CN107391886A - 一种海底地质灾害评价方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海底地质灾害评价方法及系统。该方法包括：获取目标区域的地质资料及样品实验数据；基于地质资料及样品实验数据建立目标区域的仿真模型；基于有限元强度折减法对仿真模型进行分析，生成稳定性安全系数；基于稳定性安全系数评价生成目标区域的稳定性分析评价报告。在海洋地质灾害中评价中能够准确的表达地质模型的真实受力特性，且能够准确的模拟海洋灾害的变形过程及发生机制。
Description
技术领域
本发明涉及海底监测技术领域，尤其涉及一种海底地质灾害评价方法及系统。
背景技术
南海北部蕴藏着丰富的天然气水合物资源，这些天然气水合物通常埋藏在海底之下数百米地层中。南海北部大陆边缘自第四纪以来具有较强的新构造活动，同时海底洋流及沉积活动复杂性(海平面升降、构造运动、断裂、海流等的影响)，由此形成发育各类潜在地质灾害。这些海底潜在地质灾害对于天然气水合物试采工程活动是潜在威胁，如可能引起海底滑坡、地质垮塌、海底压力异常以及井场中常出现的井喷、气涌、沉降、套管外气体泄漏、固井质量不良等一系列灾害效应。因此，针对海底天然气水合物试采地质灾害评价技术方法研究十分关键。
目前与海底天然气水合物试采地质灾害评价相关的工作包括：根据地震资料对海底滑坡灾害进行分类、进行成因机制分析；综合地震资料、多波束资料及地质资料对海底滑坡进行触发机制、发育时间判定，判断构造运动事件的存在及发育时间；针对某种外力驱动机制(如地震)载荷作用下地层的动力响应及载荷与海底滑坡失稳状态之间关系分析。然而，现有技术存在以下问题：数值模拟参数多为经验估计，不能完全准确地表达地质模型的真实受力特性。物理模型试验是采用实验的方法，侧重于对岩土力学参数的研究，但对海底灾害的变形过程及发生机制的物理模拟相对缺乏。
因此，如何在海洋地质灾害评价中准确的表达地质模型的真实受力特性及准确的模拟海洋灾害的变形过程及发生机制成为了本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种海底地质灾害评价方法，在海洋地质灾害中评价中能够准确的表达地质模型的真实受力特性，且能够准确的模拟海洋灾害的变形过程及发生机制。
本发明的目的采用以下技术方案实现：
一种海底地质灾害评价方法，包括：
获取目标区域的地质资料及样品实验数据；
基于所述地质资料及所述样品实验数据建立所述目标区域的仿真模型；
基于有限元强度折减法对所述仿真模型进行分析，生成稳定性安全系数；
基于所述稳定性安全系数评价生成所述目标区域的稳定性分析评价报告。
优选地，基于所述地质资料及样品实验数据建立所述目标区域的仿真模型包括：
基于所述地质资料及所述样品实验数据生成模型约束条件信息；
基于所述模型约束条件信息生成所述仿真模型。
优选地，所述基于有限元强度折减法对所述仿真模型进行分析，生成稳定性安全系数包括：
网格化所述仿真模型；
基于有限元强度折减法对网格化后的所述仿真模型进行仿真；
判断所述仿真模型是否处于极限平衡状态；
当所述仿真模型处于极限平衡状态时，以此时的强度折减系数为所述稳定性安全系数。
优选地，所述判断所述仿真模型是否处于极限平衡状态包括：
判断所述仿真模型的滑面上塑性区是否贯通；
当所述仿真模型的滑面上塑性区贯通时，判断所述仿真模型处于极限平衡状态。
优选地，所述判断所述仿真模型是否处于极限平衡状态包括：
判断基于有限元强度折减法对网格化后的所述仿真模型进行仿真是否能够收敛；
当基于有限元强度折减法对网格化后的所述仿真模型进行仿真不能收敛时，判断所述仿真模型处于极限平衡状态。
本发明还提供了一种海底地质灾害评价系统，包括存储器及处理器，其中：
所述存储器用于存储程序指令；
所述处理器用于运行所述程序指令，以执行以下步骤；
获取目标区域的地质资料及样品实验数据；
基于所述地质资料及所述样品实验数据建立所述目标区域的仿真模型；
基于有限元强度折减法对所述仿真模型进行分析，生成稳定性安全系数；
基于所述稳定性安全系数评价生成所述目标区域的稳定性分析评价报告。
