（地质工程专业论文）高速远程滑坡超前冲击气浪机理研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 自1 9 6 3 年1 0 月9 日意大利瓦依昂滑坡发生后，高速滑坡逐渐引起国内 外地质界的关注，特别是伴随高速滑坡形成的超前冲击气浪的出现，使人们 认识到高速滑坡在其形成条件、运动形式、流动速度及形成机理等方面与一 般滑坡存在着本质的区别。 云南省新平县水塘镇南达村大水井滑坡发生于2 0 0 2 年8 月1 4 日上午9 时，造成大水井小组7 人死亡和8 人失踪，毁坏房屋1 0 0 余间。经现场调查 可知：大水井滑坡在结构上可分为滑源区、飞行区、滑坡冲击区及气浪区、 碎屑流堆积区。在滑坡体两侧边界外的房屋和植物有不同程度的破损，说明 每一个运动阶段都有不同程度的超前冲击气浪产生，对周围建筑破坏力较大。 本文以大水井高速滑坡为研究对象，在野外现场地质调查和收集、分析 地质资料的基础上，详细阐述了大水井滑坡形成的工程地质条件、结构特征 和动力学特征，并运用空气动力学理论、结合野外勘察资料及高速滑坡超前 冲击气浪产生流场的特征，采用计算流体力学c f d 软件f l u e n t 求解器建立 二维粘性、不可压缩、定常流模型，实现高速滑坡超前冲击气浪形成机理的 数值仿真。从而，进一步得出超前冲击气浪潜在威胁范围。 本文通过数值模拟分析得到，大水井滑坡以5 0 4 m s 的速度下滑中产生的 超前冲击气浪压力与滑体的形态有一定的关系。前、尾部壁面倾角越大，滑 坡外流场冲击气压越大。直立壁面滑坡体在前方5 0 0 m 以内的产生的冲击气浪 压力相当于l1 - 1 2 级风力的破坏能力；翼型滑坡体产生的气浪压力最小，前 方1 0 0 m 以外对建筑物的破坏能力已较小，相当于6 级风力。 本文的研究有利于推动地质灾害监测预警技术水平的提高，为重大地质 灾害的防灾减灾提供科学依据。 关键词高速滑坡；冲击气浪；工程地质：数值模拟 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t s i n c eo c t o b e r9 ，19 6 3i ni t a l y , v a j o n tl a n d s l i d eo c c u r r e d ，g e o l o g i c a ls c h o l a r s s t a r t e dt op a ya t t e n t i o nt oh i g h s p e e dl a n d s l i d e ，p a r t i c u l a r l yt h ea i r b l a s t c a u s e db y i t p e o p l er e c o g n i z e dt h a t t h e r ew e r ee s s e n t i a ld i f f e r e n c e sb e t w e e nh i g h s p e e d l a n d s l i d ea n dg e n e r a lo n e s ，i ni t sf o r m i n gc o n d i t i o n s ，t h ef o r mo fm o v e m e n t ，s p e e d a n dm e c h a n i s me t c d a s h u i j i n gl a n d s l i d eh a p p e n e d a t9 ：0 0 ，o n1 4 t ho f a u g u s t ，2 0 0 2 ，w a sl o c a t e d i nx i n p i n gc o u n t r y , y u n n a np r o v i n c e t h el a n d s l i d ed e s t r o y e dt h ev i l l a g eo f d a s h u i ji n g ，w i t h7d i e d , 8l o s ta n dm o r et h a n 10 0h o u s e sd e s t r o y e d b a s e do n l o c a l eg e o l o g i c a ls u r v e yw ek n o wt h a tt h eh i 啦一s p e e dl a n d s l i d ei nt h es t r u c t u r ec a n b ed i v i d e di n t ot h es o u r c er e g i o n ，t h ef l i g h tz o n e ，l a n d s l i d ea n da i r b l a s tr e g i o na n d t h ea c c u m u l a t i o no fd e b r i s f l o wa r e a s t h ed e s t r o y e dh o u s e sa n dp l a n t sw h i c h b e y o n dt h eb o t hs i d e so ft h eh i g h - s p e e dl a n d s l i d es h o w e dt h a td u r i n ge a c hp h a s e o f h i g h s p e e dl a n d s l i