水合物分解條件下海底黏土質(zhì)斜坡破壞實(shí)驗(yàn)?zāi)M

（大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連116024）

天然氣水合物（又稱可燃冰）是一種在低溫高壓條件下由水和天然氣（主要是CH4、C2H6等）形成的籠形晶狀化合物，廣泛分布于深海海底沉積物和陸地永久凍土帶[1].據(jù)估算，全球天然氣水合物中蘊(yùn)藏的天然氣總量相當(dāng)于全球已探明傳統(tǒng)化石燃料（煤炭、石油和天然氣）總碳量的兩倍，被普遍認(rèn)為是21世紀(jì)最具潛力的新型能源之一[2].

自然溫壓條件變化、油氣開采和水合物開采會(huì)引起水合物沉積層中水合物分解，并釋放大量的氣體，氣體的存在會(huì)嚴(yán)重影響海底斜坡的穩(wěn)定性.在海底高壓條件下氣體被壓縮，孔隙壓力會(huì)迅速增加，降低土體的有效應(yīng)力，有可能導(dǎo)致大規(guī)模的海底滑坡等災(zāi)害，毀壞海底電纜或海洋石油鉆井平臺(tái)等海底工程設(shè)施[3－5].因此，針對(duì)水合物分解條件下海底斜坡破壞的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

文獻(xiàn)[6－8]利用極限平衡法分析了水合物分解條件下海底斜坡的穩(wěn)定性.文獻(xiàn)[9－11]綜合考慮熱場(chǎng)、滲流場(chǎng)、力場(chǎng)與化學(xué)場(chǎng)，提出了水合物分解熱－滲流－變形－相變耦合模型，用于研究水合物開采的產(chǎn)能預(yù)測(cè)，開采過程中地層的沉降等問題.雖然數(shù)值分析方法應(yīng)用較為廣泛，但可靠的計(jì)算結(jié)果依賴于對(duì)海底斜坡變形破壞機(jī)制的深入認(rèn)識(shí)，并據(jù)此作出合理的簡(jiǎn)化假設(shè).

物理模型實(shí)驗(yàn)是巖土工程中一種重要的研究手段，可以直接觀測(cè)和記錄海底斜坡的變形和破壞過程，是深入研究水合物分解引起海底斜坡變形破壞機(jī)制的有效途徑.文獻(xiàn)[12－14]對(duì)在不同邊界條件和加熱方式下水合物分解后引發(fā)的層狀和噴發(fā)破壞進(jìn)行了分析.文獻(xiàn)[15]基于透明土技術(shù)，探討了水合物分解對(duì)黏土性質(zhì)的影響以及流體逸出結(jié)構(gòu)的形成過程.文獻(xiàn)[16]和[17]通過離心機(jī)模型實(shí)驗(yàn)，研究了水合物分解后沉積物力學(xué)性質(zhì)和地層滑塌特征.文獻(xiàn)[18]和[19]采用通氣的方式，分別研究了水合物分解后土體與氣泡的相互作用以及對(duì)海底粉砂土海床的破壞規(guī)律.目前，物理模型實(shí)驗(yàn)多以人工合成、厭氧發(fā)酵、通氣等方式模擬水合物分解，主要介質(zhì)為粉砂.而根據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料，在南海陸坡區(qū)，隨著水深的增加，海底沉積物顆粒逐漸由粉砂、粉砂質(zhì)黏土變?yōu)樯詈ｐね羀20]，對(duì)于水合物分解條件下海底黏土質(zhì)斜坡變形破壞的模型實(shí)驗(yàn)研究鮮見報(bào)道，對(duì)其內(nèi)部變形破壞過程認(rèn)識(shí)不足，變形破壞機(jī)制仍不清楚.此外，水合物分解引起海底斜坡破壞的臨界壓力研究尚處于空白.

