修宗祥　劉樂軍　李西雙②　解秋紅②　李家鋼　胡光海

(①國家海洋局第一海洋研究所　青島　266061)

(②國家海洋局海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)重點實驗室　青島　266061)

(③中海油研究總院　北京　100027)

(④大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室　大連　116024)

?

荔灣3-1氣田管線路由海底峽谷段斜坡穩(wěn)定性分析*

修宗祥①④劉樂軍①李西雙①②解秋紅①②李家鋼③胡光海①

(①國家海洋局第一海洋研究所青島266061)

(②國家海洋局海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)重點實驗室青島266061)

(③中海油研究總院北京100027)

(④大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室大連116024)

針對南海荔灣3-1氣田管線穿過的海底峽谷區(qū)6個典型斜坡剖面，分別采用有限元強度折減法和極限平衡法開展斜坡穩(wěn)定性分析，模型考慮了土層強度隨深度的變化。計算結(jié)果對比表明，有限元強度折減法與極限平衡法分析結(jié)果一致，其中與Spencer 法結(jié)果最接近，穩(wěn)定系數(shù)相對誤差小于3.5%。重力作用下各斜坡基本處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，峽谷中下部土強度較低且坡度較高的局部區(qū)域接近臨界狀態(tài)，峽谷頭部因坡度相對較小且土體強度相對較大，其斜坡穩(wěn)定系數(shù)相對較高。地震水平加速度能夠明顯降低該區(qū)斜坡的穩(wěn)定系數(shù)，且隨著加速度值的增大滑動深度逐漸變大。當(dāng)水平加速度達到0.2g時峽谷中下部區(qū)域大部分會發(fā)生滑動。海底地形坡度和土層強度是影響峽谷區(qū)斜坡穩(wěn)定性的主要因素，且穩(wěn)定系數(shù)與滑動面對局部坡度和強度分布較為敏感，合理的穩(wěn)定性評價依賴于精確的地形數(shù)據(jù)與土層力學(xué)參數(shù)。

荔灣3-1氣田海底峽谷海底滑坡穩(wěn)定性

0　引　言

海底滑坡是大陸坡常見的沉積搬運形式。研究表明海底滑坡產(chǎn)生的塊體運動，已成為對海底管道、線纜等海底設(shè)施中威脅最大的地質(zhì)災(zāi)害之一(Mosher et al.，2010; Randolph et al.，2010; Yuan et al.，2015)?；麦w的高速沖擊將可能給海底管道、線纜等大跨度結(jié)構(gòu)物造成毀滅性影響(Locat et al.，2002; Nadim et al.，2005)。我國南海北部深水陸坡區(qū)油氣資源豐富(張功成等，2007; 關(guān)進安等，2014)，但同時也是海底滑坡地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)區(qū)。根據(jù)水深地形數(shù)據(jù)和地震剖面資料，陸坡區(qū)已識別出數(shù)目眾多、大小不一的海底滑坡(馮文科等，1994; 陳俊仁等，1996; 劉錫清等，2002; 吳時國等，2011; He et al.，2014)，特別是位于陸坡上部的海底峽谷區(qū)，海底滑坡十分發(fā)育且仍然存在發(fā)生的可能性(劉樂軍等，2011; 楊敬紅等，2014; Xiu et al.，2015)。

荔灣3-1氣田是我國第一個大型深水天然氣田，也是我國深海油氣開發(fā)的示范工程，其海底輸氣管道恰好穿過海底峽谷區(qū)。因此，從工程安全角度必須考慮該區(qū)海底滑坡地質(zhì)災(zāi)害對海底管道的潛在影響，而開展海底斜坡的穩(wěn)定性研究，是其中的最關(guān)鍵和基礎(chǔ)的一步(劉樂軍等，2014)。

