考慮天然氣水合物上覆層不排水抗剪強(qiáng)度深度變化的海底斜坡穩(wěn)定性影響分析

王 輝 ，修宗祥，孫永福, ，劉紹文，宋玉鵬，董立峰，宋丙輝

1. 南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210023；2. 自然資源部 第一海洋研究所，青島 266061；3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266061

1 引言

天然氣水合物（以下簡稱水合物）因其儲(chǔ)量大、分布廣、能量高、污染小等特點(diǎn)，逐漸占據(jù)全球主要大國能源競爭的核心地位。我國擁有豐富的海洋水合物資源，僅在南海北部陸坡遠(yuǎn)景區(qū)其資源量就達(dá)數(shù)百億噸油當(dāng)量，水合物資源潛力巨大（劉杰等，2016）。隨著中國油氣資源勘探開發(fā)事業(yè)的發(fā)展，越來越多的水合物試開采工程逐漸向深水區(qū)推進(jìn)。由于水合物的賦存狀態(tài)影響海底斜坡地層的力學(xué)強(qiáng)度，含水合物地層的不穩(wěn)定性構(gòu)成了深水工程災(zāi)害的潛在條件（柏澤等，2017），與水合物有關(guān)的深水工程安全問題已日益受到關(guān)注。天然氣水合物分解對(duì)海底滑坡穩(wěn)定性的影響是當(dāng)前海洋實(shí)際工程中亟待查明的問題，對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害防治和指導(dǎo)深水安全作業(yè)具有重大的應(yīng)用與學(xué)術(shù)價(jià)值。

含水合物海底斜坡的穩(wěn)定性受上覆海水深度、坡角、水合物儲(chǔ)層覆蓋層深度、水合物沉積層厚度、水合物飽和度、水合物分解程度等因素影響（Sultan et al., 2004；Xu and Germanovich，2006；劉鋒等，2010；魯力等，2014；宋本建等，2018; Song et al.,2019；Wei et al.，2019）。水合物分解降低了海底斜坡的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致海底滑坡的觀點(diǎn)已被廣泛接受。一方面，水合物的存在會(huì)增強(qiáng)周圍地質(zhì)環(huán)境的地層強(qiáng)度，當(dāng)其分解后，會(huì)降低周圍沉積物儲(chǔ)層的地質(zhì)力學(xué)穩(wěn)定性，誘發(fā)海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，威脅海洋工程安全（Grozic et al.，2001；彭曉彤等，2002）；另一方面，海洋淺層土體長期受海水沖刷和浸泡作用，斜坡土體結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度較低，受地質(zhì)構(gòu)造作用與人為勘探施工擾動(dòng)，易發(fā)生失穩(wěn)。這將導(dǎo)致下方水合物儲(chǔ)層的賦存環(huán)境改變，引發(fā)水合物的分解。而水合物的分解反過來也會(huì)弱化較深部地層的強(qiáng)度，引起更大規(guī)模的斜坡失穩(wěn)，帶來巨大的負(fù)面環(huán)境效應(yīng)和災(zāi)害影響。

深海沉積物在自重作用下固結(jié)，不排水抗剪強(qiáng)度隨其上覆壓力增加而增加（修宗祥等，2016）。前人分析含水合物儲(chǔ)層的海底斜坡穩(wěn)定性時(shí)，通常認(rèn)為水合物儲(chǔ)層的上覆層土體為均質(zhì)，其強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)為定值（曹杰峰等，2013；張振飛等，2016；宋本健等，2018；李天賜等，2019）。這樣只考慮了水合物分解引起的沉積層強(qiáng)度弱化作用，忽略了水合物儲(chǔ)層上覆土體強(qiáng)度分布的非均質(zhì)性。土體的非均質(zhì)性會(huì)顯著影響土體的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而影響穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果。因此，進(jìn)行含水合物儲(chǔ)層的海底斜坡穩(wěn)定性分析時(shí)，需要綜合考慮上覆土體不排水強(qiáng)度的非均質(zhì)性和水合物分解引起的儲(chǔ)層強(qiáng)度弱化的共同作用，以往的研究大多只考慮了其中一個(gè)因素的影響，將兩者結(jié)合分析的研究較為少見。