基于此，以典型地質(zhì)調(diào)查資料為依托，概化海底黏土斜坡幾何模型，采用通氣的方式模擬水合物分解后氣體對(duì)海底斜坡的影響，開展多組模型實(shí)驗(yàn).結(jié)合圖像測(cè)量技術(shù)，研究了不同的土體強(qiáng)度、水合物埋深、氣體流量及分解范圍等組合條件下的海底斜坡破壞特征，綜合分析了坡面及坡體內(nèi)部的變形破壞過程，初步揭示了模擬水合物分解條件下海底斜坡的變形破壞特征；在此基礎(chǔ)上，采用極限平衡方法，建立了海底斜坡破壞時(shí)的臨界氣體壓力解析式，從理論上計(jì)算了斜坡變形破壞過程中的臨界氣壓值.本文研究為深入認(rèn)識(shí)水合物分解條件下海底黏土質(zhì)斜坡的變形破壞機(jī)制，發(fā)展穩(wěn)定性分析理論和評(píng)價(jià)方法提供有益參考.

1 實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 相似比尺確定

正確的相似比尺對(duì)模擬真實(shí)海底邊坡破壞過程非常重要，前人對(duì)于模型實(shí)驗(yàn)的相似關(guān)系進(jìn)行了詳盡的研究[21－23].要想獲得成功的模型實(shí)驗(yàn)，模型需要滿足幾何學(xué)相似、運(yùn)動(dòng)學(xué)相似和動(dòng)力學(xué)相似.

幾何學(xué)相似意味著模型與原型在相應(yīng)長(zhǎng)度方向上成比例，即

式中：rL為長(zhǎng)度比尺；L為長(zhǎng)度；下標(biāo)m、n分別表示模型和原型.

運(yùn)動(dòng)學(xué)相似要求模型與原型相應(yīng)的時(shí)間成比例，即

式中：rt為時(shí)間比尺；t為時(shí)間.

動(dòng)力學(xué)相似要求相應(yīng)的質(zhì)量（M）成比例，以及作用在相應(yīng)點(diǎn)上的力（F）成比例，且具有相同的方向，即

式中：ra為加速度比尺；a為加速度.由于模型和原型均處在常規(guī)重力場(chǎng)內(nèi)，加速度a相同，即ra＝1.另外，完全的動(dòng)力學(xué)相似還需滿足：

式中：Ra表 示 Ramberg數(shù)[24]；Re表 示 Reynolds數(shù)；Fr表示Froude數(shù)；下標(biāo)g、s、i、v分別表示重力、表面力、慣性力、黏滯力.實(shí)驗(yàn)過程很緩慢，慣性力可以忽略，因此只需滿足：

根據(jù)以上相似關(guān)系，得出對(duì)應(yīng)參數(shù)的相似比尺，具體關(guān)系如表1所示.實(shí)驗(yàn)選取相似比尺N＝1 000，依據(jù)表1的相似關(guān)系可以將模型實(shí)驗(yàn)放大到真實(shí)尺度.

表1 參數(shù)的相似關(guān)系Tab.1 Scaling relations of parameters

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2.1 氣體壓力控制器 實(shí)驗(yàn)采用自主研發(fā)的氣體壓力控制裝置，嚴(yán)格控制氣體流量，確保實(shí)驗(yàn)的高度可重復(fù)性.設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造和外觀如圖1所示，由限流控制閥、比例閥、流量計(jì)、壓力缸、控制面板和監(jiān)控單元構(gòu)成.該儀器同時(shí)具有壓力控制和流量控制兩種模式.可實(shí)現(xiàn)恒定壓力（0～1MPa）與恒定流量（0～100mL／min）的精確控制.儀器可通過外接氣源實(shí)現(xiàn)不間斷通氣，避免了傳統(tǒng)壓力缸體積小和通氣量小的限制.為解決氣體壓力監(jiān)測(cè)的問題，在出氣孔處布置了氣體壓力傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)通氣壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)控.

