CN105224704A - 一种海底不稳定性的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海底不稳定性的评价方法，先根据海底斜坡赋存的地质环境条件以及海底斜坡失稳的基本条件，遴选出影响海底斜坡稳定性的关键性地质因素；通过天然气水合物的分解模式及其分解效应，遴选出影响海底斜坡稳定性的关键性诱发因素，进而构建海底斜坡稳定性影响因子指标体系；然后通过海底斜坡稳定性影响因子指标体系的概化，构建海底斜坡地质力学模型；最后，基于摩尔—库伦破坏准则，提出评价海底斜坡稳定性的数学方法，即改进的有限元强度折减法，对天然气水合物分解诱发海底斜坡的稳定性以及海底斜坡失稳的演化过程进行分析，其原理科学，计算精度高，计算时间少，首次考虑天然气水合物分解引起海底斜坡失稳的诱发因素，结合地质力学模型和有限元数值分析方法，给出斜坡失稳的变形过程，具有重要的实际应用价值。

Description

一种海底不稳定性的评价方法

技术领域

本发明属于海洋地质灾害评价技术领域，涉及一种海底不稳定性的评价方法，针对海底沉积层中天然气水合物分解诱发的海底斜坡不稳定性进行评判，是一种定量评价方法。

背景技术

天然气水合物的分解被认为是引起世界上多处大陆边缘带海底滑塌的原因之一。理论分析表明，天然气水合物分解使得沉积物孔隙中的含气量增加，产生过高的孔隙压力，降低沉积物的胶结强度。如果含水合物的沉积物层坡度较大，并且水合物分解比较显著，会导致沉积层的抗剪强度和承载能力降低，造成海底斜坡滑动等不稳定性。

目前对水合物分解引起海底不稳定性的研究主要以讨论影响因素和定性研究为主，缺少定量的评判方法，对于天然气水合物分解与海底斜坡失稳之间如何影响，水合物分解诱因与其他因素之间如何制约等问题目前仍不清楚。现有的海底斜坡不稳定性的评价方法大致可分为极限平衡分析法和数值分析法两种。

极限平衡分析法的理论基础是极限平衡理论，其要点是当坡体的抗剪强度降低后，坡体内存在一个达到极限平衡状态的滑动面，使滑体处于临界失稳状态，处于极限平衡状态的滑动面必定满足摩尔——库伦强度准则。极限平衡分析法的模型简单，用的最为普遍。但是该方法很大程度上依赖于对潜在滑坡的形状和土体性质的了解程度，不能解决超孔隙水压力、边坡变形、动力反应及复杂地形等诸多因素的影响，也无法模拟斜坡的失稳过程，应用上存在局限性。

数值分析法是以描述滑坡体内部应力、应变特征的本构模型为基础来分析给定海底斜坡的变形和稳定性问题。数值分析方法通常包括有限差分法、有限元法和边界元法等。这类方法的优点是能够得出斜坡各点、各部位的稳定状态，能描述应变到应力的发展过程，便于解释斜坡失稳的机制，有助于提高海底斜坡稳定性评价水平。但该方法的计算精度取决于本构模型和单元体的选取。

因此，寻求一种海底不稳定性的评价方法，将极限平衡分析法和有限元数值分析方法相结合对海底斜坡的失稳过程进行与数值计算，结合两种方法的长处进行天然气水合物分解引起海底斜坡不稳定性评价，在海底斜坡失稳形态识别、失稳过程模拟及斜坡可靠性判定等方面均比较全面，采用海底斜坡地质力学模型与有限元计算分析相结合的方法，求解海底斜坡失稳变形演化过程，进行海底斜坡不稳定计算和定量评价，对天然气水合物开采过程中的海底稳定性问题具有重要的科学指导意义和实用价值。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种海底不稳定性的评价方法，定量分析深水区天然气水合物分解对海底斜坡不稳定的影响关系。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种海底不稳定性的评价方法，包括以下步骤：

