李家鋼，修宗祥，申 宏，江鳳鳴

（1.中海油研究總院，北京 100027；2.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；3.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

隨著海洋油氣資源的深入開發(fā)和利用，作業(yè)場區(qū)和工程設施建設逐漸向深水區(qū)發(fā)展。同時海洋油氣生產平臺、海底管道、海底電纜等海洋設施面臨的海底地質災害問題也越來越復雜，極易受到破壞并造成嚴重的經濟損失甚至人員傷亡。海底滑坡作為在近海三角洲以及大陸坡范圍常見的一種地質過程，已成為對海洋工程結構甚至人類生命安全威脅最大的地質災害之一［1－3］。

海底滑坡區(qū)別于陸上滑坡的最大不同點，是其發(fā)生后，即使在地形坡度很小的情況下，其形成的碎屑流憑借 “滑水”（Hydroplaning）效應［4－5］，可高速滑動至數百千米遠［6－7］，這種高速沖擊將可能給海底設施造成破壞性影響［8］。如1929年加拿大海域的Grand Banks滑坡最高速度達到70km／h左右，滑動了約850km，并破壞了那里的海底通訊電纜［9－10］。所以海底滑坡一旦發(fā)生，不僅僅會影響滑坡源區(qū)上部的結構物，也可能對附近或者土體運移范圍內的結構物造成破壞。深水陸坡區(qū)油氣資源豐富，同時也為海底滑坡與土體長距離運移提供了有利條件［11］。而且由于水深較大，海底地貌崎嶇復雜，海底結構物破壞后的維修難度、維修費用均相對較大，甚至無法修復［12］。

因此，對于這類地區(qū)的海洋工程選址與結構基礎設計，不僅需要對海底斜坡穩(wěn)定性及海底滑坡觸發(fā)機制進行科學評價，更應明確海底滑坡一旦發(fā)生后，失穩(wěn)巖土體的運移對海底結構物的潛在沖擊影響［13－14］。目前這也成為當今國際海洋地質災害研究領域的熱點問題。本文章綜合論述國內外關于海底滑坡發(fā)生后土體運動的相關研究進展，為進一步開展海底斜坡失穩(wěn)后塊體運移研究提供參考，對促進我國今后的海底滑坡地質災害評價與防治將會起到一定的幫助作用。

1 海底滑坡特征識別

由于環(huán)境條件和技術條件的限制，目前還難以直接觀察監(jiān)測到海底斜坡的破壞過程以及破壞后塊體的長距離運移過程［15－16］。因此對于海底滑坡的研究，多從已發(fā)生的典型滑坡入手，研究海底斜坡破壞及其土體運移機制。認識海底滑坡最直接的手段就是運用海洋地球物理調查技術對典型海底滑坡的海底形態(tài)、沉積物變形、地層結構開展調查。近幾十年以來，隨著科學技術的進步，尤其是聲學探測設備如高精度高分辨率的多波束測深系統(tǒng)、高分辨率的地層剖面儀系統(tǒng)、旁掃聲納系統(tǒng)以及高分辨率的單道與多道地震技術的利用，使獲得準確詳細的海底地形地貌和地層剖面資料成為可能［17－25］。