1.2.2 測(cè)量系統(tǒng) 為避免對(duì)土體的擾動(dòng)，實(shí)驗(yàn)均采用非接觸式的測(cè)量手段.采用激光位移傳感器測(cè)量坡面位移，通過粒子圖像測(cè)速法（PIV）觀測(cè)斜坡內(nèi)部側(cè)向位移場(chǎng).其中，激光位移傳感器固定在支架上，其測(cè)點(diǎn)位于通氣點(diǎn)正上方，側(cè)面布置GoPro高速運(yùn)動(dòng)相機(jī)，用于觀測(cè)土體側(cè)面位移場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)具體布置如圖2所示.

圖1 氣體壓力控制器Fig.1 Air pressure controller

圖2 測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)布置圖Fig.2 Experimental setup of the measuring system

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)主要目的是研究水合物分解后在氣體作用下海底斜坡變形破壞的特征，不考慮水合物分解的過程.目前真實(shí)條件下水合物分解數(shù)據(jù)較少，且獲取困難，但現(xiàn)有數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果[25－26]均顯示在水合物分解過程中，水合物的剩余量與總產(chǎn)氣量隨時(shí)間呈線性分布.因此假定水合物的分解速率是恒定的，用恒定流量通氣的方式模擬水合物分解.另外，由于高嶺土性質(zhì)均一，被廣泛用于模擬海底黏土邊坡，所以采用高嶺土作為海洋飽和軟黏土的模擬材料.依據(jù)南海海底沉積物強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)[27]，利用加載固結(jié)的方式，制備兩種不同強(qiáng)度的土體用于實(shí)驗(yàn)，具體土體參數(shù)如表2所示.

此外，地質(zhì)調(diào)查[28]表明，南海北部陸坡區(qū)坡度為2.5°～12.8°，由于模型箱尺寸限制，實(shí)驗(yàn)選取概化的斜坡坡度為10°.另外，選取氣體流量分別為35.1和43.5mL／min，水合物埋深分別為5和2.5 cm，分解范圍分別為5和3cm.由此開展不同土體強(qiáng)度、氣體流量、水合物埋深及分解范圍組合形式的多組模型實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)方案如表3所示.

表2 土體參數(shù)Tab.2 Soil parameters

表3 實(shí)驗(yàn)工況Tab.3 Experimental conditions

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

第1步 預(yù)埋通氣管道和砂層.為防止氣體沿側(cè)面有機(jī)玻璃板與土體交界面逸出，將出氣點(diǎn)布置在模型箱正中，距離側(cè)面有機(jī)玻璃板2cm處并固定.在管道出氣孔布置球形砂層，使氣體能夠均勻地向四周擴(kuò)散，通過改變砂層直徑達(dá)到模擬不同水合物分解范圍的目的.

第2步 制備土樣.配置初始含水率為120%（約2倍液限）的土樣，使用真空攪拌釜在－0.08 MPa條件下攪拌2h，制備出充分混合的飽和土試樣；然后緩慢將高嶺土倒入模型箱中.為減小邊界效應(yīng)的影響，在倒入高嶺土前，在模型箱內(nèi)壁均勻地涂抹一層凡士林.然后分別在45和25kPa壓力下固結(jié)，變形穩(wěn)定后撤去壓力.

第3步 制備邊坡模型.打開模型箱側(cè)面有機(jī)玻璃板，均勻地撒上一層示蹤粒子.之后再放入固結(jié)儀下固結(jié)24h，使土體與有機(jī)玻璃板充分貼合.固結(jié)完成后，進(jìn)行削坡工作.

