一种海底不稳定性的评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于海洋地质灾害评价技术领域，涉及一种海底不稳定性的评价方法，针 对海底沉积层中天然气水合物分解诱发的海底斜坡不稳定性进行评判，是一种定量评价方 法。
【背景技术】
[0002] 天然气水合物的分解被认为是引起世界上多处大陆边缘带海底滑塌的原因之一。 理论分析表明，天然气水合物分解使得沉积物孔隙中的含气量增加，产生过高的孔隙压力， 降低沉积物的胶结强度。如果含水合物的沉积物层坡度较大，并且水合物分解比较显著，会 导致沉积层的抗剪强度和承载能力降低，造成海底斜坡滑动等不稳定性。
[0003] 目前对水合物分解引起海底不稳定性的研究主要W讨论影响因素和定性研究为 主，缺少定量的评判方法，对于天然气水合物分解与海底斜坡失稳之间如何影响，水合物分 解诱因与其他因素之间如何制约等问题目前仍不清楚。现有的海底斜坡不稳定性的评价方 法大致可分为极限平衡分析法和数值分析法两种。
[0004] 极限平衡分析法的理论基础是极限平衡理论，其要点是当坡体的抗剪强度降低 后，坡体内存在一个达到极限平衡状态的滑动面，使滑体处于临界失稳状态，处于极限平衡 状态的滑动面必定满足摩尔一库伦强度准则。极限平衡分析法的模型简单，用的最为普 遍。但是该方法很大程度上依赖于对潜在滑坡的形状和±体性质的了解程度，不能解决超 孔隙水压力、边坡变形、动力反应及复杂地形等诸多因素的影响，也无法模拟斜坡的失稳过 程，应用上存在局限性。
[0005] 数值分析法是W描述滑坡体内部应力、应变特征的本构模型为基础来分析给定海 底斜坡的变形和稳定性问题。数值分析方法通常包括有限差分法、有限元法和边界元法等。 送类方法的优点是能够得出斜坡各点、各部位的稳定状态，能描述应变到应力的发展过程， 便于解释斜坡失稳的机制，有助于提高海底斜坡稳定性评价水平。但该方法的计算精度取 决于本构模型和单元体的选取。
[0006] 因此，寻求一种海底不稳定性的评价方法，将极限平衡分析法和有限元数值分析 方法相结合对海底斜坡的失稳过程进行与数值计算，结合两种方法的长处进行天然气水合 物分解引起海底斜坡不稳定性评价，在海底斜坡失稳形态识别、失稳过程模拟及斜坡可靠 性判定等方面均比较全面，采用海底斜坡地质力学模型与有限元计算分析相结合的方法， 求解海底斜坡失稳变形演化过程，进行海底斜坡不稳定计算和定量评价，对天然气水合物 开采过程中的海底稳定性问题具有重要的科学指导意义和实用价值。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种海底 不稳定性的评价方法，定量分析深水区天然气水合物分解对海底斜坡不稳定的影响关系。
[0008] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种海底不稳定性的评价方法，包 括w下步骤：
[0009] 构建海底斜坡的地质力学模型，并将地质力学模型概化为数值计算模型；
[0010] 利用改进有限元强度折减法对所述数值计算模型进行海底斜坡稳定性数值模拟 计算。
[0011] 所述构建海底斜坡的地质力学模型，并将地质力学模型概化为数值计算模型，包 括W下步骤：
[0012] 建立海底斜坡的几何模型，其中，沉积物层和水合物带节点坐标为X、Y;
[0013] 通过对组成海底斜坡的沉积物层和水合物带进行识别，赋予相应的物理力学参 数，并W此建立海底斜坡的材料模型；
[0014] 通过设置的海水深度H、水合物分解量n求解海水产生的静水压力和孔隙水压力 W及水合物分解产生的超孔隙压力，并通过设置的静水压力和超孔隙压力边界条件，建立 海底斜坡的地质力学模型；
[0015] 将建立的几何模型、材料模型转化为物理网格模型，并将物理网格模型和地质力 学模型转化为可用于数值模拟计算的数值计算模型。
[0016] 所述海底斜坡的几何模型建立过程中的参数包括海水深度、斜坡角度、沉积物层 和水合物层的几何形态、水合物带厚度；首先结合实际地形和地震资料，设定海水深度、海 底斜坡角度W及沉积物层和水合物带的几何形态；然后输入沉积物层和水合物带的节点， 通过连接节点，绘制沉积物层和水合物带面，最后通过面拉伸成体从而建立海底斜坡的几 何模型。
