土為軟淤泥和粉質(zhì)黏土，濕容重14.4～18.3 k N／m3，且濕容重在海底以下深度0.3～0.4 m左右突然增大；海底表層土的不排水抗剪強(qiáng)度很低（1.0～2.0 kPa），但當(dāng)埋深大于0.4 m后，絕大多數(shù)樣品的不排水抗剪強(qiáng)度突然增至20 kPa以上。

為了更準(zhǔn)確地評(píng)估海底滑坡風(fēng)險(xiǎn)，可以采取配合靜力觸探試驗(yàn)（cone penetration testing，CPT）獲取表層土以下地層土體工程參數(shù)的方法。現(xiàn)場試驗(yàn)中CPT的最大貫入深度25.4 m，測得的土質(zhì)類型和不排水抗剪強(qiáng)度見圖5?？梢钥闯?，海底土不排水抗剪強(qiáng)度隨深度的增加呈逐漸增大的趨勢；在0.45 m深度處，海底土質(zhì)類型由非常軟的淤泥變?yōu)樯杂驳姆圪|(zhì)黏土，相應(yīng)地不排水抗剪強(qiáng)度也發(fā)生突變；深度小于0.45 m的表層土強(qiáng)度介于1.0～2.0 kPa；當(dāng)深度大于0.45 m時(shí)，海底土強(qiáng)度迅速增至22.0 kPa。在15.2 m深度處的地層中存在含砂薄層，薄層強(qiáng)度與上下黏土相比強(qiáng)度較大。在21.2 m深度處，海底土變?yōu)榉浅Ｓ驳姆圪|(zhì)黏土，不排水抗剪強(qiáng)度突然增至100 kPa以上。

圖4 寶島某深水井場過1號(hào)取樣站位的淺地層剖面Fig.4 Sub-bottom profile across sampling location No.1 of Baodao deep water drilling site

圖5 海底土不排水抗剪強(qiáng)度隨深度的變化Fig.5 Variation of undrained shear strength of submarine soils versus depth

雖然CPT得到了海底以下25.4 m的淺層土的不排水抗剪強(qiáng)度，但準(zhǔn)確計(jì)算邊坡安全系數(shù)的深度依然不夠。為此，本文對(duì)墨西哥灣［18］、挪威Ormen Lange［19］、荔灣3-1［17］、陵水17-2等深水油氣田井場淺層土不排水抗剪強(qiáng)度的多次CPT測試結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算，對(duì)松濤、陵水15-2、寶島等深水油氣田井場淺層土不排水抗剪強(qiáng)度的單次CPT測試結(jié)果進(jìn)行分段擬合，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，雖然沉積環(huán)境和地質(zhì)條件的不同會(huì)導(dǎo)致海底土不排水抗剪強(qiáng)度的差異，但海底土不排水抗剪強(qiáng)度與深度基本成線性或分段線性的關(guān)系，由此可推算海底淺層土體不排水抗剪強(qiáng)度的下限：

式（4）中：qul為不排水抗剪強(qiáng)度下限，kPa；z為海底以下深度，m。令=1.0，則可在圖6中繪制出海底淺層土不排水抗剪強(qiáng)度的下包絡(luò)線。

由于機(jī)械壓實(shí)作用是淺部地層土體不排水抗剪強(qiáng)度隨深度變化的根本原因，因此假設(shè)大于25.4 m深度土體的壓實(shí)規(guī)律與強(qiáng)度下限的土體壓實(shí)規(guī)律相同（不排水抗剪強(qiáng)度隨深度變化的斜率相同），根據(jù)CPT的測試數(shù)據(jù)，即25.4 m深度處的土體不排水抗剪強(qiáng)度110.0 kPa，可得深度大于25.4 m的土體不排水抗剪強(qiáng)度qu的估算式：

