CN115754152A - 一种模拟水合物分解触发海底斜坡破坏的实验***及使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种模拟水合物分解触发海底斜坡破坏的实验***及使用方法，包括环境温度控制模块、斜坡破坏模拟模块、参数监测及采集模块。通过注入海水、制备斜坡模型及环境温度控制模块的设计，使包含水合物层的斜坡体处于饱和、高压、低温的条件，可实现海底水下环境的模拟；通过斜坡破坏模拟模块的设计，控制水合物层的加热温度进而控制水合物的实时温压状态，可实现水合物的可控生成与分解；通过参数监测及采集模块设计，实时监测超孔隙压力增加、土压力降低等内部参数的演化，以及斜坡外部变形特征，可同时实现斜坡内部参数演化和外部变形特征的实时监测。本发明结构简单、各模块功能明确、组装实施方便，具有显著的技术效果。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种模拟水合物分解触发海底斜坡破坏的实验***及使用方法。
背景技术
随着海洋强国倡议的深入推进，我国能源开发也不断由陆地转向海洋、由浅海进入深海，海洋能源开发正在成为我国经济发展的重要组成。天然气水合物作为一种重要的清洁能源，具有资源储量大、能量密度高、分布范围广和清洁无污染的特点，被视为21世纪最具开发潜力的新型替代能源，且其中97％以上分布在海洋沉积物中。天然气水合物的稳定赋存受地层温度、压力、气体组分和地层化学组成等因素的影响。外部环境变化会导致水合物的分解，破坏斜坡整体稳定性，进而引发海底斜坡失稳或大规模滑坡等地质灾害，给水合物的安全持续开发带来挑战。因此，从国家重大战略需求出发，开展水合物分解后诱发海底斜坡失稳的灾变演化机理研究具有重要的科学意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种水合物分解触发海底斜坡破坏的实验模拟***。在模拟海底水下环境中实现水合物的可控生成与分解，以及实验过程中斜坡内部参数演化(土***移、超孔隙压力等)和外部变形特征的实时监测。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种模拟水合物分解触发海底斜坡破坏的实验***，包括环境温度控制模块、斜坡破坏模拟模块、参数监测及采集模块。
所述的环境温度控制模块：包括环境温控器7、低温箱3、环境温度***控制线13。所述环境温控器7与低温箱3通过环境温度***控制线13连接，用以模拟海底低温环境以及提供适宜的水合物生成温度。所述的低温箱3侧壁设有用于穿过土温***控制线9的通孔、顶部设有用于穿过传感器信号传输线12的通孔。
所述的斜坡破坏模拟模块：包括实验模型箱4、斜坡底板14、多层土斜坡15、土温控制器1、土温***控制线9、温度传感器18，其中土温***控制线9包括温控线19、加热线20。所述土温控制器1与加热丝20连接，加热丝20布设于斜坡底板14上表面；且土温控制器1通过温控线19与温度传感器18连接，将所述温控线19与温度传感器18同样布设在斜坡底板14的上表面；上述线板之间连接方式为粘接法。所述实验模型箱4放置于低温箱3内，其由刚性材料制作，并且为减少边界效应影响，对实验模型箱4内表面做光滑处理；为实现斜坡模型15内部参数的监测，将实验模型箱4一侧设置为透明；所述模型底板14位于实验模型箱4内，其与实验模型箱4下表面呈一定角度，可根据具体实验工况调节角度；所述的温度传感器18、温控线19、加热线20布置于斜坡底板14上表面，具体布置方式为：所述加热线20为回字形排布，其中在斜坡底板14中部倾斜段设置多个小型回形排布区域，可根据具体工况模拟水合物点状加热分解和区域加热分解；所述温度传感器18在垂直于模型箱4透明侧面的方向上设置多组，各组均沿斜坡底板14倾斜方向等间隔布设，可实时监测土层加热温度；所述温控线19起连接温度传感器18的作用，呈并联状态布设，将土层温度数据传输到土层温控器1，以实现土层温度的精确闭环控制。所述斜坡模型15置于已布设好温控线路的模型底板14上，其根据不同实验工况更改形状和厚度。