d e sm o v e m e n t ，ag r e a td e a lo f a i r b l a s tw a sc r e a t e d , w h i c hi s p o w e r f u l i nt h i sp a p e r , d a s h u i j i n gl a n d s l i d ew a ss t u d i e d , b a s e do nl o c a l eg e o l o g i c a l s u r v e ya n da n a l y s i so fg e o l o g i c a ld a t a ，e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a l c o n d i t i o n sf o r f o r m i n gd a s h u i j i n gl a n d s l i d e ，i t sc h a r a c t e r i s t i c so fs t r u c t u r e a n dd y n a m i c sa r e e x p a t i a t e d a2 d m o d e lo fa v i s c o u sa n di n c o m p r e s s e df l o wi sf o u n d e db y a e r o d y n a m i c st h e o r y , c o n s i d e r i n gt h er e l a t e dm a t e r i a l sg e tf r o ml o c a l es u r v e ya n d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l o wf i e l dc a u s e db ya i r - b l a s tc r e a t e db yt h er o c k l a n d s l i d e ，a n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm e c h a n i s mo fh i 曲- s p e e dl a n d s l i d ew i t ha i r b l a s ti sc a r r i e d o u tb yu s i n gas o f t w a r ef o rn u m e r i c a lh y d r o d y n a m i c s ，c f d ，f l u e n ts o l v e r t h e n ， t h er a n g ei nw h i c hp o t e n t i a li m p e r i lo fa i r b l a s te x i s t si so b t a i n e d t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n t h i sp a p e rs h o w e dt h e r ea r es o m e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep r e s s u r eo f a i r b l a s tf o r m e di nd a s h u i j i n gl a n d s l i d ew i t h s p e e do f5 0 4 m sa n dt h es l i db o d i e s t h el a r g e ro b l i q u i t yo f w a l l si s ，t h eg r e a t e r p r e s s u r eo fa i r b l a s ti s t h ed e s t r o ye n e r g yc a u s e db ya i r b l a s ti nt h ea r e ao f v e r t i c a l w a l lo fs l i db o d yi nd i s t a n c eo f5 0 0 mc o r r e s p o n d st oo n eo fw i n dp o w e ro f1l 一1 2 d e g r e e ，t h ep r e s s u r eo fa i r - b l a s tc a u s e db yt h ew i n g t y p es l i db o d yi s t h el e a s t ，i n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 d i s t a n c eo f10 0 m ，t h ed e s t r o ye n e r g yf o rb u i l d i n g si sl e s s ，c o r r e s p o n d i n gt ow i n d p o w e ro f 6d e g r e e t h es t u d yo ft h i s p r o g r a mg i v e sb e n e f i tf o rr a i s i n gt h et e c h n i c a ll e v e lo f m o n i t o