基于兩步折減法的含天然氣水合物沉積物海底斜坡穩(wěn)定性分析

趙亞鵬 孔 亮 劉樂樂 袁慶盟 劉佳棋

1. 青島理工大學(xué)理學(xué)院 2. 青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院3. 自然資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所4.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室

0 引言

作為一種能量密度高、環(huán)境污染小、分布廣泛的新型能源，天然氣水合物（以下簡稱水合物）受到世界各國的密切關(guān)注[1]。當(dāng)水合物儲(chǔ)層的溫壓環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，水合物就會(huì)發(fā)生分解，其膠結(jié)作用消失并產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，水合物及其周圍地層強(qiáng)度降低，進(jìn)而引發(fā)各種地質(zhì)災(zāi)害[2-5]。同時(shí)這些地質(zhì)災(zāi)害往往以“災(zāi)害鏈”的形式存在[6]，伴隨災(zāi)害范圍的不斷擴(kuò)大，最終誘發(fā)長期的、大規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害[7]，而以水合物分解為主導(dǎo)因素的海底滑坡就是其中的典型代表。

對(duì)于普通的陸地邊坡，目前已經(jīng)進(jìn)行了較為深入的研究。針對(duì)邊坡穩(wěn)定性問題，廣泛采用極限平衡法和數(shù)值分析法[8-9]進(jìn)行分析，同時(shí)基于不同考慮角度，衍生出一系列的細(xì)化研究方法，如極限平衡法中的簡化Bishop法[10]、Janbu法[11]、基于塑性力學(xué)的上限分析法[12]等。數(shù)值分析方法中，則以強(qiáng)度折減法為代表，得到了廣泛的應(yīng)用[13-14]。與陸地邊坡相比，海底斜坡具有更為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，但是兩者仍具有諸多共性，可以采用類似的研究方法進(jìn)行分析，如年廷凱等[15-16]基于極限分析上限方法對(duì)海底斜坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析；Song等[17-18]以水合物分解影響為出發(fā)點(diǎn)，采用強(qiáng)度折減法對(duì)不同考慮因素下的海底斜坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；Kong等[19]基于強(qiáng)度折減法對(duì)海底斜坡進(jìn)行了多因素敏感性分析；修宗祥等[20]以南海海底斜坡為研究對(duì)象，分別采用極限平衡法和強(qiáng)度折減法進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)兩種方法結(jié)果一致。

整體而言，目前對(duì)于水合物分解影響下的海底斜坡穩(wěn)定性問題，較多的研究者采用了強(qiáng)度折減法，其存在著以下不足：①以強(qiáng)度折減法所得安全系數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，缺乏對(duì)于初始地應(yīng)力平衡基礎(chǔ)上的水合物分解影響效果研究；②多數(shù)研究規(guī)避了初始地應(yīng)力平衡的問題，而初始地應(yīng)力平衡顯然與水合物分解之間有著直接的關(guān)系，因此如何實(shí)現(xiàn)初始地應(yīng)力平衡、水合物分解、強(qiáng)度折減三者的有效統(tǒng)一，就成為問題的關(guān)鍵；③對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下海底斜坡的多因素影響研究不足，專門針對(duì)含水合物沉積物海底斜坡的多因素分析較為鮮見，尤其是斜坡傾角與安全系數(shù)之間的關(guān)系有待于進(jìn)一步研究。為了解決上述問題，筆者提出將初始地應(yīng)力平衡、水合物分解、強(qiáng)度折減統(tǒng)一考慮的“兩步折減法”，并利用該方法對(duì)含水合物沉積物的海底斜坡穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合研究。

1 兩步折減法

1.1 強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法最早由Zienkiewicz等[21]提出，作為一種邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，其原理簡單、物理意義明確、評(píng)價(jià)指標(biāo)直觀，因而被許多學(xué)者廣泛采用。折減后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)可表示為：

式中cm和φm表示維持平衡所需要的或土體實(shí)際發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度，單位分別為kPa和（°）；c和φ表示土體所能夠提供的抗剪強(qiáng)度，單位分別為kPa和（ ）；Fr表示強(qiáng)度折減系數(shù)，無量綱。

在有限元分析中，首先假定不同的Fr，根據(jù)折減之后的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，在計(jì)算過程中不斷增加Fr的值，直至達(dá)到臨界破壞，而破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的Fr就是邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)。

