曹妃甸海底深槽斜坡穩定性分析與評價

褚宏憲，方中華，史慧杰，高小惠

(1.國土資源部海洋油氣資源與環境地質重點實驗室 青島海洋地質研究所，山東 青島 266071; 2.海洋國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，山東 青島 266061)

曹妃甸海底深槽斜坡穩定性分析與評價

褚宏憲1，2，方中華1，2，史慧杰1，2，高小惠1，2

(1.國土資源部海洋油氣資源與環境地質重點實驗室 青島海洋地質研究所，山東 青島 266071; 2.海洋國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，山東 青島 266061)

海底斜坡穩定性受風暴潮、海底地震等諸多不確定因素影響，易發生失穩破壞，產生較大的海洋地質災害。簡要介紹海底斜坡穩定性分析方法，建立曹妃甸深槽典型斜坡計算模型，確定了模型計算的海底地形參數、地層結構參數、土體物理力學參數等指標，利用GEO-SLOPE斜坡分析軟件進行海底斜坡穩定性定量計算，分析了工程建設前自然狀態下以及在大規模工程建設后海底斜坡穩定性，并模擬分析了在大風浪和地震等極端條件下斜坡的穩定性，確定了海底斜坡失穩空間特征。首次采用數值計算對曹妃甸海底斜坡穩定性進行定量分析評價，可以為類似近海建設工程提供重要的參考作用。

海底深槽；斜坡穩定性；GEO-SLOPE軟件；安全系數； 曹妃甸

Abstract:The submarine slope in stability due to many uncertain factors,such as storm surge and undersea earthquake,may produce large marine geological disasters.This paper briefly introduces the submarine slope stability analysis method.To build up the computer mode of Caofeidian typical deep trough slope,the model calculation parameters are determined,such as submarine topography parameters,formation structure parameters,soil strength parameters and so on.Using GEO-SLOPE analysis software for submarine slope stability quantitative calculation,the submarine slope stability in natural state before and after large-scale engineering construction is analyzed,and simulation is made of the slope stability under extreme conditions,such as large waves and earthquakes,to determine the spatial characteristics of submarine slope instability.In this paper,by using numerical simulation technology for the first time,the quantitative calculation of Caofeidian submarine slope stability is made,and the results can also be used for the design of other similar coastal projects.

Keywords:submarine deep trough; slope stability; GEO-SLOPE; safety coefficient; Caofeidian

曹妃甸甸頭前沿深槽是曹妃甸港最大的優勢，深槽是進出曹妃甸港的天然深水航道，深槽穩定性和未來演變趨勢直接關系到曹妃甸的未來[1]。海底深槽斜坡穩定性受風暴潮、海底地震等許多不確定因素影響，若發生失穩破壞，將產生較大的海洋地質災害問題[2]。

根據收集的曹妃甸海區2004年至2008年海底地形資料初步分析，2004年的曹妃甸深槽最深水深為41.7 m，2008年的曹妃甸深槽最深水深為42.0 m，深槽最深處已經加深0.3 m左右，曹妃甸甸頭南側深槽斜坡坡度較陡，潮流動力強，且構造復雜穩定性差，位于南堡凹陷曹妃甸斷裂附近，為第四紀活動斷裂。這種海底侵蝕的加劇，使得甸頭深槽的斜坡坡度有變陡的趨勢，斜坡穩定性將進一步降低，海底滑坡的危險性增大，一旦在風暴潮或地震等外力觸發下易發生海底滑坡等地質災害，對礦石碼頭的安全是不利的，對曹妃甸港造成巨大的安全隱患。利用GEO-SLOPE軟件，建立了曹妃甸水下斜坡計算模型，模擬了波浪作用、建筑荷載、地震力等工況條件，進行了曹妃甸深槽水下斜坡穩定計算分析，并對斜坡穩定性影響因素進行了探討。

