荔湾3-1气田管线路由海底峡谷段斜坡稳定性分析*

修宗祥　刘乐军　李西双②　解秋红②　李家钢　胡光海

(①国家海洋局第一海洋研究所　青岛　266061)

(②国家海洋局海洋沉积与环境地质重点实验室　青岛　266061)

(③中海油研究总院　北京　100027)

(④大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室　大连　116024)



荔湾3-1气田管线路由海底峡谷段斜坡稳定性分析*

修宗祥①④刘乐军①李西双①②解秋红①②李家钢③胡光海①

(①国家海洋局第一海洋研究所青岛266061)

(②国家海洋局海洋沉积与环境地质重点实验室青岛266061)

(③中海油研究总院北京100027)

(④大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室大连116024)

针对南海荔湾3-1气田管线穿过的海底峡谷区6个典型斜坡剖面，分别采用有限元强度折减法和极限平衡法开展斜坡稳定性分析，模型考虑了土层强度随深度的变化。计算结果对比表明，有限元强度折减法与极限平衡法分析结果一致，其中与Spencer 法结果最接近，稳定系数相对误差小于3.5%。重力作用下各斜坡基本处于相对稳定状态，峡谷中下部土强度较低且坡度较高的局部区域接近临界状态，峡谷头部因坡度相对较小且土体强度相对较大，其斜坡稳定系数相对较高。地震水平加速度能够明显降低该区斜坡的稳定系数，且随着加速度值的增大滑动深度逐渐变大。当水平加速度达到0.2g时峡谷中下部区域大部分会发生滑动。海底地形坡度和土层强度是影响峡谷区斜坡稳定性的主要因素，且稳定系数与滑动面对局部坡度和强度分布较为敏感，合理的稳定性评价依赖于精确的地形数据与土层力学参数。

荔湾3-1气田海底峡谷海底滑坡稳定性

0　引　言

海底滑坡是大陆坡常见的沉积搬运形式。研究表明海底滑坡产生的块体运动，已成为对海底管道、线缆等海底设施中威胁最大的地质灾害之一(Mosher et al.，2010; Randolph et al.，2010; Yuan et al.，2015)。滑坡体的高速冲击将可能给海底管道、线缆等大跨度结构物造成毁灭性影响(Locat et al.，2002; Nadim et al.，2005)。我国南海北部深水陆坡区油气资源丰富(张功成等，2007; 关进安等，2014)，但同时也是海底滑坡地质灾害的易发区。根据水深地形数据和地震剖面资料，陆坡区已识别出数目众多、大小不一的海底滑坡(冯文科等，1994; 陈俊仁等，1996; 刘锡清等，2002; 吴时国等，2011; He et al.，2014)，特别是位于陆坡上部的海底峡谷区，海底滑坡十分发育且仍然存在发生的可能性(刘乐军等，2011; 杨敬红等，2014; Xiu et al.，2015)。

荔湾3-1气田是我国第一个大型深水天然气田，也是我国深海油气开发的示范工程，其海底输气管道恰好穿过海底峡谷区。因此，从工程安全角度必须考虑该区海底滑坡地质灾害对海底管道的潜在影响，而开展海底斜坡的稳定性研究，是其中的最关键和基础的一步(刘乐军等，2014)。

海底斜坡稳定性分析与陆上斜坡的最大区别在于，海底地层分布状况与土体工程性质的获取存在较大难度。特别是深水区域的海上原位测试、工程地质钻孔取样以及海上地球物理调查等存在较大的技术难度，而且作业费用十分昂贵，已成为海底斜坡稳定性评价的主要制约因素。海底斜坡的稳定性计算方法仍然以传统的斜坡稳定性计算方法为主(顾小芸，2000; 胡光海等，2006; Vanneste et al.，2014)。其中，极限平衡法由于计算简单快速，仍是目前常用的方法。有限元强度折减法(Zienkiewicz et al.，1975)自提出以来，经国内外学者的推广应用(Griffiths et al.，1999；郑颖人等，2010)，已成为一种有效的斜坡稳定性分析方法。其理论体系比极限平衡法更为严格，可以考虑土体的非线性应力-应变关系，而且求解安全系数时，无需条分也不需假定滑动面的形状和位置，由程序自动搜索跟踪滑动面的形成发展过程。

本文基于荔湾3-1气田管道路由峡谷区的地形地貌数据以及部分地质钻孔测试数据，采用基于Abaqus的有限元强度折减法和传统极限平衡法，针对峡谷区典型剖面开展稳定性分析研究。相关研究结果可以为荔湾3-1气田输气管道工程中潜在的海底滑坡地质灾害认识与防治提供参考。