所述的参数监测及采集模块：包括高速摄像机5、图像采集器6、光纤光栅孔压传感器16、光纤传输线10、光纤光栅解调仪2、土应力传感器17、传感器信号传输线12、数据传输线11、计算机8。所述高速摄像机5安装在实验模型箱4透明侧及顶部，高速摄像机5通过传感器信号传输线12连接到图像采集器6，用以监测实验过程中斜坡模型15内部变形及外部三维形态的改变；所述光纤光栅孔压传感器16和土应力传感器17预先埋设于斜坡模型15的土层内部，具体布置方式为：所述光纤光栅孔压传感器16与土应力传感器17并排布置在斜坡模型15内水合物层，同样在垂直于模型箱4透明侧面的方向上设置多组，各组均沿水合物层分布方向等间隔布设，沿水合物层顶至水合物层底等距埋设若干，并分别通过光纤传输线10、传感器信号传输线12连接到光纤光栅解调仪2、图像采集器6，上述两类传输线与传感器均采用串联法连接，用以实验过程中斜坡内部超孔隙压力和土压力。将光纤光栅解调仪2与图像采集器6的输出信号通过数据传输线11链接到计算机8，实时监测收集设计工况的各类数据。
一种模拟水合物分解触发海底斜坡破坏的实验***的使用方法，包括以下步骤：
第一步，组装模拟水合物分解触发海底斜坡破坏的实验***。
第二步，根据实验工况，向实验模型箱4中注入海水，以模拟海底水下环境。待海水没过斜坡模型15至实验设定位置之后，调整环境温控器7使低温箱3内温度由室温下降至实验设定环境温度，此过程中斜坡模型15内布设的温度传感器18感应水合物层各位置的实时温度，并通过温控线19传输到土层温控器1，当土层温控器1显示的各项温度读数恒定，即认为水合物斜坡模型15的环境温度达到设定温度，即达到水合物分解过程实验前的环境条件。
第三步，按实验工况，通过土层温控器1控制斜坡底板14上的加热线20，加热水合物层，监测来自温度传感器18、温控线19输入到土层温控器1内的土层实时变化的温度数据。由于水合物的分解由赋存层沉积物温压条件控制，初始环境温度及土体压力作用下的温压条件使得水合物稳定存在，当含水合物土体压力保持不变、温度升高至临界温度以上时，水合物发生分解，产生超孔隙压力的同时引起土层参数变化，因此当土层温控器1内各位置读数达到实验工况预设温度，即认为水合物开始分解。随着水合物不断分解，斜坡模型15内水合物层超孔隙压力不断累积、土体强度有弱化趋势，由此可引发：光纤光栅孔压传感器16测得的孔隙压力增加、土应力传感器17测得的土压力降低等内部参数的演化，以及两个高速摄像机5测得的斜坡外部(顶部及侧面)变形特征，记录计算机8通过数据传输线11收集得到斜坡型15内部参数演化和外部变形特征等数据。待斜坡模型15达到破坏标准后关闭土层温控器1，此时水合物层不再被加热，分解逐渐停止，待整个试验***恢复到原环境温度，关闭环境温控器7，停止实验。通过上述过程，可实现含水合物层斜坡的水合物可控分解及海底水下环境的模拟、并且可同时监测斜坡模型内部参数演化和外部变形特征。
进一步的，所述的斜坡模型15由三个土层组成，分别为：上覆层、水合物层及下卧层，分层制备斜坡模型15并固结土体达到设定强度。考虑安全性与实验效果，水合物层使用四氢呋喃作为水合物制备，土体材料均为实验室用粘土。
本发明的有益效果为：
本发明结构简单、各模块功能明确、组装实施方便，可实现含水合物层斜坡的水合物可控分解及海底水下环境的模拟、并且可同时监测斜坡模型内部参数演化和外部变形特征，具有显著的技术效果，具体：
(1)本发明通过注入海水、制备斜坡模型及环境温度控制模块的设计，使包含水合物层的斜坡体处于饱和、高压、低温的条件，可实现海底水下环境的模拟。
(2)本发明通过斜坡破坏模拟模块的设计，控制水合物层的加热温度进而控制水合物的实时温压状态，可实现水合物的可控生成与分解。
(3)本发明通过参数监测及采集模块设计，实时监测超孔隙压力增加、土压力降低等内部参数的演化，以及斜坡外部(顶部及侧面)变形特征，可同时实现斜坡内部参数演化和外部变形特征的实时监测。
