埕岛海域自然地质环境对海上构筑物的响应分析研究_龚良平 (1).docx

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1、 谨以此论文献给曹立华教授 龚良平 埕岛海域自然地质环境对海上构筑物的响应分析研究 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 未 获 得 (注：如没有其他需要特别声明的，本栏可空） 或其他教育机构的学位或证书伸 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允

2、许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。（保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文版权使用授权书 埕岛海域自然地质环境对海上构筑物的响应分析研究 摘要 为了解埕岛海域自然地质环境对海上构筑物的响应关系，本文通过高分辨 率的侧扫声纳、浅地层剖面及单波束测深仪等声学仪器对该海区进行勘杳，并结 合大量的井场资料、现场和室内实验分析。近几十年来，海浪对海岸线冲蚀越来 越严重，对周围的海

3、洋工程设施造成重大的安全威胁。认识人工构筑物与自然地 质环境变化的关系，研究海岸线及周边海域在人工构筑物的动力响应，对研究油 田钻井平台、海底管线、电缆等人工构筑物对海岸冲刷淘蚀作用以及保护油田设 施具有重要的实际意义。 埕岛海区在区域自然地质环境作用下，水深呈现逐渐增大的趋势，整体上埕 岛海区的冲淤环境处于冲淤调整状态，长期的调整趋势使该海区的水 下岸坡坡度 逐渐减小。埕岛海区的海底冲淤变化规律是开始时由于黄河改道原因以快速冲刷 作用为主，然后逐渐进入缓慢冲刷阶段，最后形成以冲刷为主的冲淤调整期。影 响埕岛海区海底地形变化的地质作用主要表现形式有废弃三角洲的冲蚀作用和 海底不稳定性地质作用。

4、海底不稳定地质作用的主要方式表现为海底的塌陷凹 坑、沉积物碎屑流和局部的滑坡与崩塌。 随着胜利油田海上石油的开发，在埕岛海域兴建了大量人工构筑物，如石油 平台、海底石油管线、海底电缆等等，其中石油平台的桩柱部分对自然地质环境 的影响最为强烈。分析认为，石油平台的修 建会对影响其周围的海底地形，石油 平台的桩柱的存在，打破了原有的水动力条件环境，造成二次涡旋，在波浪和潮 流共同作用下，对海底的地形造成了冲刷，最大冲刷深度可达 2.2m， 同时在平 台周围存在大量不稳定性地貌，例如：侵蚀洼地、蚀余凸起等；海底管线的铺设 同样也会对海底的地形造成影响，通过对管线冲刷机理的分析、实测管线路由区 不同年

5、份水深值和管线路由区的多波束图像以及浅地层剖面图像的分析解译，认 为管线对埕岛海区地形变化影响较大，海底管线的铺设，不仅改变其周围原有的 地貌、土体力学等特征，还使水动力条件更加强烈 ，泥沙更趋于起动，造成对海 底地形的冲蚀，最大冲刷深度可达 .3m， 在管线附近主要存在塌陷凹坑等不稳 定性地貌。 埕岛海域上的各式各样的海上人工构筑物群，它们对海底的影响已不再是小 范围的局部冲刷海底，而是区域性的改变埕岛海域自然地质环境，自然地质环境 同时又影响着人工构筑物的稳定性，它们之间存在着相互相成的关系。埕岛海域 大量的人工构筑物群加剧了该海域海底底床的冲刷，使其周围水深逐渐变大，水 深等值线明显凸向

6、靠岸一侧，同时，被冲蚀的海底物质在波浪潮流循环荷载的作 用 下，向人工建筑物附近海域就地填充淤积，形成浅滩，致使该处水深等值线明 显凸向海一侧，填充淤积的浅滩又对于保护该区海底管道电缆等路由工程设施的 安全具有十分重要的现实意义。 本论文定性分析自然地质环境对人工构筑物的反馈作用，不足之处是缺乏定 量的深入研究人工构筑物对自然地质环境的数值计算，到目前尚无法建立定量的 海域水深等值线变化动力模式。 关键词：埕岛海域，自然地质环境，人工构筑物，反馈作用 Response of natural geological environment to man-made structures into C