海底斜坡穩(wěn)定性分析與陸上斜坡的最大區(qū)別在于，海底地層分布狀況與土體工程性質(zhì)的獲取存在較大難度。特別是深水區(qū)域的海上原位測試、工程地質(zhì)鉆孔取樣以及海上地球物理調(diào)查等存在較大的技術(shù)難度，而且作業(yè)費用十分昂貴，已成為海底斜坡穩(wěn)定性評價的主要制約因素。海底斜坡的穩(wěn)定性計算方法仍然以傳統(tǒng)的斜坡穩(wěn)定性計算方法為主(顧小蕓，2000; 胡光海等，2006; Vanneste et al.，2014)。其中，極限平衡法由于計算簡單快速，仍是目前常用的方法。有限元強度折減法(Zienkiewicz et al.，1975)自提出以來，經(jīng)國內(nèi)外學(xué)者的推廣應(yīng)用(Griffiths et al.，1999；鄭穎人等，2010)，已成為一種有效的斜坡穩(wěn)定性分析方法。其理論體系比極限平衡法更為嚴(yán)格，可以考慮土體的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，而且求解安全系數(shù)時，無需條分也不需假定滑動面的形狀和位置，由程序自動搜索跟蹤滑動面的形成發(fā)展過程。

本文基于荔灣3-1氣田管道路由峽谷區(qū)的地形地貌數(shù)據(jù)以及部分地質(zhì)鉆孔測試數(shù)據(jù)，采用基于Abaqus的有限元強度折減法和傳統(tǒng)極限平衡法，針對峽谷區(qū)典型剖面開展穩(wěn)定性分析研究。相關(guān)研究結(jié)果可以為荔灣3-1氣田輸氣管道工程中潛在的海底滑坡地質(zhì)災(zāi)害認識與防治提供參考。

1　區(qū)域環(huán)境地質(zhì)背景

荔灣3-1氣田位于我國南海北部陸坡前緣-珠江口盆地南部坳陷帶珠Ⅱ坳陷的白云凹陷。其深水段管線路由區(qū)(600～1500m)內(nèi)主要發(fā)育溝-脊相間的峽谷地貌，已發(fā)現(xiàn)十多條走向為NNW-SSE向或近N-S向的巨型海底峽谷。自峽谷頭部到水深1400m的區(qū)域海底地形相對粗糙，峽谷側(cè)壁及峽谷之間的臺地分布眾多大小不一、方向各異的陡坎(圖1)。峽谷側(cè)壁變形明顯，谷底地形相對平緩。同時，地震剖面也顯示峽谷內(nèi)存在大量的老滑坡體。

輸氣管線穿過的海底峽谷呈現(xiàn)南低北高、西低東高的特征，最大坡高差105m，海底坡度范圍主要集中于4°～10°，局部區(qū)域大于12°。因此該峽谷內(nèi)的海底坡體穩(wěn)定性對輸氣管線的安全運行有重要影響。

圖1　南海北部陸坡峽谷區(qū)地形Fig.1　Geomorphology of the submarine canyon in the northern continental slope of the South China Sea

2　穩(wěn)定性分析方法

有限元強度折減法(SRFEM)采用有限元計算滑坡體的應(yīng)力分布及變形特征，并通過對斜坡土體強度參數(shù)進行折減直至達到極限破壞狀態(tài)。以莫爾-庫侖材料為例，強度折減安全系數(shù)可以表示為：

(1)

其中，c和φ是土體抗剪強度參數(shù)；F為強度折減系數(shù)。研究區(qū)峽谷地形坡度較大的區(qū)域主要以黏性土為主，考慮滑坡一般發(fā)生在較短的時間內(nèi)，因此可以近似為不排水過程，采用Tresca理想彈塑性模型描述黏性土的不排水性質(zhì)，土的泊松比取為0.49以滿足不排水條件下的體積恒定(Wang et al.，2013)；彈性模量取值對于邊坡穩(wěn)定性影響較小，本文取海底黏性土彈性模量與不排水強度的比值為500。深海沉積物在自重作用下固結(jié)，不排水抗剪強度隨上覆壓力的增加而增加，因此需要考慮不排水強度隨深度的變化。工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明研究區(qū)地層比較單一，一定深度內(nèi)土層的不排水抗剪強度可認為隨深度近似線性增加(Wang et al.，2010)：