优选地，所述基于所述地质资料及样品实验数据建立所述目标区域的仿真模型包括：
基于所述地质资料及所述样品实验数据生成模型约束条件信息；
基于所述模型约束条件信息生成所述仿真模型。
优选地，所述基于有限元强度折减法对所述仿真模型进行分析，生成稳定性安全系数包括：
网格化所述仿真模型；
基于有限元强度折减法对网格化后的所述仿真模型进行仿真；
判断所述仿真模型是否处于极限平衡状态；
当所述仿真模型处于极限平衡状态时，以此时的强度折减系数为所述稳定性安全系数。
优选地，所述判断所述仿真模型是否处于极限平衡状态包括：
判断所述仿真模型的滑面上塑性区是否贯通；
当所述仿真模型的滑面上塑性区贯通时，判断所述仿真模型处于极限平衡状态。
优选地，所述判断所述仿真模型是否处于极限平衡状态包括：
判断基于有限元强度折减法对网格化后的所述仿真模型进行仿真是否能够收敛；
当基于有限元强度折减法对网格化后的所述仿真模型进行仿真不能收敛时，判断所述仿真模型处于极限平衡状态。
综上所述，本发明公开了一种海底地质灾害评价方法，包括：获取目标区域的地质资料及样品实验数据；基于地质资料及样品实验数据建立目标区域的仿真模型；基于有限元强度折减法对仿真模型进行分析，生成稳定性安全系数；基于稳定性安全系数评价生成目标区域的稳定性分析评价报告。在海洋地质灾害中评价中能够准确的表达地质模型的真实受力特性，且能够准确的模拟海洋灾害的变形过程及发生机制。
附图说明
图1为本发明公开的一种海底地质灾害评价方法实施例1的流程图；
图2为本发明公开的一种海底地质灾害评价方法实施例2的流程图；
图3为本发明公开的一种海底地质灾害评价方法实施例3的流程图；
图4为本发明公开的一种海底地质灾害评价系统实施例1的结构示意图；
图5为本发明公开的一种海底地质灾害评价系统实施例2的结构示意图；
图6为本发明公开的一种海底地质灾害评价系统实施例3的结构示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
在本技术方案中，建模及有限元分析的过程均可使用Abaqus软件完成。
如图1所示，为本发明公开的一种海底地质灾害评价方法实施例1的流程图，包括：
S101、获取目标区域的地质资料及样品实验数据；
以海底天然气水合物试采区为目标区域，对海底天然气水合物试采区域进行区域地质背景、海洋水文等分析，布置物探测线，包括地震、浅地层剖面、高精度多波束影像测量、取样等工作，获得试采区的地形地貌(水深分布、地形起伏特征)，并对样品描述、现场实验及送入实验室分析测试。对研究区地震剖面资料进行研究，获得海底天然气水合物试采地质灾害(如海底滑坡)因素的特征(海底滑坡体内部和外部形态)及平面分布范围，结合地质资料推断控制该滑坡体产生的因素，是受何种(或多种)因素控制(如重力、地震、火山、风暴等)，得出其驱动机制，根据地震资料和沉积物测年资料，可以进一步推断滑坡产生的时间；综合地震资料和地质资料，得出水合物的解释依据，进而在区域上识别出水合物分布范围、判断水合物属于何种类型，在地震剖面上可以确定天然气水合物层厚度、上覆层、下伏层厚度。通过实验室测定采集的样品资料，可以得出水合物层、上覆层、下伏层土体的物理力学参数：土体密度、声波速度、孔隙流体压力、含水率、饱和度，土体比重；然后结合地震剖面、样品岩性和实验室测定的物理力学参数对地层进行细分；通过以上的分析得到的滑坡体的外部形态(长度、宽度、高度、倾角)、细分的地层以及各层的物理力学参数。将通过上述步骤得到的目标区域的地质资料及样品实验数据存储在专用的存储器中，在需要时可从存储器中进行获取。
S102、基于地质资料及样品实验数据建立目标区域的仿真模型；
以仿真模型为滑坡体为例，由上述地质资料及样品实验数据，例如滑坡体的外部形态(长度、宽度、高度、倾角)、细分的地层以及各层的物理力学参数，能够建立符合实际的仿真模型。仿真模型即为目标区域的模型。
S103、基于有限元强度折减法对仿真模型进行分析，生成稳定性安全系数；
采用有限元强度折减法在仿真模型上模拟海底滑坡的形成、滑动过程。有限元强度折减法也称强度折减弹塑性有限元分析法，是将强度折减技术与弹塑性有限元法相结合。在对仿真模型进行仿真分析的过程中，可以获得仿真模型的稳定性安全系数。此外还可得出仿真模型的应力、应变、位移和塑性区等力和变形等信息。