1.2 兩步折減法

在進(jìn)行強(qiáng)度折減時(shí)，一般需要先進(jìn)行初始地應(yīng)力的平衡，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行強(qiáng)度折減。對(duì)于絕大多數(shù)的研究對(duì)象，如邊坡，其在長期的地質(zhì)作用下已經(jīng)達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)，可以認(rèn)為邊坡的力學(xué)參數(shù)保持不變，當(dāng)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度折時(shí)，只需對(duì)其進(jìn)行初始地應(yīng)力的平衡，再進(jìn)行強(qiáng)度折減即可。而對(duì)于一些近期經(jīng)受過擾動(dòng)影響（如地震、爆破等）的地質(zhì)對(duì)象，由于擾動(dòng)作用，其力學(xué)參數(shù)發(fā)生了一定的變化。因此，有如下考慮：①由于時(shí)間上的不足，其遠(yuǎn)未達(dá)到重新的地應(yīng)力平衡，如果將新的力學(xué)參數(shù)賦予地質(zhì)對(duì)象，再進(jìn)行初始地應(yīng)力的平衡和強(qiáng)度折減顯然與實(shí)際情況不符；②根據(jù)研究目的的不同，所需研究內(nèi)容可能就是初始地應(yīng)力平衡基礎(chǔ)之上的擾動(dòng)影響分析；③對(duì)于擾動(dòng)地質(zhì)對(duì)象所發(fā)生的力學(xué)參數(shù)變化，可能是整體性的，也可能是局部巖層的。

基于以上分析并結(jié)合ABAQUS強(qiáng)度折減實(shí)現(xiàn)方式，提出兩步折減法（經(jīng)過前期工作，初始地應(yīng)力平衡采用“自動(dòng)地應(yīng)力平衡法”），將上述考慮因素進(jìn)行“歸一化”處理。主要步驟如下：

1）增加場變量，將需要進(jìn)行初始平衡時(shí)的各巖層力學(xué)參數(shù)設(shè)置為對(duì)應(yīng)場變量初值（需小于1）。

2）根據(jù)實(shí)際情況，將受擾動(dòng)影響后的力學(xué)參數(shù)賦予地質(zhì)對(duì)象整體或部分巖層，并設(shè)置為對(duì)應(yīng)場變量值“1”。

3）在場變量值“1”對(duì)應(yīng)力學(xué)參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)折減，賦予各場變量值對(duì)應(yīng)力學(xué)參數(shù)。

4）建立第一個(gè)分析步（初始平衡），并采用場變量初值對(duì)應(yīng)的力學(xué)參數(shù)。

5）建立第二個(gè)分析步，并進(jìn)行強(qiáng)度折減，折減至場變量值“1”。

6）建立第三個(gè)分析步，并進(jìn)行強(qiáng)度折減，折減至場變量終值。

當(dāng)需要對(duì)不同擾動(dòng)程度的影響效果進(jìn)行分析，或者對(duì)不同擾動(dòng)程度地質(zhì)對(duì)象進(jìn)行強(qiáng)度折減時(shí)，只需對(duì)擾動(dòng)巖層場變量值“1”對(duì)應(yīng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行修改即可。兩步折減法可用表示為：

式中c1和φ1表示受擾動(dòng)土體所能夠提供的抗剪強(qiáng)度，單位分別為kPa和（ ）；c和φ表示未受擾動(dòng)土體所能夠提供的抗剪強(qiáng)度，單位分別為kPa和（ ）；F(c)和F(φ)表示函數(shù)關(guān)系式，代表未受擾動(dòng)與受擾動(dòng)土體抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系，由實(shí)際情況或研究需要確定。

綜上所述，兩步折減法所解決的問題可概述為“變動(dòng)強(qiáng)度穩(wěn)定性分析”（如地震、爆破、水合物分解、堆載預(yù)壓等），尤其適用于部分區(qū)域強(qiáng)度變化的整體穩(wěn)定性對(duì)比分析。其主要優(yōu)勢在于：①避免了重復(fù)進(jìn)行地應(yīng)力平衡以及力學(xué)參數(shù)賦值；②可實(shí)現(xiàn)不同擾動(dòng)程度、不同擾動(dòng)形式（線性、非線性）邊坡穩(wěn)定性分析；③可實(shí)現(xiàn)小范圍強(qiáng)度變化的整體穩(wěn)定性分析；④通過包含多個(gè)分析步的單一“cae”文件實(shí)現(xiàn)初始地應(yīng)力平衡（第一個(gè)分析步）、擾動(dòng)影響（第二個(gè)分析步）以及強(qiáng)度折減（第三個(gè)分析步）的綜合分析。

1.3 邊坡失穩(wěn)判據(jù)