附图说明
图1是本发明所述实验***的结构组成示意图；
图2是本发明所述土层温控线路图；
图3是本发明所述传感器布设图；
图中：1土层温控器；2光纤光栅解调仪；3低温箱；4实验模型箱；5高速摄像机；6图像采集器；7环境温控器；8计算机；9土温***控制线；10光纤传输线；11数据传输线；12传感器信号传输线；13环境温度***控制线；14斜坡底板；15斜坡模型；16光纤光栅孔压传感器；17土应力传感器；18温度传感器；19温控线；20加热线。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合附图和技术方案，对本发明作进一步说明。
图1展示了本发明所述一种模拟水合物分解触发海底斜坡破坏实验***的具体实施方式。图2是土层温控线路图，展示了温度变化触发水合物分解的方法，即通过合理布设温控线与加热线，分区控制土层温度为设定值，进而触发土层中水合物分解。图3是土层中传感器布设图，展示了土层中土应力传感器与光纤光栅孔压传感器的布设方式，以此准确获取实验斜坡内的土压力和孔隙压力分布情况，达到准确描述水合物分解过程土层内部的力学特性的目的。
本发明所述实验模拟***的使用方法，包括以下步骤：
第一步，实验模拟***组装
首先，将实验模型箱4置于低温箱3内，将低温箱3与环境温控器7通过环境温度***控制线13连接，共同组成环境温控***；按照图2在斜坡底板14上布设温度传感器18、温控线19、加热线20，引出土温***控制线9(包括温控线19、加热线20)于土层温控器1内，调试温控线路为通路。然后，在实验模型箱4内按实验工况制备斜坡模型15，即先在布设好温控线路的斜坡底板14上制备斜坡模型15：使用重塑粘土制备下卧层并固结去掉多余厚度粘土，后将四氢呋喃与粘土按比例混合填充为水合物层，并将环境温控器7设定为适宜温度静置24小时以上，使四氢呋喃充分合成水合物形成水合物层，最后取固结好的粘土层上覆于水合物层，并按固结压力固结，切削形成斜坡模型15；在制备水合物层过程中，按照图3，在斜坡模型15内部埋设光纤光栅孔压传感器16、土应力传感器17，并分别通过光纤传输线10、传感器信号传输线12连接到光纤光栅解调仪2、图像采集器6。最后，在土层顶部及模型箱外部分别固定高速摄像机5，通过传感器信号传输线12连接到图像采集器6；将光纤光栅解调仪2与图像采集器6的输出信号通过数据传输线11链接到计算机8，实时监测收集设计工况的各类数据。至此完成实验***的组装工作。
本实施例中，所述模型底板14位于实验模型箱4内，其与实验模型箱4下表面呈10°，斜坡底板14的坡顶面与坡脚面均为垂直于实验模型箱4透明侧面的矩形，矩形长为30cm，其宽为10cm。
本实施例中，所述加热线20为回字形排布，其中在斜坡底板14中部倾斜段设置了2个小型回形排布区域，模拟水合物层斜坡段上部或下部区域加热分解；所述温度传感器18在垂直于模型箱4透明侧面的方向上设置2组，每组各沿斜坡底板14倾斜方向布设3个，可实时监测近坡顶段、中段、近坡脚段的加热温度；所述温控线19呈并联状态布设，将2组(共6个)温度数据传输到土层温控器1，以实现土层温度的精确闭环控制。
本实施例中，所述的斜坡模型15具体为：上覆粘土层、四氢呋喃水合物层及下卧粘土层。所述斜坡模型15置于已布设好温控线路的模型底板14上，其根据本实施例的实验工况确定的厚度、强度为：固结后上覆粘土层、四氢呋喃水合物层及下卧粘土层厚度分别为6cm、8cm、6cm，固结强度均达到3.9kPa。
本实施例中，所述光纤光栅孔压传感器16与土应力传感器17并排布置在斜坡模型15的四氢呋喃水合物层，在垂直于模型箱4透明侧面的方向上各设置3组，各组等间隔布设4个，总计12个光纤光栅孔压传感器16和12个土应力传感器17，光纤传输线10、传感器信号传输线12采用串联法，分别连接到光纤光栅孔压传感器16与土应力传感器17，用以实验过程中斜坡内部超孔隙压力和土压力。