S104、基于稳定性安全系数评价生成目标区域的稳定性分析评价报告；
得出稳定性安全系数、应力、应变、位移和塑性区等力和变形信息后，可基于这些数据对目标区域进行海底斜坡稳定性分析和评价。例如：开展含天然气水合物海底斜坡稳定性影响因素的敏感性分析(天然气水合物分解量变化、海底斜坡水深变化、上覆沉积层厚度变化、天然气水合物埋深等因素对斜坡稳定性的影响规律)，得到斜坡失稳的临界条件，从而为天然气水合物试采工程提供依据，降低施工风险。
由于本方法中的仿真模型是基于丰富的目标区域的地质资料及样品实验数据生成的，因此与现有技术的数值模拟参数多为经验估计的方式相比，可更加真实的表达模型的真实受力特性，且由于本方法中的地质资料包括了对研究区地震剖面资料进行研究，获得海底天然气水合物试采地质灾害(如海底滑坡)因素的特征(海底滑坡体内部和外部形态)及平面分布范围，结合地质资料推断控制该滑坡体产生的原因，是受何种(或多种)因素控制(如重力、地震、火山、风暴等)，得出其驱动机制，因此本方法能够准确的模拟海洋灾害的变形过程及发生机制。
综上所述，本发明公开了一种海底地质灾害评价方法，包括：获取目标区域的地质资料及样品实验数据；基于地质资料及样品实验数据建立目标区域的仿真模型；基于有限元强度折减法对仿真模型进行分析，生成稳定性安全系数；基于稳定性安全系数评价生成目标区域的稳定性分析评价报告。在海洋地质灾害中评价中能够准确的表达地质模型的真实受力特性，且能够准确的模拟海洋灾害的变形过程及发生机制。
如图2所示，为本发明公开的一种海底地质灾害评价方法实施例2的流程图，包括：
S201、获取目标区域的地质资料及样品实验数据；
以海洋天然气水合物试采区为目标区域，对海底天然气水合物试采区域进行区域地质背景、海洋水文等分析，布置物探测线，包括地震、浅地层剖面、高精度多波束影像测量、取样等工作，获得试采区的地形地貌(水深分布、地形起伏特征)，并对样品描述、现场实验及送入实验室分析测试。对研究区地震剖面资料进行研究，获得海底天然气水合物试采地质灾害(如海底滑坡)因素的特征(海底滑坡体内部和外部形态)及平面分布范围，结合地质资料推断控制该滑坡体产生的原因，是受何种(或多种)因素控制(如重力、地震、火山、风暴等)，得出其驱动机制，根据地震资料和沉积物测年资料，可以进一步推断滑坡产生的时间；综合地震资料和地质资料，得出水合物的解释依据，进而在区域上识别出水合物分布范围、判断水合物属于何种类型，在地震剖面上可以确定天然气水合物层厚度、上覆层、下伏层厚度。通过实验室测定采集的样品资料，可以得出水合物层、上覆层、下伏层土体的物理力学参数：土体密度、声波速度、孔隙流体压力、含水率、饱和度，土体比重；然后结合地震剖面、样品岩性和实验室测定的物理力学参数对地层进行细分；通过以上的分析得到的滑坡体的外部形态(长度、宽度、高度、倾角)、细分的地层以及各层的物理力学参数。将通过上述步骤得到的目标区域的地质资料及样品实验数据存储在专用的存储器中，在需要时可从存储器中进行获取。
S202、基于地质资料及样品实验数据生成模型约束条件信息；
有目标区域的地质资料及样品实验数据可以得到生成仿真模型所需的约束条件信息，例如坡长、坡度、水合物层埋深度、水合物层厚度、水平延伸距离等，还可得到目标区域的细分的地层以及各层的物理力学参数等。
S203、基于模型约束条件信息生成仿真模型；
由上述约束条件可建立仿真模型，在实际建模的过程中水合物分布走向与海底坡面一致，斜坡左右两侧边界均为水平位移约束，底部为固定铰支约束。
S204、基于有限元强度折减法对仿真模型进行分析，生成稳定性安全系数；
采用有限元强度折减法在仿真模型上模拟海底滑坡的形成、滑动过程。有限元强度折减法也称强度折减弹塑性有限元分析法，是将强度折减技术与弹塑性有限元法相结合。在对仿真模型进行仿真分析的过程中，可以获得仿真模型的稳定性安全系数。此外还可得出仿真模型的应力、应变、位移和塑性区等力和变形等信息。
S205、基于稳定性安全系数评价生成目标区域的稳定性分析评价报告；