本文基于南海神狐海域地形地貌數(shù)據(jù)以及部分地質(zhì)鉆孔測試數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)水合物賦存特征，考慮海底淺層土強(qiáng)度的垂向非均質(zhì)性的影響，利用有限元軟件ABAQUS，采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行該區(qū)海底斜坡的穩(wěn)定性分析，對(duì)不同影響因素作用下潛在海底滑坡進(jìn)行了模擬，討論海底滑坡發(fā)生的可能性，在此基礎(chǔ)上討論水合物分解對(duì)海底斜坡的穩(wěn)定性以及失穩(wěn)規(guī)模的影響。研究成果能為南海神狐海域的水合物試采區(qū)選址、安全開采及災(zāi)害預(yù)防等提供科學(xué)依據(jù)，以便在工程實(shí)踐中采取積極、主動(dòng)的應(yīng)對(duì)措施，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)南海北部神狐海域位于南海北部大陸坡的中段（圖1），構(gòu)造上屬于珠江口盆地珠二坳陷的白云凹陷，地處大陸架到深海的大陸坡過渡帶。珠江口盆地為一新生代沉積盆地，沉積層演化經(jīng)歷三個(gè)階段：晚白堊世—早漸新世陸相沉積、晚漸新世—早中新世海相沉積，中中新世—現(xiàn)今，沉積地層由下到上依次為粵海組、萬山組和瓊海組（曾小明，2014），最終形成了以海相沉積為主導(dǎo)的區(qū)域性沉積層（李平魯?shù)龋?995；Ma et al.，2015）。該區(qū)水深約1000～1500 m，地形起伏較大，中部地區(qū)發(fā)育峽谷地貌，呈現(xiàn)“南低北高、西低東高”的特征。白云凹陷具有洋—陸過渡型地殼，區(qū)域地溫場偏高，中新世以來新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)逐漸增強(qiáng)，沉積速率高，產(chǎn)生了大規(guī)模的流體底辟構(gòu)造，在不同深度形成了高角度斷裂和垂向裂隙，這為神狐海域水合物成藏富集提供了通道條件（吳能友等，2009；龔躍華等，2009；張偉等，2017）。

圖1 南海北部珠江口盆地構(gòu)造及其研究區(qū)位置（改自周慶杰，2015）Fig. 1 Sketch showing the tectonic subdivision of the Pear River Mouth Basin and the studying area

廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局先后于2007、2015及2016年在該區(qū)域進(jìn)行了天然氣水合物鉆探航次，均成功鉆獲了天然氣水合物實(shí)物樣品（Yang，2017），并于2017年和2020年成功實(shí)施了海域水合物試采工程（葉建良等，2020），證實(shí)了該區(qū)具有較大的天然氣水合物資源潛力。研究區(qū)水合物分別以厚層狀、分散狀、薄層狀、斑狀和在斷層附近（楊勝雄等，2017）分布在海水深度超過1000 m水深的海底，賦存于未固結(jié)成巖的黏土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)黏土等沉積物中（周守為，2014；Li，2018；葉建良，2020），平均坡度為 3.3°～3.6°，局部坡度大于 13°，最大坡度達(dá)25°。儲(chǔ)層埋深變化較大，大約在海底以下50～300 m的范圍內(nèi)，有效厚度估計(jì)為10～80 m（張偉等，2017；吳時(shí)國，2018）。水合物沉積物的孔隙度為33%～48%，平均飽和度約為13.7%～50%。從現(xiàn)有試采情況和技術(shù)水平來看，我國海域水合物實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)所需具備的儲(chǔ)層特征可能包括：平均水合物飽和度應(yīng)超過30%，儲(chǔ)層厚度應(yīng)大于40 m（于興河，2014；Yang，2017；寧伏龍等，2020）。

該區(qū)發(fā)育海底滑坡/滑塌、地震、活動(dòng)斷層、侵蝕溝谷、巖漿底辟、泥底辟等災(zāi)害地質(zhì)因素（王宏斌等，2003），成為天然氣水合物穩(wěn)定賦存安全開采中不可忽視的影響因素。該區(qū)因豐富的天然氣水合物資源儲(chǔ)量與較高的研究程度也是進(jìn)行含水合物儲(chǔ)層海底斜坡穩(wěn)定性分析的理想研究靶區(qū)。該區(qū)有水合物分布的海底斜坡進(jìn)行多因素影響下的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)對(duì)水合物勘探開發(fā)的安全運(yùn)行具有重大意義。