如挪威著名的Storegga、Finneidfjord、Tranadjupet、Andoya、Hinlopen等滑坡［26－29］。另外，地中海［30－32］、非洲［33－35］、中南美洲［36－37］以及北美的加拿大東海岸、墨西哥灣、馬里蘭陸坡、阿拉斯加灣東北部、加利福尼亞等地的海底滑坡［38－39］也通過海洋地球物理調查技術獲得了詳細的海底形態(tài)、沉積物變形、地層結構等信息，為進一步開展海底滑坡觸發(fā)機制與塊體運動機理研究提供了準確的現場資料。國內針對海底地質災害問題，也運用海洋地球物理調查技術取得了大量研究成果。馮文科等［40］發(fā)現南海北部113°～117°之間的陸架和陸坡轉折地帶，有大片海底滑坡分布。陳俊仁與楊木壯［41］根據1970－1995年間南海測深、旁側聲納、淺層剖面、單道地震、多道地震、柱狀取樣等多種地球物理調查資料，指明南海具有多種潛在的地質災害。賈永剛與單紅仙［42］利用精密的深度記錄儀，高分辨率的地震剖面儀和旁側掃描聲納，結合海底鉆探、取樣、測試及室內土工分析，得到了與黃河口海底不穩(wěn)定性有關的水下底坡的形貌特征、沉積物類型、空間分布及基本物理力學性質。劉保華等［43］根據單道地震資料和沉積物柱狀樣分析認為滑塌和重力流是沖繩海槽西部陸坡（東海陸坡）碎屑沉積物向海槽搬運的重要方式。孫運寶等［44］利用二維、三維地震資料，結合多波束水深測量，在南海北部白云凹陷發(fā)現大型海底滑坡，并分析了其幾何形態(tài)與變形特征。胡光海［45］利用多波束水深數據形成的三維海底形態(tài)，在東海中部陸坡識別出一百多處海底滑坡，并通過特征參數統(tǒng)計分析了海底滑坡的分布規(guī)律。吳時國等［46］根據南海北部陸坡海底地形地貌資料和地震資料，得到了該區(qū)塊體搬運沉積體系的識別特征并明確了其分布范圍。國家海洋局第一海洋研究所承擔的國家科技重大專項子課題“荔灣3－1氣田不良地質的風險評價技術”，運用國家十一五“863”計劃最新技術成果，在荔灣3－1氣田開展高分別率淺層多道地震勘測，并結合多波束、側掃和淺剖以及重力取樣土工試驗數據，分析識別出了荔灣3－1氣田海底管道路由區(qū)上陸坡區(qū)到陸架外緣130～1 600m水深范圍內的不良地質災害［47］。

2 海底滑坡計算方法

對于海底滑坡來說，人們主要關注兩個方面。一個是海底斜坡的穩(wěn)定性問題，另一個就是斜坡失穩(wěn)后土體對影響范圍內海底工程設施的影響［1］。對于海底斜坡的穩(wěn)定性問題，極限平衡法與數值方法已得到相對成熟的應用與發(fā)展，胡光海曾針對兩者優(yōu)缺點進行了論述［48］。本研究主要針對海底斜坡失穩(wěn)后土體運移計算方法的研究現狀與進展進行論述。沖擊作用寬度與沖擊速度是決定海底斜坡失穩(wěn)后土體對影響空間范圍內海洋工程結構物破壞程度的重要因素［49］。因此，海底滑坡塊體運動狀態(tài)預測成為當今國際上研究的熱點與難點問題。

海底斜坡土體失穩(wěn)后，有的只發(fā)生有限變形的滑動和滑塌，而有的逐漸崩解演變?yōu)榱鲃樱?］。目前還很難有一種模型或理論，能夠表征海底滑坡完整的發(fā)展運移過程［14］。對于有限的滑動、滑塌或者斜坡破壞初期來說，土體空間上保持連續(xù)且變形相對較小，采用完全或更新Lagrangian格式的有限元法能夠獲得較高的計算精度。但若變形較大時，網格將發(fā)生畸變將導致該法計算精度迅速降低甚至無法完成計算。針對這一問題，NOH提出了任意拉格朗日－歐拉法（ALE法）［50］，該法吸取拉格朗日和歐拉法的優(yōu)點，計算網格可獨立于物質坐標系和空間坐標系在空間中以任意形式運動，能夠準確描述物體的移動界面，并維持單元的合理形狀，拓寬了有限元大變形問題的應用空間。劉開富等［51］采用滑坡算例對ALE法與更新Lagrangian法進行了對比，前者能有效改善網格畸變問題。但ALE也并非嚴格意義上的大變形分析，網格嚴重扭曲甚至重疊時，仍然存在無法求解的問題。相比ALE法，網格重劃分與映射技術是處理大變形的另一有效手段［52］，該法沒有ALE中的網格運動，當網格變形過大時，直接終止計算并在當前構型基礎上進行網格重劃，并將前一步網格上的變形、位移和力映射到新網格上繼續(xù)計算。此法雖然更適合大變形問題，但網格重劃分與映射過程會造成計算精度的損失，耗時較大，而且三維網格重劃分技術至今仍是世界性難題［53］。需要指出的是，有限元法要求計算空間是連續(xù)的，因此基于有限元的大變形方法適合海底滑坡前期土體運動變形情況，但對于滑坡后期土體演變?yōu)槟嗔骰蛩樾剂鲿r則已經不適用，對于碎屑流前端的“拆離”現象［54］則更難直接求解。