得出稳定性安全系数、应力、应变、位移和塑性区等力和变形信息后，可基于这些数据对目标区域进行海底斜坡稳定性分析和评价。例如：开展含天然气水合物海底斜坡稳定性影响因素的敏感性分析(天然气水合物分解量变化、海底斜坡水深变化、上覆沉积层厚度变化、天然气水合物埋深等因素对斜坡稳定性的影响规律)，得到斜坡失稳的临界条件，从而为天然气水合物试采工程提供依据，降低施工风险。
如图3所示，为本发明公开的一种海底地质灾害评价方法实施例的流程图，包括：
S301、获取目标区域的地质资料及样品实验数据；
以海洋天然气水合物试采区为目标区域，对海底天然气水合物试采区域进行区域地质背景、海洋水文等分析，布置物探测线，包括地震、浅地层剖面、高精度多波束影像测量、取样等工作，获得试采区的地形地貌(水深分布、地形起伏特征)，并对样品描述、现场实验及送入实验室分析测试。对研究区地震剖面资料进行研究，获得海底天然气水合物试采地质灾害(如海底滑坡)因素的特征(海底滑坡体内部和外部形态)及平面分布范围，结合地质资料推断控制该滑坡体产生的原因，是受何种(或多种)因素控制(如重力、地震、火山、风暴等)，得出其驱动机制，根据地震资料和沉积物测年资料，可以进一步推断滑坡产生的时间；综合地震资料和地质资料，得出水合物的解释依据，进而在区域上识别出水合物分布范围、判断水合物属于何种类型，在地震剖面上可以确定天然气水合物层厚度、上覆层、下伏层厚度。通过实验室测定采集的样品资料，可以得出水合物层、上覆层、下伏层土体的物理力学参数：土体密度、声波速度、孔隙流体压力、含水率、饱和度，土体比重；然后结合地震剖面、样品岩性和实验室测定的物理力学参数对地层进行细分；通过以上的分析得到的滑坡体的外部形态(长度、宽度、高度、倾角)、细分的地层以及各层的物理力学参数。将通过上述步骤得到的目标区域的地质资料及样品实验数据存储在专用的存储器中，在需要时可从存储器中进行获取。
S302、基于地质资料及样品实验数据建立目标区域的仿真模型；
以仿真模型为滑坡体为例，由上述地质资料及样品实验数据，例如滑坡体的外部形态(长度、宽度、高度、倾角)、细分的地层以及各层的物理力学参数，能够建立符合实际的仿真模型。仿真模型即为目标区域的模型。
S303、网格化仿真模型；
划分网格时，选择六节点二阶三角形平面应变单元类型(CPE6)，模型顶面单元尺寸20m，底边单元尺寸为30m，左右两侧边界单元格尺寸从顶端到底端由12～20m递变，对水合物层进行加密，单元尺寸为10m。上述具体数据仅为举例说明，实际的参数设置可根据实际情况进行调整。
S304、基于有限元强度折减法对网格化后的仿真模型进行仿真；
S305、判断仿真模型是否处于极限平衡状态；
S306、当仿真模型处于极限平衡状态时，以此时的强度折减系数为稳定性安全系数；
采用有限元强度折减法分析仿真模型稳定性，是通过逐渐降低斜坡岩土体抗剪强度，使仿真模型达到自身的极限平衡状态。此时对应的强度折减系数为仿真模型稳定的安全系数。方法如下：用一个常用强度折减系数F把土体的抗剪强度指标c和在式(1)的基础上进行折减，然后把原来的强度指标c和用折减后的抗剪强度指标cF和代替，将折减后的数值带入到Abaqus软件中进行数值模拟直至土体达到破坏状态。土体发生破坏时对应的强度折减系数F可以作为土体的稳定安全系数。对于莫尔-库伦材料，强度折减安全系数可表示为式(1)和(2)的形式：
式中τ—抗剪强度；
σ—受剪面上的法向压应力；
F—强度折减系数；
c、—岩土材料的粘聚力和内摩擦角。
S307、基于稳定性安全系数评价生成目标区域的稳定性分析评价报告；
得出稳定性安全系数、应力、应变、位移和塑性区等力和变形信息后，可基于这些数据对目标区域进行海底斜坡稳定性分析和评价。例如：开展含天然气水合物海底斜坡稳定性影响因素的敏感性分析(天然气水合物分解量变化、海底斜坡水深变化、上覆沉积层厚度变化、天然气水合物埋深等因素对斜坡稳定性的影响规律)，得到斜坡失稳的临界条件，从而为天然气水合物试采工程提供依据，降低施工风险。
为进一步优化上述技术方案，判断仿真模型是否处于极限平衡状态包括：
判断仿真模型的滑面上塑性区是否贯通；当仿真模型的滑面上塑性区贯通时，判断仿真模型处于极限平衡状态。