3 方法與模型構(gòu)建

3.1 穩(wěn)定性分析方法

有限元強(qiáng)度折減法是通過引入一個(gè)折減系數(shù)（Fs），令外荷載保持不變的情況下，人為地對(duì)斜坡土體的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行同比例折減直至斜坡破壞，使斜坡達(dá)到極限狀態(tài)來分析斜坡變形及其穩(wěn)定性問題的方法，此時(shí)的折減系數(shù)即為斜坡的安全系數(shù)，屬于數(shù)值分析法的范疇（趙尚毅等，2002；鄭穎人等，2002；羅榮等，2012）。因?yàn)槠洳皇苄逼聨缀涡螤?、邊界條件、材料的不均勻性以及各種外部荷載作用的限制，可以真實(shí)地模擬斜坡的破壞過程，并提供應(yīng)力、應(yīng)變和位移等全部信息（楊林青，2012）。該方法一經(jīng)提出就被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于斜坡穩(wěn)定性分析中。

以斜坡穩(wěn)定性中最常用的破壞準(zhǔn)則——摩爾—庫倫準(zhǔn)則為例，可按照下式來表示強(qiáng)度折減安全系數(shù)：

其中，c和φ是土體的抗剪參數(shù)，分別為實(shí)際黏聚力與內(nèi)摩擦角；cm和φm為折減后土體的黏聚力與內(nèi)摩擦角；Fs為強(qiáng)度折減系數(shù)，斜坡達(dá)到極限破壞狀態(tài)時(shí)的Fs即視為安全系數(shù)。

研究區(qū)水合物的賦存區(qū)域的上覆層土體主要為粘性土，滲透系數(shù)較小（李彥龍等，2019），且滑坡過程較為快速發(fā)生，因此可以近似為不排水過程。實(shí)際的海底斜坡由于受各種自然因素影響，其土層的分布多樣的，不排水抗剪強(qiáng)度也往往呈現(xiàn)出分段的特征。研究區(qū)的工程地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)也表明在鉆孔處土層的不排水抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)出分段線性增長的特征。因此，該區(qū)海底穩(wěn)定性分析時(shí)應(yīng)考慮不排水抗剪強(qiáng)度的變化。一定深度內(nèi)土層的不排水抗剪強(qiáng)度可認(rèn)為隨著深度的增加而近似線性增加（Wang et al.，2010；修宗祥，2016）：

其中，su為表層土的不排水抗剪強(qiáng)度；k代表強(qiáng)度增長斜率（kpa·m-1）；z代表土層埋深厚度?？紤]到實(shí)際海底斜坡土層的分布情況，式（2）可表示為：

其中，sun為第n層土的表層不排水抗剪強(qiáng)度；kn代表第n層土的強(qiáng)度增長斜率（kpa·m-1）；zn代表第n土層埋深厚度。此時(shí)，不同埋深土體的折減后強(qiáng)度smn可以表示為：

由上所述，在進(jìn)行海底斜坡穩(wěn)定性分析過程中，因充分考慮斜坡土體分層導(dǎo)致的強(qiáng)度分布不均的情況，通過對(duì)不同土層的不排水抗剪強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)度折減來進(jìn)行斜坡穩(wěn)定性分析，可使得分析結(jié)果增加精確。

有限元強(qiáng)度折減法基于大型通用有限元軟件ABAQUS來完成，有限元模型的構(gòu)建包括以下步驟：幾何圖形生成、本構(gòu)模型參數(shù)設(shè)定、施加力和邊界條件及網(wǎng)格剖分。根據(jù)海底地形數(shù)據(jù)及淺地層剖面影像，確定模型尺寸及和海床土層分布，建立滑坡幾何模型；參數(shù)取值參考研究區(qū)已有的鉆孔數(shù)據(jù)與海底土體物理力學(xué)研究資料、水合物儲(chǔ)層強(qiáng)度指標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及已有的相關(guān)數(shù)值模擬進(jìn)行選取。