海底滑坡中后期逐漸演變?yōu)樗樾剂?，流動速度相對較快，流動沉積物保持不排水狀態(tài)，呈流態(tài)特性。當滑坡的破壞狀態(tài)進一步演化，土體將由碎屑流演變?yōu)橐环N濁流狀態(tài)。由于濁流土體的單位容重和抗剪強度遠低于碎屑流，因此，海底滑坡對管道和海底設施的破壞主要集中于碎屑流狀態(tài)期間［12］，必須對碎屑流的運動狀態(tài)進行預測。由于沉積物流動速度快，運用土力學的方法對其特征進行研究己經不適用，應采用塑性流體力學方法［1］。Imran等［55］采用 Herschel－Bulkley（n＝1時，退化為Bingham 模型）和雙線性流變模型模擬碎屑流，該模型沒有考慮“滑水”現象，因此與部分實驗結果［56］不符。Harbitz等［57］基于潤滑理論提出了穩(wěn)定“滑水”狀態(tài)下的一維解析模型，將上部流體簡化為剛體，底部為一厚度線性變化的水層，豎向速度假設為拋物線形分布。該模型忽略了前部、尾部及頂部的動水壓作用，而研究表明動水壓作用是十分重要的［14，54］。De Blasio等［58］在Imran等人的基礎上提出了改進的粘性流變模型，將碎屑流流動過程分為初始流動、產生水楔、“滑水”、“滑水”停止四個階段，該模型與實驗符合較好，但臨界Froude數、初始水楔形狀、碎屑流與海床間的粗糙度高度參數等均為人為假定，還需要進一步開展研究。多相流理論近來被引入到小尺度碎屑流流動模擬中，室內實驗對比證明該法可有效模擬“滑水”效應［59－60］，尤其適合粘土含量相對較高的情況，為水下碎屑流流動機理研究提供了新的途徑。另外，隨著計算機性能的不斷提高，無網格法已逐漸成為解決大變形等問題的主要方法之一。由于其基于離散點近似，不需要借助網格，從而解決了有限元和有限差分等方法在求解大變形問題時的網格畸變困難，為模擬海底滑坡過程提供了新的思路。楊林清［61］采用SPH深度積分模型直觀地展示了海底滑坡過程。GUE［62］采用DAMPM模型成果模擬了滑坡滑動過程，并與離心機實驗結果復合較好。然而，無網格法也存在一些固有的缺陷。其近似函數一般較為復雜，且大多數不具有插值特性，當粒子數量較大時計算量過大。

目前，不論上述何種計算方法，都沒有涉及到海底滑坡過程中土體因海水混入導致的“水侵軟化”現象［59］以及上部運動土體可能對底部的侵蝕現象。這也是海底滑坡數值模擬在后期研究中需進一步解決的問題。另外，針對海底滑坡或者碎屑流的數值模擬多數是針對室內小尺度實驗進行的，實驗用泥漿參數事先由流變實驗獲得，而實際過程中的流變參數是不斷變化且無法預知的［58］，使其在理論分析與計算上還存在非常大的困難［59］。如何將理論模型應用到實際大尺度海底滑坡模擬中仍然存在很大的困難。

3 物理實驗模擬

環(huán)境條件和技術條件的限制，人們難以直接觀察到海底斜坡的破壞過程以及破壞后塊體的長距離運移狀況。物理模型試驗仍然是研究海底滑坡機理與數值計算結果驗證的有效手段。國際上曾針對海底滑坡現象開展了一系列的實驗研究工作。這些實驗可以分為天然重力條件下的常規(guī)實驗與離心機實驗兩大類。