為了不過高地估計(jì)海底邊坡安全系數(shù)，在沒有CPT數(shù)據(jù)的深度范圍內(nèi)（水深大于25.4 m），可利用淺層土不排水抗剪強(qiáng)度的下限計(jì)算邊坡的安全系數(shù)，如果算得的安全系數(shù)大于1.0，則可有效保證不發(fā)生海底滑坡。

圖6 不同海域海底土不排水抗剪強(qiáng)度剖面Fig.6 Variation of undrained shear strength of submarine soils versus depth from different areas

2.2 井場海底穩(wěn)定性二維數(shù)值模擬

采用靜力學(xué)方法，可以分析自重和井口返出巖屑在海床面處引起的附加載荷對(duì)海底邊坡穩(wěn)定性的影響；采用動(dòng)力學(xué)方法，可以分析鉆井振動(dòng)對(duì)海底邊坡穩(wěn)定性的影響。

2.2.1 海底邊坡穩(wěn)定性的靜力學(xué)分析

在做海底邊坡穩(wěn)定性的靜力學(xué)分析時(shí)，假設(shè)：①不考慮土體不排水抗剪強(qiáng)度的橫向非均質(zhì)性；②不考慮土體滲流作用，但考慮靜態(tài)孔隙壓力作用，即采用有效應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

1）計(jì)算模型。

選擇過井位坡角最大的沿脊軸方向的AA′剖面作為建模剖面，由于脊部寬度較小且兩邊坡角較大，需要再選擇過脊部兩側(cè)坡面的BB′剖面來評(píng)估該方向的滑坡風(fēng)險(xiǎn)，剖面位置如圖7所示。

圖7 二維邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬計(jì)算剖面位置示意圖Fig.7 Location profiles for two-dimensional numerical simulation of submarine slope stability

根據(jù)CPT測試結(jié)果及海底土不排水抗剪強(qiáng)度估算式（5）建立海底土不排水抗剪強(qiáng)度垂向剖面，模型的邊界條件、初始條件與二維均質(zhì)邊坡模型相同。在坡面施加井口返出巖屑導(dǎo)致的附加載荷，當(dāng)?shù)貙悠骄芏? 000 kg／m3，φ914 mm的導(dǎo)管下入深度100 m，φ208 mm表層套管下入深度800 m時(shí)，井口返出巖屑的質(zhì)量474.7 t，此處按500 t計(jì)算。

2）臨界失穩(wěn)時(shí)的塑性區(qū)和潛在滑移面。

圖8為海底邊坡臨界失穩(wěn)時(shí)的剪切塑性屈服情況。對(duì)于AA′剖面，臨界失穩(wěn)時(shí)井口附近和脊部兩側(cè)邊坡都發(fā)生了不同程度的塑性屈服，表明這3處是滑坡風(fēng)險(xiǎn)較大區(qū)域，井口附近的塑性破壞是由井口返出巖屑導(dǎo)致的附加載荷造成的，脊部兩側(cè)邊坡的塑性破壞則是由于坡角過大造成的。對(duì)于BB′剖面，強(qiáng)度折減后，井口附近、上部邊坡及下部約320 m處的邊坡均出現(xiàn)了不同程度的塑性破壞，最大可能的失穩(wěn)發(fā)生在井位和兩側(cè)邊坡處。

室內(nèi)三軸實(shí)驗(yàn)表明，土體破裂面與剪應(yīng)變破壞帶基本一致［20］，因此可以用剪應(yīng)變?cè)隽孔R(shí)別剪切帶，并以此判斷潛在的滑坡體和滑移面。圖9為海底邊坡臨界失穩(wěn)時(shí)的剪應(yīng)變?cè)隽考八俣仁噶?。?duì)于AA′剖面，井口附近和上部邊坡處的剪應(yīng)變?cè)隽亢艽?，說明這2處有滑動(dòng)趨勢，且上部邊坡處形成了非常明顯的滑移面，滑移面的最大深度約20 m。由速度矢量圖可知，剪應(yīng)變?cè)隽吭酱?，速度也越大，且速度矢量指向下坡方向。?duì)于BB′剖面，最大剪應(yīng)變?cè)隽砍霈F(xiàn)在井口附近。另外，兩側(cè)陡坎也有向下滑動(dòng)的趨勢，不過滑坡體的體積較小。