1 研究區域及研究方法

1.1研究區域

圖1 研究區位置示意Fig.1 Location map of the study area

曹妃甸沙島位于渤海灣北部岸線轉折處，地理坐標北緯38°55′，東經118°30′。曹妃甸沙島距離大陸岸線約18 km，呈長條狀沿NE-SW向方向延伸，海底的地形和地貌較復雜，屬于現代海洋動力地貌，曹妃甸深槽地貌由曹妃甸淺灘和甸頭前沿深槽組成[3]。曹妃甸工程建設前，島頂高程2～4 m，沙島長約8 km，寬400～700 m; 沙島北側與大陸岸線之間原為淺水潟湖與淺灘區，淺灘水深較小，大潮時僅中央條帶狀沙脊出露。2003年曹妃甸開始大面積填海造陸，建設曹妃甸港口工業區，徹底改變了灘海地貌，形成前島后陸的格局，而曹妃甸岬角地貌特征得以保留(見圖1)。曹妃甸沙島呈三角形突出于海中，沙島南側水下岸坡較陡，坡度2°～4°，30 m等深線距曹妃甸甸頭約500 m。該深槽是渤海灣最深的水域，深槽最大水深2013年測量為42 m，甸頭南側深槽走向呈近東西向分布，底部為侵蝕洼地，與障壁島形狀類似，洼地呈三角形條帶分布，溝槽北陡南緩，槽底缺失全新世沉積層。

1.2研究方法

目前海底斜坡穩定性的常規分析方法可歸為三類：極限平衡法；數值分析法和概率法[4-5]。1) 極限平衡法的理論要點是作用在土體上的剪切應力等于土體的抗剪強度時土體將發生破壞，其優點是模型簡單方便，用的最普遍，但它很大程度上依賴于對土體性質的精確了解，不能計算出斜坡土體內應力應變、超孔隙水壓對土體強度的影響。2) 數值分析法主要是采用本構模型為基礎，能反映應變—應力的發展過程，有助于認識斜坡失穩的機理。3) 斜坡穩定性分析中有許多不確定的因素，傳統的安全系數法無法反映巖土參數的不確定性，而概率法采用均值和標準偏差值來表示土體性質，從而形成基于可靠度理論的斜坡穩定性分析方法。

加拿大GEO-SLOPE國際有限公司推出的斜坡分析計算模塊SLOPE/W采用極限平衡理論，通過數值模擬運算，利用概率的方法進行斜坡可靠度評價，可以評價斜坡穩定性。孫永福等[6]利用GEO-SLOPE/W軟件對黃河三角洲埕島油田海域水下斜坡在風暴潮作用下的穩定性進行了定量計算，結果顯示斜坡表層土體存在產生滑移破壞的可能。該方法把空間問題轉化為平面問題來處理。先假定一個擾動因素，土坡中出現一條滑裂面，計算其穩定安全系數，假設還存在其它的滑裂面，以同樣的方法計算安全系數，重復這樣的工作，找出最危險的滑面，即安全系數最小的滑面，然后分別對單個土條或整個土體利用力的平衡、力矩平衡、摩爾-庫倫破壞準則等建立關系式并求解[7]。

極限平衡法是建立在摩爾-庫侖強度準則基礎上的,其表達式為：

式中：τf為破壞面上的剪應力，c′為土的有效黏聚力，σ′為破壞面上的有效法向應力，φ′為土的有效內摩擦角。

式中：Fs為安全系數，γ′為土的浮容重，γw為水的容重，g為重力加速度，H為水深，h為滑動面深度，β為海底坡角，φ為土的內摩擦角，c為黏聚力。當滑動面以上塊體向下產生的滑動應力超過了滑動面上的抗剪強度時，就會發生海底滑坡。可以用安全系數來表示，理論上Fs大于1時，斜坡是穩定的。當Fs小于1時，斜坡處于不穩定狀態，出于一定的安全儲備考慮通常采用最低安全系數1.3的控制標準，當計算的安全系數小于1.3時，認為斜坡處于不穩定狀態，有可能發生滑移等失穩破壞。

2 海底斜坡穩定性分析模型

海底斜坡穩定性取決于2個條件：一是斜坡本身條件,包括斜坡地形坡度、斜坡土層結構、土質物理力學參數等；二是外部環境動力條件,包括重力、波浪力、地震力、建筑載荷等。而且不同的斜坡具有不同的地質和動力環境條件，建立海底斜坡計算模型需要確定的基本參數有海底地形參數、地層結構參數、土體物理力學參數等指標，按照不同工作條件的設計狀況和荷載組合，采用總應力極限平衡法進行海底斜坡穩定性計算，并運用GEO-SLOPE斜坡分析軟件進行斜坡穩定性數值分析。