(2)

其中，sum為表層土的不排水抗剪強度；k代表強度增長斜率(kPa·m-1)；z代表土層厚度。此時，不同埋深土體折減后的強度sut可以表達為：

(3)

有限元強度折減法基于Abaqus軟件完成，土層不排水抗剪強度隨深度的變化通過設(shè)置場變量實現(xiàn)。

為了對比驗證，同時采用極限平衡法進行穩(wěn)定性計算。傳統(tǒng)極限平衡法根據(jù)條間力的不同假設(shè)又細分為不同的方法。而根據(jù)是否同時滿足力和力矩的平衡可以分為非嚴(yán)格條分法和嚴(yán)格條分法兩大類。本文選取非嚴(yán)格條分法中的簡化Bishop、簡化Jabbu法，以及嚴(yán)格條分法中的Spencer法進行計算。其中，簡化Bishop法僅滿足力矩平衡(適用圓弧滑動面)，簡化Jabbu法僅滿足力的平衡，而Spencer法則同時滿足力和力矩的平衡。上述3種方法計算采用SLOPE/W軟件完成。

3　典型剖面穩(wěn)定性分析

3.1重力載荷下的穩(wěn)定性

根據(jù)多波束水深地形數(shù)據(jù)，分別從海底峽谷上部和中下部選取了P1-P6共6個坡度相對較大的典型斜坡進行穩(wěn)定性分析(位置圖2)，其中P1、P2位于峽谷上部，P3-P6位于峽谷的中下部。斜坡的剖面地形數(shù)據(jù)(圖3)。根據(jù)CPT對比和室內(nèi)土工測試，6個剖面穩(wěn)定性計算參數(shù)(表1)。

圖2　選取的典型斜坡位置Fig.2　Locations of the typical slopes

圖3　斜坡剖面圖Fig.3　Profiles of the typical slopes

表1　典型斜坡穩(wěn)定性設(shè)計參數(shù)

Table 1　Design parameters for stability analysis of typical slope

剖面ρ'/kN·m-3Sum/kPak/kPa·m-1平均坡度/(°)P1572.658.5P2572.658P3521.1515P4521.1517P5521.154.5P6521.1511.5

基于ABAQUS的有限元強度折減法進行穩(wěn)定性計算時，采用二階三角形平面應(yīng)變單元模擬，邊界處控制單元尺寸為2m，以計算不收斂作為破壞主要判據(jù)。圖4、圖5分別為剖面P5對應(yīng)的土層不排水抗剪強度分布圖和重力作用下穩(wěn)定系數(shù)為3.13對應(yīng)的屈服面?？梢钥闯?，當(dāng)計算不收斂時，屈服面已經(jīng)貫通，此時認為斜坡破壞是合理的。

圖4　剖面P5土層強度分布Fig.4　Strength distribution of profile P5

圖5　剖面P5的滑動屈服面Fig.5　The yield surface of profile P5

表2為峽谷區(qū)6條剖面采用不同方法獲得的重力條件下的穩(wěn)定性系數(shù)。可以看出，SRFEM法與后3種方法的計算結(jié)果基本一致，數(shù)值介于Spencer法與簡化Bishop法之間。SRFEM與Spencer法結(jié)果最接近且稍高于Spencer法，相對誤差分別為2.34%、2.28%、3.5%、2.25%、1.96%、1.85%。同時SRFEM求得的最大滑動面深度也稍大于Spencer法，最大差值小于2m，即一個單元長度之內(nèi)。

表2　重力作用下斜坡穩(wěn)定性系數(shù)

Table 2　Safety factors of slopes under gravity loading

剖面SRFEMSpencer簡化Bishop簡化JanbuP14.654.5415.5364.39P25.044.9256.0224.776P31.2451.2171.3581.169P41.0221.0021.0960.974P53.133.023.92.95P61.461.4331.4331.401