第二步，海底水下环境的模拟
组装完成后，根据实验工况，向实验模型箱4中注入一定量海水至没过斜坡模型15坡顶20cm，以模拟海底水下环境。静置饱和24h后，即可调整环境温控器7使低温箱3内温度由室温下降至设定环境温度7℃，当温度传感器18传输到土层温控器1的温度的数据恒定，即认为水合物斜坡环境温度为设定温度，即达到水合物分解过程实验前的环境条件。
第三步，开展实验并采集数据
设计工况，即设定三种加热温度：(1)10℃、(2)15℃、(3)20℃；区别加热区域，设置三种加热方式：(1)加热“上回形区域”、(2)加热“下回形区域”、(3)整体加热，共形成9种工况，分次开展实验。通过土层温控器1控制斜坡底板14上的加热线20，监测来自温度传感器18、温控线19输入到土层温控器1内的土层实时变化的温度数据，当计算机8收集到的孔隙压力及土压力有增量，即认为水合物层开始分解，同时采集计算机8收集到的斜坡内部参数演化和外部变形特征等数据，待斜坡模型15达到破坏标准后关闭土层温控器1，待整个试验***恢复到原环境温度，关闭环境温控器7，停止实验。
通过本文展示的一种模拟水合物分解触发海底斜坡破坏的实验***及使用方法，可以实现海底水下环境的模拟、水合物的可控生成与分解、斜坡内部参数演化和外部变形特征的实时监测。利用所述实验***及使用方法，可针对生产方式、斜坡形状、土层性质等多因素设计工况并开展实验，以期探索水合物分解触发海底斜坡破坏的规律，有利于研究水合物开采导致斜坡失稳进而威胁工程建设的致灾机理，对我国海洋强国战略与双碳目标具有重大的意义。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种模拟水合物分解触发海底斜坡破坏的实验***，其特征在于，所述的实验***包括环境温度控制模块、斜坡破坏模拟模块、参数监测及采集模块；
所述的环境温度控制模块：包括环境温控器(7)、低温箱(3)、环境温度***控制线(13)；所述环境温控器(7)与低温箱(3)通过环境温度***控制线(13)连接，用以模拟海底低温环境以及提供适宜的水合物生成温度；所述的低温箱(3)上设有用于穿过土温***控制线(9)、传感器信号传输线(12)的通孔；
所述的斜坡破坏模拟模块：包括实验模型箱(4)、斜坡底板(14)、多层土斜坡(15)、土温控制器(1)、土温***控制线(9)、温度传感器(18)，其中土温***控制线(9)包括温控线(19)、加热线(20)；所述土温控制器(1)与加热丝(20)连接，加热丝(20)布设于斜坡底板(14)上表面；且土温控制器(1)通过温控线(19)与温度传感器(18)连接，将温控线(19)与温度传感器(18)同样布设在斜坡底板(14)的上表面；所述实验模型箱(4)放置于低温箱(3)内，为实现斜坡模型(15)内部参数的监测，将实验模型箱(4)一侧设置为透明；所述模型底板(14)位于实验模型箱(4)内，其与实验模型箱(4)下表面呈一定角度，根据具体实验工况调节角度；所述斜坡模型(15)置于已布设好温控线路的模型底板(14)上，其根据不同实验工况更改形状和厚度；
所述的参数监测及采集模块：包括高速摄像机(5)、图像采集器(6)、光纤光栅孔压传感器(16)、光纤传输线(10)、光纤光栅解调仪(2)、土应力传感器(17)、传感器信号传输线(12)、数据传输线(11)、计算机(8)；所述高速摄像机(5)安装在实验模型箱(4)透明侧及顶部，高速摄像机(5)通过传感器信号传输线(12)连接到图像采集器(6)，用以监测实验过程中斜坡模型(15)内部变形及外部三维形态的改变；所述光纤光栅孔压传感器(16)和土应力传感器(17)预先埋设于斜坡模型(15)的土层内部，并分别通过光纤传输线(10)、传感器信号传输线(12)连接到光纤光栅解调仪(2)、图像采集器(6)，上述两类传输线与传感器均采用串联法连接，用以实验过程中斜坡内部超孔隙压力和土压力；将光纤光栅解调仪(2)与图像采集器(6)的输出信号通过数据传输线(11)链接到计算机(8)，实时监测收集设计工况的各类数据。