2.1模型斷面的選擇

模型斷面的選擇是基于以下幾個方面考慮的[8]：1) 模型斷面應選擇海底坡度最陡的位置,及最可能發生滑坡的區域,這樣對評價深槽斜坡穩定性才具有代表性; 2) 模型斷面上應有控制鉆孔,這樣模型參數的選擇才有依據; 3) 模型斷面的選擇應選在對擬建或已建工程安全隱患最大的地方。因此將模型斷面選在已建25萬噸礦石碼頭附近，模型斷面及鉆孔位置如圖2所示。同時該斷面海底地形為坡度變化最大位置，海底斜坡坡度為4%～9%(如圖3)。

圖2 模型斷面及鉆孔位置圖Fig.2 Section model and drilling location

圖3 模型斷面水深圖Fig.3 Section depth map

2.2建立模型地層結構

根據礦石碼頭勘察資料，海底斜坡區地層較復雜，海底面80 m以下共劃分6個層位，自上而下詳細描述如下：

① 粉細砂

飽和，松散～中密狀態，分布不均勻。層底標高一般在-3～-36.5 m左右，厚度約為3～28 m，由曹妃甸向南逐漸變薄。

② -1淤泥質粉質黏土

軟～可塑狀，中～中上塑性，該層分布不連續，在深水區該地層缺失。層底標高一般在-28～-33 m左右，厚度約為2～5 m。

② -2粉細砂

飽和，松散，局部稍密狀，該層層位穩定，分布連續。層底標高一般在-34～-45 m左右，厚度約為5～10 m。

③ 粉質黏土

可塑狀為主，中～中上塑性，土質不均，該層層位穩定，分布連續。層底標高一般在-47～-53 m左右，厚度約為6～13 m。

④ -1 粉土

密實狀，層面起伏較大，分布不連續，局部夾有黏土和粉細砂透鏡體，主要分布曹妃甸沙島和淺水區。層底標高一般在-52～-56 m左右，厚度約為2～9 m。

④ -2 亞砂土

中密-密實狀，以粉砂為主，低塑性，含少量黏性土分布不連續，主要分布遠離曹妃甸沙島深水區。層底標高一般在-55～-60 m左右，厚度約為2～9 m。

⑤ 粉細砂

飽和，中密，均勻，局部為砂質粉土，該層層位穩定，分布連續。層底標高一般在-63～-66 m左右，厚度約為6～9 m。

⑥ 亞黏土

圖4 水下斜坡穩定性計算模型示意Fig.4 Sketch map of the underwater slope stability calculation model

密實狀，硬塑狀，中塑性，該層分布連續，層位穩定。

建立水下斜坡穩定性計算模型(圖4)。該斜坡為海底土質斜坡，斜坡模型計算長度為1 500 m，海底地層80 m以內劃分了6層，模型結構相對較復雜。高程系統以曹妃甸理論深度最低潮面為基準。把碼頭0+000位置(鉆孔Y01點見圖2)作為模型斷面坐標起點，向南延伸約1 500 m，約在1 000 m位置海底水深最大，約為-40 m，向南海底逐漸抬升。圖4中向下箭頭表示海底地層承受海水壓力作用，該剖面橫切深槽，具有典型代表意義。

2.3土體強度參數的選定

研究區內土體物理力學參數具有較大的分散性，采取強度參數平均值進行計算，各土層土的強度指標如表1所示。

表1 曹妃甸礦石碼頭土體主要物理、力學性質指標Tab.1 The index table of Caofeidian Ore Terminal's main soil physical and mechanical properties

2.4海底斜坡環境動力條件

研究區為渤海灣古灤河三角洲發育的沖積海積平原，海底斜坡以沖刷作用為主，屬于現代海洋動力地貌，外部環境動力條件包括土層重力、潮流波浪力、地震力、建筑載荷等。曹妃甸海域位于渤海灣口北側，主要受渤海潮波系統控制，潮汐性質屬于不規則半日潮。據實測資料曹妃甸甸頭平均高潮位為0.81 m，平均低潮位為-0.73 m，平均潮差為1.54 m，曹妃甸海域平均潮差由東向西逐漸增大；潮流基本呈往復流形式，漲潮流向西，落潮流向東；漲、落潮水流受地形控制明顯，曹妃甸甸頭附近潮流最強，并向兩側呈減弱趨勢。曹妃甸海域波浪以風浪為主，涌浪為次，風浪波高多在0.7～1.1 m，海域常浪向為S、SE，強浪向ENE、NE向，夏季波高較小，冬春季波高較大。研究區域為7級地震設防。

