水合物分解條件下海底黏土質斜坡破壞實驗模擬

（大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，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].據估算，全球天然氣水合物中蘊藏的天然氣總量相當于全球已探明傳統化石燃料（煤炭、石油和天然氣）總碳量的兩倍，被普遍認為是21世紀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，氣體的存在會嚴重影響海底斜坡的穩定性.在海底高壓條件下氣體被壓縮，孔隙壓力會迅速增加，降低土體的有效應力，有可能導致大規模的海底滑坡等災害，毀壞海底電纜或海洋石油鉆井平臺等海底工程設施[3－5].因此，針對水合物分解條件下海底斜坡破壞的研究具有重要的現實意義.

文獻[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定性.文獻[9－11]綜合考慮熱場、滲流場、力場與化學場，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能預測，開采過程中地層的沉降等問題.雖然數值分析方法應用較為廣泛，但可靠的計算結果依賴于對海底斜坡變形破壞機制的深入認識，并據此作出合理的簡化假設.

物理模型實驗是巖土工程中一種重要的研究手段，可以直接觀測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制的有效途徑.文獻[12－14]對在不同邊界條件和加熱方式下水合物分解后引發的層狀和噴發破壞進行了分析.文獻[15]基于透明土技術，探討了水合物分解對黏土性質的影響以及流體逸出結構的形成過程.文獻[16]和[17]通過離心機模型實驗，研究了水合物分解后沉積物力學性質和地層滑塌特征.文獻[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海底粉砂土海床的破壞規律.目前，物理模型實驗多以人工合成、厭氧發酵、通氣等方式模擬水合物分解，主要介質為粉砂.而根據地質調查資料，在南海陸坡區，隨著水深的增加，海底沉積物顆粒逐漸由粉砂、粉砂質黏土變為深海黏土[20]，對于水合物分解條件下海底黏土質斜坡變形破壞的模型實驗研究鮮見報道，對其內部變形破壞過程認識不足，變形破壞機制仍不清楚.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，以典型地質調查資料為依托，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海底斜坡的影響，開展多組模型實驗.結合圖像測量技術，研究了不同的土體強度、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；在此基礎上，采用極限平衡方法，建立了海底斜坡破壞時的臨界氣體壓力解析式，從理論上計算了斜坡變形破壞過程中的臨界氣壓值.本文研究為深入認識水合物分解條件下海底黏土質斜坡的變形破壞機制，發展穩定性分析理論和評價方法提供有益參考.

1 實驗介紹

1.1 相似比尺確定

正確的相似比尺對模擬真實海底邊坡破壞過程非常重要，前人對于模型實驗的相似關系進行了詳盡的研究[21－23].要想獲得成功的模型實驗，模型需要滿足幾何學相似、運動學相似和動力學相似.

幾何學相似意味著模型與原型在相應長度方向上成比例，即

式中：rL為長度比尺；L為長度；下標m、n分別表示模型和原型.

運動學相似要求模型與原型相應的時間成比例，即

式中：rt為時間比尺；t為時間.

動力學相似要求相應的質量（M）成比例，以及作用在相應點上的力（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重力場內，加速度a相同，即ra＝1.另外，完全的動力學相似還需滿足：

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

根據以上相似關系，得出對應參數的相似比尺，具體關系如表1所示.實驗選取相似比尺N＝1 000，依據表1的相似關系可以將模型實驗放大到真實尺度.

表1 參數的相似關系Tab.1 Scaling relations of parameters

1.2 實驗裝置

1.2.1 氣體壓力控制器 實驗采用自主研發的氣體壓力控制裝置，嚴格控制氣體流量，確保實驗的高度可重復性.設備內部構造和外觀如圖1所示，由限流控制閥、比例閥、流量計、壓力缸、控制面板和監控單元構成.該儀器同時具有壓力控制和流量控制兩種模式.可實現恒定壓力（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現不間斷通氣，避免了傳統壓力缸體積小和通氣量小的限制.為解決氣體壓力監測的問題，在出氣孔處布置了氣體壓力傳感器，可實現對通氣壓力的實時監控.