构建海底斜坡的地质力学模型，并将地质力学模型概化为数值计算模型；

利用改进有限元强度折减法对所述数值计算模型进行海底斜坡稳定性数值模拟计算。

所述构建海底斜坡的地质力学模型，并将地质力学模型概化为数值计算模型，包括以下步骤：

建立海底斜坡的几何模型，其中，沉积物层和水合物带节点坐标为X、Y；

通过对组成海底斜坡的沉积物层和水合物带进行识别，赋予相应的物理力学参数，并以此建立海底斜坡的材料模型；

通过设置的海水深度H、水合物分解量η求解海水产生的静水压力和孔隙水压力以及水合物分解产生的超孔隙压力，并通过设置的静水压力和超孔隙压力边界条件，建立海底斜坡的地质力学模型；

将建立的几何模型、材料模型转化为物理网格模型，并将物理网格模型和地质力学模型转化为可用于数值模拟计算的数值计算模型。

所述海底斜坡的几何模型建立过程中的参数包括海水深度、斜坡角度、沉积物层和水合物层的几何形态、水合物带厚度；首先结合实际地形和地震资料，设定海水深度、海底斜坡角度以及沉积物层和水合物带的几何形态；然后输入沉积物层和水合物带的节点，通过连接节点，绘制沉积物层和水合物带面，最后通过面拉伸成体从而建立海底斜坡的几何模型。

所述物理力学参数包括重度、弹性模量、泊松比、抗剪强度内聚力、内摩擦角和抗拉强度。

所述海底斜坡的材料模型通过定义沉积物层和水合物带的强度模型及物理特性参数来完成，二者的强度模型均选用摩尔—库伦强度模型，沉积物层特性参数包括沉积物的比重和塑性系数，水合物带特性参数主要包括水合物的空率、孔隙度、饱和度和水合物分解量。

所述海底斜坡的地质力学模型基于上述海底斜坡的几何模型和材料模型，分析静水压力、孔隙水压力和水合物分解产生超孔隙压力的边界条件以及受力模式，进而求解静水压力、孔隙水压力和水合物分解产生的超孔隙压力。

所述将建立的几何模型、材料模型转化为物理网格模型，具体做法为：首先设置沉积物与水合物带各自的单元类型、材料模型、网格划分的形状、尺寸大小以及网格划分模式；然后网格化水合物带，再网格化沉积物层，从而建立海底斜坡物理网格模型。

所述将物理网格模型和力学模型转化为可用于数值模拟计算的数值计算模型，具体做法为：将物理网格模型的单元信息数据文件和单元节点坐标数据文件转化为后缀为数值建模文件类型的数值建模文件。

所述海底斜坡是否稳定是利用有限元数值分析方法基于摩尔—库仑破坏准则计算安全系数来判断的，安全系数计算公式为：

式中：c、分别是岩土体的内聚力和内摩擦角；τ和σ分别为剪切面上的有效法向应力与有效剪切应力；F_s为安全系数。

根据建立的海底斜坡地质力学模型，选取海底斜坡的一部分进行受力分析，由极限平衡理论可知：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\σ}=({\mathrm{\σ}}_w-{\mathrm{\σ}}_p)\×\cos \mathrm{\β}-a{\mathrm{\σ}}_w\×\sin \mathrm{\β}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{hp}}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ep}}\\ \mathrm{\τ}=({\mathrm{\σ}}_w-{\mathrm{\σ}}_p)\×\sin \mathrm{\β}+a{\mathrm{\σ}}_w\×\cos \mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_w={\mathrm{\γ}}_s\frac{(h_2-h_1)+(h_4-h_3)}{2}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{hp}}={\mathrm{\γ}}_w\frac{h_1+h_3}{2}\×\cos \mathrm{\β}\\ {\mathrm{\σ}}_p={\mathrm{\γ}}_w\frac{(h_2-h_1)+(h_4-h_3)}{2}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ep}}=({\mathrm{\σ}}_w+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{hp}}-{\mathrm{\σ}}_p)(e^{C_1}-1)\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，σ_w为岩土体自重应力；σ_hp为海水作用在坡顶的静水压力(面力)；σ_p为海水作用在坡体内的孔隙水压力(体力)；σ_ep为水合物分解产生的超孔隙压力；γ_s为沉积物层的容重；γ_w为水的容重；a为地震加速度；β为潜在滑移面的倾角；h₁为海平面至斜坡头部的深度；h₂为海平面至水合物带头部的深度；h₃为海平面至斜坡尾部的深度；h₄为海平面至水合物带尾部的深度。