根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，邊坡失穩(wěn)判據(jù)一般有3種，分別為塑性區(qū)貫通、位移突變以及計(jì)算不收斂[22-23]。在強(qiáng)度折減過程中，3種判斷方法呈現(xiàn)時(shí)間上的遞進(jìn)關(guān)系，首先是邊坡底部塑性區(qū)形成并向上發(fā)展，最終塑性區(qū)貫通，接著邊坡頂點(diǎn)發(fā)生位移突變。隨強(qiáng)度進(jìn)一步折減，塑性區(qū)不斷擴(kuò)大，位移增加，導(dǎo)致邊坡大范圍失穩(wěn)，進(jìn)而引起計(jì)算不收斂。雖然3種判據(jù)所得安全系數(shù)存在差異，但是由塑性區(qū)貫通至計(jì)算不收斂，折減系數(shù)變化在5%以內(nèi)[24]。實(shí)際計(jì)算時(shí)只要采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所得安全系數(shù)即可作為定性或定量標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到前兩種方法需要結(jié)合云圖人為判定，筆者采取計(jì)算不收斂作為邊坡失穩(wěn)判定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

2 工程案例及模型建立

2.1 工程案例及適用性分析

工程案例以含水合物沉積物的海底斜坡為研究對(duì)象，探究在海水壓力作用下，水合物分解對(duì)海底斜坡穩(wěn)定性的影響。根據(jù)地質(zhì)情況[25-26]并結(jié)合相關(guān)研究成果[17,19]，在不考慮地震、海平面變化、人為擾動(dòng)等非常規(guī)因素影響時(shí)，可認(rèn)為其主要受斜坡角度、海水深度、水合物分解程度、水合物埋深與水合物厚度等因素影響。

水合物分解會(huì)引起水合物儲(chǔ)層力學(xué)參數(shù)的降低，因此，需要考慮的關(guān)鍵問題在于當(dāng)水合物分解程度不同時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的水合物儲(chǔ)層力學(xué)特性的變化；采用強(qiáng)度折減法對(duì)水合物分解后的邊坡進(jìn)行分析時(shí)，不同分解程度所對(duì)應(yīng)的基數(shù)“1”（宏觀海底斜坡整體力學(xué)參數(shù)）也不相同；此外，不同分解程度水合物儲(chǔ)層在分解之前的狀態(tài)是完全相同的（均是在上覆海水壓力以及自重應(yīng)力下的平衡狀態(tài)），因而不能簡單地將水合物分解后的力學(xué)參數(shù)賦予儲(chǔ)層后再進(jìn)行初始平衡和強(qiáng)度折減。通過以上分析，采用“兩步折減法”可以簡單而有效地解決上述含水合物沉積物海底斜坡問題。

2.2 模型建立

本文所建含水合物沉積物海底斜坡模型為二維平面模型（圖1），根據(jù)地震反射剖面圖以及似海底反射層（Bottom Simulating Reflector，縮寫為 BSR）位置（圖2），可確定水合物儲(chǔ)層埋深、厚度等實(shí)際尺寸。依據(jù)本文參考文獻(xiàn)[19,23]并考慮優(yōu)化，模型坡長1 800 m、坡角6°，模擬水深800 m，水合物儲(chǔ)層厚度30 m、埋深250 m，坡頂、坡底長800 m，模型總跨度3 390 m。將模型劃分為上覆巖層、水合物層、周圍巖層、下伏巖層共4層巖體，采用三角形平面應(yīng)變單元類型，并對(duì)水合物層進(jìn)行加密。本構(gòu)模型采用摩爾—庫侖模型，邊界條件為：模型左右邊界限制水平位移，模型底部邊界限制各個(gè)方向位移?？紤]到氣、固、液三相耦合的非確定性，同時(shí)強(qiáng)度折減主要與c、φ相關(guān)，因此本文假設(shè)水合物分解過程中水、氣可快速排出，不考慮孔隙壓力的影響，即模擬砂質(zhì)水合物儲(chǔ)層的分解過程。根據(jù)水合物力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)模擬研究成果[19,27-30]，經(jīng)試算模擬后，本文力學(xué)參數(shù)如表1所示，水合物飽和度為25%。