1　区域环境地质背景

荔湾3-1气田位于我国南海北部陆坡前缘-珠江口盆地南部坳陷带珠Ⅱ坳陷的白云凹陷。其深水段管线路由区(600～1500m)内主要发育沟-脊相间的峡谷地貌，已发现十多条走向为NNW-SSE向或近N-S向的巨型海底峡谷。自峡谷头部到水深1400m的区域海底地形相对粗糙，峡谷侧壁及峡谷之间的台地分布众多大小不一、方向各异的陡坎(图1)。峡谷侧壁变形明显，谷底地形相对平缓。同时，地震剖面也显示峡谷内存在大量的老滑坡体。

输气管线穿过的海底峡谷呈现南低北高、西低东高的特征，最大坡高差105m，海底坡度范围主要集中于4°～10°，局部区域大于12°。因此该峡谷内的海底坡体稳定性对输气管线的安全运行有重要影响。

图1　南海北部陆坡峡谷区地形Fig.1　Geomorphology of the submarine canyon in the northern continental slope of the South China Sea

2　稳定性分析方法

有限元强度折减法(SRFEM)采用有限元计算滑坡体的应力分布及变形特征，并通过对斜坡土体强度参数进行折减直至达到极限破坏状态。以莫尔-库仑材料为例，强度折减安全系数可以表示为：

(1)

其中，c和φ是土体抗剪强度参数；F为强度折减系数。研究区峡谷地形坡度较大的区域主要以黏性土为主，考虑滑坡一般发生在较短的时间内，因此可以近似为不排水过程，采用Tresca理想弹塑性模型描述黏性土的不排水性质，土的泊松比取为0.49以满足不排水条件下的体积恒定(Wang et al.，2013)；弹性模量取值对于边坡稳定性影响较小，本文取海底黏性土弹性模量与不排水强度的比值为500。深海沉积物在自重作用下固结，不排水抗剪强度随上覆压力的增加而增加，因此需要考虑不排水强度随深度的变化。工程地质调查结果表明研究区地层比较单一，一定深度内土层的不排水抗剪强度可认为随深度近似线性增加(Wang et al.，2010)：

(2)

其中，sum为表层土的不排水抗剪强度；k代表强度增长斜率(kPa·m-1)；z代表土层厚度。此时，不同埋深土体折减后的强度sut可以表达为：

(3)

有限元强度折减法基于Abaqus软件完成，土层不排水抗剪强度随深度的变化通过设置场变量实现。

为了对比验证，同时采用极限平衡法进行稳定性计算。传统极限平衡法根据条间力的不同假设又细分为不同的方法。而根据是否同时满足力和力矩的平衡可以分为非严格条分法和严格条分法两大类。本文选取非严格条分法中的简化Bishop、简化Jabbu法，以及严格条分法中的Spencer法进行计算。其中，简化Bishop法仅满足力矩平衡(适用圆弧滑动面)，简化Jabbu法仅满足力的平衡，而Spencer法则同时满足力和力矩的平衡。上述3种方法计算采用SLOPE/W软件完成。

3　典型剖面稳定性分析

3.1重力载荷下的稳定性

根据多波束水深地形数据，分别从海底峡谷上部和中下部选取了P1-P6共6个坡度相对较大的典型斜坡进行稳定性分析(位置图2)，其中P1、P2位于峡谷上部，P3-P6位于峡谷的中下部。斜坡的剖面地形数据(图3)。根据CPT对比和室内土工测试，6个剖面稳定性计算参数(表1)。

图2　选取的典型斜坡位置Fig.2　Locations of the typical slopes

图3　斜坡剖面图Fig.3　Profiles of the typical slopes

表1　典型斜坡稳定性设计参数

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的有限元强度折减法进行稳定性计算时，采用二阶三角形平面应变单元模拟，边界处控制单元尺寸为2m，以计算不收敛作为破坏主要判据。图4、图5分别为剖面P5对应的土层不排水抗剪强度分布图和重力作用下稳定系数为3.13对应的屈服面。可以看出，当计算不收敛时，屈服面已经贯通，此时认为斜坡破坏是合理的。

图4　剖面P5土层强度分布Fig.4　Strength distribution of profile P5

图5　剖面P5的滑动屈服面Fig.5　The yield surface of profile P5

表2为峡谷区6条剖面采用不同方法获得的重力条件下的稳定性系数。可以看出，SRFEM法与后3种方法的计算结果基本一致，数值介于Spencer法与简化Bishop法之间。SRFEM与Spencer法结果最接近且稍高于Spencer法，相对误差分别为2.34%、2.28%、3.5%、2.25%、1.96%、1.85%。同时SRFEM求得的最大滑动面深度也稍大于Spencer法，最大差值小于2m，即一个单元长度之内。