所述改进有限元强度折减法包括以下步骤：

1)根据海底斜坡数值计算模型，定义本构关系和海底斜坡沉积物的性质，定义边界条件和初始条件，确定强度折减系数的计算精度和上下限，计算海底斜坡初始应力场，初步分析斜坡的变形和应力，并记录最大变形；

2)增大强度折减系数F_s，按照式(4)计算折减后的抗剪强度参数，然后将折减后的参数赋给数值计算模型，重新计算，并记录计算收敛后的海底斜坡最大变形和塑性应变发展情况；

式中，F_s为强度折减系数；c和分别表示材料实际的粘聚力和内摩擦角；c′和分别表示材料折减后的粘聚力和内摩擦角；

3)重复第2)步，不断增大F_s值，对海底斜坡沉积物的抗剪强度参数进行折减，直至计算模型不收敛，则认为海底斜坡发生失稳破坏；斜坡安全系数即为发散前一步计算的F_S值；对于本身就不稳定的海底斜坡，在第1)步计算中就不会收敛，因此在进行第2)步和第3)步计算时，应将F_s逐渐减小，直至计算收敛、斜坡重新稳定。

所述收敛条件的设定原则为：在计算过程中将每次循环的计算时步设置为30000步，不平衡率上限值设置为10^-5，减少人为因素带来的误差，以每次计算循环后的不平衡率值是否小于10^-5作为收敛条件。

本发明定量分析深水区天然气水合物分解对海底斜坡不稳定的影响关系，采用极限平衡与有限元相结合的方法对海底斜坡的失稳过程进行建模与数值分析，通过海底斜坡稳定性的影响因子指标体系来构建海底斜坡的地质力学模型；基于摩尔——库伦破坏准则提出评价海底斜坡稳定性的数学方法，进而通过有限元数值模拟手段，探讨天然气水合物分解作用下海底斜坡稳定性影响因子的敏感性、海底斜坡的稳定性以及失稳演化过程。

本发明与现有技术相比，先根据海底斜坡赋存的地质环境条件以及海底斜坡失稳的基本条件，遴选出影响海底斜坡稳定性的关键性地质因素；通过天然气水合物的分解模式及其分解效应，遴选出影响海底斜坡稳定性的关键性诱发因素，进而构建海底斜坡稳定性影响因子指标体系；然后通过海底斜坡稳定性影响因子指标体系的概化，构建海底斜坡地质力学模型；最后，基于摩尔—库伦破坏准则，提出评价海底斜坡稳定性的数学方法，即改进的有限元强度折减法，对天然气水合物分解诱发海底斜坡的稳定性以及海底斜坡失稳的演化过程进行分析，其原理科学，计算精度高，计算时间少，首次考虑天然气水合物分解引起海底斜坡失稳的诱发因素,结合地质力学模型和有限元数值分析方法，给出斜坡失稳的变形过程，具有重要的实际应用价值。