圖1 海底斜坡示意圖

圖2 地震反射剖面圖（框選區(qū)域深色為BSR）

表1 海底斜坡力學(xué)參數(shù)表

3 水合物分解影響

考慮到引起水合物分解的原因眾多，而地震、火山噴發(fā)、氣候變化、海平面下降等[6]都會(huì)引起溫壓環(huán)境的顯著變化，進(jìn)而造成水合物的大范圍分解，同時(shí)考慮到模型尺寸以及對(duì)“兩步折減法”的有效驗(yàn)證，本文水合物分解為儲(chǔ)層整體分解。圖3、4為統(tǒng)一圖例范圍后不同水合物分解程度下的垂直應(yīng)力、位移云圖，對(duì)圖中峰值數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，得到表2。由圖3、4及表2可知，水合物分解主要對(duì)位移云圖產(chǎn)生影響，對(duì)于應(yīng)力云圖的影響則較小，不同分解程度下的應(yīng)力云圖基本一致；水合物分解后，儲(chǔ)層上方產(chǎn)生了顯著的位移變化，由坡腳至坡頂位移逐漸增大，最大值出現(xiàn)在水合物上覆巖層坡頂區(qū)域。隨分解程度的增加，峰值區(qū)域逐漸由坡頂向坡腳擴(kuò)散。

表2 水合物不同分解程度的應(yīng)力、位移峰值表

圖3 水合物不同分解程度應(yīng)力云圖

圖4 水合物不同分解程度位移云圖

由于應(yīng)力峰值出現(xiàn)在模型底部，而水合物影響范圍有限，整體云圖中并不能體現(xiàn)出水合物分解對(duì)應(yīng)力場所造成的影響。因此有必要對(duì)水合物區(qū)域的應(yīng)力變化進(jìn)行分析，同時(shí)考慮深度方向上的應(yīng)力、位移變化，布設(shè)S1～S4共4條測線，S1沿水合物層方向，S2～S4則基本沿垂直方向（圖5）。

圖5 測線布設(shè)圖

3.1 橫向分析

圖6為S1測線應(yīng)力、位移變化曲線，橫坐標(biāo)藍(lán)色加粗為水合物儲(chǔ)層區(qū)域，坐標(biāo)200～2 000 m。由圖6-a可知，不同分解程度位移曲線呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，均是坡頂位移大于坡腳位移，最大位移出現(xiàn)在圖示坐標(biāo)500 m處，與位移云圖一致，即最大位移出現(xiàn)在距坡頂一定距離處；隨水合物分解程度的增加，測線整體位移不斷增大，峰值逐漸升高；值得注意的是水合物儲(chǔ)層下邊界處位移由初期的升高變?yōu)槎附担叶附捣入S分解程度的升高而增大。這是因?yàn)楫?dāng)水合物分解后，應(yīng)力釋放，下邊界處受到周圍巖層的“擠壓”作用（類似于采礦中的“底鼓”與“片幫”[31-32]）并產(chǎn)生“擠壓位移”，其與分解造成的“分解位移”相互影響，分解初期水合物儲(chǔ)層下邊界的“分解位移”相對(duì)“擠壓位移”要小，因此呈現(xiàn)升高的形態(tài)；隨著分解程度的增大，“分解位移”不斷增大，同時(shí)結(jié)合圖6-b，水平方向“擠壓位移”與“分解位移”方向相反，因此兩者疊加的總位移相較于“分解位移”要小得多，即呈現(xiàn)出陡降的形態(tài)。

由圖6-b可知，水平位移整體規(guī)律與圖6-a類似，不同的是在水合物儲(chǔ)層兩端位移為負(fù)值，測線整體則為正值。這表明，在水合物分解過程中水合物儲(chǔ)層水平位移沿儲(chǔ)層傾向正方向，兩端則沿傾向負(fù)方向，這是水合物分解后周圍巖層的“擠壓應(yīng)力”與斜坡坡面水壓共同作用的結(jié)果。由于斜坡的傾斜作用，坡面水壓對(duì)巖層具有沿傾向負(fù)方向的推力作用，水合物儲(chǔ)層下邊界在“擠壓應(yīng)力”與坡面水壓共同作用下產(chǎn)生了沿傾向負(fù)方向的水平位移；根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[33-34]，斜坡附加應(yīng)力存在非對(duì)稱性，越靠近斜面坡頂附加應(yīng)力越小，即水合物儲(chǔ)層上邊界的“擠壓應(yīng)力”遠(yuǎn)小于下邊界，因此上邊界沿傾向正方向的“擠壓應(yīng)力”被坡面水壓所影響，最終產(chǎn)生沿傾向負(fù)方向的水平位移；隨水合物分解程度的升高，兩端位移逐漸減小，由傾向負(fù)方向向正方向轉(zhuǎn)變，這表明水合物分解所引起的位移效果在不斷向兩端擴(kuò)展。

圖6 S1測線應(yīng)力、位移變化曲線圖

根據(jù)圖6-c，豎向位移變化規(guī)律與圖6-a、b一致，隨分解程度的增加，豎向位移不斷增大，整體呈現(xiàn)負(fù)值，即產(chǎn)生了向下的豎向位移。同樣在坡腳儲(chǔ)層下邊界處位移受水合物分解的影響較小，坡腳處位移的降低相對(duì)于6-a、b則要“平緩”，表明坡腳處位移的陡降主要由水平位移陡降所引起。