需要考慮不排水強(qiáng)度隨深度的變化，因此這里按照分段線性設(shè)計(jì)，土層強(qiáng)度隨深度的變化通過設(shè)置場變量來實(shí)現(xiàn)；根據(jù)不同的模擬方案，施加作用在斜坡上的荷載和邊界條件；采用平面四邊形應(yīng)變單元（Abaqus中的CPE4單元）剖分土體。最后為了保證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，在ABAQUS/CAE中做如下檢查：原位和室內(nèi)試驗(yàn)得到的強(qiáng)度參數(shù)是否正確賦予各土層；邊界條件是否準(zhǔn)確施加；是否有畸形單元。檢查無誤后，即可進(jìn)行不同方案下的斜坡穩(wěn)定性計(jì)算。

3.2 數(shù)值模型及參數(shù)選取

本文模型草圖參照廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局2015年GMGS3航次鉆探W19站位據(jù)地震資料解釋結(jié)果（圖2）及鉆井?dāng)?shù)據(jù)，模擬中國南海神狐海域水合物富集區(qū)海底斜坡在多種影響因素作用下的穩(wěn)定性。模型的基本尺寸如圖3所示，模型水平跨度為2000 m，斜坡角度為5°，水合物埋深135 m，水合物沉積層厚度為35 m，斜坡水平跨度1100 m，坡頂水深1200 m。海床自上而下分別為上覆層、含水合物沉積層以及下臥層。本模型為基本模型，后續(xù)模型在本模型基礎(chǔ)上依據(jù)不同評(píng)價(jià)方案進(jìn)行適當(dāng)修改。

圖2 過神狐海域的W19和W18井地震剖面（靳佳澎等, 2017）Fig. 2 The seismic profile crossing the W18 and W19 boreholes in the ShenHu offshore area

圖3 研究區(qū)斜坡穩(wěn)定性分析的斜坡幾何模型Fig. 3 Slope geometry model for the stability analysis in this study

結(jié)合已有的區(qū)域地質(zhì)資料、海底鉆孔取樣及實(shí)驗(yàn)結(jié)果等資料獲取地層的物理力學(xué)參數(shù)。水合物上覆層縱向上土類分布較為一致，由上至下其壓實(shí)程度逐漸增大（楊敬紅等，2014）。鄰井全井段取心結(jié)果顯示，該區(qū)塊水合物上覆地層為典型的鈣質(zhì)黏土層（李彥龍等，2019）。根據(jù)南海北部神狐海域W18/19站位水合物上覆層的CPTU測試結(jié)果和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的推算結(jié)果（胡高偉等，2017；李彥龍等，2019），將地層劃分為三個(gè)層段，具體的不排水抗剪強(qiáng)度分布如表1所示。水合物儲(chǔ)層的強(qiáng)度指標(biāo)參考駱汀汀等（2020）基于原位水合物沉積物重塑樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立的力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式，水合物未分解時(shí)，其黏聚力和內(nèi)摩擦角分別取0.89 MPa和22.5°（水合物飽和度取W19井水合物儲(chǔ)層的平均飽和度，Sh=46.2%）；水合物分解過程中，其黏聚力隨著飽和度減小而線性降低（圖4），內(nèi)摩擦角保持不變。具體參數(shù)分布如表2所示。模型邊界條件的設(shè)置參考了典型邊坡失穩(wěn)分析案例，對(duì)左右邊界進(jìn)行了水平方向上的位移限制，對(duì)于下部邊界則進(jìn)行了各方位的位移限制。

表1 南海神狐海域不含水合物沉積層的土體力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical properties of strata without gas hydrate in the Shenhu offshore area of the South China Sea

表2 飽和度（Sh）為46.2%時(shí)水合物沉積層的土體力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical properties of strata with gas hydrate（Sh=46.2%）

圖4 南海神狐海域水合物儲(chǔ)層強(qiáng)度參數(shù)與水合物飽和度的關(guān)系Fig. 4 The relationship between the hydrate bearing formation strength and hydrate saturation in the Shenhu offshore area of the South China Sea