以塑性区从坡脚到坡顶贯通形成连续的滑动面作为其失稳标志，同样，等效塑性应变区贯通也可以作为其失稳标准，当失稳时，仿真模型处于极限平衡状态。通过应用有限元强度折减法，边坡土体强度逐渐降低，当土体强度达到临界破坏状态时，斜坡滑面上的塑性区贯通，此时仿真模型处于极限平衡状态。
为进一步优化上述技术方案，判断仿真模型是否处于极限平衡状态包括：
判断基于有限元强度折减法对网格化后的仿真模型进行仿真是否能够收敛；当基于有限元强度折减法对网格化后的仿真模型进行仿真不能收敛时，判断仿真模型处于极限平衡状态。
仿真模型处于极限平衡状态以边坡土体整体失稳为标志，边坡土体整体失稳以土体滑移面上应变的突变或者位移的突变作为标志，体现在相邻的分析步中位移的突增；以有限元软件的静力分析不收敛(即计算中断)作为边坡整体失稳的标志。滑面上的应变或位移出现突变与有限元计算不收敛是一致的，因此可将有限元分析不收敛作为仿真模型处于极限平衡状态判据。
如图4所示，为本发明公开的一种海底地质灾害评价系统实施例1的结构示意图，包括：存储器101和处理器102。存储器101用于存储程序指令，处理器102用于运行所述程序指令，运行程序指令的具体处理内容详述如下：
存储器101用于存储目标区域的地质资料及样品实验数据；
处理器102用于获取目标区域的地质资料及样品实验数据；
以海洋天然气水合物试采区为目标区域，对海底天然气水合物试采区域进行区域地质背景、海洋水文等分析，布置物探测线，包括地震、浅地层剖面、高精度多波束影像测量、取样等工作，获得试采区的地形地貌(水深分布、地形起伏特征)，并对样品描述、现场实验及送入实验室分析测试。对研究区地震剖面资料进行研究，获得海底天然气水合物试采地质灾害(如海底滑坡)因素的特征(海底滑坡体内部和外部形态)及平面分布范围，结合地质资料推断控制该滑坡体产生的原因，是受何种(或多种)因素控制(如重力、地震、火山、风暴等)，得出其驱动机制，根据地震资料和沉积物测年资料，可以进一步推断滑坡产生的时间；综合地震资料和地质资料，得出水合物的解释依据，进而在区域上识别出水合物分布范围、判断水合物属于何种类型，在地震剖面上可以确定天然气水合物层厚度、上覆层、下伏层厚度。通过实验室测定采集的样品资料，可以得出水合物层、上覆层、下伏层土体的物理力学参数：土体密度、声波速度、孔隙流体压力、含水率、饱和度，土体比重；然后结合地震剖面、样品岩性和实验室测定的物理力学参数对地层进行细分；通过以上的分析得到的滑坡体的外部形态(长度、宽度、高度、倾角)、细分的地层以及各层的物理力学参数。将通过上述步骤得到的目标区域的地质资料及样品实验数据存储在专用的存储器101中，在需要时可从存储器101中进行获取。
处理器102还用于基于地质资料及样品实验数据建立目标区域的仿真模型；
以仿真模型为滑坡体为例，由上述地质资料及样品实验数据，例如滑坡体的外部形态(长度、宽度、高度、倾角)、细分的地层以及各层的物理力学参数，能够建立符合实际的仿真模型。仿真模型即为目标区域的模型。
处理器102还用于基于有限元强度折减法对仿真模型进行分析，生成稳定性安全系数；
采用有限元强度折减法在仿真模型上模拟海底滑坡的形成、滑动过程。有限元强度折减法也称强度折减弹塑性有限元分析法，是将强度折减技术与弹塑性有限元法相结合。在对仿真模型进行仿真分析的过程中，可以获得仿真模型的稳定性安全系数。此外还可得出仿真模型的应力、应变、位移和塑性区等力和变形等信息。
处理器102还用于基于稳定性安全系数评价生成目标区域的稳定性分析评价报告；
得出稳定性安全系数、应力、应变、位移和塑性区等力和变形信息后，可基于这些数据对目标区域进行海底斜坡稳定性分析和评价。例如：开展含天然气水合物海底斜坡稳定性影响因素的敏感性分析(天然气水合物分解量变化、海底斜坡水深变化、上覆沉积层厚度变化、天然气水合物埋深等因素对斜坡稳定性的影响规律)，得到斜坡失稳的临界条件，从而为天然气水合物试采工程提供依据，降低施工风险。