r i n ga n dw a m i n gt h es e r i o u sg e o l o g i c a ld i s a s t e r ，p r o v i d et h es c i e n t i f i cb a s e s f o rr e d u c i n ga n dp r e v e n t i n gt h ed i s a s t e r k e y - w o r d sh i g h s p e e dl a n d s l i d e ，a i r b l a s t ，e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a l ，n u m e r i c a l s i m t l l a t i o n 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 本论文的提出与研究，对高速滑坡超前气浪的发生、演化过程、动 力学机理以及在防灾减灾等方面均有特殊意义，研究成果的应用可以降低高 速滑坡造成的灾害损失： ( 2 ) 本文运用计算流体力学c f d g a m b i t 前处理软件进行模型的建立和 网格划分；c f d f l u e n t 求解软件进行仿真计算；运用c f d 后处理软件进行数 值分析处理； ( 3 ) 采用三种不同形态的滑坡体进行对比分析，研究不同形态的滑坡体 产生冲击气浪的影响区域。 学位论文作者签名：习宏肆 日期：d 8 7 万 西南交通大学曲南爻迥大罕 学位论文版权使用授权书 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，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在- 年解密后适用本授权书； 2 不保密回，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作耄虢嘲 日期：d 9 - 1 8 3 2 组岩夹煤线及煤层。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 地层 地层 界 系 统组 厚度岩性描述 代号 ( m ) 绿汁 p t l l z 8 5 0 灰黑色板岩、白云岩互层。 江组 峨头黑灰、灰绿色板岩夹灰岩，局部夹砂岩， p tj e 9 1 3 兀 厂组白云岩透镜体。 古昆阳群 因民 紫红、紫灰色白云岩、板岩、砂岩和砾 界 p t l y 3 0 0 组岩。 大龙浅灰、灰白色灰岩、泥灰岩，中下部 p t l d4 0 0 口组夹藻灰岩。 兀 p t h 2 2 3 灰色白云石大理岩、白云片岩。 古大红山群 p t l 41 9 2 灰绿色凝灰岩灾绿泥角闪片岩。 界p t l 6 6 0 0 大理岩、凝灰岩、片岩。 表2 2 新平县地层岩性一览表( 西部区) 地层 地层 界 系统组厚度岩性描述 代号 ( m ) 第四系q 0 - i 0 0 灰白色细砂岩，细砾岩和砾石层。 灰、灰黄色砂砾岩、砾岩，夹粉、细 第三系上统 n7 3 2 砂岩、泥岩和煤线：中部夹透镜状煤层。 雅期紫红色细砂岩、粉砂岩与泥岩、砂质 侏罗系中统j 2 y 4 6 0 组泥岩互层。 新一碗浅灰、紫灰色细砂岩、含砾粗砂岩夹 三叠系下统 t 3 y 8 8 5 3 生 水组 石英砂岩及泥岩。 界下亚透辉角闪变粒岩、片麻岩、辉石、混 p t a 8 2 2 5 0 组合岩。 上亚黑云质阴影混合岩，条痕一眼球状混 哀牢山群 p t x 62 6 5 0 组合岩。 下亚 十字兰晶二云石英片岩、斜长变粒 p t x 8 3 5 0 组岩、角闪变粒岩。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 大水井滑坡发育在下元古界哀牢山群阿龙组下亚组( p t a a ) 岩层中。阿龙 组下亚组上部为透辉角闪变粒岩，矽线黑云斜长片麻岩；下部由辉石角闪质 阴影混合岩和均质混合岩组成，岩体坚硬致密，工程地质属性良好。堆积区 下伏地层为上三叠统须家河组( t 3 x ) ，主要岩性为黑色炭质泥岩、页岩夹灰 色泥质粉砂岩和细砂岩。 2 3 3 构造特征 滑坡发育在哀牢山东麓山前断裂的上盘，堆积区则覆盖于山前断裂的下 降盘。哀牢山山前断裂是红河断裂的重要组成部分，后者是一条著名的大地 构造与地貌分界线，沿北西南东方向延伸数百里，倾向北东，倾角6 0 。7 0 。，经历了多次构造运动，是一个长期活动的主要断裂。断裂的孕育与哀牢 山挤压造山带同步，早期以北西一南东逆时针方向水平剪切作用下形成的宽达 数百米至千余米的构造糜棱岩为特征。在第四系以来的构造运动中，断裂西 侧的原相对下降盘复又相对上升，形成长达近百余公里的张性构造角砾岩带。 本区新构造运动的特点主要表现为红河断裂带及其毗邻地区大面积的构 造隆升、快速掀斜运动、断块差异运动和断裂裂陷作用等，这些作用形成的 哀牢山强烈凸起的高中山，为滑坡等地质灾害的发育奠定了重要的地形地貌 条件。 2 4 滑坡的形态和结构特征 2 4 1 滑坡的形态特征 滑坡平面形态呈“刀鞘状”，滑坡冠部高程1 4 3 6 m ，趾尖高程1 2 0 0 m ，相 对高差2 3 6 m ，水平距离4 5 9 m ，斜距5 3 0 m ，等价摩擦角( 架空坡) 为2 7 2 。( 见图2 3 ) 。