圖6-d為應(yīng)力變化規(guī)律圖。在水合物層上下邊界之外，應(yīng)力基本不受水合物分解的影響，而在水合物層，隨水合物分解程度的增加，應(yīng)力不斷降低，這與位移變化規(guī)律相反。當(dāng)水合物分解程度相對(duì)較低時(shí)，應(yīng)力曲線呈現(xiàn)坡頂高，坡腳低的趨勢，峰值同樣出現(xiàn)在圖示坐標(biāo)500 m處，這與位移曲線一致，而隨水合物分解程度的增加，應(yīng)力曲線逐漸趨于平緩，即水合物層區(qū)域應(yīng)力基本保持一致。

由以上分析可知，水合物分解所引起的位移、應(yīng)力變化主要對(duì)水合物儲(chǔ)層區(qū)域產(chǎn)生影響，尤其是靠近坡頂處最為明顯。考慮到目前水合物試采主要以直井為主[35]，因此對(duì)于實(shí)際海底斜坡區(qū)域的天然氣水合物開采，其直井位置應(yīng)盡量避免設(shè)置在坡頂附近，而應(yīng)設(shè)置于坡腳或遠(yuǎn)離斜坡區(qū)域。

為了更加直觀地了解水合物分解所造成的影響，取S1測線代表區(qū)段（300～2 000 m），對(duì)其進(jìn)行上段（300～1 000 m）、下段（1 000～2 000 m）的劃分，分別求得不同分解程度下代表區(qū)段、上段、下段的位移與應(yīng)力均值，如圖7-a所示；根據(jù)應(yīng)力變化曲線圖6-d，同樣取上段（200～600 m）、下段（800～1 200 m）兩個(gè)代表區(qū)段，分別求取不同分解程度下的應(yīng)力均值，并作差，得圖7-b。

由圖7-a可知，無論是上段位移還是下段位移，均與水合物分解程度呈正相關(guān)的關(guān)系，且隨分解程度的增加，其位移增長幅度也逐漸升高，相同分解程度下，上段位移大于下段位移，這與位移云圖所對(duì)應(yīng)；應(yīng)力則隨水合物分解程度的增加呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，即水合物分解程度越高，應(yīng)力越小。

由圖7-b可知，當(dāng)水合物分解程度較低時(shí)，上、下段的應(yīng)力差值較大，而隨水合物分解程度的增加，上、下段的應(yīng)力差值逐漸變小，直到水合物完全分解，上、下段應(yīng)力幾乎相等，即水合物分解對(duì)于“斜坡應(yīng)力”分布具有“稀釋均化”的影響效果。

圖7 代表區(qū)段位移、應(yīng)力變化曲線圖

3.2 縱向分析

圖8為水合物不同分解程度下的S2～S4測線位移變化曲線。根據(jù)圖8-a，縱向方向上，位移變化主要集中在水合物儲(chǔ)層及其上部區(qū)域，而水合物儲(chǔ)層以下位移變化甚微；隨水合物分解程度的增加，位移整體不斷升高，隨坐標(biāo)自上而下，位移單調(diào)遞減，且水合物分解程度越大，遞減趨勢越明顯。

由圖8-b，S2～S4呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，在水合物層及以上區(qū)域，隨坐標(biāo)自上而下，S2測線單調(diào)遞減，S3及S4則單調(diào)遞增，且越靠近坡腳，遞增趨勢越明顯，同一坐標(biāo)值下，S2位移最大，S3次之，S4最??；在水合物層以下區(qū)域，各測線單調(diào)遞減，在同一坐標(biāo)值下，S3位移最大，S2次之，S4最小，這一大小規(guī)律與水合物上部區(qū)域截然不同。