4 穩(wěn)定性結(jié)果分析

4.1 考慮水合物分解下斜坡幾何特征的影響

根據(jù)研究區(qū)的地形特征，在基礎(chǔ)模型（圖3）參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分別以 3°、5°、7°、10°、13°五種模型來模擬坡角對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響；此外，改變基礎(chǔ)模型中斜坡段的水平長度，討論斜坡段水平長度變化對(duì)斜坡安全系數(shù)的影響。

圖5、6顯示了不同水合物分解程度下，斜坡坡度變化對(duì)斜坡安全系數(shù)的影響效果。由圖5可知，設(shè)計(jì)斜坡工況下，無論水合物是否分解，安全系數(shù)都隨斜坡坡度的增大而逐漸降低，這是由于土層強(qiáng)度一定時(shí)，安全系數(shù)主要取決于斜坡的坡度。需要說明的是，當(dāng)坡度為10°和13°時(shí)，斜坡的安全系數(shù)小于1，表明此時(shí)斜坡已失穩(wěn)，這主要是由于計(jì)算采用的土層強(qiáng)度參數(shù)低于海底真地形坡度下的強(qiáng)度值。因此，如何獲取更準(zhǔn)確的土層力學(xué)參數(shù)，是海底斜坡穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵。圖5、6同時(shí)可以看出，水合物分解前后的安全系數(shù)基本不變，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位于上覆層淺部。表明模型設(shè)計(jì)水合物埋深和分解范圍條件下，分解后過水合物層滑動(dòng)面的安全系數(shù)仍高于上覆層淺部的滑動(dòng)面安全系數(shù)。因此，水合物上方淺部地層的穩(wěn)定性應(yīng)給予更大關(guān)注，特別是淺部地層強(qiáng)度相對(duì)較低、地形坡度相對(duì)較大的區(qū)域，避免因自然條件或工程擾動(dòng)造成淺層滑坡，從而破壞工程設(shè)施。

圖5 坡度對(duì)斜坡安全系數(shù)的影響Fig. 5 Effect of the slope angle on the safety factor of the slope

圖7為5°斜坡角度下，不同斜坡段水平長度對(duì)應(yīng)的斜坡安全系數(shù)和潛在滑動(dòng)深度?？梢钥闯?，水合物未分解狀態(tài)下的斜坡安全系數(shù)與滑動(dòng)深度并未發(fā)生較大改變，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面均位于上覆層淺部。水合物分解后，當(dāng)斜坡段長度為1100 m時(shí)，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面仍位于上覆層淺部，但隨著斜坡段水平長度的增加，水合物分解后抗滑力減小的程度越來越大，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面變?yōu)檫^水合物層的頂界，斜坡的安全系數(shù)越來越低。這表明水合物分解范圍、埋深、地形坡度以及上覆層土層力學(xué)參數(shù)的組合，決定了最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的出現(xiàn)位置和安全系數(shù)的大小。下文中將則對(duì)特定坡度下，上述因素變化對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行討論分析。

圖7 斜坡段水平長度對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響Fig. 7 Effect of horizontal length of the slope section on the slope stability

4.2 土體不排水抗剪強(qiáng)度對(duì)含水合物儲(chǔ)層的海底斜坡穩(wěn)定性的影響

針對(duì)土體不排水抗剪強(qiáng)度對(duì)穩(wěn)定性分析的影響，通過引入變量 a 改變上覆層不排水抗剪強(qiáng)度的分布，即式（3）變?yōu)?/p>

通過對(duì)a賦值，在圖3所示的模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了7種方案分析考慮水合物分解情況下不同不排水抗剪強(qiáng)度對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響。具體方案設(shè)置如表3所示。

表3 模擬方案設(shè)置及具體描述Table 3 Design and description of numerical simulation scheme

圖6 部分坡度下水合物分解前后計(jì)算終止時(shí)的位移云圖Fig. 6 Contours of displacement under different slope angles with/without hydrate decomposition