滑坡后壁特征显著，后壁高4 5 m ，横向宽1 0 0 m ，倾角4 8 。， 呈不完整箱形圈椅状，南东侧圈闭，北西侧敞开临空。滑坡冠部至剪出口纵 向长度1 0 0 m 。滑坡中部堆积区宽度约1 5 0 1 7 0 m ，总体为中部较宽，前后两 端狭窄的条带状。滑坡体形成时，长度为1 1 0 m ，宽度约8 0 m ，平均厚度7 1 5 m ， 体积约6 6 1 0 4 m 3 ，滑坡主滑方向n e 5 0 。( 见图2 4 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图2 - 3 大水井滑坡全貌 曰z a 一一* 。 曰一一一，一* 田e * 臣习* t 匡刁一* * 口一m * e 回一 四一一 圈 困一m 一* 幽2 _ 4 大水井滑坡半【且i 图 2 42 滑坡的结构特征 在纵向上，按滑体物质运动和堆积特征，大水井滑坡可分为四个区：滑 源区、匕行区、滑坡冲击区及气浪区、碎屑流堆积区( 图2 - 5 ) 。 i 滑源区，是指滑坡后壁到剪出口之间的区域。其海拔高程位于1 3 7 6 1 4 3 6 m 之间，相对高差6 0 m 。滑面呈上陡下缓的折线段，由滑坡后壁与底滑 面组成。1 3 9 4 1 4 3 6 m 之间为裸露的滑床，即滑坡后壁，后壁坡度约4 8 。， 倾向n 3 5 。e ；1 3 7 6 1 3 9 4 之间为底滑面，缓倾向坡外，倾向n 5 0 。e ，倾角 2 3 。滑源区没有统一完整的圈椅状后壁，滑坡右侧壁为一陡壁，与滑床面 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 连为一体，而左侧临空，没有明显的侧壁( 见图2 - 6 ) 。目前，滑坡壁上残余 后期坡积物，在右侧壁及冲沟内可见完整的片麻岩。 05 01 0 0 2 3 0 0 4 5 9 m 圈2 5 大水井滑坡纵剖面图 图2 6 滑源区右壁 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 i i 飞行区 飞行区，是指滑坡冲出剪出口，空中飞行到地面，撞击地面之前的区域， 其海拔高程位于1 2 5 5 1 3 8 7 m 之间，高差1 2 1 m ，水平距离1 6 7 m ，沿地表斜 距约2 1 5 r n 。 海拔高程在1 3 7 6 1 3 2 6 m 之间，为滑坡剪出口下高耸的陡壁见( 图2 7 ) ， 临空高度为5 0 m 。陡壁由裸露的混合岩化花岗岩与片麻岩基岩组成，片麻岩 片理产状6 0 。z 7 2 。壁面下部倾角7 2 。，高2 0 r e ；上部坡脚5 0 。，高3 0 m 。 图2 - 7 滑坡高位剪出口( 仰视) 海拔1 2 5 5 1 3 2 6 m 之间，为滑坡飞行区的主要区域。纵向上为一坡脚为 2 0 。3 5 。的斜坡，空旷开阔，无任何障碍物；横向上为中间低洼、左右两侧 相对凸起的槽型( 图2 - 8 ) 。本区纵向长约15 0 m ，宽约9 5 1 1 5 m ，面积00 1 2 k m 2 ， 堆积物厚度3 5 m ，向下逐渐变薄，体积42 7 5 1 0 4 m 3 ，坡度2 0 3 5 。堆 积物的主题是此次滑坡前该处已有的坡积物，主要由片麻岩碎块石组成，块 径01 02 m 的块石占4 0 ，碎石土占5 0 ，少量为滑体飞行时零星滑落的 块石，块径 05 m 。偶见块径大于2o m 的片麻岩巨石。这几块巨石的长轴有 规律地顺坡面虽大倾斜方向延伸，且岩层的片麻理面一直平行于坡面，岩块 没有翻滚、跳跃运动迹象( 图2 - 9 ) ，说明这几块巨石是滑坡体做刚体平动飞 行时，零星滑落形成的。这是滑坡体飞行的有力证据。 滑坡体在该区腾空飞行的另一个证据是，与前方的碰撞冲击区相比，该 区虽然紧邻滑源区，但是堆积物中基岩块石含量很少。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 01 02 03 0 4 05 06 0 7 08 09 0l m 图2 - 8 大水井滑坡飞行区横剖面图 i 冲击区及气浪区 本区是重点受灾区，分布在高程1 2 2 8 1 2 5 5 m 之间，高差2 7 m ，水平距 离6 0 m ，岩地表斜距6 5 m 。平面上呈扇形，由后向前撒开，后部横向宽度1 2 5 m ， 前部横向宽度1 7 5 m 。本区中部为滑体飞行后坠地冲击的主要区域，横向宽 1 2 0 m 。滑体堆积物质主要为块径大于 2 0 c m 的块石，含量占5 0 6 0 ，其 余为碎石土。块石成飞为混合岩化花 岗岩。 冲击区左右外侧为超前溅泥气 浪区( 图2 1 0 砣1 2 ) 。超前溅泥气浪， 是指超出滑坡体堆积范围飞溅出星 散的搅水稀泥。左外侧气浪区宽度 3 0 m ，右外侧气浪区宽度2 0 m 。右外 侧受原始地形影响，受气浪冲击影响 较小，但仍可见房屋破坏后的残垣断 壁。做外侧因地形开阔，冲击气浪作 用明显，该处所有两层土坯房屋的顶 层被气浪“切削”以后抛向远方，底 层房屋的墙壁均向滑坡下方倒伏；房屋前后的树木被折断、树下部树皮被剥 脱。而左右两侧远处完好无损的竹子便是气浪冲击区的边界。 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 - 。- 一 奇苗喵1 r 1 扩者前r 吲矿面。 图2 - 】0 大水井滑坡气浪区剖面图 图2 一1 1 大水井滑坡右侧气浪区残壁断垣 图2 1 2 大水井滑坡左侧气浪区残壁断垣 i v 碎屑流堆积区 碎屑流堆积区，即滑体物质与地面碰撞后解体，主体物质转化为碎屑流， 运动至滑坡趾的区域。