第4步 開始實(shí)驗(yàn).為避免外部光源干擾，削坡完成后，將模型箱放入實(shí)驗(yàn)槽內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)過程中保持封閉狀態(tài).連接氣源，打開氣體壓力控制器，待流量穩(wěn)定后，接通氣管，向土體內(nèi)部通氣，直至斜坡破壞，完成實(shí)驗(yàn).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 坡面位移特征

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖3所示，p為通氣壓力，s為坡面位移，t1為通氣時(shí)間.由于不同工況下實(shí)驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間差異較大，為方便比較，將所有曲線時(shí)間軸無(wú)量綱化.從圖3中可以看出，對(duì)于不同工況通氣壓力和坡面位移變化趨勢(shì)基本一致.對(duì)于通氣壓力，實(shí)驗(yàn)開始之后，由于此時(shí)通氣量較小，氣體均勻地?cái)U(kuò)散到孔隙中，壓力沒有明顯變化.隨著通氣量的增大，氣體開始被壓縮，通氣壓力上升，達(dá)到峰值后逐漸減小，最后突降為0，總體呈拋物線型.在這個(gè)過程中伴隨著坡面位移的變化，可分為4個(gè)階段：① 位移平穩(wěn)階段：實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，由于通氣壓力較小，位移沒明顯變化；② 位移穩(wěn)步增長(zhǎng)階段：通氣壓力上升，土體開始出現(xiàn)位移，但增長(zhǎng)速率緩慢；③ 位移加速增長(zhǎng)階段：隨著通氣壓力的繼續(xù)上升，到達(dá)某一壓力值時(shí)，坡面位移隨通氣壓力變化轉(zhuǎn)變到位移加速增長(zhǎng)階段，定義此時(shí)的壓力為臨界氣體壓力值；④ 位移峰值階段：壓力突降為0時(shí)，位移達(dá)到峰值，并保持穩(wěn)定.從圖中可知，對(duì)于 Test－1～Test－6，通氣壓力的響應(yīng)時(shí)間（以無(wú)量綱表示）分別為0.317、0.514、0.167、0.117、0.088、0.251，坡面位移的響應(yīng)時(shí)間分別為0.489、0.604、0.189、0.164、0.102、0.313.通氣壓力的響應(yīng)時(shí)間均早于坡面位移的響應(yīng)時(shí)間，符合一般規(guī)律.

圖3（a）為不同土體強(qiáng)度條件下的通氣壓力與坡面位移的測(cè)試結(jié)果.Test－1測(cè)得的通氣壓力最大為18.1kPa，坡面位移最大為6.87mm.Test－5測(cè)得的通氣壓力最大為7.7kPa，坡面位移最大為22.58mm.強(qiáng)度對(duì)壓力累積和坡面位移的影響顯著，在低強(qiáng)度土體中，較小的通氣壓力下就能產(chǎn)生較大的相對(duì)位移.

圖3（b）為不同埋置深度條件下的測(cè)試結(jié)果.相對(duì)于 Test－2得到的最大通氣壓力18.3kPa，Test－4測(cè)得的最大通氣壓力為12.1kPa，即隨著埋深的增加，通氣壓力增大.對(duì)于坡面位移，Test－2測(cè)得最大值為3.95mm，Test－4測(cè)得最大值為12.47mm，即隨著埋深的增加，坡面位移減小.這是因?yàn)殡S著埋深的增大，氣體在擴(kuò)散過程中需要克服更大的上覆土壓力.

從圖3（c）可知，Test－3測(cè)得的最大通氣壓力為8.8kPa，最大坡面位移為6.54mm.與 Test－4測(cè)試結(jié)果對(duì)比可得：隨著流量增加，通氣壓力上升，坡面位移增大.根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，在有限體積的情況下，流量的增加意味著物質(zhì)的量增大，所以通氣壓力會(huì)上升.而在相同埋深和相同強(qiáng)度條件下，通氣壓力的增大，自然會(huì)導(dǎo)致坡面位移的增加.

由圖3（d）可知，Test－6測(cè)得的最大通氣壓力為11.6kPa，最大坡面位移為17.91mm.與 Test－5測(cè)試結(jié)果對(duì)比可以看出：分解范圍越小，通氣壓力越大，坡面位移較小.這是因?yàn)榉纸夥秶冃?，相?dāng)于氣體的容積變小，同樣根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，在相同流量下壓力會(huì)變大.而容積變小會(huì)導(dǎo)致氣泡的作用面積減小，相應(yīng)的作用力會(huì)減小，所以坡面位移會(huì)變小.