由于本系统中的仿真模型是基于丰富的目标区域的地质资料及样品实验数据生成的，因此与现有技术的数值模拟参数多为经验估计的方式相比，可更加真实的表达模型的真实受力特性，且由于本方法中的地质资料包括了对研究区地震剖面资料进行研究，获得海底天然气水合物试采地质灾害(如海底滑坡)因素的特征(海底滑坡体内部和外部形态)及平面分布范围，结合地质资料推断控制该滑坡体产生的原因，是受何种(或多种)因素控制(如重力、地震、火山、风暴等)，得出其驱动机制，因此本方法能够准确的模拟海洋灾害的变形过程及发生机制。
综上所述，本发明公开了一种海底地质灾害评价系统，工作原理为获取目标区域的地质资料及样品实验数据；基于地质资料及样品实验数据建立目标区域的仿真模型；基于有限元强度折减法对仿真模型进行分析，生成稳定性安全系数；基于稳定性安全系数评价生成目标区域的稳定性分析评价报告。在海洋地质灾害中评价中能够准确的表达地质模型的真实受力特性，且能够准确的模拟海洋灾害的变形过程及发生机制。
如图5所示，为本发明公开的一种海底地质灾害评价系统实施例2的结构示意图，包括：存储器201和处理器202。存储器201用于存储程序指令，处理器202用于运行所述程序指令，运行程序指令的具体处理内容详述如下：
存储器201用于存储目标区域的地质资料及样品实验数据；
处理器202用于获取目标区域的地质资料及样品实验数据；
以海洋天然气水合物试采区为目标区域，对海底天然气水合物试采区域进行区域地质背景、海洋水文等分析，布置物探测线，包括地震、浅地层剖面、高精度多波束影像测量、取样等工作，获得试采区的地形地貌(水深分布、地形起伏特征)，并对样品描述、现场实验及送入实验室分析测试。对研究区地震剖面资料进行研究，获得海底天然气水合物试采地质灾害(如海底滑坡)因素的特征(海底滑坡体内部和外部形态)及平面分布范围，结合地质资料推断控制该滑坡体产生的原因，是受何种(或多种)因素控制(如重力、地震、火山、风暴等)，得出其驱动机制，根据地震资料和沉积物测年资料，可以进一步推断滑坡产生的时间；综合地震资料和地质资料，得出水合物的解释依据，进而在区域上识别出水合物分布范围、判断水合物属于何种类型，在地震剖面上可以确定天然气水合物层厚度、上覆层、下伏层厚度。通过实验室测定采集的样品资料，可以得出水合物层、上覆层、下伏层土体的物理力学参数：土体密度、声波速度、孔隙流体压力、含水率、饱和度，土体比重；然后结合地震剖面、样品岩性和实验室测定的物理力学参数对地层进行细分；通过以上的分析得到的滑坡体的外部形态(长度、宽度、高度、倾角)、细分的地层以及各层的物理力学参数。将通过上述步骤得到的目标区域的地质资料及样品实验数据存储在专用的存储器201中，在需要时可从存储器201中进行获取。
处理器202还用于基于地质资料及样品实验数据生成模型约束条件信息；
有目标区域的地质资料及样品实验数据可以得到生成仿真模型所需的约束条件信息，例如坡长、坡度、水合物层埋深度、水合物层厚度、水平延伸距离等，还可得到目标区域的细分的地层以及各层的物理力学参数等。
处理器202还用于基于模型约束条件信息生成仿真模型；
由上述约束条件可建立仿真模型，在实际建模的过程中水合物分布走向与海底坡面一致，斜坡左右两侧边界均为水平位移约束，底部为固定铰支约束。
处理器202还用于基于有限元强度折减法对仿真模型进行分析，生成稳定性安全系数；
采用有限元强度折减法在仿真模型上模拟海底滑坡的形成、滑动过程。有限元强度折减法也称强度折减弹塑性有限元分析法，是将强度折减技术与弹塑性有限元法相结合。在对仿真模型进行仿真分析的过程中，可以获得仿真模型的稳定性安全系数。此外还可得出仿真模型的应力、应变、位移和塑性区等力和变形等信息。
处理器202还用于基于稳定性安全系数评价生成目标区域的稳定性分析评价报告；
得出稳定性安全系数、应力、应变、位移和塑性区等力和变形信息后，可基于这些数据对目标区域进行海底斜坡稳定性分析和评价。例如：开展含天然气水合物海底斜坡稳定性影响因素的敏感性分析(天然气水合物分解量变化、海底斜坡水深变化、上覆沉积层厚度变化、天然气水合物埋深等因素对斜坡稳定性的影响规律)，得到斜坡失稳的临界条件，从而为天然气水合物试采工程提供依据，降低施工风险。
如图6所示，为本发明公开的一种海底地质灾害评价系统实施例的结构示意图，包括：存储器301和处理器302。存储器301用于存储程序指令，处理器302用于运行所述程序指令，运行程序指令的具体处理内容详述如下：