3.1 常規(guī)水槽實驗

水槽實驗基本上針對海底滑坡中后期碎屑流、濁流等現象，在天然重力作用下開展研究。Schwarz［63］是較早采用水槽開展海底滑坡沉積相關研究的，他通過將混合后的泥漿倒入10°～30°的傾斜水槽中，研究沉積速率與沉積厚度，實驗中并沒有測量孔隙壓力。Mohrig［4，56］采用10m×3m×0.6m可調角度的玻璃壁水槽，并先后設置了軟、硬兩種底面材料模擬碎屑流的流動，實驗發(fā)現了明顯的“滑水”現象，為海底滑坡低角度、長距離運移現象提供有力解釋。該實驗中沒有考慮不同土體與流體類型對模擬結果的影響。Laval［64］曾將低密度的沙土進行類似的水槽實驗，發(fā)現沙流前端與水槽底面之間存在一薄的水層，并也認為是發(fā)生了滑水現象。Marr等［65］專門分析了粘土與水的含量對泥漿流動特性的影響，發(fā)現粘土含量較高時，泥漿呈現塑性流變特性的層流。隨著粘土含量降低，下滑泥漿端部越來越容易出現斷裂，但實驗中沒有測量孔隙壓力與土體應力。Mohrig與 Marr［66］采用聲像技術對海底滑坡碎屑流轉換為濁流現象進行了研究，發(fā)現湍流現象主要集中端部，并提出了量化碎屑流端部流體對沉積層的侵蝕率框架，實驗中同樣沒有測量孔隙壓力與土體應力。Vendeville與Gaullier［67］采用高孔隙度沙、粘土以及粘性硅聚合物模擬滑坡土層，分析孔隙壓力與斜坡角度對海底滑坡的觸發(fā)條件，實驗發(fā)現流體壓力可以有效觸發(fā)海底滑坡，但沒有交代所用材料的性質參數。Ilstad等曾進行過三組實驗研究，第一組在前人實驗方案的基礎上增加了碎屑流孔隙流體壓力與總應力的測量，發(fā)現粘土相對于沙含量高時碎屑流端部發(fā)生滑水現象，相對較低時則出現湍流現象［68］。第二組通過高速攝像機拍攝跟蹤粒子，發(fā)現粘度較高時碎屑流流動速度相對較低，且從端部往后速度逐漸變小，粘度較低時碎屑流速度相對均勻［69］。第三組實驗進一步得到了與實際碎屑流前部“拆離現象”［70］。Zakeri等［71］采用水槽實驗模擬了海底滑坡產生的碎屑流對海底管道的沖擊影響，并提出了碎屑流沖擊管道時的拖拽力估算方法。Elverhoi等［72］借鑒前人的水槽實驗方法，分別對高（25%）、中（15%）、低（5%）三個不同等級粘土含量的泥漿模擬結果進行了對比。當粘土含量較高時，即使在很小坡度下土體也可借助滑水效應高速運移較遠的距離；當砂的含量增加時，流體粘度降低導致內部顆粒分離并形成雙層流現象，其中上層為低密度層細粘土和淤泥，下層為高密度層。

3.2 離心機實驗

土是一種非線性變形材料，它的應力－應變關系往往依賴于其內部的應力水平。當其進行物理模擬時，首要條件是保證模型的應力水平與原型相同。由于實際海底滑坡的規(guī)模一般較大，前文所述常規(guī)重力環(huán)境下的小尺度水槽實驗很難反映出實際滑坡體內的應力水平，這將給實驗結果帶來不準確性。

離心模型試驗利用高速旋轉的離心機，通過離心慣性力補償實驗模型因尺度縮小造成的自重應力損失，達到與原型相同的應力水平，因此離心實驗模型可以精確復制現場的應力條件。自Edouard Philips于1869年首次提出該構想以來，離心機技術在巖土工程領域得到了廣泛的應用［73］。1978年劍橋大學Schofield首次利用鼓式離心機模型試驗進行斜坡穩(wěn)定分析［74］，1998年西澳大學和Schofield合作建造了鼓式土工離心機［75］，1999年瑞士聯(lián)邦工學院也建造了同類型的鼓式土工離心機，我國大連理工大學也建造了國內首臺鼓式離心機［76］。