分布在高程1 2 0 01 2 2 8 m 之间，高差2 8 m ，水平距离 1 5 8 m ，。沿地表纵长1 6 8 m ，横向宽5 5 7 5 m ，面积o0 l l k m 2 。堆积物厚度3 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 5 m ，体积4 3 6 x1 0 4 m 3 。平面上由后部向前至滑坡趾，厚度逐渐变薄。 堆积物质主要由块径o 5 - 2 m 的黑云斜长片麻岩碎块石组成，碎块石含量 占5 0 ，堆积区前缘块石含量为3 0 - 4 0 ，中后部块石含量可达6 0 7 0 。 由后部向前，堆积区宽度逐渐增加，呈扇形分布。大块石主要分布于中部， 向两侧碎、块石块度逐渐减小，平面呈带状分布( 图2 1 3 、图2 - 1 4 ) 。 图2 一1 3 大水并滑坡左侧堆积物 豳嚣蔼虽麓嚣熬网酵n 舭= 二 七统祥云组砂岩l 三! 一一一”lj 俎上 图2 1 4 大水井滑坡堆积区横剖面图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 不同的结构分区对应不同的运动过程，大水井高速滑坡运动过程简图见 2 一1 5 。 图2 - 1 5 高速滑坡冲击气浪运动简图 2 5 滑坡的动力学机制研究 根据前述滑坡的结构分区以及发生过程，滑坡的动力学机制可从几个阶 段分析： 2 5 1 剧动启程阶段 在岩质斜坡破坏产生滑坡的过程中，在破坏面形成的同时亦即斜坡骤然 滑动破坏时，破坏面两侧原有临床岩石的峰值强度便迅速降低到残余强度， 呈现“临床峰残强降”。当坡体破坏面的最终“临界锁固段”被突然剪断时， 由该锁固段岩体抗剪强度( 阻力) 所维持或者说所平衡的斜坡的推力被突然 释放( 以峰残强降的比例) 。这样就建立了外力释放( 滑坡推力突然迸发) 与 内力变化( 强度下降值) 两者之间的关系，从而有“峰残强降启程速度 计 算的表达式： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 k = 警l c o s 口( 协纬一t a n 饵) + 若i d 式中：v 。为滑坡剧动启程速度；万为常数；g 为重力加速度；口为滑床面 倾角；，为破坏面“临界锁固段 长度；g 、，为单位横向宽度的滑体体积( m 3 ) ； p 为岩体容重( m n m 3 ) ；e 为锁固段岩石的弹性模；伊。为岩石的峰值强度； 仍为岩石的残余强度；c 为岩石的内聚力。 对采自大水井滑源区的黑云斜长片麻岩岩石，采用m t s 8 1 5 一t e s t s t a r 程控伺服岩石刚性试验机，进行了岩石常规三轴试验，获得岩石应力一应变 全过程曲线( 图2 - 1 6 ) ，从而确定了岩石的峰值及残余抗剪强度参数( 表2 1 ) 。 1 ? p 。l fl 心1 、 o3 =8 姗a 9 v 、jl _ i - - 一 ? ? i i f 。 i 鲐 o3 = 6 1 d p a 彻 一r i i t ) 一 么j 0 l o2 03 0 图2 1 6 岩石应力一应变全过程曲线 表2 1 岩石抗剪强度参数 式样 侧向应峰值轴向残余轴向峰值强度残余强度 力应力应力内聚力 内摩擦角 内聚力内摩擦角 编号 吒m p a q p m p a q ，m p a c p m p a纬d e g c ，m p a研m p a 121 1 7 2 2 1 2 5 1 261 6 5 1 4 7 9 8 92 1 55 31 22 5 382 0 6 5 38 6 3 1 根据大水井滑坡滑源区的几何参数与片麻岩岩石力学性质试验，取g v = 8 2 5 m 3 ，p = 0 0 2 7 1m n m 3 ，e = 4 4 8 x 1 0 3 m p a ，9 p = 5 3 。，9 , = 2 5 。，c = 2 1 5 v i p a ，口 加舳们加0 o 1 l l l l (王苫t：口o_o 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 - - 2 3 。，l = 4 0 m ，代入式( 2 1 ) 求得：v ，= 3 4 r n s 。 2 5 2 滑床行程高速滑动阶段 滑体启程后进入势动转化的加速运动阶段，滑体在滑床上运动过程中任 一瞬间的滑动速度为 厂：一 m = 、匕2 + 2 9 h o ( 1 一f c t a n c r ) ( 2 2 ) 式中：l l o 为滑体质心高度：f 为动摩擦系数。大水井滑坡冲出剪出口时 h o = 3 0 m ，取f = ( 2 3 ) t a n 僻，代入式( 2 2 ) 得滑坡冲出剪出口时速度为 v ，= 1 3 0 1 r r g s ，显然较启程速度高得多。 2 5 3 凌空飞行阶段 离开滑床后的高速滑坡体呈凌空飞行状态时，由于空气动力擎托持速效 应，使滑体继续保持高速度运动。在考虑飞行时的空气动力学效应( 即空气 的阻力效应和升力效应等) 时，滑坡的质心运动方程为 ：mc 。s q 一生f v 2 ，：ms i n q 一( g 一r 上弘 矗：v ls i n 鼠f 一昙( g 一生) f ： s = v l c 嘲r 一净2 由式( 2 3 ) 可解出滑坡体离开滑床后在空中飞行的时间t 为 ms i n 岛+ m 2s i n0 。