2.根据权利要求1所述的一种模拟水合物分解触发海底斜坡破坏的实验***，其特征在于，所述的温度传感器(18)、温控线(19)、加热线(20)布置于斜坡底板(14)上表面，具体布置方式为：所述加热线(20)为回字形排布，其中在斜坡底板(14)中部倾斜段设置多个小型回形排布区域，可根据具体工况模拟水合物点状加热分解和区域加热分解；所述温度传感器(18)在垂直于模型箱(4)透明侧面的方向上设置多组，各组均沿斜坡底板(14)倾斜方向等间隔布设，可实时监测土层加热温度；所述温控线(19)起连接温度传感器(18)的作用，呈并联状态布设，将土层温度数据传输到土层温控器1，以实现土层温度的精确闭环控制。
3.根据权利要求1所述的一种模拟水合物分解触发海底斜坡破坏的实验***，其特征在于，所述光纤光栅孔压传感器(16)与土应力传感器(17)并排布置在斜坡模型(15)内水合物层，同样在垂直于模型箱(4)透明侧面的方向上设置多组，各组均沿水合物层分布方向等间隔布设，沿水合物层顶至水合物层底等距埋设若干。
4.根据权利要求1所述的一种模拟水合物分解触发海底斜坡破坏的实验***，其特征在于，所述的实验模型箱(4)由刚性材料制作，并且为减少边界效应影响，对实验模型箱(4)内表面做光滑处理。
5.一种权利要求1-4任一所述的模拟水合物分解触发海底斜坡破坏的实验***的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，组装模拟水合物分解触发海底斜坡破坏的实验***；
第二步，根据实验工况，向实验模型箱(4)中注入海水，以模拟海底水下环境；待海水没过斜坡模型(15)至实验设定位置之后，调整环境温控器(7)使低温箱(3)内温度由室温下降至实验设定环境温度，此过程中斜坡模型(15)内布设的温度传感器(18)感应水合物层各位置的实时温度，并通过温控线(19)传输到土层温控器器(1)，当土层温控器(1)显示的各项温度读数恒定，即认为水合物斜坡模型(15)的环境温度达到设定温度，即达到水合物分解过程实验前的环境条件；
第三步，按实验工况，通过土层温控器(1)控制斜坡底板(14)上的加热线(20)，加热水合物层，监测来自温度传感器(18)、温控线(19)输入到土层温控器(1)内的土层实时变化的温度数据；由于水合物的分解由赋存层沉积物温压条件控制，初始环境温度及土体压力作用下的温压条件使得水合物稳定存在，当含水合物土体压力保持不变、温度升高至临界温度以上时，水合物发生分解，产生超孔隙压力的同时引起土层参数变化，因此当土层温控器(1)内各位置读数达到实验工况预设温度，即认为水合物开始分解；随着水合物不断分解，斜坡模型(15)内水合物层超孔隙压力不断累积、土体强度有弱化趋势，由此可引发：光纤光栅孔压传感器(16)测得的孔隙压力增加、土应力传感器(17)测得的土压力降低等内部参数的演化，以及两个高速摄像机(5)测得的斜坡外部变形特征，记录计算机(8)通过数据传输线(11)收集得到斜坡型(15)内部参数演化和外部变形特征等数据；待斜坡模型(15)达到破坏标准后关闭土层温控器(1)，此时水合物层不再被加热，分解逐渐停止，待整个试验***恢复到原环境温度，关闭环境温控器(7)，停止实验；
通过上述过程，能够实现含水合物层斜坡的水合物可控分解及海底水下环境的模拟、并且可同时监测斜坡模型内部参数演化和外部变形特征。
6.根据权利要求5所述的一种模拟水合物分解触发海底斜坡破坏的实验***的使用方法，其特征在于，所述的斜坡模型(15)由三个土层组成，分别为：上覆层、水合物层及下卧层，分层制备斜坡模型(15)并固结土体达到设定强度。
7.根据权利要求6所述的一种模拟水合物分解触发海底斜坡破坏的实验***的使用方法，其特征在于，所述的水合物层使用四氢呋喃作为水合物制备，土体材料均为实验室用粘土。
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