7、hengdao sea area Abstract In order to understand the response of natural geological environment to marine structure into Chengdao sea area, this paper is combining the survey data of side-scan sonar, sub-bottom profiler, the single-beam sounder and etc, same with a large number data of well site and

8、 experimentation. In recent decades, coastline was been eroded by waves more and more, and it is a big security threat to marine engineering facilities, understanding of the relationship between artificials and natural the geologierocal, studying the response of coastline or near sea to artificial s

9、tructures, are important practical significance for studying the effect of oil drilling platforms, subsea pipelines, cables and other artificial structures to coastal erosion, as well as corrosion protection of oil facilities. Under the natural geological environment in Chengdao area, the water dept

10、h will be increased gradually, the evolution law is from the status of rapid erosion, to washed into the slow phase, final dynamic equilibrium. The main geological changes form of the impact of sea bottom topography in Chengdao, have the abandoned delta of the erosion and geological instability of t

11、he seabed, geological The instability of Seabed has embodied in the ways of collapse pits for the seabed, sediment and debris flow landslides and collapsed partially. With the development of Shengli Oil, it have constructed a large number of artificial structures, such as oil platforms, undersea oil

12、 pipelines, submarine cables and others, including oil platforms which of some of the piles have very strong impact of natural geological to environmental. The result of analysis show that the construction of oil platforms will affect the surrounding seabed topography, breaking the original hydrodyn

13、amic conditions of the environment, causing the second vortex in the waves and the deepest of scour is up to 2.2m, which is under the combined effect of the trend on the seabed. At the same time, there are a large number of unstable landforms around platforms, such as: low-lying land erosion, convex

14、. The pipelines will also impact on the seabed topography. Through the analysis of the mechanism of pipeline erosion, and the depth data measured in different years and the multi-beam images, sub-bottom profiler images, it show that the pipeline have important effect on its terrain, and pipelines ar

15、e not only change its original surrounding topography and soil characteristics, but also make more intense of the hydrodynamic conditions, finally resulting the erosion of the seabed topography and the largest erosion may up to 0.3m, and there are unstable landforms such collapse pit near pipeline.

16、The influence of manmade buildings to seabed is no longer a small-local but is regional. On the other way, natural geological environment is also affecting the engineering facilities. There is a mutual relationship between each other. The lots of artificial structures increasing the effect to the se

17、abed, so that the contour map of the depth of water is clearly convex the side of the land. Another, the seabed material which had eroded, is filling sediment around the structures and forming a shallow by the circular action of tide wave. So it clear that the contour map of the depth of water near

18、here is clearly convex side of the sea, which have a great practical significance to the protection of cables and other submarine pipeline routing facilities. In this paper, there is only a qualitative analysis of the feedback effect which the geological environment to the artificial structure, ther

19、e is lack of quantitative in-depth study of the numerical calculation that the influence which artificial structures on the natural geological environment, and have not a model that quantitative calculate changes the contour map of the depth of water in Chengdao waters. Keywords： Chengdao waters; na

20、tural geological environment; man-made structures; feedback effect 目 录 齡 . 1 0. . 1研究意义 . 1 0.2 过去的研究与成果 . 1 0.3 研究内容 . 3 1 埕岛海域概况 . 5 1.1 地理位置 . 5 1.2 气象 . 6 1.2.1 气候特征 . 6 1.2.2 气温 . 6 1.2.3 风 . 6 1.3 H . 7 1.3.1 潮汐 . 7 1.3.2 波浪 . 9 1.3.3 风暴潮 . 11 1.3.4 海流 . 12 1.4 地质构造 . 13 1.4.1 概述 . 13 1.4.2 区域

21、地层地史 . 13 2 研究方法 . 15 2.1 资料采集 . 15 2.1.1 调杳设备 . 15 2.1.2 工作方法 . 16 2.2 资料的处理与分析 . 17 3 埕岛海域自然地质环境演化 . 19 3.1 埕岛海区海底地形的历史演化 . 19 3.1.1 快速冲刷阶段 (1976 1980 年 ) . 20 3.1.2 缓慢冲刷阶段 (1981 1992 年 ) . 21 3.1.3以冲为主的冲淤调整阶段 (1992 1996) . 22 3.2埕岛海区海底地形变化的自然地质作用分析 . 23 3.2.1废弃三角洲的冲蚀 . 23 3.2.2海底不稳定地质因素的影响 . 24 4