圖8 S2～S4測線位移變化曲線圖

結(jié)合位移云圖，分析原因如下：由于斜坡的傾斜特性，水合物分解后，位移首先從坡頂位置開始逐漸向坡腳呈現(xiàn)“楔形”狀擴(kuò)散（圖4），S2測線位于坡頂位置，當(dāng)水合物分解50%時(shí)，S2測線水合物上部區(qū)域處于位移“完全發(fā)育”范圍內(nèi)（云圖深紅色區(qū)域）；而S3及S4由于遠(yuǎn)離坡頂，并未處于“完全發(fā)育”范圍內(nèi)，僅是靠近水合物層部分處于“楔尖”位置，因此該處位移大于其上部位移。S4處于坡腳位置，測線頂部位移變化相對(duì)較小，其與“楔尖”區(qū)域位移差值更大，遞增趨勢也更為明顯。將圖4中圖例范圍進(jìn)一步離散發(fā)現(xiàn)，水合物層上部位移顯著增加的同時(shí)，下部區(qū)域位移呈現(xiàn)下凹“圓弧形”分布，因此由于位置差異性，測線S3位移最大，S2及S4位移較小?；赟2～S4測線的位移大小關(guān)系，并注意到位移云圖的“圓弧形”分布與最終形成滑坡的“圓弧形”坡面極為相似，可知，含水合物沉積物海底滑坡的形成與水合物分解所引起的位移變化具有直接關(guān)系。

3.3 影響實(shí)質(zhì)

通過橫、縱向的綜合分析可知，水合物分解的影響范圍有限，主要對(duì)縱向上部區(qū)域、橫向儲(chǔ)層范圍區(qū)域產(chǎn)生影響。同時(shí)可以得出如下結(jié)論：水合物分解是一個(gè)應(yīng)力釋放、位移增加的動(dòng)態(tài)過程，而位移增加的大小則與應(yīng)力釋放程度相關(guān)。由于海底斜坡的傾斜特性，地應(yīng)力平衡后沿斜坡層面的應(yīng)力分布存在不均勻性，這種不均勻性呈現(xiàn)坡頂大坡腳小的趨勢。水合物分解過程中，巖層應(yīng)力得以釋放，其隨斜坡分布的不均勻性消失，位移則重新呈現(xiàn)不均勻特性，即由坡頂至坡腳，位移逐漸減小，這與所釋放的應(yīng)力相對(duì)應(yīng)。因此水合物分解的影響實(shí)質(zhì)是將沿斜坡分布的“應(yīng)力非均勻性”轉(zhuǎn)換為“位移非均勻性”，且位移大小與分解前后應(yīng)力差值成正相關(guān)關(guān)系。

從動(dòng)量的角度分析，取水合物儲(chǔ)層一微元，在水合物分解過程中，滿足式（3）：

式中F表示水合物分解過程中微元所受平均合外力，N；Δt表示水合物分解時(shí)間，s；dm表示微元質(zhì)量，kg；Δv表示水合物分解過程中微元平均速度變化量，m/s。

由圖4可知，水合物分解過程伴隨著位移的增大，即合外力發(fā)生了變化，而各微元質(zhì)量dm近乎相等（排出的水、氣相對(duì)儲(chǔ)層質(zhì)量較?。?，時(shí)間Δt相同，Δv由F所決定。根據(jù)圖6-d，水合物分解之前，沿斜坡層面應(yīng)力呈現(xiàn)坡頂大坡腳小，而在水合物分解結(jié)束后，沿斜坡方向應(yīng)力幾乎相等，因此這一過程中，沿坡腳至坡頂微元所受合外力F逐漸增大，即Δv沿坡腳至坡頂逐漸增大，則相同時(shí)間內(nèi)，越靠近坡頂則位移越大。

同時(shí)根據(jù)上述分析，當(dāng)對(duì)穩(wěn)定性較差的海底斜坡區(qū)域進(jìn)行天然氣水合物開采，或由于水合物開采可能引起海底滑坡時(shí)，可考慮采取“直井＋水平井”并結(jié)合多分支孔的聯(lián)合開采方式（圖9），在水合物儲(chǔ)層下部區(qū)域設(shè)置水平井，并將直井設(shè)置于遠(yuǎn)離斜坡區(qū)域，而這種非單一直井的多井聯(lián)合作業(yè)模式也是未來水合物開采的發(fā)展趨勢[36]。

圖9 多井聯(lián)合作業(yè)模式圖

4 海底斜坡穩(wěn)定性影響因素的正交試驗(yàn)

利用SPSS軟件構(gòu)建了考慮斜坡傾角、水深、水合物分解程度、水合物層厚度，水合物層埋深的5因素5水平正交模擬試驗(yàn)方案，以探究不同因素對(duì)于海底斜坡穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

4.1 極差分析

極差分析可以直觀且簡單的確定不同因素對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果影響的主次關(guān)系。各因素水平的極差分析結(jié)果，如表4所示，其中Ⅰ～Ⅴ表示各因素的不同水平值，均由小至大排列，R表示極差。根據(jù)表4可知，RA（斜坡傾角）＞RB（水深）＞RE（分解程度）＞RD（水合物層厚度）＞RC（水合物層埋深）。即各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響程度由強(qiáng)到弱依次為A（斜坡傾角）＞B（水深）＞E（分解程度）＞D（水合物層厚度）＞C（水合物層埋深）。同時(shí)還可發(fā)現(xiàn)RA、RB遠(yuǎn)大于 RC、RD、RE，而 RC、RD、RE之間差別并不明顯。