存储器301用于存储目标区域的地质资料及样品实验数据；
处理器302用于获取目标区域的地质资料及样品实验数据；
以海底天然气水合物试采区为目标区域，对海底天然气水合物试采区域进行区域地质背景、海洋水文等分析，布置物探测线，包括地震、浅地层剖面、高精度多波束影像测量、取样等工作，获得试采区的地形地貌(水深分布、地形起伏特征)，并对样品描述、现场实验及送入实验室分析测试。对研究区地震剖面资料进行研究，获得海底天然气水合物试采地质灾害(如海底滑坡)因素的特征(海底滑坡体内部和外部形态)及平面分布范围，结合地质资料推断控制该滑坡体产生的原因，是受何种(或多种)因素控制(如重力、地震、火山、风暴等)，得出其驱动机制，根据地震资料和沉积物测年资料，可以进一步推断滑坡产生的时间；综合地震资料和地质资料，得出水合物的解释依据，进而在区域上识别出水合物分布范围、判断水合物属于何种类型，在地震剖面上可以确定天然气水合物层厚度、上覆层、下伏层厚度。通过实验室测定采集的样品资料，可以得出水合物层、上覆层、下伏层土体的物理力学参数：土体密度、声波速度、孔隙流体压力、含水率、饱和度，土体比重；然后结合地震剖面、样品岩性和实验室测定的物理力学参数对地层进行细分；通过以上的分析得到的滑坡体的外部形态(长度、宽度、高度、倾角)、细分的地层以及各层的物理力学参数。将通过上述步骤得到的目标区域的地质资料及样品实验数据存储在专用的存储器302中，在需要时可从存储器302中进行获取。
处理器302还用于基于地质资料及样品实验数据建立目标区域的仿真模型；
以仿真模型为滑坡体为例，由上述地质资料及样品实验数据，例如滑坡体的外部形态(长度、宽度、高度、倾角)、细分的地层以及各层的物理力学参数，能够建立符合实际的仿真模型。仿真模型即为目标区域的模型。
处理器302还用于网格化仿真模型；
划分网格时，选择六节点二阶三角形平面应变单元类型(CPE6)，模型顶面单元尺寸20m，底边单元尺寸为30m，左右两侧边界单元格尺寸从顶端到底端由12～20m递变，对水合物层进行加密，单元尺寸为10m。上述具体数据仅为举例说明，实际的参数设置可根据实际情况进行调整。
处理器302还用于基于有限元强度折减法对网格化后的仿真模型进行仿真；
处理器302还用于判断仿真模型是否处于极限平衡状态；
处理器302还用于当仿真模型处于极限平衡状态时，以此时的强度折减系数为稳定性安全系数；
采用有限元强度折减法分析仿真模型稳定性，是通过逐渐降低斜坡岩土体抗剪强度，使仿真模型达到自身的极限平衡状态。此时对应的强度折减系数为仿真模型稳定的安全系数。方法如下：用一个常用强度折减系数F把土体的抗剪强度指标c和在式(1)的基础上进行折减，然后把原来的强度指标c和用折减后的抗剪强度指标cF和代替，将折减后的数值带入到Abaqus软件中进行数值模拟直至土体达到破坏状态。土体发生破坏时对应的强度折减系数F可以作为土体的稳定安全系数。对于莫尔-库伦材料，强度折减安全系数可表示为式(1)和(2)的形式：
式中τ—抗剪强度；
σ—受剪面上的法向压应力；
F—强度折减系数；
c、—岩土材料的粘聚力和内摩擦角。
处理器302还用于基于稳定性安全系数评价生成目标区域的稳定性分析评价报告。
得出稳定性安全系数、应力、应变、位移和塑性区等力和变形信息后，可基于这些数据对目标区域进行海底斜坡稳定性分析和评价。例如：开展含天然气水合物海底斜坡稳定性影响因素的敏感性分析(天然气水合物分解量变化、海底斜坡水深变化、上覆沉积层厚度变化、天然气水合物埋深等因素对斜坡稳定性的影响规律)，得到斜坡失稳的临界条件，从而为天然气水合物试采工程提供依据，降低施工风险。
为进一步优化上述技术方案，处理器302还用于判断仿真模型的滑面上塑性区是否贯通；处理器302还用于当仿真模型的滑面上塑性区贯通时，判断仿真模型处于极限平衡状态。
以塑性区从坡脚到坡顶贯通形成连续的滑动面作为其失稳标志，同样，等效塑性应变区贯通也可以作为其失稳标准，当失稳时，仿真模型处于极限平衡状态。通过应用有限元强度折减法，边坡土体强度逐渐降低，当土体强度达到临界破坏状态时，斜坡滑面上的塑性区贯通，此时仿真模型处于极限平衡状态。