22、埕岛海区海底地质环境对人工构筑物的反馈作用 . 29 4.1海底地质环境对石油平台的响应 . 29 4.1.1卩向应的结果 . 29 4.1.2地质作用过程 . 30 4.2海底地质环境对海底管线的响应 . 37 4.2.1响应的结果 . 37 4.2.2地质作用过程 . 38 4.3区域海底地质环境对人工构筑物的影响 . 41 4.3.1区域海底地质环境对群体人工构筑物的影响 . 41 4.3.2区域响应所导致的海岸侵蚀 . 43 5结论与讨论 . 47 刖吕 0.1 研究意义 埕岛油田在黄河三角洲前缘、渤海湾南岸的浅海海域，其海况特征、浅层地 质条件以及海底松软沉积物变形情况都十分复杂，极

23、易发育多种灾害地质现象， 对工程设施的安全稳定构成威胁，实事上埕岛油田就曾发生多起电缆中断事故。 随着埕岛油田深层次开发，工程设施不断增多，灾害地质现象时有发生的海洋工 程环境对油田产生的影响越来越大。 埕岛油田是胜利油田重要产油区之一，该区位于黄河三角洲废弃河口地区。 自1993 正式投入开发以来，已在该海区内建成各类平台 70 余座，通过海底电缆、 管道相互连接，形成了海底输油、输气、注水、输电、油气混合输上岸的开发系 统（孙永福，宋玉鹏，边淑华， 2007)。近几 十年来，由于黄河的改道，埕岛海 域缺乏泥沙来源，原有的冲淤平衡状态打破，海浪对海岸线冲蚀越来越严重，对 周围的海洋工程设施造

24、成重大的安全威胁。因此，为加速海上油气资源的开发， 保障安全生产，对海上工程设施的安全性分析显得非常迫切。埕岛油田位于黄河 1964 至 1976 年间黄河入海时形成的水下三角洲上，由于水下三角洲形成时沉积速 率较快，因此该区沉积物具有固结程度低、高含水量、高孔隙比、低强度、高压 缩性、易滑动、易触变和易液化等特有的特征。在波浪、海流以及众多海洋构筑 物的施工等外在因素影响下，水下岸坡及石油 平台等工程设施的安全性问题越来 越突出，因此，认识人工构筑物与自然地质环境变化的关系，研究海岸线及周边 海域在人工构筑物的动力响应，对研究油田钻井平台、海底管线、电缆等人工构 筑物对海岸冲刷淘蚀作用以及保

25、护油田设施具有重要的实际意义。 0.2 过去的研究与成果 现代黄河三角洲于 1855 年开始形成，海底沉积物固结时间较短。近几十年 来，河口地区的径流量急剧下降，泥沙急剧减少，在波浪、风暴潮等外荷载作用 下，海底侵蚀严重，以粉土为主的海底土体易于液化，多种灾害地质现象同时伴 生，已经引起了人们的广泛关注。自从 20 世纪 80 年代以来进行了多次中外联合 考察和油田单位的海上调杳，对海底的不稳定性进行了分区，对底坡不稳定的成 1 因机制进行了探讨。 D.B.Pnor 和杨作升 (1986)等运用高分辨率地层剖面仪和中等 穿透布麦尔剖面仪对黄河三角洲进行了较为全面的调查，在水下三角洲的组成， 海

26、底地貌特征以及沉积物的几何形态等方面形成了比较系统的认识，对其成因特 点进行论述同时认定沉积后斜坡的不稳定性和海底块体运动强烈地改变着进积 的现代黄河三角洲水下斜 坡。 李陆平、孔样德 (1996)等基于 1976 年、 1993 年埕岛海域油田测深资料，采 用浅水海浪数值计算模式，研究了风暴潮对该海域海底和岸滩侵蚀的影响，分析 了海底冲刷机理，提出采用数值模式预测冲刷的方法；阎通、李萍等 (1999)根据 埕北海域水下三角洲的工程地质特征和水动力条件，分析海底管道在两种铺设方 式下的冲刷稳定性；李广雪、庄克琳 (2000)等通过分析多年来黄河三角洲的调查 资料认为：黄河三角洲的不稳定性比较突