3 不同環境條件下海底斜坡穩定性分析

海底斜坡受到多種外部環境條件影響和控制，因此需要模擬多種工況環境，輸入模型邊界外力條件。外界影響條件主要包括分析海底斜坡自身重力、海平面變化、波浪作用、建筑物附加荷載和地震力作用等條件。首先進行每種單一環境條件下海底斜坡穩定影響分析，然后再按荷載基本組合持久狀況和偶然組合短暫狀況兩種設計狀況進行海底斜坡穩定性分析評價。

3.1單一環境條件下的海底斜坡穩定性影響分析

3.1.1 工程建設前自然狀態下的海底斜坡穩定性分析

圖5 工程建設前自然狀態下滑移面形態示意Fig.5 Schematic diagram of sliding surface morphology before construction in the natural state

工程建設前，海洋環境條件采用海平面標高0 m，不考慮波浪壓力等水動力影響，計算在自身重力荷載作用下，根據鉆孔資料，利用前面選定的參數，得出滑面的最小安全系數為5.24(如圖5所示)。最小安全系數值較大，因此在自身重力荷載情況下該區土體穩定性較好，不可能發生滑坡。

3.1.2 海平面變動對海底斜坡穩定性影響分析

表2是塘沽、曹妃甸不同重現期極值高潮位和極值低潮位。100 a一遇的極值高潮位為4.75 m，100 a一遇的極值低潮位為-1.42 m。模擬了海平面水位h=5 m、4 m、3 m、2 m、1 m、0 m、-1 m、-2 m海底斜坡穩定性分析，結果如表3所示。

表2 曹妃甸不同重現期極值高潮位和極值低潮位Tab.2 Caofeidian extreme high or low tide in different return period

表3 海平面高程對應的安全系數Tab.3 Safety factor corresponding to sea level elevation

海面水位從5 m逐漸降到-2 m，安全系數從5.29降到5.17，海平面水位的變化對海底斜坡安全系數影響較小，隨海面水位的降低，海底斜坡安全系數變小，但變化幅度較小。按水位的驟降進行模擬，模擬在大潮期水位急降的情況，海面水位從5 m降到-2 m，海底斜坡安全系數為4.89，水位的急降階段有順坡的滲流發生，使安全系數減低，但正常的潮汐降落水位變動幅度較小，海底斜坡還是穩定的，因此海平面的變化對海底穩定性影響較小，為不敏感因素。

3.1.3 波浪對海底斜坡穩定性的影響

包括風暴潮在內的波浪荷載是海洋地基土受到的最頻繁和最嚴峻的動荷載，海底斜坡土體的失穩大多與其相關[9]。波浪荷載導致海底斜坡失穩主要有2方面的原因：1) 大風浪和潮位的較大變化往往激發了海底表層沉積物活動性，同時，也增加了土體的滑動剪切應力；2) 大風浪和潮位的較大變化使土體內產生超空隙水壓力，有效應力隨之減小，致使斜坡土體的抗剪強度下降。在波浪動荷載作用下，隨著下滑力的加大和土體的抗剪強度下降，海底斜坡淺部土層產生滑坡的可能性將大大增加。

由于水深地形的影響及海底摩擦等因素，當波浪由深水區向淺水區傳播時，波形將愈來愈不對稱，波谷變得平坦，而波峰變得更尖。研究區為曹妃甸近海，艾里波理論在該海域具有適用性。通過艾里波理論可計算波浪對海底波壓力的變化[10]。