2 + 2 ( g - r y ) h i f = j l f 上 ( 2 4 ) j v g 一上 m 式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 中：v ：，、v ：，为滑体质心速度v ：在水平、铅直方向的分 量；b 为1 ，。与水平面的夹角；h 。为剪出口与撞地点的落差；s ，为滑体在空中 的水平滑程：m 为物理的质量。r 。、尺，为翼型滑坡的空气动力r 在水平、铅 直方向的分量，且有 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 r 足丢岛m s ( cc o s q j i + gs i n c i ) 眩5 ， lr y 丢岛m s ( qc o s 呼q es i l l 研) 式中：p x 为空气密度，乙x 、乙，为翼型滑坡体的空气动力参数，可查表求 得。s 为翼型滑坡体的翼面积，是滑坡体下的面积向最大翼弦a b ( 剪出口点 a 与滑坡后壁最高点b 间的直线) 平面上的投影，可按椭圆面积来计算，即 s = 万口6 ，a 为滑坡纵向长度的一半，b 为横向宽度的一半。妒，为滑坡体最大 翼弦a b 与水平轴的夹角。上述参数之间的关系如图2 1 3 所示，其中、呸为 v l 、屹与a b 的夹角，称为翼型滑坡体的迎角。 将大水井滑坡体跃出剪出e l 的凌空飞越阶段视为翼型体，根据滑源区的几 何特征，取驴。= - 3 8 。，0 1 = 一2 3 。( 底滑面倾角) ，迎角q = 妒，- 0 1 - - 1 5 。，由喁查 表求得c x 、c y 分别为0 0 8 和一0 6 ；s j = 1 6 7 m ，拓= 1 2 1 m ：a = 5 5 m ，b = 4 0 m 。滑 体质量聊：2 b g v p 。其他已知参数同上。 g v 将上述数据代入式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) ，求得大水井滑坡体飞行后撞击 地面瞬间的运动状态参数为 屹。= 1 1 9 m s ，屹，= - - 4 8 9 m s ，t = 4 5 s ，幺= 一7 6 。 而滑坡体在跃出剪出口瞬间其运动状态参数为 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 v l ，= 1 1 9 8 m s ，mj ，= 一5 l m s ，t = 0 s ，q = 也3 。 显然，滑坡离开滑床后水平速度由于空气阻力效应，减小了仅0 0 8 m s ， 呈现空气动力擎托“持速 效应；而垂直速度明显增大，从5 1 m s 增加到 4 8 9 m s ，增加了9 倍多。实际上垂直速度增加的部分主要源于滑体在剪出口 存在的势能，亦即屹，= 2 朗= 4 8 7 m s 。可见其值与屹，极为接近。 滑坡飞行后的最大速度为v 2 = x v 2 。2 + v 2 ，2 = 5 0 4 m s 。 2 5 4 高速撞击阶段 飞行后的滑坡体以5 0 4 m s 是速度近于垂直( 与水平面的夹角7 6 。) 方 向，撞击到其下方的大水井村庄，产生巨大的冲量。根据动量守恒定律有： f t = m v 2 ( 2 6 ) 式中：f 为滑坡的撞击力；t 为滑坡与地面相互冲撞的时间。当t = l s 时， f = 9 1 8 1 0 3 m n ，可见滑坡的撞击力之大。 本章小结 本章通过对大水井滑坡工程地质特征、结构特征及动力学机制的研究， 确定了该滑坡的如下性质： ( 1 ) 大水井滑坡是在2 0 0 2 年8 月l o 日 - 8 月1 3 日的特大暴雨作用下诱 发的块体失稳型岩质高速远程滑坡。 ( 2 ) 大水井滑坡发育在下元古界哀牢山群阿龙组下亚组顺向层状片麻岩 体斜坡上，岩体坚硬致密，工程地质属性良好。 ( 3 ) 大水井滑坡体结构分区特征明显，在纵向上可以分为：滑源区、飞 行区、滑坡冲击区及气浪区、碎屑流堆积区。冲击区是产生超前冲击气浪的 主要区域，也是重灾区。 ( 4 ) 与滑坡的结构分区相对应，动力学机制可分为一下几个阶段：剧动 启程阶段、滑床高速行驶阶段、凌空飞行阶段、高速撞击阶段。剧动启程阶 段、滑床高速行驶阶段滑源区；凌空飞行阶段飞行区；高速撞击阶段+ 滑坡冲击区及气浪区。 ( 5 ) 通过计算可得，飞行后的滑坡体以5 0 4 m s 的速度高速撞击地面， 并形成强大的超前冲击气浪。这一数值的得出为后面的数值模拟提供了理论 基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 第三章o f d 模拟软件的理论基础 3 1 计算流体力学( c f d ) 简介 计算流体动力学是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一 门新型独立学科，通过计算机数值计算和图像显示的方法，在时间和空间上 定量描述流场的数值解，从而达到对物理问题研究的目的。它兼有理论性与 实践性的双重特点，其理论和方法为现代科学中许多复杂流动与传热问题提 供了有效的计算技术。 c f d 软件是计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 软件的简称， 是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件。