表2　重力作用下斜坡稳定性系数

Table 2　Safety factors of slopes under gravity loading

剖面SRFEMSpencer简化Bishop简化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数据可以看出，斜坡P1和P2由于较高的土体强度，其稳定性系数远高于P3-P6 4个斜坡。P3、P4、P6 3个斜坡由于表层强度较低且地形坡度较大，稳定系数相对较低。其中P4的稳定系数最低，已接近临界值，极易受外部载荷扰动发生破坏。同时，也表明P4剖面的地形坡度已接近区域内具有与其相似土层性质斜坡的失稳临界角度。P5虽然与P3、P4、P6具有相同性质的土层，但由于地形坡度相对较低，其稳定性系数比后者高出很多。

由上述分析可以看出，坡度和强度决定着峡谷区斜坡的稳定性。而对于邻近范围内的斜坡，土层参数往往相近，此时地形坡度就成为斜坡稳定性的主要控制因素。如图6为不同斜坡的平坡度对应的安全系数，可以看出，除了P1和P2因土层强度较大稳定性系数较高外，其他斜坡的稳定系数都随着平均坡度的增大而减小。

图6　不同平均坡度对应的安全系数Fig.6　Safety factors of different mean slopes

3.2水平地震加速度影响

研究区位于华南沿海地震区和南海地震区交界处。据现有统计资料，南海海区地震主要分布在研究区东侧邻近马尼拉海沟地区，研究区内地震活动较弱，但强烈地震活动仍会影响该区海底斜坡的稳定性。为此，我们针对各斜坡进行了多种地震水平加速度下的稳定性分析。

图7为不同地震水平加速度下各斜坡的稳定系数。由图中可以看出，SRFEM法和Spencer法得到的稳定系数基本一致，相对误差小于2.67%。地震水平加速度能够明显降低该区斜坡的稳定性系数，随着加速度的增大斜坡稳定性系数迅速降低。当地震水平加速度达到0.105g时，峡谷中下部区域坡度较大的斜坡基本发生破坏，当地震水平加速度达到0.2g时，峡谷中下部区域坡度大于4.5°的大部分斜坡会发生破坏。

图7　地震作用下斜坡稳定系数Fig.7　Safety factors of slopes under seismic acceleration

图8　地震作用下斜坡最大滑动深度Fig.8　Maximum sliding depths of slopes under seismic acceleration

图8为地震水平加速度作用下，各斜坡的最大滑坡体厚度。可以看出，地震水平加速度在降低斜坡稳定系数的同时，使滑动面深度也随着加速度值的增大而呈现一定程度的增加。

从地震作用下的各斜坡稳定性结果来看，虽然研究区内地震活动较弱，但对于一些土层强度较低、坡度相对较大的局部区域来说，即使较小的地震扰动仍然可以引起斜坡的破坏。因此，就该峡谷区域内的斜坡稳定性而言，地震影响仍然是需要关注的因素。

4　结　论

基于有限元强度折减法和极限平衡法，对南海荔湾3-1气田管线穿过的海底峡谷区6个典型斜坡剖面，进行了稳定性分析，两者计算结果一致。

重力作用下各斜坡基本上处于相对稳定状态，峡谷头部因坡度相对较小且土体强度相对较大，其斜坡稳定系数高于峡谷中下部区域。海底峡谷区地形坡度和土层强度直接决定着斜坡稳定性的高低。特别是土层强度相对较小时，稳定系数与滑动面对局部坡度和强度分布较为敏感。因此，获得精确地形数据与土层力学参数是海底斜坡稳定性评价的关键。另外需要指出的是室内土工试验获得的不排水抗剪强度指标，往往因深水钻孔取样扰动而可能较大幅度低于真实值。原位十字板和静力触探(CPT/CPTU)等原位测试方法提供的土体不排水抗剪强度指标更为可靠。

虽然目前研究认为目标区的地震作用较弱，但地震水平加速度能够明显降低该区斜坡的稳定系数。当地震水平加速度达到0.2g时峡谷中下部大部分区域会发生滑坡，随着加速度值的增大，滑动面深度也会一定程度的变大。因此，就该区域的斜坡稳定性而言，地震影响仍然是需要关注的。

峡谷中下部地形坡度较大的局部区域，其稳定性系数相对较低甚至接近临界状态，易受外部扰动载荷的影响而发生失稳破坏。除了地震因素之外，其他的如重力流侵蚀削坡、上部滑动引起的载荷堆积以及其他的水动力作用等因素均可能在该区域触发滑坡。

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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.

国家自然科学基金青年基金项目(41206058)，国家科技重大专项子课题(2011ZX05056-001-02)，国家重点实验室开放基金(LP1514)中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(GY0213G25)资助.

修宗祥(1982-)，男，博士，副研究员，主要从事海洋工程地质灾害风险评价研究.Email: xiuzongxiang@163.com

P694

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