圖3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of experimental results

2.2 坡體變形特征

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻的累積位移矢量圖及影響范圍如圖4所示.x為水平位置，y為豎直位置.這里需說明由于設(shè)備故障，未獲得Test－1的位移矢量圖，但由圖3（a）可知，Test－1的坡面位移測(cè)試結(jié)果符合上述分析的位移變化規(guī)律，而坡面位移是坡體內(nèi)部變形的外在體現(xiàn)，因此Test－1的位移矢量圖也應(yīng)符合總體變形規(guī)律.以下對(duì)Test－2～Test－6工況進(jìn)行對(duì)比分析.

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻位移矢量圖Fig.4 The displacement vector diagrams at the end of the experiment

由圖4可知，坡體位移矢量基本上可以按照破壞面分為兩部分：一部分是破壞面以下的土體，該部分土體位移量相對(duì)較小，且沒有固定方向；另一部分是在破壞面以上的土體，該部分土體位移量相對(duì)較大，且通氣點(diǎn)正上方位移最大，方向基本垂直于原始坡面.以通氣點(diǎn)中軸為界，位移量向兩邊逐漸減小，方向向兩邊逐漸發(fā)散.

由圖4還可得出，不同因素對(duì)坡體變形特征的影響.對(duì)比 Test－2與 Test－4工況，對(duì)于 Test－2最大合成位移為4.02mm，在坡面的影響范圍寬99.50 mm；對(duì)于 Test－4最大合成位移為12.66mm，在坡面的影響范圍寬70.28mm；隨著埋深增大，相對(duì)位移變小，這與上述結(jié)論相符.另外，埋深越深，影響范圍越大.對(duì)比 Test－3與 Test－4工況，對(duì)于 Test－3最大合成位移為6.57mm，在坡面的影響范圍寬76.55mm；隨著流量增大，相對(duì)位移變大，但影響范圍無(wú)明顯差異.對(duì)比 Test－5與 Test－6工況，對(duì)于Test－5最大合成位移為23.05mm，在坡面的影響范圍寬108.37mm；對(duì)于Test－6最大合成位移為18.21mm，在坡面的影響范圍寬147.28mm.隨著分解范圍增大，相對(duì)位移變大，但影響范圍變小.

2.3 變形破壞過程分析

通過多組模型實(shí)驗(yàn)，得出上述坡體變形破壞特征.結(jié)合通氣壓力、坡面位移的變化規(guī)律及斜坡破壞過程不同階段的實(shí)物圖（以Test－6工況為例），將整個(gè)斜坡變形破壞過程概化為4個(gè)主要階段，如圖5所示，t2為對(duì)應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn).

（1）氣壓累積階段.水合物開始分解，但此時(shí)分解量較小，氣體均勻地?cái)U(kuò)散到周圍孔隙中，通氣壓力基本為0，坡面位移無(wú)明顯變化，如圖5（a）所示.

（2）土體彈性壓縮階段.隨著分解量不斷增加，氣體被逐漸壓縮，通氣壓力上升，土體被彈性壓縮，位移開始緩慢增長(zhǎng)，如圖5（b）所示.

圖5 不同階段斜坡破壞特征（Test－6）Fig.5 Characteristics of slope failure at different stages（Test－6）

（3）斜坡破壞隆起階段.隨著通氣壓力的不斷增加，斜坡土體被抬升，坡面產(chǎn)生隆起；當(dāng)通氣壓力大于氣體臨界壓力時(shí)，土體內(nèi)部產(chǎn)生張拉裂縫，且裂縫沿著近乎平行于坡面方向擴(kuò)展，位移快速增長(zhǎng)，定義此時(shí)的氣體壓力為臨界壓力，如圖5（c）所示.

