高速遠(yuǎn)程滑坡超前沖擊氣浪動(dòng)力學(xué)及防控機(jī)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(gè)高速遠(yuǎn)程滑坡為研究對(duì)象，通過(guò)精數(shù)值模擬方法，研究了高速遠(yuǎn)程滑坡所產(chǎn)生的超前沖擊氣浪的動(dòng)力學(xué)機(jī)理。
　　通過(guò)野外現(xiàn)場(chǎng)的詳細(xì)調(diào)查，闡明和分析了高速遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動(dòng)全過(guò)程的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，并重點(diǎn)對(duì)高速遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的超前沖擊氣浪的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象和特征進(jìn)行了描述和分析。
　　通過(guò)FLUENT流體力學(xué)軟件中的用戶自定義端口，導(dǎo)入了基于C語(yǔ)言編寫(xiě)的適

2、合高速遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動(dòng)的摩擦準(zhǔn)則;采用FLUENT流體力學(xué)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(shí)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(yùn)動(dòng)路徑上樁林防護(hù)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(xué)試驗(yàn)所得到的滑坡碎屑流物質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)，反演了三個(gè)滑坡碎屑流運(yùn)動(dòng)全過(guò)程的情景，對(duì)三個(gè)高速遠(yuǎn)程滑坡及其所產(chǎn)生的超前氣浪的幾何學(xué)、運(yùn)

3、動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的特征和行為，進(jìn)行了詳細(xì)的分析和深入研究。
　　主要得到以下結(jié)論:
　　(1)牛圈溝高速遠(yuǎn)程滑坡的運(yùn)動(dòng)從啟動(dòng)到停止歷時(shí)119s，每一時(shí)刻其運(yùn)動(dòng)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(shí)處于碎屑流前緣），其最大速度有三個(gè)峰值，分別是14s時(shí)的52m/s、27s時(shí)的55m/s和50s時(shí)的49m/s;超前沖擊氣浪速度的最大值出現(xiàn)在50s時(shí)，其值為38m/s;壓強(qiáng)的最大值出現(xiàn)在碎屑流前緣由支溝沖進(jìn)牛圈溝主溝

4、瞬間，達(dá)657Pa，相當(dāng)于11級(jí)暴風(fēng);滑體與空氣的接觸面積越大，滑體速度越快，對(duì)其前方空氣的擠壓作用尤為明顯;滑體運(yùn)動(dòng)前方地形的變化也會(huì)影響氣浪壓強(qiáng)的分布。在碎屑流的高速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，當(dāng)其前方一定范圍內(nèi)出現(xiàn)較為高大的障壁時(shí)，碎屑流前方來(lái)不及擴(kuò)散的高壓氣流將產(chǎn)生極為明顯的壓強(qiáng)梯度變化，造成極大的破壞作用。當(dāng)碎屑流前方遇陡坎或因彎道超高翻越山脊沖向下游時(shí)，其速度瞬間增大的同時(shí)，部分碎屑流因?yàn)樘幱谑е貭顟B(tài)會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生較為明顯的負(fù)壓，同時(shí)其前

5、緣位置也會(huì)因?yàn)槠淝熬壱远噶⒔嵌鹊膹?qiáng)烈壓縮作用導(dǎo)致其前方壓強(qiáng)值出現(xiàn)局部陡增。
　　(2)王家?guī)r高速滑坡從啟動(dòng)到停止總共歷時(shí)12s，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其最大速度在10s時(shí)達(dá)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(qiáng)的峰值出現(xiàn)在其速度最大的時(shí)刻，即10s時(shí)，在其前方10m處產(chǎn)生了高達(dá)600Pa的正壓，相當(dāng)于11級(jí)暴風(fēng);王家?guī)r滑坡體產(chǎn)生的超前沖擊氣浪在滑坡運(yùn)動(dòng)到8.5s時(shí)，已經(jīng)讓其運(yùn)

6、動(dòng)路徑前方110m處的砌體結(jié)構(gòu)建筑物迎風(fēng)面下部表面產(chǎn)生了最大391Pa的正壓，相當(dāng)于10級(jí)狂風(fēng)。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(dǎo)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(shí)發(fā)生中斷從而造成結(jié)構(gòu)物在上部荷載作用下開(kāi)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(qiáng)震過(guò)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(cè)現(xiàn)實(shí)中很有可能在8.5s之前，其

7、運(yùn)動(dòng)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(méi)有樁林防護(hù)）情況下從啟動(dòng)到停止總共歷時(shí)80s;其最大速度出現(xiàn)在40s時(shí)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(qiáng)的峰值出現(xiàn)在其速度最大的時(shí)刻，即40s時(shí)，在其前方0-10m處產(chǎn)生了高達(dá)385 Pa的正壓，相當(dāng)于10級(jí)狂風(fēng)，可拔起樹(shù)木，損壞建筑物。分析對(duì)比謝家店子高速遠(yuǎn)

8、程滑坡在有樁林與無(wú)樁林防護(hù)情況下的模擬結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn):①在有樁林防護(hù)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(shè)置樁林的位置，只有部分碎屑流體在堆積區(qū)停積，與無(wú)樁林防護(hù)情況對(duì)比，碎屑流堆積區(qū)的面積減小了2/3;②在有樁林防護(hù)情況下，碎屑流體中最大速度的位置由前部向中前部移動(dòng)，受到樁林淤積處碎屑流的阻擋，越過(guò)樁林的碎屑流體速度有明顯的減小，碎屑流的動(dòng)能也隨之減小;③有樁林防護(hù)的碎屑流，其前緣超前沖擊氣浪的速度相比無(wú)