本发明方法可以节省计算时间，提高判别精度，具有较强的适用性。

附图说明

图1为本发明建立的海底斜坡地质力学模型结构原理示意图；

其中(a)为海底斜坡地质力学模型示意图；(b)为海底斜坡地层应力分析图；

图2为本发明的工作流程结构原理示意框图；

图3为本发明实施例涉及的白云海底斜坡数值计算模型示意图；

其中(a)为白云海底斜坡正常地形地震剖面图；(b)为白云海底斜坡数值计算模型图；

图4为本发明实施例涉及的不同水合物分解量下的白云海底斜坡位移云图与稳定性系数；

图5为本发明实施例涉及的白云海底斜坡稳定性系数与水合物分解量关系曲线图。

具体实施方式

下面结合图1和图2对本发明做进一步的详细说明。

(1)构建海底斜坡地质力学模型：通过海底斜坡地质环境影响效应和水合物分解影响效应分析可知：从海底斜坡的几何特征上看，斜坡几何形态(斜坡角度)、沉积物层与水合物带厚度以及水合物带几何形态等因素对海底斜坡具有一定的影响性；从海底斜坡的材料特性上，沉积物层的类型和水合物带的物理力学性质对海底斜坡具有影响性；从海底斜坡的受力模式上看，在不考虑构造作用、地震、沉积物快速堆积作用等因素对海底斜坡影响的情况下，施加在海底斜坡滑动面上的作用力主要包括海水产生的静水压力、海水产生的孔隙水压力、沉积物自重应力和水合物分解产生的超孔隙压力，这四种力的作用对海底斜坡的稳定性具有直接影响；由于影响海底斜坡稳定性的因素较多，且部分因素无法定量化，为概化海底斜坡的地质力学模型，做出如下五点基本假设：一是不考虑构造作用、海底工程等的影响作用；二是假定水合物分解产生的超孔隙压力作用于水合物带的顶面；三是假定水合物分解后的含水合物沉积物层的水合物带为一等效介质，即不考虑水合物带的介质分化效应；四是不考虑沉积物层内部的渗流作用；五是假定沉积层与水合物带遵循摩尔-库仑强度准则；根据上述海底斜坡的几何特征、材料特性、受力模式和基本假定建立的海底斜坡地质力学模型，具体建模步骤如下：

1)采用商业软件(例如：ANSYS)通过节点、线、面、体等要素，建立海底斜坡的几何模型，沉积物层和水合物带节点坐标为X、Y；

2)通过对组成海底斜坡的沉积物层和水合物带进行识别赋予相应的物理力学参数，这些物理力学参数包括重度、弹性模量、泊松比、抗剪强度内聚力、内摩擦角和抗拉强度，并以此建立海底斜坡的材料模型；

3)通过设置的海水深度H、水合物分解量η等参数求解海水产生的静水压力和孔隙水压力以及水合物分解产生的超孔隙压力等力学参数，并通过设置的静水压力和超孔隙压力边界条件，建立海底斜坡的地质力学模型；

4)通过ANSYS软件上述建立的几何模型、材料模型转化为物理网格模型，并通过将物理网格模型和力学模型转化为可用于数值模拟计算的数值计算模型，从而将实际的地质力学模型概化为数值计算模型；由海底斜坡的地质力学模型和极限平衡理论可知：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\σ}=({\mathrm{\σ}}_w-{\mathrm{\σ}}_p)\×\cos \mathrm{\β}-a{\mathrm{\σ}}_w\×\sin \mathrm{\β}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{hp}}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ep}}\\ \mathrm{\τ}=({\mathrm{\σ}}_w-{\mathrm{\σ}}_p)\×\sin \mathrm{\β}+a{\mathrm{\σ}}_w\×\cos \mathrm{\β}\end{array}\right.---(4-2)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_w={\mathrm{\γ}}_s\frac{(h_2-h_1)+(h_4-h_3)}{2}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{hp}}={\mathrm{\γ}}_w\frac{h_1+h_3}{2}\×\cos \mathrm{\β}\\ {\mathrm{\σ}}_p={\mathrm{\γ}}_w\frac{(h_2-h_1)+(h_4-h_3)}{2}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ep}}=({\mathrm{\σ}}_w+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{hp}}-{\mathrm{\σ}}_p)(e^{C_1}-1)\end{array}\right.---(4-3)$

式中，σ_w为岩土体自重应力；σ_hp为海水作用在坡顶的静水压力(面力)；σ_p为海水作用在坡体内的孔隙水压力(体力)；σ_ep为水合物分解产生的超孔隙压力；γ_s为沉积物层的容重；γ_w为水的容重；a为地震加速度；β为潜在滑移面的倾角；海底斜坡的稳定性受控于沉积物层内聚力、内摩擦角、沉积物层自重压力、海水产生的静水压力、海水产生的孔隙水压力、水合物分解产生的超孔隙压力和滑面倾角等，其中，沉积物层内聚力、内摩擦角、海水产生的静水压力、海水产生的孔隙水压力属于稳定性有利因素；沉积物层自重压力、水合物分解产生的超孔隙压力、滑面倾角属于稳定性不利因素，而沉积物层内摩擦角和滑面倾角是控制斜坡稳定性的关键因素；

(2)有限元强度折减法：海底斜坡稳定性的有限元强度折减法，其实质是求解强度折减系数，强度折减系数指在外荷载保持不变的情况下，斜坡内岩土体所发挥的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的实际剪应力之比，外荷载所产生的实际剪应力应与抵御外荷载所发挥的最低抗剪强度即按照实际强度指标折减后所确定的、实际中得以发挥的抗剪强度相等，当假定边坡内所有土体抗剪强度的发挥程度相同时，这种强度折减系数定义为边坡的整体稳定安全系数，由此所确定的安全系数可以认为是强度储备安全系数，实际中得以发挥的抗剪强度相当于折减后抗剪强度的指标，其计算公式如下：

