台湾二隆基高速滑坡超前冲击气浪三维数值模拟分析

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2010年4月25日约14:29,在台湾地区国道3号高速公路3km附近路段的师公格山发生二隆基滑坡,行政区域位于基隆市七堵区玛东里,造成双向南北6个车道全部遭岩土体阻塞破坏,大埔跨越桥也随着滑坡断成两截而掉落至高速公路主线,交通完全中断,共计造成3车4人遭土石掩埋死亡。二隆基高速滑坡在高速运动时,伴随产生超前冲击气浪,气浪以及滑坡体先后对国道三号高速公路进行了冲击。本文运用FLUENT计算流体软件对该过程进行了模拟,反演了二隆基高速滑坡的运动全过程,细致分析了超前气浪的相关特征和规律,并在模拟中监测了国道三号高速公路路面所受到的压强规律。主要结论如下:(1)滑体的运动距离(从失稳启动到停积稳定)达130m,运动总共经历了8s。在2s时,滑体的前缘已冲出剪出口,滑体冲破边坡护坡并顺势下滑,抵达国道三号高速公路南下线;在3s时滑体经过南下线公路并翻落至北上线三车道公路;t=4s时滑体已完成对北上线高速公路的冲击碾压;在5s时,碎屑流保持高速状态抵达公路对面边坡,在对面边坡较低处碎屑流开始翻越,加速度随之开始减小;6s时,滑坡体的速度达到最大,超过了30m/s;8s时,速度已经在4m/s左右,近于停滞。滑坡在运动过程中受到地形的影响显著:碎屑流从边坡陡降,产生第一次速度峰值,其后由于撞击水平路面并水平滑动造成能量损失,速度降低;尔后在南下线翻越到北上线时有近4m的落差,产生了第二次速度峰值,其后由于撞击公路对岸边坡使得又经历第二次速度谷值,随后碎屑流翻越过边坡后又有了小幅提升。(2)超前冲击气浪的主要影响范围在滑坡前方0-80m。滑体受到地形的影响,造成在其运动过程中带动上方空气形成速度“扰动带”,即空气的速度分布规律与滑体的速度分布规律协同,而这个相似性主要是受地形的干预使之显著;碎屑流在地形三个纵向转折处(即公路两岸边坡转折处、南北线路落差处)会出现翻越和跳跃,不仅使碎屑流内部出现负压,还使分布于该处碎屑流上方的空气形成“负压包络层”;另外,在6s左右所产生的冲击气浪压强达到最大,相当于10级的狂风,可拔起树木,损坏建筑物。(3)公路表面附近的空气,受到滑体的挤压后压强呈稳定上升的态势,随着滑坡体的靠近保持整体上升趋势的同时并开始剧烈振荡波动;且气浪压强作用,在公路路面处,表现出十分显著的涡流和阵风效应,其中气浪压强的最大值超过了560Pa。而在滑坡体冲击或碾压过程中,公路路面承受的滑体碎屑流自身压强作用(冲击作用),则主要与主滑方向和厚度分布有关,整体压强趋势亦是先增大再减小,在滑坡主滑方向上其受到的滑坡体的压强最大超过了700kPa。
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