27、出，对海洋工程设施危害极大，主要表 现在工程软弱层、水下斜坡、海底冲刷和年内的动力调整以及 三角洲下沉等；鹿 洪友、李广雪 (2003)通过对 19761995 年埕岛海域的水深资料以及近年来实测 的水深数据的分析，认为黄河三角洲埕岛地区在 1976 年黄河改道清水沟后，从 三角洲推进淤积期进入了海岸冲刷改造期，按冲刷速率、剖面坡度及其与季节变 化的关系可分为快速冲刷阶段、缓慢冲刷阶段、以冲刷为主的冲淤调整阶段，海 岸边带的后期冲刷改造受季节性影响也比较明显，在深度上基本以 15m 等深线 为界，深水区淤积、浅水区冲刷；贾永刚等利用工程物探、地质钻探等工程地质 调杳方法，对黄河口海底不稳定性进

28、行了调杳研究，得 到了与黄河口海底不稳定 性有关的水下底坡的形貌特征、沉积物类型、空间分布及基本物理性质，认为水 下底坡失稳破坏主要型式为塌陷洼地和粉砂流冲沟。 D.SJeng(2001)通过分析防波堤附近浪控海海底的稳定性机制，认为现代海 洋岩土与海岸工程的所有研究成果，都是基于线性弹性理论，这些还不足以能预 测海岸灾害，在将来应该有更为严谨的理论如非线性弹性和塑性 。 Dag Myrhaug (2003)通过对比管道与垂直粧柱冲刷深度的不同公式，提出在随机波条件下的 冲刷深度以及冲刷宽度的公式。 J.M.Metz (2008)通过分析和解释在哈德森海峡 口门哈顿盆地的侧扫声纳调杳所获得的海

29、底沉积物粒径大小差异、丰度差异，以 及冰山冲刷标志方向，得出在大小冰山冲蚀海底海盆的同时，巨型冰山仅仅冲刷 哈顿盆地深水区，小型冰山只冲刷盆地东部，盆地边缘的浅水处在大陆坡折带。 2 Y. S. Lin 和 D.SJeng (1997)通过有限元素模型研究浪控海底在高孔隙率海底的 响应，模型的建立结合了半分析技术和 Galerkm 方法，数值模拟的结果掲示了不 同渗透率显著影响浪控海底稳定性，尤其在沙质海底。 D.S. Jeng(1997； )通过对防 波堤堤前浪控海底的稳定性研究，认为基于浪控海底稳定性（包括剪切力破坏、 土体液化）的研究成果中，最大海底液化深度是最大剪切力破坏深度的两倍或三

30、 倍。尽管如此，液化仅仅发生在波谷附近，并不像剪切力破坏发生于海底表层薄 层，浪、泥沙特性在浪控液化可能性和剪切破坏的影响已经在变量研究中证实过。 J.G.Wang (2004)通过无网格随机点插值方法分析研究了浪控海底的响应。 运用模型试验的方法对现代黄河三角洲的沉积格局也进行了很多研究，多通 过探讨外部荷载（主要是波浪和地震 ） 作用下土体的应力一应变和孔压的变化规 律来进行。冯秀丽等根据近几年的实际勘探资料，对现代黄河水下三角洲埕北海 域的复构三角洲从平面和垂向上做了综合性的工程地质评价，确定了底质类型以 娄土为主局部分布粉质粘土的平面格局和全新世以来沉积四层标准化地层的空 间架构。杨作