c f d 的基本思路可 以归结为：把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力 场，用一系列有限个离散点上变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式 建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程 组获得场变量的近似值。 c f d 可以看作是在流体基本方程( 三个守恒方程) 控制下对流体的数值 模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题流场内各个位置上的 基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布，以及这些物理量随时 间的变化情况，以及进一步确定出其他相关的物理量。 c f d 的长处是适用性强、应用面广。首先，流动问题的控制方程一般是 非线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解， 而用c f d 方法则有可能找出满足工程需要的数值解；其次，可利用计算机进 行各种数值试验，从而进行方案对比。再者，它不受物理模型和实验模型的 限制，省钱省时，有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟 特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和试验中只能接近而无法达到的理 想条件。 当然，c f d 也存在一定的局限性。首先，数值解法是一种离散近似的计 算方法，依赖于物理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离 散的有限数学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限 个离散点上的数值解，并有一定的计算误差；第二，它不像物理模型实验一 开始就能给出流动现象并给出定性地描述，往往需要由原体观测或物理模型 实验提供某些流动参数，并需要对建立的数学模型进行验证；第三，程序的 编制及资料的收集、整理与正确利用，在很大程度上依赖于经验与技巧。因 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 此，因数值处理方法等原因可能造成计算结果的不真实。 c f d 有自己的原理、方法和特点，数值计算与理论分析、实验观测相互 联系、相互促进，但不能完全代替，三者各有各的适用场合。在本文中，力 争做到三者有机的结合，做到取长补短。 3 2 流体动力学控制方程 高速滑坡下滑过程形成的冲击气浪是不可压缩、边界无穷远的三维定常 湍流流动，它遵守质量守恒、动力守恒和能量守恒。流体力学控制方程就是 根据流体的连续介质假设，由以上定律出发导出的描述流体运动基本规律的 数学表达式。 3 2 1 物质导数 在欧拉观点下，流场中的物理量都是空间和时间的函数，如： 口= v ( x ，y ，z ，t ) p = p ( x ，y ，z ，f ) t = t ( x ，y ，z ，t ) 研究任意物理量妒【x ，y ，z ，f ) 对时间的变化率，则有： 面d e = 望a t + 警至a t + 丝o y 塑a t + 丝a z 丝a t = 业a t + 甜塑a x + v 警+ w 塑a z ( 3 1 ) = 二+ 二一+ 二二+ 二= 二+ ，二+ 1 ，二+ w 二- ( 气1 ) 研融 a ， 一 式中：“，1 ，w 为速度矢量抄沿x ，y ，z 轴的三个速度分量。 这就是妒的物质导数，也称为质量导数。式( 3 1 ) 中等号右边第一项娑 d f 称为当地变化率；后三项称为迁移变化率。 3 2 2 质量守恒方程 任何流动问题都必须满足质量守恒定律。该定律可表述为：单位时间内 流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。按 照这一定律，可以得出质量守恒方程： i o p + 要( 夕 f ) = 0 ( 3 2 ) o l o x i 该式可写成展开形式： 一a p + a ( p u ) 1 - 塑! + 煎型：o ( 3 3 ) d ta x d y d z 引入矢量符号疣v 矽= 娑+ 娑+ 娑，式( 3 3 ) 可写成 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 警+ d i v ( p 秒) = o ( 3 4 ) 在式( 3 2 ) 、( 3 3 ) 和( 3 4 ) 中，p 为密度，t 为时间，u 为速度矢量，甜，v ，w 为速度矢量u 沿x ，y ，z 轴的三个速度分量。 3 2 3 动量守恒方程 动量守恒定律也是任何流动系统必须遵守的基本定律。该定律可表述为： 微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之 和。该定律实际上是牛顿第二定律。按照这一定律的规定，可以导出x ，y 和 z 三个方向的动量守恒方程： 未( 圳+ 丢( p v , v j ) 一善+ 鲁+ f ( 3 5 ) 该式也可写成： 挈+ 讲v ( p u 小一罢+ 鲁+ 斋+ c 挈胁( 舢) 一斋+ 鲁+ 鲁+ c 式中：p 是流体微元体上的压力；彳“，z 可，f n 等是因分子粘性作用而 产生的作用在微元体表面上的粘性应力t 的分量；只，c ，t 是微元体上的 体力，若体力只有重力，且z 轴竖直向上，则c = 0 ，20 ，c = 一p g 。 