表4 極差分析表

4.2 方差分析

極差分析雖然可以直觀地確定影響因素間的主次關(guān)系，但是不能有效區(qū)分試驗(yàn)結(jié)果之間的差異來源，即無法判斷試驗(yàn)結(jié)果差異是否是由于因素不同而引起的，而方差分析則可以彌補(bǔ)極差的不足，實(shí)現(xiàn)各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的顯著性分析。方差分析結(jié)果如表5所示。根據(jù)表5，斜坡傾角、水深的顯著性水平分別為0和0.047，均小于0.05，表明這兩個(gè)因素對(duì)于海底斜坡安全系數(shù)具有顯著影響，尤其是斜坡傾角對(duì)于海底斜坡的安全系數(shù)具有極其顯著的影響；儲(chǔ)層埋深、水合物層厚度、水合物分解程度的顯著水平則遠(yuǎn)大于0.05，表明這3個(gè)因素對(duì)于斜坡安全系數(shù)的影響不顯著。進(jìn)一步比較各因素的顯著性水平，可知對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響程度由強(qiáng)到弱依次為A（斜坡傾角）＞B（水深）＞E（分解程度）＞D（水合物層厚度）＞C（水合物層埋深），這與極差分析結(jié)果一致。

表5 方差分析表

4.3 邊際均值、變化規(guī)律

圖10為共計(jì)25種試驗(yàn)方案下的安全系數(shù)柱狀圖。從圖10中可以看出，除個(gè)別試驗(yàn)方案外，絕大多數(shù)試驗(yàn)方案所得安全系數(shù)均在安全線以上，尤其是斜坡傾角3°時(shí)安全系數(shù)大于5，表明海底斜坡具有良好的穩(wěn)定性。安全系數(shù)隨試驗(yàn)方案的不同呈現(xiàn)較強(qiáng)的規(guī)律性，結(jié)合表3～5可知，圖9的遞減、遞增規(guī)律分別由斜坡傾角和海水深度所引起，且這兩個(gè)因素對(duì)安全系數(shù)的影響非常顯著。當(dāng)對(duì)不同因素水平下的邊際均值進(jìn)行求取時(shí)，就存在變化規(guī)律被斜坡傾角與海水深度所掩蓋的可能性，這種誤差是由于個(gè)別因素的異常顯著性（Sig值）所引起的。因此，當(dāng)需要對(duì)波動(dòng)規(guī)律作進(jìn)一步分析時(shí)，應(yīng)首先排除異常顯著性因素的干擾[17]。

圖10 不同方案下的安全系數(shù)柱狀圖

對(duì)不同因素水平下的安全系數(shù)邊際均值進(jìn)行求取，獲得安全系數(shù)變化規(guī)律（圖11）。根據(jù)圖11-a，安全系數(shù)與斜坡傾角呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨傾角的不斷增加，安全系數(shù)的降低幅度逐漸減小，兩者呈現(xiàn)類拋物線關(guān)系。傾角15°時(shí)，安全系數(shù)基本接近于安全線，海底斜坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。將斜坡傾角與安全系數(shù)的關(guān)系進(jìn)一步整理，分別以Fs、1/tanβ為坐標(biāo)，得到圖11-b，兩者滿足式（4）：

圖11 各因素不同水平下安全系數(shù)變化規(guī)律圖

式中Fs表示安全系數(shù)；β表示斜坡傾角，（ ）；k，b表示一次函數(shù)系數(shù)。根據(jù)式（4），安全系數(shù)與斜坡傾角正切值的倒數(shù)（1/tanβ）呈一次函數(shù)關(guān)系，并且式中b≈0，即安全系數(shù)與斜坡傾角正切值的倒數(shù)（1/tanβ）呈正比。這樣通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換就將斜坡傾角與安全系數(shù)之間的非線性關(guān)系轉(zhuǎn)變成了線性關(guān)系，同時(shí)表明斜坡傾角對(duì)安全系數(shù)的影響是通過傾角的正切值（tanβ）來體現(xiàn)的。

根據(jù)圖11-c，安全系數(shù)與水深呈正相關(guān)關(guān)系，且單位水深增加所引起的安全系數(shù)增量為定值；由圖11-d，安全系數(shù)與水合物層厚度、水合物層埋深、水合物分解程度的關(guān)系并不符合單調(diào)關(guān)系，而是隨水平變化呈現(xiàn)一定波動(dòng)。由之前圖10的分析可知，這是由于斜坡傾角與海水深度的異常顯著性所引起的，即水合物層厚度、水合物層埋深、分解程度對(duì)安全系數(shù)的作用效果被斜坡傾角與水深的誤差所掩蓋。