31、升、陈卫民(1990)等对老黄河口水下底坡不稳定性进行了分区研究 ; 张琦、杨作升 (1987)等对波浪诱发的黄河口水下底坡不稳定性进行了预测及验 证；沈渭锉 (1989)等通过对钻孔分析，确定了有关土层的性质及承载力分布，杨 少丽 (1995)考虑孔隙水 压力消散计算了波浪作用下孔压随深度的分布；周永青结 合水动力资料进行了粗线分析，认为海岸侵蚀的直接的主导因素是波浪和潮流。 波浪和潮流的运动特征既影响地形地貌变化又受地形地貌控制，其中波浪的运动 受地形及水深控制最明显。波浪运动是表层水质点的圆周运动，仅影响一定水深， 当波浪由深水向浅水运动至一定水深时，触及海底，与海底相互摩擦，同时水质

32、点运动轨迹变形，甚至变成往复运动，从而使海底沉积物再悬浮搬运，形成了浅 水海底的冲蚀作用。在潮间带波浪破碎形成不同类型的破浪，并产生沿岸流，侵 蚀滩面，搬运泥沙，冲击高潮 线形成陡坎及侵蚀产物一泥球，构成了典型的细粒 沉积物海岸的侵蚀地貌。 0.3 研究内容 由于过去大量的研究主要集中在埕岛海域构筑物的稳定性或复杂的海洋工 程环境下水下底坡的稳定性，而对于埕岛海域的自然地质环境与海上人工构筑的 相互关系研究却鲜有论述。本文采用高分辨率的声学探测仪器对埕岛海域进行了 3 详细的勘查，并结合现场、室内样品分析，通过对相关资料如多波束、声纳、浅 地层剖面探测记录的解译分析，本文给出了相应的措施建议。

33、本篇论文探讨了埕 岛海域人工构筑与自然地质环境 之间的关系，丰富了埕岛海域灾害地质及不稳定 性研究的内容，为海上工程设施提供了良好的理论指导性建议，对保障海上安全 生产、保证海洋设施的完整及国家财产免受损失也有着重要的现实意义。 4 1 埕岛海域概况 1.1 地理位置 埕岛海域位于山东省东营市河口区渤海湾南部浅海水域，水深范围为 2-18m (图1 一 1),该海域具有海岸线曲折复杂、地形平缓、潮间带宽广的特点。 1964 1976 年期间，黄河曾由刁口流路在埕岛地区注入渤海，河口曾发生三次变动， 形成了快速向海延伸的 3 个亚三角洲叶瓣，由于形成三角洲的速率较快，因此该 三角洲的堆积体含水率

34、极高、地层结构十分复杂。 1976 年黄河行水流路自刁口 流路改道清水沟以来，本区黄河泥沙来源断绝，加上埕岛地区处于黄河三角洲东 北角，是波浪、潮流等海洋水动力最强的海域，易于发生大量的岸坡沉积物块体 运动，使该海区地质灾害十分地频繁。 图 1-1 埕岛海区地理位置图 5 1.2 气象 黄河三角洲和渤海均属温带气候，四季分明。其气候影响系统主要为温带系 统 （ 如寒潮、冷空气、气旋等），其次为热带系统 （ 如夏季的台风）。该海区冬季 多偏北向风，夏季多偏南向风。 1.2.1 气候特征 黄河三角洲附近海域冬季主要受寒潮、冷空气影响，其影响前期一般由气旋 或低压倒槽引导，影响时海洋天气现象表现为降

35、雪、大风、大浪、降温、海面结 冰；春、秋季节主要为气旋引导冷空气影响，其海洋天气现象主要为降水、大风、 大浪和风暴潮；夏季主要为气旋或热带气旋（热带风暴、强热带风暴、台风的统 称）影响，海洋天气现象主要为雷暴、降水、大风、大浪，尤其是热带气旋影响 时的大风、大浪和风暴潮，对堤坝、房屋有极强的破坏性。 直接进入渤海的热带气旋平均约 4.5 年一次，热带气旋系统对渤海海域的影 响主要发生在 7 9 月间，外围影响本海域且影响较重的热带气旋平均约 3.5 年一 次，两者平均约 2.5 年 一次 1.2.2 气温 黄河三角洲海域年平均气温 11.7C， 夏季最高曾达 39.6C， 冬季最低曾达 -18