1.2.2 測量系統 為避免對土體的擾動，實驗均采用非接觸式的測量手段.采用激光位移傳感器測量坡面位移，通過粒子圖像測速法（PIV）觀測斜坡內部側向位移場.其中，激光位移傳感器固定在支架上，其測點位于通氣點正上方，側面布置GoPro高速運動相機，用于觀測土體側面位移場，實驗具體布置如圖2所示.

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

圖2 測量系統實驗布置圖Fig.2 Experimental setup of the measuring system

1.3 實驗方案

實驗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.目前真實條件下水合物分解數據較少，且獲取困難，但現有數值模擬和實驗結果[25－26]均顯示在水合物分解過程中，水合物的剩余量與總產氣量隨時間呈線性分布.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.依據南海海底沉積物強度測試數據[27]，利用加載固結的方式，制備兩種不同強度的土體用于實驗，具體土體參數如表2所示.

此外，地質調查[28]表明，南海北部陸坡區坡度為2.5°～12.8°，由于模型箱尺寸限制，實驗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驗，具體實驗方案如表3所示.

表2 土體參數Tab.2 Soil parameters

表3 實驗工況Tab.3 Experimental conditions

1.4 實驗步驟

第1步 預埋通氣管道和砂層.為防止氣體沿側面有機玻璃板與土體交界面逸出，將出氣點布置在模型箱正中，距離側面有機玻璃板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散，通過改變砂層直徑達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.為減小邊界效應的影響，在倒入高嶺土前，在模型箱內壁均勻地涂抹一層凡士林.然后分別在45和25kPa壓力下固結，變形穩定后撤去壓力.

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

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

2 實驗結果與分析

2.1 坡面位移特征

實驗測試結果如圖3所示，p為通氣壓力，s為坡面位移，t1為通氣時間.由于不同工況下實驗的持續時間差異較大，為方便比較，將所有曲線時間軸無量綱化.從圖3中可以看出，對于不同工況通氣壓力和坡面位移變化趨勢基本一致.對于通氣壓力，實驗開始之后，由于此時通氣量較小，氣體均勻地擴散到孔隙中，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，達到峰值后逐漸減小，最后突降為0，總體呈拋物線型.在這個過程中伴隨著坡面位移的變化，可分為4個階段：① 位移平穩階段：實驗開始時，由于通氣壓力較小，位移沒明顯變化；② 位移穩步增長階段：通氣壓力上升，土體開始出現位移，但增長速率緩慢；③ 位移加速增長階段：隨著通氣壓力的繼續上升，到達某一壓力值時，坡面位移隨通氣壓力變化轉變到位移加速增長階段，定義此時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，位移達到峰值，并保持穩定.從圖中可知，對于 Test－1～Test－6，通氣壓力的響應時間（以無量綱表示）分別為0.317、0.514、0.167、0.117、0.088、0.251，坡面位移的響應時間分別為0.489、0.604、0.189、0.164、0.102、0.313.通氣壓力的響應時間均早于坡面位移的響應時間，符合一般規律.

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

圖3（b）為不同埋置深度條件下的測試結果.相對于 Test－2得到的最大通氣壓力18.3kPa，Test－4測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.對于坡面位移，Test－2測得最大值為3.95mm，Test－4測得最大值為12.47mm，即隨著埋深的增加，坡面位移減小.這是因為隨著埋深的增大，氣體在擴散過程中需要克服更大的上覆土壓力.

從圖3（c）可知，Test－3測得的最大通氣壓力為8.8kPa，最大坡面位移為6.54mm.與 Test－4測試結果對比可得：隨著流量增加，通氣壓力上升，坡面位移增大.根據理想氣體狀態方程，在有限體積的情況下，流量的增加意味著物質的量增大，所以通氣壓力會上升.而在相同埋深和相同強度條件下，通氣壓力的增大，自然會導致坡面位移的增加.

由圖3（d）可知，Test－6測得的最大通氣壓力為11.6kPa，最大坡面位移為17.91mm.與 Test－5測試結果對比可以看出：分解范圍越小，通氣壓力越大，坡面位移較小.這是因為分解范圍變小，相當于氣體的容積變小，同樣根據理想氣體狀態方程，在相同流量下壓力會變大.而容積變小會導致氣泡的作用面積減小，相應的作用力會減小，所以坡面位移會變小.