（4）變形穩(wěn)定階段.通氣壓力的作用下，內(nèi)部裂縫不斷擴(kuò)展直至貫通，壓力突然釋放，變形達(dá)到峰值，并保持穩(wěn)定，如圖5（d）所示.

3 臨界壓力分析

為求解斜坡破壞時(shí)的臨界壓力，運(yùn)用極限平衡法對(duì)斜坡破壞時(shí)的臨界狀態(tài)進(jìn)行分析.由于實(shí)驗(yàn)采用的是飽和黏土，內(nèi)摩擦角φ＝0°.根據(jù)朗肯土壓力理論，破壞面與坡面呈45°，則土體發(fā)生破壞時(shí)的臨界狀態(tài)受力如圖6所示.

圖6 臨界狀態(tài)斜坡受力圖Fig.6 The forces acting on the slope at the critical state

由z方向受力平衡可得

式中：W為破壞區(qū)域土體的自重；T為破壞面上剪應(yīng)力合力；P為作用在上部土體氣體線壓力；l為初始分解區(qū)域的寬度；α為斜坡坡度.

破壞區(qū)域土體自重可表示為

式中：γ為上部土體的重度；d為水合物的埋置深度.假設(shè)土體的剪切強(qiáng)度符合摩爾－庫(kù)倫準(zhǔn)則，則土體內(nèi)部某一點(diǎn)的臨界應(yīng)力狀態(tài)為

式中：τ為作用在剪切面上的剪切應(yīng)力；σ為作用在剪切面上的有效法向應(yīng)力；c為土體的黏聚力.

則破壞面上剪應(yīng)力合力為

將各實(shí)驗(yàn)具體參數(shù)代入式（11），計(jì)算結(jié)果如表4所示.

將式（8）和（10）代入式（7）可得斜坡發(fā)生破壞時(shí)的臨界壓力為

表4 臨界壓力計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Calculated and experimental results of critical pressure

Test－1～Test－6計(jì)算結(jié)果較實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏大，偏差在20%左右，這是因?yàn)楦鶕?jù)上文所述，出氣點(diǎn)距側(cè)面有機(jī)玻璃板有一定的距離，當(dāng)側(cè)面觀察到裂縫時(shí)，說明出氣點(diǎn)處已經(jīng)發(fā)生破壞，此時(shí)真實(shí)的分解范圍lr發(fā)生變化，由于裂縫擴(kuò)張使得lr＞l；另一方面，觀察實(shí)驗(yàn)圖像可得，當(dāng)側(cè)面出現(xiàn)裂縫時(shí)，所假設(shè)破壞面并未全部進(jìn)入臨界狀態(tài).這兩方面的原因?qū)е掠?jì)算結(jié)果較大.計(jì)算結(jié)果雖大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但可在一定程度上反映臨界壓力的真實(shí)水平，為海底黏土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考.

4 結(jié)論

（1）強(qiáng)度對(duì)壓力累積和坡面位移的影響顯著，在低強(qiáng)度土體中，較小的通氣壓力下就能產(chǎn)生較大的相對(duì)位移；隨著埋深的增加，通氣壓力增大，坡面位移減?。浑S著流量增加，通氣壓力上升，坡面位移增大；隨著分解范圍增大，通氣壓力減小，坡面位移增大.

（2）水合物分解條件下海底斜坡變形破壞過程可概化為4個(gè)階段：氣壓累積階段；土體彈性壓縮階段；斜坡破壞隆起階段；變形穩(wěn)定階段.前兩個(gè)階段位移變化較小，后兩個(gè)階段位移快速增長(zhǎng)直至穩(wěn)定，此時(shí)可觀察到明顯的裂縫，方向平行于原始坡面.

（3）雖然氣體臨界壓力計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差在20%左右，但可在一定程度上反映臨界壓力的真實(shí)水平，可為海底斜坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考.