36、.8C。 月平均和月最低平均都出现在 1 月份 （ 分别为 -3.5C 和 -6.3C)， 最高分 别出现在 8 和 7 月份 （ 分别为 25.9C 和 28.8C)(见表 1-1)。 表 1-1 埕岛海域气温统计一览表 （ C) 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 年 平均 -3.5 -2.2 3.2 11.8 18.9 22.1 24.9 25.9 20.8 14.3 5.3 -11.7 11.65 最同 平均 2.4 2.3 8.4 18.0 23.3 27.2 28.8 28.7 24.9 19.5 10.5 3.3 16.44 最低 平均 -6.3 -4.1

37、 0.1 7.8 13.7 19.2 22.5 22.5 17.6 10.8 2.0 -4.8 8.42 极尚 9.5 14.1 19.6 31.2 36.3 39.6 36.6 35.3 34.5 30.3 21.8 18.6 39.6 极低 -16.6 -12.7 -8.0 -2.0 5.0 11.5 17.3 16.4 10.1 2.6 -8.2 -18.0 -18.0 1.2.3 风 本海域处于中纬度季风气候区，大气环流受 W 风带和贝加尔湖低压系统影 响，冬季盛行偏 N风，夏季盛行偏 S风。本海区年平均以 S风出现频率最高， 频率为 10.81%，ENE 风次之，频率为 7.32%，

38、 N 风出现频率最低为 3.94% (表 1 6 一 2)。 年平均风速为 5.3m/s。 月平均风速以 11月份最大为 6.1m/s， 其中 NNE 风平 均风速最大为 9.24m/s， NNW 风次之，为 8.89m/s， 7 月平均风速最小，为 4.4m/s， 本月常风向 S 风的平均风速为 4.9m/s， 次之为 E 风，平均风速为 4.78m/s。 从全 年来看该海区年平均风速最大风向为 NE和 ENE向风，其风速值为 6.45m/s和 6.39m/s，SW 向风速最小，为 3.64m/s (表 1 3)。 本海区各月都有 6 级以上的大风出现， 4 月、 11 月份大风口数最多，分

39、别为 14.2天和 14.5 天。 7 月、 9 月大于 6 级的大风 数较少，分别为 8.6 天和 9.3 天， 其他各月均在 10 天以上。大于 6 级的大风口数年均为 137.5 天， 8 级以上大风口 数年均为15.7 天，出现频率为 0.36%。强风向为 NW、 NNW、 NNE、 NE、 及 ENE 五个方位，以秋、冬季多见，其中 10 月、 11 月至翌年 1 月、 2 月份大于 8 级以上大风口数年均分别为 2.3、 2.0、 2.1 和 1.8 天，春季的 4 月份大风口数也较 多，平均为 1.6 天。夏季 6、 7 月份大风口数最少，平均为 0.7 天。 表 1 一 2 各

40、月及全年风向频率分布（ ) N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW C 1 4.13 3.59 5.91 5.17 3.99 3.45 4.06 5.29 6.72 6.95 5.65 9.48 9.25 8.10 9.88 7.72 0.67 2 4.82 8.07 9.38 7.51 4.40 4.58 4.14 6.32 7.25 5.07 5.22 5.14 5.85 4.21 7.74 8.87 1.43 3 3.97 5.14 6.27 8.50 5.65 6.66 5.49 7.27 10.65 7.20 5.23

41、5.50 4.82 3.90 5.95 4.98 2.83 4 3.20 4.84 4.90 8.25 5.56 5.03 5.19 11.32 15.05 7.77 6.46 4.43 2.78 3.84 6.65 4.65 0.11 5 3.15 5.16 6.31 8.40 8.41 7.89 7.17 7.79 11.01 8.39 5.97 6.16 3.25 2.60 4.56 3.52 0.24 6 1.92 3.18 3.46 8.53 11.79 11.11 12.69 12.74 15.14 4.39 2.38 2.71 2.52 2.57 2.26 2.23 0.39 7 2.38 3.53 4.37 7.93 12.13 10.58 10.41 10.34 14.74 6.35 4.44 2.86 2.30 2.28 2.41 1.84 1.10 8 3.63 8.93 9.31 8.45 9.46 10.38 7.76 5.90