[0017] 所述物理力学参数包括重度、弹性模量、泊松比、抗剪强度内聚力、内摩擦角和抗 拉强度。
[0018] 所述海底斜坡的材料模型通过定义沉积物层和水合物带的强度模型及物理特性 参数来完成，二者的强度模型均选用摩尔一库伦强度模型，沉积物层特性参数包括沉积物 的比重和塑性系数，水合物带特性参数主要包括水合物的空率、孔隙度、饱和度和水合物分 解量。
[0019] 所述海底斜坡的地质力学模型基于上述海底斜坡的几何模型和材料模型，分析静 水压力、孔隙水压力和水合物分解产生超孔隙压力的边界条件W及受力模式，进而求解静 水压力、孔隙水压力和水合物分解产生的超孔隙压力。
[0020] 所述将建立的几何模型、材料模型转化为物理网格模型，具体做法为：首先设置 沉积物与水合物带各自的单元类型、材料模型、网格划分的形状、尺寸大小W及网格划分模 式；然后网格化水合物带，再网格化沉积物层，从而建立海底斜坡物理网格模型。
[0021] 所述将物理网格模型和力学模型转化为可用于数值模拟计算的数值计算模型，具 体做法为：将物理网格模型的单元信息数据文件和单元节点坐标数据文件转化为后缀为数 值建模文件类型的数值建模文件。
[0022] 所述海底斜坡是否稳定是利用有限元数值分析方法基于摩尔一库仑破坏准则计 算安全系数来判断的，安全系数计算公式为：
[0023]
(1)
[0024] 式中；c、巧分别是岩±体的内聚力和内摩擦角；T和o分别为剪切面上的有效法 向应力与有效剪切应力；Fs为安全系数。
[0025] 根据建立的海底斜坡地质力学模型，选取海底斜坡的一部分进行受力分析，由极 限平衡理论可知：
[002引式中，0 ?为岩±体自重应力；0hp为海水作用在坡顶的静水压力（面力）；0P为 海水作用在坡体内的孔隙水压力（体力）；0 6P为水合物分解产生的超孔隙压力；Ys为沉 积物层的容重；Y?为水的容重；a为地震加速度；目为潜在滑移面的倾角；hi为海平面至斜 坡头部的深度；h2为海平面至水合物带头部的深度；h3为海平面至斜坡尾部的深度；h4为海 平面至水合物带尾部的深度。
[0029] 所述改进有限元强度折减法包括W下步骤：
[0030] 1)根据海底斜坡数值计算模型，定义本构关系和海底斜坡沉积物的性质，定义边 界条件和初始条件，确定强度折减系数的计算精度和上下限，计算海底斜坡初始应力场，初 步分析斜坡的变形和应力，并记录最大变形；
[0031] 2)增大强度折减系数Fg，按照式（4)计算折减后的抗剪强度参数，然后将折减后 的参数赋给数值计算模型，重新计算，并记录计算收敛后的海底斜坡最大变形和塑性应变 发展情况；
[0032]
(4)
[003引式中，F,为强度折减系数；C和许分别表示材料实际的粘聚力和内摩擦角；C'和 梦'分别表示材料折减后的粘聚力和内摩擦角；
[0034] 3)重复第2)步，不断增大Fg值，对海底斜坡沉积物的抗剪强度参数进行折减，直 至计算模型不收敛，则认为海底斜坡发生失稳破坏；斜坡安全系数即为发散前一步计算的Fs值；对于本身就不稳定的海底斜坡，在第1)步计算中就不会收敛，因此在进行第2)步和 第3)步计算时，应将Fg逐渐减小，直至计算收敛、斜坡重新稳定。
[0035] 所述收敛条件的设定原则为：在计算过程中将每次循环的计算时步设置为30000 步，不平衡率上限值设置为10 5,减少人为因素带来的误差，W每次计算循环后的不平衡率 值是否小于10 5作为收敛条件。
[0036] 本发明定量分析深水区天然气水合物分解对海底斜坡不稳定的影响关系，采用极 限平衡与有限元相结合的方法对海底斜坡的失稳过程进行建模与数值分析，通过海底斜坡 稳定性的影响因子指标体系来构建海底斜坡的地质力学模型；基于摩尔一库伦破坏准则 提出评价海底斜坡稳定性的数学方法，进而通过有限元数值模拟手段，探讨天然气水合物 分解作用下海底斜坡稳定性影响因子的敏感性、海底斜坡的稳定性W及失稳演化过程。
[0037] 本发明与现有技术相比，先根据海底斜坡赋存的地