为进一步优化上述技术方案，处理器302还用于判断基于有限元强度折减法对网格化后的仿真模型进行仿真是否能够收敛；处理器302还用于当基于有限元强度折减法对网格化后的仿真模型进行仿真不能收敛时，判断仿真模型处于极限平衡状态。
仿真模型处于极限平衡状态以边坡土体整体失稳为标志，边坡土体整体失稳以土体滑移面上应变的突变或者位移的突变作为标志，体现在相邻的分析步中位移的突增；以有限元软件的静力分析不收敛(即计算中断)作为边坡整体失稳的标志。滑面上的应变或位移出现突变与有限元计算不收敛是一致的，因此可将有限元分析不收敛作为仿真模型处于极限平衡状态判据。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种海底地质灾害评价方法，其特征在于，包括：
获取目标区域的地质资料及样品实验数据；
基于所述地质资料及所述样品实验数据建立所述目标区域的仿真模型；
基于有限元强度折减法对所述仿真模型进行分析，生成稳定性安全系数；
基于所述稳定性安全系数评价生成所述目标区域的稳定性分析评价报告。
2.如权利要求1所述的海底地质灾害评价方法，其特征在于，基于所述地质资料及样品实验数据建立所述目标区域的仿真模型包括：
基于所述地质资料及所述样品实验数据生成模型约束条件信息；
基于所述模型约束条件信息生成所述仿真模型。
3.如权利要求1所述的海底地质灾害评价方法，其特征在于，所述基于有限元强度折减法对所述仿真模型进行分析，生成稳定性安全系数包括：
网格化所述仿真模型；
基于有限元强度折减法对网格化后的所述仿真模型进行仿真；
判断所述仿真模型是否处于极限平衡状态；
当所述仿真模型处于极限平衡状态时，以此时的强度折减系数为所述稳定性安全系数。
4.如权利要求3所述的海底地质灾害评价方法，其特征在于，所述判断所述仿真模型是否处于极限平衡状态包括：
判断所述仿真模型的滑面上塑性区是否贯通；
当所述仿真模型的滑面上塑性区贯通时，判断所述仿真模型处于极限平衡状态。
5.如权利要求3所述的海底地质灾害评价方法，其特征在于，所述判断所述仿真模型是否处于极限平衡状态包括：
判断基于有限元强度折减法对网格化后的所述仿真模型进行仿真是否能够收敛；
当基于有限元强度折减法对网格化后的所述仿真模型进行仿真不能收敛时，判断所述仿真模型处于极限平衡状态。
6.一种海底地质灾害评价系统，其特征在于，包括存储器及处理器，其中：
所述存储器用于存储程序指令；
所述处理器用于运行所述程序指令，以执行以下步骤；
获取目标区域的地质资料及样品实验数据；
基于所述地质资料及所述样品实验数据建立所述目标区域的仿真模型；
基于有限元强度折减法对所述仿真模型进行分析，生成稳定性安全系数；
基于所述稳定性安全系数评价生成所述目标区域的稳定性分析评价报告。
7.如权利要求6所述的海底地质灾害评价系统，其特征在于，所述基于所述地质资料及样品实验数据建立所述目标区域的仿真模型包括：
基于所述地质资料及所述样品实验数据生成模型约束条件信息；
基于所述模型约束条件信息生成所述仿真模型。
8.如权利要求6所述的海底地质灾害评价系统，其特征在于，所述基于有限元强度折减法对所述仿真模型进行分析，生成稳定性安全系数包括：
网格化所述仿真模型；
基于有限元强度折减法对网格化后的所述仿真模型进行仿真；
判断所述仿真模型是否处于极限平衡状态；
当所述仿真模型处于极限平衡状态时，以此时的强度折减系数为所述稳定性安全系数。
9.如权利要求8所述的海底地质灾害评价系统，其特征在于，所述判断所述仿真模型是否处于极限平衡状态包括：
判断所述仿真模型的滑面上塑性区是否贯通；
当所述仿真模型的滑面上塑性区贯通时，判断所述仿真模型处于极限平衡状态。
10.如权利要求8所述的海底地质灾害评价系统，其特征在于，所述判断所述仿真模型是否处于极限平衡状态包括：
判断基于有限元强度折减法对网格化后的所述仿真模型进行仿真是否能够收敛；
当基于有限元强度折减法对网格化后的所述仿真模型进行仿真不能收敛时，判断所述仿真模型处于极限平衡状态。
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