一种近海沉积物内海底气释放半径预测方法与流程

1.本发明涉及一种近海沉积物内海底气释放半径预测方法。


背景技术：

2.我国近海区域，特别是河口地区，沉积物大量快速沉积，在特定的沉积物环境内部可形成大量气体，这些气体成分比较复杂，包含甲烷等可燃烧气体。通常情况下，这些气体具有一定的压力，在上覆渗透性较差的土体压力作用下，这些气体处于稳定状态，不会释放出来。但当遇到极端海况时，如强台风或强气流等时，波浪压力可使得下部海床土体出现强度衰减，约束力减小，这些气体在压力作用下，可能会突破上覆压力，释放出来。气体释放出来后，在原位置形成一凹坑，是一种地质灾害，其大小对于海底结构物，如海底管线安全影响较大。迄今为止，除了现场事后实测外，尚未见到有关沉积物内海底气体释放半径的预测方法。有鉴于此，本发明提出一种近海沉积物内海底气体释放半径的预测方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种近海沉积物内海底气释放半径预测方法，该能够预测出气体的释放半径，对于认识海底凹坑形成、判定海底管线安全等具有重要意义。
4.本发明的技术方案在于：一种近海沉积物内海底气释放半径预测方法，包括以下步骤：（1）确定海底气体顶部至海床表面的距离，即气体的埋深；（2）确定海底气体的气体压力；（3）确定上覆土体的有效重度；（4）确定出上覆土体的不排水抗剪强度；（5）确定海底气体上覆土体不同深度处的标贯击数；（6）确定标贯击数与深度的经验关系式：根据最小二乘法，选用多项式模型，将标贯击数与对应深度进行拟合，得到标贯击数随深度的变化关系式；（7）确定海底气体处的水深；（8）确定极端海况下，波浪平均高度，平均波长；（9）确定出波浪在海底气体上覆土体内引起的循环剪应力：
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其中，为海床深度，为参数；（10）确定出海床土体的循环阻抗比：
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联立方程
①
和方程
②
，=，求解出深度，标记为；（11）通过求解公式
③
，确定出海底气体的释放半径：
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其中，为扰动后的泥浆重度，根据经验，取12kn/m3。
5.进一步地，所述步骤（1）中，利用水下物探方法或钻探方法，揭示出海底气体的埋深。
6.进一步地，所述步骤（2）中，利用静力触探装置，将压力表安装在钻杆底部，贯入到气体位置，量测出海底气体的压力，测量完成后，及时将钻孔进行封闭，防止气体释放。
7.进一步地，所述步骤（3）中，在海床沉积物内取原状土样，现场利用环刀法测试出其密度，乘以重力加速度，得到其饱和重度，将饱和重度减去海水重度，得到土体的有效重度；其中，海水重度取10.025kn/m3。
8.进一步地，所述步骤（4）中，利用十字板剪切仪，在上覆土体内进行剪切测试，测试出上覆土体的不排水抗剪强度。
9.进一步地，所述步骤（5）中，采用标准贯入装置，在上覆土体内进行标贯试验，在深度上每隔1.0m测试一个数据，连续测试至气体顶部位置，测试完成后，仍及时将钻孔进行封闭，防止气体释放。
10.进一步地，所述步骤（7）中，根据声纳装置，测试出海底气体处的水深。
11.进一步地，所述步骤（8）中，由波潮仪实测出极端海况下的波浪平均高度和平均波长，或根据风速、水深等历史经验资料，确定出波浪平均高度和平均波长。
12.与现有技术相比较，本发明具有以下优点：有鉴于此，该近海沉积物内海底气体释放半径的预测方法，能够预测出气体的释放半径，对于认识海底凹坑形成、判定海底管线安全等具有重要意义。
具体实施方式
13.为让本发明的上述特征和优点能更浅显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下，但本发明并不限于此。
14.一种近海沉积物内海底气释放半径预测方法，包括以下步骤：（1）确定海底气体顶部至海床表面的距离，即气体的埋深：利用水下物探方法或钻探方法，揭示出海底气体的埋深。