假定海底為剛性，根據艾里波理論，波浪對海底波壓力可表示為：

式中：γw為海水容重，取10.3 kN/m3；H為波高(m)；h為水深(m)。

波壓力的大小與波高成正比關系，表4為曹妃甸海域不同重現期的波浪要素，5 a一遇，波長L=80 m，50 a一遇，波長L=90 m。按5 a重現期和50 a重現期兩種設計海況情況進行波壓力P0計算。采用GEO-SLOPE軟件計算海底斜坡穩定性，波浪在海底土體向下傳播的過程中振幅是逐漸衰減的，也就是，波浪在土層中傳播的能量是衰減的[11]，因此，海底處波壓力最大，海底下地層的波壓力隨深度的增加而減小，按海底安全最不利因素考慮，將海底波浪對海底的波壓力P0作為海底斜坡附加外力考慮，不需按海底地層深度折減，計算的海底波壓力P0如表5所示，可以看出海底的波壓力隨水深增大而減小。

表4 不同重現期波要素Tab.4 Wave elements in different return periods

表5 5 a和50 a重現期波浪對海底土體的壓力計算表Tab.5 The pressure on the seabed soil in 5-year and 50-year return periods of the waves

結合前面所提到海洋水動力對海底土體的作用，取相應水深波浪對海底土體的波壓力，對研究區海底斜坡施加波浪所引起的豎向作用力后，用GEO-SLOPE軟件進行海底斜坡穩定安全系數和滑移面計算，計算結果如表6所示。按5 a一遇波浪作用，海底滑面的安全系數為2.81,最危險滑面出現在海底淺表層，滑移面深度小于0.4 m，寬度小于5 m，海底斜坡處于穩定狀態；按50 a一遇波浪作用，海底滑面的安全系數為0.84,海底淺表層可能發生滑移破壞，可能的滑移面沿坡面分布于水深2～10 m位置，滑移面深度小于1.5 m，寬度小于120 m，海底斜坡淺表層將發生滑塌、滑移等破壞；水動力作用下的安全系數相比于自然狀態下大大降低。可見波浪對海底斜坡穩定性起著非常巨大的作用。

表6 波浪作用下海底斜坡穩定性計算Tab.6 Calculation of submarine slope stability under the action of wave

3.1.4 建筑物附加荷載對海底斜坡穩定性影響分析

曹妃甸港主體設施建設從2004年4月25日起在海上吹填造陸，歷時19個月，于2005年12月1日完工，建成2座25萬噸級礦石泊位。礦石碼頭從2005年12月1日正式開航運營，礦石碼頭采用高樁梁板式結構，總長808 m，其中靠泊岸線長度735 m，碼頭前沿停泊水域底標高-25 m，碼頭及堆場區平面標高為5 m。附加荷載作用寬度按碼頭的實際位置，南至水深-25 m處，北至近岸堆場，荷載作用寬度約500 m，因碼頭區與堆場區基礎形式不同，荷載存在差異，北側近岸堆場區荷載力小，南側碼頭荷載力作用力大，依據《水工建筑物荷載設計規范》(DL5077-1997)，堆場區荷載按土石壩考慮取20 kN/m3，碼頭區荷載按鋼筋混凝土地基考慮取25 kN/m3，作用在斜坡上的建筑附加荷載如表7和圖6所示。計算海底斜坡安全系數為3.69，與自然狀態情況下相比，安全系數有所降低，但其值依然較大，海底斜坡處于穩定狀態，不會發生破壞。

表7 附加荷載計算表Tab.7 Additional load calculation table

圖6 附加荷載與距離關系曲線Fig.6 Curve of attached load and distance

3.2荷載基本組合持久狀況對海底斜坡穩定性影響分析

海底斜坡穩定性有許多不確定因素，各種影響因素的機制和作用是不同的,實際上是由不同時期進行的各種復雜作用的綜合結果所致[12]。由于目前曹妃甸碼頭等主體工程已經建設完成，正在使用階段，考慮實際工況條件，按最危險的組合情況，進行海底斜坡穩定性模擬計算，計算不利組合條件，海面標高0 m，附加荷載按表7計算，波浪力作用按重現期50 a一遇考慮，安全系數為2.78，海底斜坡為穩定狀態，海底斜坡滑移不會產生。發現一個有趣的現象，單獨考慮波浪的作用，海底會發生淺表層滑塌、滑移破壞，而按不利組合條件考慮，海底斜坡反而是穩定的。因為海底斜坡在50 a一遇波浪作用下發生破壞的部位位于淺表層，且發生破壞的位置在水深2～10 m的位置，而在工況條件下，在原可能發生破壞的位置，現已建成堆場區，且前沿碼頭阻隔了波浪對海底的沖刷作用。