另外，由表1和表2數(shù)據(jù)可以看出，斜坡P1和P2由于較高的土體強度，其穩(wěn)定性系數(shù)遠高于P3-P6 4個斜坡。P3、P4、P6 3個斜坡由于表層強度較低且地形坡度較大，穩(wěn)定系數(shù)相對較低。其中P4的穩(wěn)定系數(shù)最低，已接近臨界值，極易受外部載荷擾動發(fā)生破壞。同時，也表明P4剖面的地形坡度已接近區(qū)域內(nèi)具有與其相似土層性質(zhì)斜坡的失穩(wěn)臨界角度。P5雖然與P3、P4、P6具有相同性質(zhì)的土層，但由于地形坡度相對較低，其穩(wěn)定性系數(shù)比后者高出很多。

由上述分析可以看出，坡度和強度決定著峽谷區(qū)斜坡的穩(wěn)定性。而對于鄰近范圍內(nèi)的斜坡，土層參數(shù)往往相近，此時地形坡度就成為斜坡穩(wěn)定性的主要控制因素。如圖6為不同斜坡的平坡度對應(yīng)的安全系數(shù)，可以看出，除了P1和P2因土層強度較大穩(wěn)定性系數(shù)較高外，其他斜坡的穩(wěn)定系數(shù)都隨著平均坡度的增大而減小。

圖6　不同平均坡度對應(yīng)的安全系數(shù)Fig.6　Safety factors of different mean slopes

3.2水平地震加速度影響

研究區(qū)位于華南沿海地震區(qū)和南海地震區(qū)交界處。據(jù)現(xiàn)有統(tǒng)計資料，南海海區(qū)地震主要分布在研究區(qū)東側(cè)鄰近馬尼拉海溝地區(qū)，研究區(qū)內(nèi)地震活動較弱，但強烈地震活動仍會影響該區(qū)海底斜坡的穩(wěn)定性。為此，我們針對各斜坡進行了多種地震水平加速度下的穩(wěn)定性分析。

圖7為不同地震水平加速度下各斜坡的穩(wěn)定系數(shù)。由圖中可以看出，SRFEM法和Spencer法得到的穩(wěn)定系數(shù)基本一致，相對誤差小于2.67%。地震水平加速度能夠明顯降低該區(qū)斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)，隨著加速度的增大斜坡穩(wěn)定性系數(shù)迅速降低。當(dāng)?shù)卣鹚郊铀俣冗_到0.105g時，峽谷中下部區(qū)域坡度較大的斜坡基本發(fā)生破壞，當(dāng)?shù)卣鹚郊铀俣冗_到0.2g時，峽谷中下部區(qū)域坡度大于4.5°的大部分斜坡會發(fā)生破壞。

圖7　地震作用下斜坡穩(wěn)定系數(shù)Fig.7　Safety factors of slopes under seismic acceleration

圖8　地震作用下斜坡最大滑動深度Fig.8　Maximum sliding depths of slopes under seismic acceleration

圖8為地震水平加速度作用下，各斜坡的最大滑坡體厚度?？梢钥闯?，地震水平加速度在降低斜坡穩(wěn)定系數(shù)的同時，使滑動面深度也隨著加速度值的增大而呈現(xiàn)一定程度的增加。

從地震作用下的各斜坡穩(wěn)定性結(jié)果來看，雖然研究區(qū)內(nèi)地震活動較弱，但對于一些土層強度較低、坡度相對較大的局部區(qū)域來說，即使較小的地震擾動仍然可以引起斜坡的破壞。因此，就該峽谷區(qū)域內(nèi)的斜坡穩(wěn)定性而言，地震影響仍然是需要關(guān)注的因素。