式中，F_S为强度折减系数；c和分别表示材料实际的粘聚力和内摩擦角；c′和分别表示材料折减后的粘聚力和内摩擦角；有限元强度折减法能在事先不知道滑移面的形状和位置的情况下，直接求出安全系数，实现坡体逐步破坏过程的可视化，通过设置安全系数的计算精度和上、下限对有限元强度折减法进行改进，改进的有限元强度折减法进行海底斜坡稳定性数值计算的步骤如下：

1)、根据前面建立的海底斜披数值计算模型，定义本构关系和海底斜坡沉积物的性质，定义边界条件和初始条件，确定安全系数的计算精度和上下限，计算海底斜坡初始应力场，初步分析斜坡的变形和应力，并记录最大变形；

2)、增大强度折减系数F_S，将折减后的抗剪强度参数赋给计算模型，重新计算，并记录计算收敛后的海底斜坡最大变形和塑性应变发展情况，为提高计算效率，收敛条件的设定原则为：在计算过程中将每次循环的计算时步设置为30000步，不平衡率上限值设置为10^-5，减少人为因素带来的误差，以每次计算循环后的不平衡率值是否小于10^-5作为收敛条件；

3)、重复第(2)步，不断增大F_S值，降低海底斜坡沉积物的抗剪强度参数，直至计算模型不收敛，则认为海底斜坡发生失稳破坏，计算发散前一步的F_S值即是边坡的安全系数；对于本身就不稳定的海底斜坡坡，在第(1)步计算中就不收敛，在进行第(2)步和第(3)步计算时，F_S逐渐减小，直至计算收敛、斜坡重新稳定。

以下结合实施例对南海北部陆坡深水区白云海底斜坡进行稳定性分析，其具体过程为：

(1)、建立白云海底斜坡地质力学模型：为开展白云海底斜坡稳定性演化过程的数值模拟分析，需对实测的地震剖面进行恢复，以还原海底斜坡滑动前的原始地貌，研究区尚未滑动区的地震剖面见图3(a)，利用Ansys商业软件建立白云海底斜坡数值计算模型(见图3(b))，其中，网格状部分代表沉积物层，黑色部分代表水合物带，模型长为2500m，高为1400m，海水距坡顶的水深为100m，数值模型共2998个节点，1434个单元；

(2)、边界条件与荷载：数值计算模型中，x＝0m以及x＝1400m边界约束x方向位移；模型底部y＝0m为固定约束边界；z＝0m以及z＝80m边界约束z方向位移；坡面设为自由边界，允许发生x、y、z方向的位移。沉积物层顶面节点施加海水产生的静水压力，水合物带顶面节点施加水合物分解产生的超孔隙压力，初始条件计算过程中，不考虑构造应力的影响，仅考虑自重应力和海水静水压力和海水孔隙水压力产生的初始应力场；

(3)、敏感性分析影响因子的选取：由海底斜坡的地质力学模型可知，海水产生的静水压力和孔隙水压力、沉积物自重应力和水合物分解引起的超孔隙压力对海底斜坡的稳定性具有最直接的影响。其中海水产生的静水压力和孔隙水压力与海水水深密切相关；沉积物层自重应力取决于沉积物类型与厚度；超孔隙压力的大小则与水合物的分解量密切相关，此外，海底斜坡的几何形态特征对其稳定性的影响也同样不容忽视，本实施例重点考察海底斜坡水深H、海底斜坡坡角β、水合物带厚度h、水合物分解量η这四个因素对海底斜坡稳定性的影响；

(4)、力学模型与计算参数：沉积物层和水合物带材料介质均按弹塑性材料考虑，破坏准则采用莫尔—库仑强度准则，其中，体积模量、剪切模量由弹性模量和泊松比求解，其具体计算公式如下：