圖3 測試結果對比Fig.3 Comparison of experimental results

2.2 坡體變形特征

實驗結束時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的坡面位移測試結果符合上述分析的位移變化規律，而坡面位移是坡體內部變形的外在體現，因此Test－1的位移矢量圖也應符合總體變形規律.以下對Test－2～Test－6工況進行對比分析.

圖4 實驗結束時刻位移矢量圖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較大，且通氣點正上方位移最大，方向基本垂直于原始坡面.以通氣點中軸為界，位移量向兩邊逐漸減小，方向向兩邊逐漸發散.

由圖4還可得出，不同因素對坡體變形特征的影響.對比 Test－2與 Test－4工況，對于 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，相對位移變小，這與上述結論相符.另外，埋深越深，影響范圍越大.對比 Test－3與 Test－4工況，對于 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，相對位移變大，但影響范圍無明顯差異.對比 Test－5與 Test－6工況，對于Test－5最大合成位移為23.05mm，在坡面的影響范圍寬108.37mm；對于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

通過多組模型實驗，得出上述坡體變形破壞特征.結合通氣壓力、坡面位移的變化規律及斜坡破壞過程不同階段的實物圖（以Test－6工況為例），將整個斜坡變形破壞過程概化為4個主要階段，如圖5所示，t2為對應的時間節點.

（1）氣壓累積階段.水合物開始分解，但此時分解量較小，氣體均勻地擴散到周圍孔隙中，通氣壓力基本為0，坡面位移無明顯變化，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，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，坡面產生隆起；當通氣壓力大于氣體臨界壓力時，土體內部產生張拉裂縫，且裂縫沿著近乎平行于坡面方向擴展，位移快速增長，定義此時的氣體壓力為臨界壓力，如圖5（c）所示.

（4）變形穩定階段.通氣壓力的作用下，內部裂縫不斷擴展直至貫通，壓力突然釋放，變形達到峰值，并保持穩定，如圖5（d）所示.

3 臨界壓力分析

為求解斜坡破壞時的臨界壓力，運用極限平衡法對斜坡破壞時的臨界狀態進行分析.由于實驗采用的是飽和黏土，內摩擦角φ＝0°.根據朗肯土壓力理論，破壞面與坡面呈45°，則土體發生破壞時的臨界狀態受力如圖6所示.

圖6 臨界狀態斜坡受力圖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為破壞區域土體的自重；T為破壞面上剪應力合力；P為作用在上部土體氣體線壓力；l為初始分解區域的寬度；α為斜坡坡度.

破壞區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.假設土體的剪切強度符合摩爾－庫倫準則，則土體內部某一點的臨界應力狀態為

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

則破壞面上剪應力合力為

將各實驗具體參數代入式（11），計算結果如表4所示.

將式（8）和（10）代入式（7）可得斜坡發生破壞時的臨界壓力為

表4 臨界壓力計算結果與實驗結果Tab.4 Calculated and experimental results of critical pressure

Test－1～Test－6計算結果較實驗結果偏大，偏差在20%左右，這是因為根據上文所述，出氣點距側面有機玻璃板有一定的距離，當側面觀察到裂縫時，說明出氣點處已經發生破壞，此時真實的分解范圍lr發生變化，由于裂縫擴張使得lr＞l；另一方面，觀察實驗圖像可得，當側面出現裂縫時，所假設破壞面并未全部進入臨界狀態.這兩方面的原因導致計算結果較大.計算結果雖大于實驗結果，但可在一定程度上反映臨界壓力的真實水平，為海底黏土質斜坡穩定性評價提供參考.

4 結論

（1）強度對壓力累積和坡面位移的影響顯著，在低強度土體中，較小的通氣壓力下就能產生較大的相對位移；隨著埋深的增加，通氣壓力增大，坡面位移減小；隨著流量增加，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；變形穩定階段.前兩個階段位移變化較小，后兩個階段位移快速增長直至穩定，此時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算結果與實驗結果偏差在20%左右，但可在一定程度上反映臨界壓力的真實水平，可為海底斜坡穩定性評價提供參考.