高速遠程滑坡超前沖擊氣浪動力學及防控機理研究.pdf

1、本論文以2008年5月12日汶川大地震觸發(fā)的牛圈溝、王家?guī)r和謝家店子等三個高速遠程滑坡為研究對象，通過精數(shù)值模擬方法，研究了高速遠程滑坡所產(chǎn)生的超前沖擊氣浪的動力學機理。
　　通過野外現(xiàn)場的詳細調(diào)查，闡明和分析了高速遠程滑坡運動全過程的幾何學、運動學和動力學特征，并重點對高速遠程滑坡運動過程中所產(chǎn)生的超前沖擊氣浪的動力學現(xiàn)象和特征進行了描述和分析。
　　通過FLUENT流體力學軟件中的用戶自定義端口，導入了基于C語言編寫的適

2、合高速遠程滑坡運動的摩擦準則;采用FLUENT流體力學軟件中氣-液兩相流模型以及前處理軟件，分別建立了基于真實地形地貌(DEM)特征的牛圈溝滑坡二維與三維數(shù)值模型，王家?guī)r滑坡及其與前方剛性建筑物相互作用的三維數(shù)值模型，以及謝家店子滑坡及其與運動路徑上樁林防護結(jié)構(gòu)相互作用的三維數(shù)值模型;根據(jù)野外調(diào)查和室內(nèi)土力學試驗所得到的滑坡碎屑流物質(zhì)的物理力學參數(shù)，反演了三個滑坡碎屑流運動全過程的情景，對三個高速遠程滑坡及其所產(chǎn)生的超前氣浪的幾何學、運

3、動學、動力學的特征和行為，進行了詳細的分析和深入研究。
　　主要得到以下結(jié)論:
　　(1)牛圈溝高速遠程滑坡的運動從啟動到停止歷時119s，每一時刻其運動最大速度的空間位置出現(xiàn)在滑體內(nèi)部靠近前緣的地方（50s時處于碎屑流前緣），其最大速度有三個峰值，分別是14s時的52m/s、27s時的55m/s和50s時的49m/s;超前沖擊氣浪速度的最大值出現(xiàn)在50s時，其值為38m/s;壓強的最大值出現(xiàn)在碎屑流前緣由支溝沖進牛圈溝主溝

4、瞬間，達657Pa，相當于11級暴風;滑體與空氣的接觸面積越大，滑體速度越快，對其前方空氣的擠壓作用尤為明顯;滑體運動前方地形的變化也會影響氣浪壓強的分布。在碎屑流的高速運動的過程中，當其前方一定范圍內(nèi)出現(xiàn)較為高大的障壁時，碎屑流前方來不及擴散的高壓氣流將產(chǎn)生極為明顯的壓強梯度變化，造成極大的破壞作用。當碎屑流前方遇陡坎或因彎道超高翻越山脊沖向下游時，其速度瞬間增大的同時，部分碎屑流因為處于失重狀態(tài)會在其內(nèi)部產(chǎn)生較為明顯的負壓，同時其前

5、緣位置也會因為其前緣以陡立角度的強烈壓縮作用導致其前方壓強值出現(xiàn)局部陡增。
　　(2)王家?guī)r高速滑坡從啟動到停止總共歷時12s，運動過程中，其最大速度在10s時達到36 m/s;滑坡產(chǎn)生的超前沖擊氣浪速度的最大值也出現(xiàn)在10s，其最大速度為28 m/s;超前氣浪壓強的峰值出現(xiàn)在其速度最大的時刻，即10s時，在其前方10m處產(chǎn)生了高達600Pa的正壓，相當于11級暴風;王家?guī)r滑坡體產(chǎn)生的超前沖擊氣浪在滑坡運動到8.5s時，已經(jīng)讓其運

6、動路徑前方110m處的砌體結(jié)構(gòu)建筑物迎風面下部表面產(chǎn)生了最大391Pa的正壓，相當于10級狂風。持續(xù)增大的超前沖擊氣浪荷載，讓砌體結(jié)構(gòu)下部產(chǎn)生的局部小裂縫逐漸貫通并向上延伸，導致了砌體結(jié)構(gòu)建筑物在下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的結(jié)構(gòu)破壞，上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載在傳遞至底層時發(fā)生中斷從而造成結(jié)構(gòu)物在上部荷載作用下開始坍塌?？紤]到王家?guī)r滑坡前方受到氣浪破壞的建筑物，在此前的強震過程中已經(jīng)或多或少的產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)性的破壞，因此推測現(xiàn)實中很有可能在8.5s之前，其

7、運動路徑前方的建筑物就已經(jīng)發(fā)生倒塌破壞。
　　(3)謝家店子高速滑坡在天然（沒有樁林防護）情況下從啟動到停止總共歷時80s;其最大速度出現(xiàn)在40s時的18.3m/s;超前沖擊氣浪速度的最大值出現(xiàn)在40s左右，位于滑體前緣25m范圍之內(nèi)，其最大速度為11.0 m/s;超前氣浪壓強的峰值出現(xiàn)在其速度最大的時刻，即40s時，在其前方0-10m處產(chǎn)生了高達385 Pa的正壓，相當于10級狂風，可拔起樹木，損壞建筑物。分析對比謝家店子高速遠

8、程滑坡在有樁林與無樁林防護情況下的模擬結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn):①在有樁林防護情況下，碎屑流體在堆積區(qū)的范圍顯著減小，碎屑流主要堆積在流通區(qū)下部設置樁林的位置，只有部分碎屑流體在堆積區(qū)停積，與無樁林防護情況對比，碎屑流堆積區(qū)的面積減小了2/3;②在有樁林防護情況下，碎屑流體中最大速度的位置由前部向中前部移動，受到樁林淤積處碎屑流的阻擋，越過樁林的碎屑流體速度有明顯的減小，碎屑流的動能也隨之減小;③有樁林防護的碎屑流，其前緣超前沖擊氣浪的速度相比無