$K=\frac{E}{3(1-2v)},G=\frac{E}{2(1+v)}$

敏感性分析数值模拟计算中所采用的计算参数见表1。

表1：海底斜坡稳定性影响因子敏感性分析计算参数表

(5)、海底斜坡稳定性计算：基于建立的数值计算模型和计算参数，应用改进的有限元强度折减法求得白云海底斜坡在不同水合物分解量下的位移云图与稳定性系数，如图4和图5所示，从图4看出，当水合物分解量小于20％时，斜坡坡顶和坡脚处的位移较大，这主要是由于该部位坡角较大的原因所致，但该状态下斜坡稳定性系数大于1.0，即斜坡整体处于稳定状态，这主要是由于水合物分解量较小时，超孔隙压力和水合物带强度的降低不是控制斜坡稳定性的主要因素，控制斜坡稳定的主要因素是斜坡自身的地形地貌；当水合物分解量达到40％之后，水合物带左右侧端部的位移较大，该状态下斜坡稳定性系数小于1.0，即斜坡整体处于失稳状态，这主要是由于水合物分解量较大时，超孔隙压力和水合物带强度成为控制斜坡稳定性的主要因素；从图5来看，海底斜坡的稳定性随着水合物分解量的增加呈现出先快后慢的下降趋势，这主要是由于水合物带强度参数与水合物分解量之间呈现出负指数衰减所致，当水合物分解量达到35％时，白云海底斜坡即产生整体失稳。

本实施例的验算表明，改进的强度折减法耗时约是内嵌强度折减法的0.6倍，大大的节省了计算的时间。

本实施例采用地质力学模型构建与有限元数值分析相结合的方法，从定量角度对天然气水合物分解诱发的海底斜坡不稳定性进行评价，该方法能有效获取海底斜坡失稳机制及失稳演化过程。

Claims (11)

1.一种海底不稳定性的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建海底斜坡的地质力学模型，并将地质力学模型概化为数值计算模型；

利用改进有限元强度折减法对所述数值计算模型进行海底斜坡稳定性数值模拟计算。

2.根据权利要求1所述的一种海底不稳定性的评价方法，其特征在于，所述构建海底斜坡的地质力学模型，并将地质力学模型概化为数值计算模型，包括以下步骤：

建立海底斜坡的几何模型，其中，沉积物层和水合物带节点坐标为X、Y；

通过对组成海底斜坡的沉积物层和水合物带进行识别，赋予相应的物理力学参数，并以此建立海底斜坡的材料模型；

通过设置的海水深度H、水合物分解量η求解海水产生的静水压力和孔隙水压力以及水合物分解产生的超孔隙压力，并通过设置的静水压力和超孔隙压力边界条件，建立海底斜坡的地质力学模型；

将建立的几何模型、材料模型转化为物理网格模型，并将物理网格模型和地质力学模型转化为可用于数值模拟计算的数值计算模型。

3.根据权利要求2所述的一种海底不稳定性的评价方法，其特征在于，所述海底斜坡的几何模型建立过程中的参数包括海水深度、斜坡角度、沉积物层和水合物层的几何形态、水合物带厚度；首先结合实际地形和地震资料，设定海水深度、海底斜坡角度以及沉积物层和水合物带的几何形态；然后输入沉积物层和水合物带的节点，通过连接节点，绘制沉积物层和水合物带面，最后通过面拉伸成体从而建立海底斜坡的几何模型。

4.根据权利要求2所述的一种海底不稳定性的评价方法，其特征在于，所述物理力学参数包括重度、弹性模量、泊松比、抗剪强度内聚力、内摩擦角和抗拉强度。

5.根据权利要求2所述的一种海底不稳定性的评价方法，其特征在于，所述海底斜坡的材料模型通过定义沉积物层和水合物带的强度模型及物理特性参数来完成，二者的强度模型均选用摩尔—库伦强度模型，沉积物层特性参数包括沉积物的比重和塑性系数，水合物带特性参数主要包括水合物的空率、孔隙度、饱和度和水合物分解量。

6.根据权利要求2所述的一种海底不稳定性的评价方法，其特征在于，所述海底斜坡的地质力学模型基于上述海底斜坡的几何模型和材料模型，分析静水压力、孔隙水压力和水合物分解产生超孔隙压力的边界条件以及受力模式，进而求解静水压力、孔隙水压力和水合物分解产生的超孔隙压力。