圖12為在排除斜坡傾角、水深影響后，安全系數(shù)隨分解程度、水合物層埋深、水合物層厚度變化規(guī)律圖（傾角6 、水深800 m）。根據(jù)圖12，安全系數(shù)隨分解程度的增加單調(diào)遞減，隨水合物層埋深的增加單調(diào)遞增，與水合物層厚度之間的關(guān)系則隨水合物分解程度的不同而不同。由圖12-b，當(dāng)水合物分解程度不同時(shí)，安全系數(shù)與水合物層埋深之間基本為正相關(guān)關(guān)系，且隨埋深的不斷增加，安全系數(shù)增長幅度逐漸降低。因此預(yù)計(jì)，存在一個(gè)臨界埋深，當(dāng)埋深持續(xù)增長至大于臨界埋深時(shí)，將基本不會(huì)對(duì)安全系數(shù)產(chǎn)生影響，即埋深對(duì)安全系數(shù)的影響是有一定限度的。

根據(jù)圖12-c，當(dāng)水合物分解程度不同時(shí)，安全系數(shù)與水合物層厚度之間的關(guān)系亦不同。分解程度較低時(shí)，安全系數(shù)與水合物層厚度之間為正相關(guān)關(guān)系，而分解程度較高時(shí)，兩者為負(fù)相關(guān)關(guān)系。分析認(rèn)為，這是不同分解程度下水合物儲(chǔ)層與周圍巖層之間的相對(duì)“力學(xué)差異性”所造成的。當(dāng)分解程度較低時(shí)，其力學(xué)性質(zhì)（力學(xué)參數(shù)）較周圍巖層高，對(duì)海底斜坡具有“加固增強(qiáng)”作用；當(dāng)分解程度較高時(shí)，其力學(xué)性質(zhì)顯著低于周圍巖層，斜坡強(qiáng)度被“拉低”。因此，安全系數(shù)與水合物層埋深之間呈現(xiàn)出如圖12-c所示的變化規(guī)律。

圖12 安全系數(shù)隨分解程度、水合物層埋深、水合物層厚度變化規(guī)律圖

5 結(jié)論

1）提出的“兩步折減法”能夠?qū)⒊跏嫉貞?yīng)力平衡、水合物分解、強(qiáng)度折減進(jìn)行統(tǒng)一考慮，在實(shí)現(xiàn)研究目的同時(shí)避免了進(jìn)行初始平衡與參數(shù)賦值的繁瑣步驟。

2）水合物分解是一個(gè)應(yīng)力釋放、位移增加的動(dòng)態(tài)過程，其影響實(shí)質(zhì)是將沿斜坡分布的“應(yīng)力非均勻性”轉(zhuǎn)換為“位移非均勻性”，而位移大小則與分解前后的應(yīng)力差值呈正相關(guān)關(guān)系。

3）多因素影響下海底斜坡穩(wěn)定性主控因素為斜坡傾角與海水深度，而分解程度、水合物層厚度、水合物層埋深影響相對(duì)較小，影響程度綜合排序?yàn)椋盒逼聝A角＞海水深度＞分解程度＞水合物層厚度＞水合物層埋深。

4）安全系數(shù)與斜坡傾角、分解程度之間為負(fù)相關(guān)關(guān)系，與海水深度、水合物層埋深之間為正相關(guān)關(guān)系，與水合物層厚度之間的關(guān)系則取決于水合物分解程度的高低；斜坡傾角對(duì)安全系數(shù)的影響是通過傾角的正切值（tanβ）來體現(xiàn)的，并且安全系數(shù)與斜坡傾角正切值的倒數(shù)（1/tanβ）基本呈正比關(guān)系。

5）對(duì)于實(shí)際海底斜坡區(qū)域的水合物開采，其鉆井位置應(yīng)避免設(shè)置在坡頂附近，而應(yīng)設(shè)置于坡腳或遠(yuǎn)離斜坡區(qū)域；當(dāng)海底斜坡穩(wěn)定性較差或水合物開采可能會(huì)引起海底滑坡時(shí)，可考慮“直井＋水平井”并結(jié)合多分支孔的聯(lián)合開采方式，在水合物儲(chǔ)層下部區(qū)域設(shè)置水平井，并將直井設(shè)置在遠(yuǎn)離斜坡區(qū)域。