3.3荷載偶然組合短暫狀況對海底斜坡穩定性影響分析

地震發生是一種小概率事件，偶然組合短暫狀況主要是考慮地震作用。斜坡的地震動力穩定性計算主要有擬靜力法、Newmark滑塊分析法和有限元時程分析法等[13]。擬靜力法是將地震作用簡化，在靜力計算基礎上再考慮地震慣性力作用，也就是將地震作用當成一個附加的地震慣性力，應用簡單可靠。這里采用擬靜力法計算，輸入水平向地震荷載，進行斜坡穩定安全系數計算。

依據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)，地震烈度與地震系數的關系見表8。

表8 地震系數與地震烈度關系Tab.8 Relation table of seismic coefficient and seismic intensity

結合前面的模型，采用3種不同的組合條件，針對不同的地震烈度，取相應的地震系數，對模型施加水平方向的地震荷載，用GEO-SLOPE軟件計算得出滑面的安全系數見表9所示。

表9 不同組合條件下地震烈度與安全系數關系表Tab.9 Relation table of different seismic intensities and safety factors

由表9可以看出，隨著地震烈度增大，海底斜坡安全系數會明顯降低，可見地震對海底斜坡穩定性起著非常巨大的作用。在工程建設前，不考慮附加荷載和50 a一遇波浪作用，當地震烈度大于VIII時，安全系數小于1，海底斜坡就會失穩。海底斜坡在附加了建筑荷載后，海底斜坡安全系數沒有降低，反而升高，因此，附加的建筑荷載反而有利用抗震性能的提高。按曹妃甸海區VII地震設防烈度計算，海底斜坡在自然狀態下最低安全系數為1.62，海底斜坡處于穩定狀態。

4 結 語

以曹妃甸深槽典型海域為研究目標，對碼頭工程區海底斜坡在不同組合設計狀況條件下的穩定性進行了分析計算。不同條件作用下，海底斜坡穩定性存在較大差異，海底斜坡發生滑移破壞形式不同。

1)海面潮汐等變化對海底穩定性影響較小，為不敏感因素，工程建設后，增加了附加建筑物荷載，使海底斜坡安全系數降低，但安全系數還是較大，海底斜坡處于穩定狀態。

2)風暴潮、波浪、地震力等外力條件對海底斜坡穩定性影響較大，為敏感因素，但影響的程度和位置不同，風暴潮、波浪對海底斜坡的影響作用主要表現為海底淺表層，危害較小，而地震力極端條件對海底斜坡的影響作用主要表現為海底中深層，危害較大，但只有地震烈度大于VIII時才會影響海底斜坡安全，在曹妃甸海區VII地震設防烈度標準下，海底斜坡安全系數較大，海底斜坡處于穩定狀態。

3)海底穩定性還與土體強度指標、地形等內在因素有關，不同的位置，海底斜坡安全系數也會不同，因此區域性的海底穩定性評價，還應進行一定數量的不同位置斷面的海底斜坡穩定性分析計算，但其他位置缺少詳細的地質資料，將很難進行準確地評價，還需隨著地質工作的開展，逐步推進海底穩定評價工作。該典型斷面的選取，具有重要的代表意義，可以為類似近海建設工程提供重要的參考作用。

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Analysis and evaluation on the slope stability of Caofeidian deep trough

CHU Hongxian1，2,FANG Zhonghua1，2,SHI Huijie1，2,GAO Xiaohui1，2

(1.Key Laboratory of Marine Hydrocarbon Resources and Environmental Geology,Ministry of Land Resources,Qingdao Institute of Marine Geology,Qingdao 266071,China; 2.Laboratory for Marine Mineral Resources,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266061,China)

P753

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.03.013

1005-9865(2016)03-0114-09

2015-10-06

國家自然科學基金項目(41276060)；國家專項(GZH201200504)

褚宏憲(1973-)，男，山東棗莊人，教授級高級工程師，主要從事地球物理調查研究。E-mail:chx-8@163.com