研究表明，水合物未發(fā)生分解時(shí)，斜坡的安全系數(shù)與上覆層不排水抗剪強(qiáng)度成正相關(guān)關(guān)系（圖8），這符合安全系數(shù)的定義，也即斜坡的抗破壞能力隨著土體不排水抗剪強(qiáng)度的增大而加強(qiáng)。當(dāng)水合物開始分解時(shí)，上覆層土體強(qiáng)度較低的斜坡的安全系數(shù)基本保持不變，且低于經(jīng)過水合物層滑動(dòng)面的安全系數(shù)，最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面仍位于上覆層淺部（圖9 a, b）。當(dāng)上覆層土體強(qiáng)度相對(duì)較大時(shí)，由于淺部滑動(dòng)面的安全系數(shù)相對(duì)較高，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置取決于水合物的分解范圍。隨著水合物分解程度的擴(kuò)大，經(jīng)過水合物層滑動(dòng)面的安全系數(shù)逐漸降低，當(dāng)水合物分解程度達(dá)到75% 時(shí)，此時(shí)經(jīng)過水合物層滑動(dòng)面的安全系數(shù)要低于上覆層淺層滑動(dòng)面的安全系數(shù)，成為最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。圖9c、d展示了水合物分解前后最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。圖10為不同方案下水合物分解前與完全分解后斜坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的滑動(dòng)深度與安全系數(shù)?？梢钥闯?，不同方案對(duì)應(yīng)的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置與安全系數(shù)也對(duì)應(yīng)了上述規(guī)律。如方案1到方案五，由于其上覆土層強(qiáng)度較低，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面始終位于上覆層淺部；而方案6和方案7時(shí)，由于水合物完全分解時(shí)產(chǎn)生較大程度的強(qiáng)度降低，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的滑動(dòng)深度也隨之增加至水合物層的頂界。

圖8 不同方案下的安全系數(shù)Fig. 8 Curves of the safety factor with different designed schemes

圖9 部分方案下計(jì)算終止時(shí)的滑動(dòng)屈服面Fig. 9 The yield surface of several cases after calculation ending

圖10 不同方案的安全系數(shù)與計(jì)算終止時(shí)的滑動(dòng)深度Fig. 10 Safety factor and sliding depth of different schemes

4.3 水合物上覆層厚度的影響

考慮研究區(qū)水合物層的埋深范圍，討論分析不同埋深對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響。因此，在方案3與方案6的基礎(chǔ)上，只改變水合物沉積層的上覆層厚度，其中最淺埋深為50 m，最深埋深為250 m。水合物未分解與水合物完全分解對(duì)應(yīng)的斜坡穩(wěn)定性分析結(jié)果如下:

圖11a反映了方案3下不同水合物埋藏深度對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響。當(dāng)水合物未發(fā)生分解時(shí)，隨著埋藏深度的增加，斜坡安全系數(shù)的變化并不顯著，此時(shí)，水合物層的存在對(duì)斜坡的影響甚微，其穩(wěn)定性取決于斜坡自身的強(qiáng)度，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置出現(xiàn)在水合物層上覆土體淺部。考慮水合物分解時(shí)，水合物層對(duì)斜坡的穩(wěn)定性影響，存在一臨界埋深值。方案3工況下，當(dāng)埋藏深度小于135 m，水合物分解降低了斜坡的穩(wěn)定性，安全系數(shù)下降，失穩(wěn)規(guī)模因水合物分解而增大，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位于水合物層的頂界。而當(dāng)水合物埋深大于135 m時(shí)，水合物分解對(duì)斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)幾乎沒有影響，且最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的位置始終位于上覆層淺部。

圖11b為方案6強(qiáng)度分布下不同水合物埋藏深度對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響?？梢钥闯?，當(dāng)水合物層埋深低于不含水合物斜坡的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面深度時(shí)，未分解狀態(tài)下的水合物沉積層相當(dāng)于一個(gè)堅(jiān)硬的夾層，可限制斜坡失穩(wěn)的規(guī)模，此時(shí)對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)面深度始終小于水合物的埋深。這也與圖11c、d所示的（對(duì)應(yīng)方案6強(qiáng)度分布）不含水合物層與含水合物（未分解）的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面特征相符合。當(dāng)水合物完全分解時(shí)，水合物埋深較淺（小于臨界埋深時(shí)）的安全系數(shù)，比未分解狀態(tài)下的安全系數(shù)低，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的深度由上覆層淺部下移至水合物層頂界。當(dāng)水合物埋深逐漸增大至200 m時(shí)，此時(shí)已超過方案6工況對(duì)應(yīng)的臨界埋深，最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面位于上覆層淺部，水合物的分解不再對(duì)其產(chǎn)生明顯影響。