4　結(jié)　論

基于有限元強度折減法和極限平衡法，對南海荔灣3-1氣田管線穿過的海底峽谷區(qū)6個典型斜坡剖面，進行了穩(wěn)定性分析，兩者計算結(jié)果一致。

重力作用下各斜坡基本上處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，峽谷頭部因坡度相對較小且土體強度相對較大，其斜坡穩(wěn)定系數(shù)高于峽谷中下部區(qū)域。海底峽谷區(qū)地形坡度和土層強度直接決定著斜坡穩(wěn)定性的高低。特別是土層強度相對較小時，穩(wěn)定系數(shù)與滑動面對局部坡度和強度分布較為敏感。因此，獲得精確地形數(shù)據(jù)與土層力學(xué)參數(shù)是海底斜坡穩(wěn)定性評價的關(guān)鍵。另外需要指出的是室內(nèi)土工試驗獲得的不排水抗剪強度指標(biāo)，往往因深水鉆孔取樣擾動而可能較大幅度低于真實值。原位十字板和靜力觸探(CPT/CPTU)等原位測試方法提供的土體不排水抗剪強度指標(biāo)更為可靠。

雖然目前研究認為目標(biāo)區(qū)的地震作用較弱，但地震水平加速度能夠明顯降低該區(qū)斜坡的穩(wěn)定系數(shù)。當(dāng)?shù)卣鹚郊铀俣冗_到0.2g時峽谷中下部大部分區(qū)域會發(fā)生滑坡，隨著加速度值的增大，滑動面深度也會一定程度的變大。因此，就該區(qū)域的斜坡穩(wěn)定性而言，地震影響仍然是需要關(guān)注的。

峽谷中下部地形坡度較大的局部區(qū)域，其穩(wěn)定性系數(shù)相對較低甚至接近臨界狀態(tài)，易受外部擾動載荷的影響而發(fā)生失穩(wěn)破壞。除了地震因素之外，其他的如重力流侵蝕削坡、上部滑動引起的載荷堆積以及其他的水動力作用等因素均可能在該區(qū)域觸發(fā)滑坡。

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SLOPE STABILITY ANALYSIS OF SUBMARINE CANYON AREA ALONG PIPELINE ROUTE OF LIWAN3-1 GASFIELD

XIU Zongxiang①④LIU Lejun①LI Xishuang①②XIE Qiuhong①②LI Jiagang③HU Guanghai①

(①First Institute of Oceanography，SOA，Qingdao266061)

(②Key Laboratory of Marine Sedimentology and Environmental Geology，Qingdao266061)

(③CNOOC Research Institute，Beijing100027)

(④State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian116024)

The finite element strength reduction method and limit equilibrium method are used respectively for the slope stabilities of six typical profiles in the submarine canyon area where the submarine pipeline of Liwan3-1gasfield is laid along its seabed.The soil strength characteristic of increase in depth is considered in the slope stabilities models.The comparison result shows that finite element strength reduction method and limit equilibrium method present consistent results.The stability factors obtained by the finite element strength reduction method are most closed to those of the Spencer method，with a relative error of less than 3.5%.All the slopes are basically stable，although some local areas in the middle and lower parts of the canyon with low soil strength and high slope are close to the critical state.The slopes in the upper canyon area have relatively higher stability factors than those in the other areas.The horizontal seismic acceleration can reduce the slope stability factor greatly，and the sliding depth usually increases with the acceleration.When the horizontal acceleration is 0.2g，most slopes in the middle and lower parts of the canyon would fail.The submarine slope angle and the soil strength are the mainly factors which control the slope stability in the canyon area.The stability factor and sliding depth are sensitive to the local slope angle and the strength distribution of the soil.A reasonable slope stability assessment result is dependent on the accuracy of terrain data and soil mechanics parameters．

Liwan3-1 gas filed，Submarine canyon，Submarine landslide，Stability

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.007

2015-06-29;

2015-11-30.

國家自然科學(xué)基金青年基金項目(41206058)，國家科技重大專項子課題(2011ZX05056-001-02)，國家重點實驗室開放基金(LP1514)中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(GY0213G25)資助.

修宗祥(1982-)，男，博士，副研究員，主要從事海洋工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價研究.Email: xiuzongxiang@163.com

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