參考GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》的邊坡安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為通過二維模型計(jì)算得到的AA′和BB′剖面的安全系數(shù)1.33和1.64已達(dá)到二級(jí)邊坡安全等級(jí)，寶島深水井場的滑坡風(fēng)險(xiǎn)較小。

2.2.2 鉆井振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

鉆井振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響包括鉆桿活動(dòng)、鉆頭破碎地層和表層噴射導(dǎo)管的噴射作用等，但由于難以精確計(jì)算這些作用產(chǎn)生的地層振動(dòng)，為了簡化問題，這里通過在井眼范圍內(nèi)施加具有不同峰值速度的橫向和垂向正弦振動(dòng)速度載荷（頻率20 Hz）模擬鉆井過程中井眼周圍的鉆井振動(dòng)。為分析地層質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)導(dǎo)致的慣性動(dòng)載荷對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，這里采用動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算。在安全系數(shù)小的AA′剖面選擇6個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)，距目標(biāo)井位的距離依次為214.8、81.8、5.0、156.2、360.2和408.2 m（監(jiān)測點(diǎn)1、2、3位于目標(biāo)井位上方，其余位于目標(biāo)井位下方），根據(jù)每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位移隨時(shí)間的變化判斷鉆井振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

采用不同的垂向和橫向振動(dòng)峰值速度進(jìn)行計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，海底邊坡剛開始失穩(wěn)時(shí)對(duì)應(yīng)的垂向和橫向振動(dòng)峰值速度分別為0.38 m／s和0.25 m／s，各監(jiān)測點(diǎn)隨時(shí)間的變化見圖10。可以看出，當(dāng)垂向峰值速度達(dá)到0.38 m／s時(shí)，雖然其他監(jiān)測點(diǎn)位移趨于穩(wěn)定，但監(jiān)測點(diǎn)3處的位移隨時(shí)間卻逐漸增大，表明此處有持續(xù)發(fā)生滑動(dòng)的趨勢；而對(duì)于橫向振動(dòng)，當(dāng)峰值速度達(dá)到0.25 m／s時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)3的位移開始逐漸增大，此時(shí)邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)也隨之升高。與垂向振動(dòng)相比，橫向振動(dòng)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)處的位移相對(duì)較大，邊坡失穩(wěn)時(shí)的峰值速度更小，表明鉆井橫向擾動(dòng)時(shí)邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)比垂向擾動(dòng)更大。參考GB／T 17742—2008《中國地震烈度表》，橫向和垂向擾動(dòng)下邊坡開始失穩(wěn)時(shí)的峰值速度分別對(duì)應(yīng)于地震烈度表中的8級(jí)烈度和9級(jí)烈度，這么大的峰值速度很難通過鉆井產(chǎn)生，因此鉆井?dāng)_動(dòng)引起的海底滑坡風(fēng)險(xiǎn)非常小。

2.3 井場海底穩(wěn)定性三維數(shù)值模擬

寶島井場地形崎嶇復(fù)雜，坡角變化很大，不同區(qū)域的滑坡風(fēng)險(xiǎn)高低不同。為了評(píng)估井口周圍坡體對(duì)井口穩(wěn)定性的影響，可以采用三維數(shù)值模擬識(shí)別滑體，并根據(jù)滑體區(qū)域位置及滑動(dòng)方向分析周圍坡體滑動(dòng)對(duì)井口的影響。

2.3.1 三維模型

三維模型寬3 km，沿陸坡方向長9 km，如圖11所示。三維模型的假設(shè)與二維模型相同，計(jì)算時(shí)需要約束模型的底面位移和四周的法向位移，并施加自重引起的初始地應(yīng)力。