雖然離心機實驗技術已得到廣泛的應用，但在海底滑坡模擬方面則相對較少。Phillips與Byrne［77］是國際上較早開展海底斜坡相關離心機模擬研究的學者，他們主要研究靜載荷作用下的海底斜坡液化問題。Zhou等［78］采用離心機實驗研究不同加速度水平下水下斜坡的穩(wěn)定性問題，通過逐步調整斜坡角度獲得了斜坡材料分別為粉砂、細砂時斜坡的臨界坡度，實驗中沒有討論加速度水平對結果的影響。Coulter與Phillips［79］采用離心機實驗模擬了地震對海底滑坡的觸發(fā)作用。Coulte［80］進一步發(fā)現超孔隙水壓力以及液化現象首先在下坡區(qū)域出現，并向上坡方向發(fā)展，地震強度越大超孔隙水壓力越大，越容易發(fā)生液化，但對于小強度地震，土體在震后密實度增加，強度反而有所提高。Boylan等［81］針對深?；卢F象設計出了基于鼓式離心機的海底滑坡實驗模型，該實驗主要模擬海底滑坡的啟動過程，并專門設計了相應的滑動觸發(fā)裝置。實驗可以測試海底滑坡發(fā)生過程中三個不同階段土體的強度參數以及滑動土體與海床間的相互作用。采用鼓式離心機實驗可以完成斜坡土體從初始未擾動狀態(tài)演化為泥流狀態(tài)的整個過程，為進一步開展海底滑坡機理研究提供了技術支持。國內胡光海［45］通過臂式離心機實驗研究了不同飽和度土體模型的孔隙水壓力、土壓力和模型表面變化，并分析了土體含氣對海底穩(wěn)定性的影響。大連理工大學運用國內首臺鼓式離心機對海底滑坡進行了一些探索性試驗［62］，為我國采用鼓式離心機研究海底滑坡積累了經驗。

4 展 望

目前針對海底滑坡的相關研究已經取得了很大進展，但同時目前的技術理論方法仍然存在一些問題，需進一步提高和改進，以期能夠更準確的描述海底滑坡的真實過程。今后海底滑坡的研究可以從以下幾方面入手：

考慮到自然條件的限制，加之觸發(fā)機制的復雜性以及觸發(fā)時間、觸發(fā)地點的難以預知性等，直接觀察監(jiān)測海底滑坡發(fā)生過程的數據仍然有很大的難度。因此，借助聲學探測設備，結合地質鉆探取樣調查、物理模型試驗、數值模擬計算等方式，對已有典型滑坡開展研究，仍然是目前乃至今后認識海底滑坡機理的主要思路。若具備條件，人為觸發(fā)手段制造小型水下滑坡，可提供真實的滑坡觀測過程。

數值模擬技術是目前能夠按真實比例進行海底滑坡過程模擬的唯一手段。目前的數值計算方法雖然在一定程度上能夠實現海底滑坡形態(tài)與特征的模擬，但是由于滑坡從觸發(fā)到后期演變?yōu)樗樾剂魃踔翝崃魇且粋€非常復雜的過程，土體在運動過程中因海水混入而出現強度不斷降低的“水侵軟化”現象，目前還沒有合適的理論模型進行描述。今后需進一步設計相關實驗，研究不同性質土層的軟化機理，建立相應的數學模型，完善數值計算方法。

物理模型試驗是研究海底滑坡整個運動過程內在機理的最主要手段，也是驗證數學模型計算結果的重要方式。鼓式離心機通過離心力可以模擬實際規(guī)模海底滑坡土體的應力水平，更適合模擬實際滑坡觸發(fā)以及失穩(wěn)后土體運移的整個過程，是今后海底滑坡機理實驗研究的主要發(fā)展方向。而如何設計有效的滑坡觸發(fā)裝置以及如何加強滑坡后土體參數的觀測，是采用鼓式離心機研究海底滑坡所需要重點解決的問題。

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