15.（2）确定海底气体的气体压力：利用静力触探装置，将压力表安装在钻杆底部，贯入到气体位置，量测出海底气体的压力，测量完成后，及时将钻孔进行封闭，防止气体释放。
16.（3）确定上覆土体的有效重度：在海床沉积物内取原状土样，现场利用环刀法测试出其密度，乘以重力加速度，得到其饱和重度，将饱和重度减去海水重度，得到土体的有效重度；其中，海水重度取10.025kn/m3。
17.（4）确定出上覆土体的不排水抗剪强度：利用十字板剪切仪，在上覆土体内进行剪切测试，测试出上覆土体的不排水抗剪强度。
18.（5）确定海底气体上覆土体不同深度处的标贯击数：采用标准贯入装置，在上覆土体内进行标贯试验，在深度上每隔1.0m测试一个数据，连续测试至气体顶部位置，测试完
成后，仍及时将钻孔进行封闭，防止气体释放。
19.（6）确定标贯击数与深度的经验关系式：根据最小二乘法，选用多项式模型，将标贯击数与对应深度进行拟合，得到标贯击数随深度的变化关系式。
20.（7）确定海底气体处的水深：根据声纳装置，测试出海底气体处的水深。
21.（8）确定极端海况下，波浪平均高度，平均波长：由波潮仪实测出极端海况下的波浪平均高度和平均波长，或根据风速、水深等历史经验资料，确定出波浪平均高度和平均波长。
22.（9）确定出波浪在海底气体上覆土体内引起的循环剪应力：
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其中，为海床深度，为参数；（10）确定出海床土体的循环阻抗比：
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联立方程
①
和方程
②
，=，求解出深度，标记为；（11）通过求解公式
③
，确定出海底气体的释放半径：
ꢀꢀꢀꢀꢀ③
其中，为扰动后的泥浆重度，根据经验，取12kn/m3。
23.本发明的工作原理：随着极端海况下波浪的持续作用，导致海床土体逐渐出现液化，上覆土体的压力逐渐减小，当减小到一定程度时，下部气体在压力作用下，冲破上覆压力，出现释放；根据力学平衡原理，确定出释放半径。
24.具体案例如：我国某河口近海海底由沉积物快速堆积形成，沉积物内部存在具有一定压力的浅气层，在强风浪作用下，沉积物受到扰动而强度降低，浅气层在气压作用下出现释放，为了确定其释放半径，采用本发明的方法进行预测。
25.首先利用水下物探方法，确定海底气体顶部至海床表面的距离，即气体的埋深为7.8m。利用静力触探装置，将压力表安装在钻杆底部，贯入到气体位置，量测出海底气体的压力为217kpa，测量完成后，及时将钻孔进行封闭，防止气体释放。在海床沉积物内取原状土样，现场利用环刀法测试出其密度，乘以重力加速度，得到其饱和重度为19.103kn/m3，将饱和重度减去海水重度10.025kn/m3，得到土体的有效重度为9.078kn/m3。利用十字板剪切试验，在上覆土体内进行剪切测试，测试出上覆土体的不排水抗剪强度为6.7kpa。采用标准贯入装置，在上覆土体内进行标贯试验，在深度上每隔1.0m测试一个数据，连续测试至气体顶部位置，结果如下表1所示；测试完成后，仍及时将钻孔进行封闭，防止气体释放。
26.根据最小二乘法，采用线性模型，将标贯击数与对应深度进行拟合，得到标贯击数随深度的变化关系式。根据声纳装置，测试出海底气体处的水深为6.73m。由波潮仪实测出某极端海况下的波浪平均高度为4.8m，平均波长为51.7m。进一步确定出波浪在海底气体上覆土体内引起的循环剪应力表达式，确定出海床土体的循环阻抗比
表达式，联系方程，=，求解出深度为1.50m；最后通过求解方程，确定出海底气体的释放半径为7.55m。
27.表1 上覆土体内标贯测试结果：。
28.以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的一种近海沉积物内海底气释放半径预测方法并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。