7.根据权利要求2所述的一种海底不稳定性的评价方法，其特征在于，所述将建立的几何模型、材料模型转化为物理网格模型，具体做法为：首先设置沉积物与水合物带各自的单元类型、材料模型、网格划分的形状、尺寸大小以及网格划分模式；然后网格化水合物带，再网格化沉积物层，从而建立海底斜坡物理网格模型。

8.根据权利要求2所述的一种海底不稳定性的评价方法，其特征在于，所述将物理网格模型和力学模型转化为可用于数值模拟计算的数值计算模型，具体做法为：将物理网格模型的单元信息数据文件和单元节点坐标数据文件转化为后缀为数值建模文件类型的数值建模文件。

9.根据权利要求1所述的一种海底不稳定性的评价方法，其特征在于，所述海底斜坡是否稳定是利用有限元数值分析方法基于摩尔—库仑破坏准则计算安全系数来判断的，安全系数计算公式为：

式中：c、分别是岩土体的内聚力和内摩擦角；τ和σ分别为剪切面上的有效法向应力与有效剪切应力；F_s为安全系数。

根据建立的海底斜坡地质力学模型，选取海底斜坡的一部分进行受力分析，由极限平衡理论可知：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\σ}=({\mathrm{\σ}}_w-{\mathrm{\σ}}_p)\×\cos \mathrm{\β}-a{\mathrm{\σ}}_w\×\sin \mathrm{\β}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{hp}}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ep}}\\ \mathrm{\τ}=({\mathrm{\σ}}_w-{\mathrm{\σ}}_p)\×\sin \mathrm{\β}+a{\mathrm{\σ}}_w\×\cos \mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_w={\mathrm{\γ}}_s\frac{(h_2-h_1)+(h_4-h_3)}{2}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{hp}}={\mathrm{\γ}}_w\frac{h_1+h_3}{2}\×\cos \mathrm{\β}\\ {\mathrm{\σ}}_p={\mathrm{\γ}}_w\frac{(h_2-h_1)+(h_4-h_3)}{2}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ep}}=({\mathrm{\σ}}_w+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{hp}}-{\mathrm{\σ}}_p)(e^{C_1}-1)\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，σ_w为岩土体自重应力；σ_hp为海水作用在坡顶的静水压力(面力)；σ_p为海水作用在坡体内的孔隙水压力(体力)；σ_ep为水合物分解产生的超孔隙压力；γ_s为沉积物层的容重；γ_w为水的容重；a为地震加速度；β为潜在滑移面的倾角；h₁为海平面至斜坡头部的深度；h₂为海平面至水合物带头部的深度；h₃为海平面至斜坡尾部的深度；h₄为海平面至水合物带尾部的深度。

10.根据权利要求1所述的一种海底不稳定性的评价方法，其特征在于，所述改进有限元强度折减法包括以下步骤：

1)根据海底斜坡数值计算模型，定义本构关系和海底斜坡沉积物的性质，定义边界条件和初始条件，确定强度折减系数的计算精度和上下限，计算海底斜坡初始应力场，初步分析斜坡的变形和应力，并记录最大变形；

2)增大强度折减系数F_s，按照式(4)计算折减后的抗剪强度参数，然后将折减后的参数赋给数值计算模型，重新计算，并记录计算收敛后的海底斜坡最大变形和塑性应变发展情况；

式中，F_s为强度折减系数；c和分别表示材料实际的粘聚力和内摩擦角；c′和分别表示材料折减后的粘聚力和内摩擦角；

3)重复第2)步，不断增大F_s值，对海底斜坡沉积物的抗剪强度参数进行折减，直至计算模型不收敛，则认为海底斜坡发生失稳破坏；斜坡安全系数即为发散前一步计算的F_S值；对于本身就不稳定的海底斜坡，在第1)步计算中就不会收敛，因此在进行第2)步和第3)步计算时，应将F_s逐渐减小，直至计算收敛、斜坡重新稳定。

11.根据权利要求10所述的一种海底不稳定性的评价方法，其特征在于，所述收敛条件的设定原则为：在计算过程中将每次循环的计算时步设置为30000步，不平衡率上限值设置为10^-5，减少人为因素带来的误差，以每次计算循环后的不平衡率值是否小于10^-5作为收敛条件。