在三維模型中，海底土不排水抗剪強(qiáng)度的垂向非均質(zhì)性可以通過CPT測試結(jié)果（不大于25.4 m的淺層土）和式（5）（大于25.4 m的淺層土）計(jì)算獲得；而對(duì)于其平面非均質(zhì)性，由于CPT測試點(diǎn)和重力取樣點(diǎn)很少，無法通過插值等方法得到不排水抗剪強(qiáng)度在平面內(nèi)的變化規(guī)律，因此模型計(jì)算時(shí)未作考慮。

2.3.2 結(jié)果分析

三維模型計(jì)算得到的邊坡安全系數(shù)為1.61。圖12為邊坡臨界失穩(wěn)時(shí)的最大剪應(yīng)變?cè)隽繄D，可以看出，最大剪應(yīng)變的位置為滑移面，滑移面之上的地層為3個(gè)潛在滑坡體，不過井位所在的位置并不在潛在滑坡體內(nèi)，滑坡風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。

速度矢量可指示滑坡體的滑動(dòng)方向，通過位移大小也可大致判斷滑坡體的可能位置。從圖13的海底位移和速度矢量圖可以看出，井場中出現(xiàn)了3處位移增大的區(qū)域，并與潛在滑坡體基本吻合，位于井口西南方向的邊坡速度較大，因此滑坡的風(fēng)險(xiǎn)也較大，不過該處邊坡順著坡面向下滑動(dòng)，對(duì)井口安全影響較小。

圖11 井場海底穩(wěn)定性模型Fig.11 Submarine stability model

圖12 三維數(shù)值模擬邊坡臨界失穩(wěn)時(shí)的最大剪應(yīng)變?cè)隽考皾撛诨麦wFig.12 Three-dimensional numerical simulation-max shear strain increment and potential landslide mass of submarine slope when losing stability

圖13 三維數(shù)值模擬邊坡臨界失穩(wěn)時(shí)的位移及速度矢量Fig.13 Three-dimensional numerical simulation-displacement and velocity vectors of submarine slope when losing stability

3 結(jié)論與建議

1）邊坡安全系數(shù)與坡角、土體密度和不排水抗剪強(qiáng)度有關(guān)。邊坡的坡角越大，相應(yīng)的安全系數(shù)越低，且坡角越小時(shí)，安全系數(shù)對(duì)邊坡坡角的變化越敏感；邊坡處的土體密度越大，相應(yīng)的安全系數(shù)越小，且坡角越小時(shí)土體密度的變化對(duì)安全系數(shù)的影響越顯著；土的不排水抗剪強(qiáng)度越大，邊坡安全系數(shù)也越大，且兩者之間成線性關(guān)系。

2）深水鉆井對(duì)海底邊坡穩(wěn)定性的影響主要包括井口附加載荷以及鉆井振動(dòng)，返出巖屑引起的附加載荷降低了海底邊坡安全系數(shù)，增加了井口附近海底邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)；鉆井橫向擾動(dòng)比垂向擾動(dòng)更易引起海底滑坡，但所需的峰值速度較高，因此很難引起海底邊坡的失穩(wěn)。

3）二維模型計(jì)算得到的過井位的邊坡最小安全系數(shù)為1.33，表明滑坡風(fēng)險(xiǎn)較??；三維模型計(jì)算結(jié)果表明，目標(biāo)井位不在潛在滑坡體內(nèi)，且周圍滑坡體的滑動(dòng)對(duì)井口影響較小。

4）土體強(qiáng)度是海底邊坡穩(wěn)定性評(píng)估的重要影響因素，為了提高邊坡安全系數(shù)的計(jì)算精度，應(yīng)考慮土體強(qiáng)度的垂向和橫向變化，在不連續(xù)反射結(jié)構(gòu)、淺層斷層和雜亂反射區(qū)應(yīng)適當(dāng)加密采樣和CPT站位，而在地層連續(xù)性好的穩(wěn)定沉積區(qū)域則僅需布置少量站位，而且CPT貫入深度則應(yīng)超過軟弱面、不整合面或斷層面等土體強(qiáng)度可能發(fā)生突變的地層界面。