式( 3 6 ) 是任何流体类型通用的动量守恒方程。对于牛顿流体，粘性应 力t 与流体的变形率成比例，有： t x x = 2 i c ) u + 2 d i v ( 抄) f w = 2 譬+ 2 d i v ( 抄) o y t x , z = 2 ，d 、w + 2 d i v ( 口) ( 3 7 ) a “a v 勺2 2 ( 面+ _ c ) x ) 。 c 1 1 ， = 毛喇警+ = 毛= 【 + _ ) ，7 ，t 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 = 岛= ( 警+ 警)= 岛= ( 云+ 面) 式中，为粘性系数，五为第二粘性系数，一般可取五= - 2 3 。 将式( 3 7 ) 代入( 3 6 ) ，得： a _ = ( p _ u ) + d i v ( p u v ) ：d i v g r a d u ) 一i a p 一+ o td _ b ( p v ) + d i v ( p w ) = 讲v ( t g r a d v ) 一娶+ s v ( 3 8 ) o td v _ o ( p v ) + 破，( p w v ) ：d i l ，q 1 9 r a d w ) 一要+ s w c l td z 式中：g r a d 矽：娑+ 娑+ 娑，符号s 。、s 户& 为动量守恒的广义源项， o xd vo z 鼠= c 1 s x ，= d s y ，s w = r + s 。，而其中卟s ，和屯的表达式如下： s x ：i 3 i 3 u ) + 芸 宴) + 芸娑) + 未( 肋砒) 2 瓦面) + 面面) + 云瓦) + 五( 励w ) s ，：i 3 i 3 u ) + i 3 似i b v ) + 1 3 i 3 w ) + 未( 砌) ( 3 9 ) 0 2 五而) + 丽似瓦) + 云面) + 面( 删i ) 3 9 ：要娶) + 芸( 宴) + i 3 i b w ) + 芸( 翮咖) s w2 瓦面) + 面( 云) + 瓦瓦) + 云( 肋) 一般来讲，s ，、s y 、j ：是小量，对于粘性为常数的不可压缩流体， s ，= s y = 5 ：= 0 。式( 3 8 ) 称为动量方程，也称为n a v i e r - s t o k e s 方程。 3 2 4 能量守恒方程 能量守恒方程是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。该定律 可表述为：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面 力对微元体所做的功。该定律实际上是热力学第一定律。 流体的总能量e 通常是内能f 、动能k = 乏1 、2 w 2 ) 和势能p 三项之 和，通常可以针对总能量e 建立能量守恒方程。但是，这样得到的能量守恒 方程并不是很好用，多数情况下是从中扣除动能的变化，从而得到关于内能i 的守恒方程。我们知道，内能i 与温度t 之间存在一定关系，即i = c p t ，其 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 中c 。是比热容。如此一来，我们就可以得到以温度t 为变量的能量守恒方程 _ o ( p t ) t - d i v ( p v t ) ：d i v ( 妻舶d 丁) + ( 3 1 0 ) o l l j 口 该式可写成展开形式： 挈+ 挈+ 警+ 挈= 粒+ 瓣+ 粒k 3 川， d td x d 、) 。d z d x d x ja v d v ? d z 、a z ? 或未( ) + 杀( 眺丁) = 未( 尼瑟) + ( 2 1 2 ) 式中：c 。是比热容；t 为温度；k 为热传导系数；s ，是流体的内热源由 于粘性作用，流体机械能转换为热能的部分，有时简称s ，为粘性耗散项。式 ( 3 1 0 ) 和( 3 1 1 ) 被称为能量方程。 需要说明一点，方程( 3 1 1 ) 是针对牛顿流体推倒出来的能量守恒公式， 不适用于非牛顿流体。 3 3c f d 常用数值计算方法 高速滑坡冲击气浪流场是一组非线性偏微分方程，要得到解析解是非常 困难的。目前，大多数学者采用数值计算的方法求解。c f d 方法是对流场的 控制方程，用计算数学的算法，将其离散到一系列网格节点上求其离散数值 解的一种方法。常用的数值计算方法主要有有限差分法、有限元法和有限体 积法。 3 3 1 有限差分法 有限差分法是将求解区域用网格线的交点( 即节点) 所组成的点的集合 来代替。在每个节点上，描写所研究的流动与传热问题的偏微分方程中的每 一个导数项，用相应的差分表达式来代替，从而在每一个节点上形成一个代 数方程，其中包括了本节点及其附近节点上的所求量的未知值。求解这些代 数方程就获得了所需要的数值解。在规则区域的结构化网格上，有限差分法 是十分简便而有效的，而且很容易引入对流项的高阶格式。其不足之处是离 散方程的守恒特性难以保证，并且对不规则区域的适应性差。 有限差分法的主要不足之处可以归结如下： ( 1 ) 有限差分法的网格划分一般为直线正交网格，对于处理不规则边界 及函数值变化梯度较大的区域