圖11 水合物埋藏深度的對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響分析Fig. 11 Effect of the burial depth of hydrate-bearing layer on the slope stability

4.4 水合物沉積層厚度的影響

為探明水合物沉積層厚度對(duì)含水合物儲(chǔ)層的斜坡穩(wěn)定性的影響，以基礎(chǔ)模型設(shè)置為參考，結(jié)合水合物研究背景，假設(shè)儲(chǔ)層的水合物飽和度一定，水合物儲(chǔ)層的厚度以10～80 m為范圍，在方案3的幾何模型和上覆層（水合物層埋深135 m）強(qiáng)度分布的基礎(chǔ)上，以20 m為增量設(shè)計(jì)了如下的計(jì)算模型和相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果（表4）。

表4 不同水合物儲(chǔ)層厚度計(jì)算模型設(shè)計(jì)Table 4 Calculation models with different hydrate reservoir thickness

由圖12可以發(fā)現(xiàn)，隨著水合物儲(chǔ)層厚度的變化，斜坡整體穩(wěn)定性在水合物分解前后并沒有發(fā)生明顯改變。因此，當(dāng)水合物儲(chǔ)層處于或者大于臨界埋深時(shí)，即使水合物分解層厚度增加，其對(duì)斜坡整體的穩(wěn)定性影響也較小。

圖12 水合物沉積層厚度對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響Fig. 12 Effect of the hydrate-bearing layer thickness on the slope stability

5 結(jié)論

本文基于強(qiáng)度折減法，依據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)按深度設(shè)計(jì)了水合物層上覆土體的不排水抗剪強(qiáng)度分布，系統(tǒng)分析了包括斜坡幾何參數(shù)、土體強(qiáng)度分布以及水合物儲(chǔ)層特征、水合物分解等因素對(duì)海底斜坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

當(dāng)不考慮水合物的分解時(shí)，斜坡的坡度和地層強(qiáng)度對(duì)含水合物儲(chǔ)層的海底斜坡穩(wěn)定性起主要控制作用。海底斜坡的安全系數(shù)與坡度成負(fù)相關(guān)，與土體強(qiáng)度成正相關(guān)，斜坡的水平長度和水合物儲(chǔ)層的埋深、厚度對(duì)斜坡的安全系數(shù)的影響不大。此時(shí)，斜坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面皆位于淺部，主要表現(xiàn)為淺層滑坡。

當(dāng)考慮水合物的分解時(shí)，斜坡整體的穩(wěn)定性受到水合物分解導(dǎo)致的土層強(qiáng)度降低的影響，影響程度取決于水合物儲(chǔ)層的位置。對(duì)于指定的海底斜坡，受地形幾何特征、上覆層土層強(qiáng)度分布等因素的控制，水合物層的埋藏深度存在一特定的臨界值（臨界埋深）。當(dāng)水合物層埋深處于臨界埋深以淺時(shí)，水合物的分解降低了斜坡穩(wěn)定性且擴(kuò)大了斜坡的失穩(wěn)范圍，在水合物完全分解時(shí)，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置經(jīng)過水合物層，此時(shí)表現(xiàn)為深層滑坡。當(dāng)水合物的埋藏深度超過臨界埋深時(shí)，水合物的分解對(duì)斜坡的穩(wěn)定性影響較小，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置位于上覆層淺層，表現(xiàn)為淺層滑坡。

根據(jù)目前模型中的水合物埋深情況，水合物分解后深層滑動(dòng)面的安全系數(shù)仍高于淺部地層，表明相對(duì)于水合物分解對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響，研究區(qū)由于淺部地層自身強(qiáng)度較低且局部坡度相對(duì)較大，該區(qū)域的海底滑坡災(zāi)害主要為淺層滑坡。因此，對(duì)于該海域的天然氣水合物開采來說，其淺部地層的海底滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)仍然需要關(guān)注。