朱 圻，程謙恭，王玉峰，車 琪，侯文學(xué)，李 煒

（西南交通大學(xué) 地質(zhì)工程系，成都 610031）

1 引 言

高速遠(yuǎn)程滑坡以運(yùn)動(dòng)速度極快、方量巨大、滑距超常以及異常高的流動(dòng)性而著稱，在其運(yùn)動(dòng)前方及兩側(cè)擠壓空氣產(chǎn)生的超前沖擊氣浪，是其產(chǎn)生巨大沖擊破壞力的主要原因之一[1-6]。國內(nèi)外的許多學(xué)者描述了其產(chǎn)生的破壞現(xiàn)象。Heim[2]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，瑞士埃爾姆巖崩產(chǎn)生的氣浪將人和木屋拋向空中；賈雪浪[7]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，湖北鹽池河巖崩產(chǎn)生的強(qiáng)大超前氣浪將斜坡下方的高層建筑剪斷，使得建筑物部分廢墟落在崩積物表面。Lu 等[8]、Cruden 等[9]在對(duì)加拿大Cayley 山滑坡的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，超前沖擊氣浪將樹木連根拔起；胡廣韜等[10]對(duì)陜南石家坡高速滑坡超前濺泥氣浪的形成條件進(jìn)行了比較詳細(xì)地描述和分析；Wieczorek 等[11]對(duì)美國Yosemite 國家公園內(nèi)的一次不尋常的巖崩調(diào)查發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生的氣浪摧毀了撞擊點(diǎn)附近的1 000 多棵樹木和幾處民房，并造成一人死亡多人受傷。Xu 等[12]描述了西藏易貢滑坡沖擊氣浪將大量樹木連根拔起、多棵直徑為1 m的大樹被從根部擰斷或撕裂的現(xiàn)象。

在對(duì)崩滑引起的超前沖擊氣浪速度的定量分析方面，McEwen 等[13]采用能量線、賓漢姆、黏性等3 種不同的模型反算了圣海倫斯火山引發(fā)的火山碎屑流、滑坡碎屑流、火山泥流的速度和堆積形態(tài)，以及滑坡碎屑流產(chǎn)生的沖擊氣浪速度與磨蝕云分布形態(tài)，得到了與現(xiàn)場實(shí)際情況較為吻合的沖擊氣浪初始速度。Morrissey 等[14]應(yīng)用有限差分二維數(shù)值模擬方法，通過分析美國Yosemite 國家公園巖崩飛行撞擊地面的速度和撞擊后振動(dòng)能所轉(zhuǎn)換的沖擊壓力大小，反推估算氣浪傳播的初始速度。程謙恭等[1]以云南哀牢山區(qū)大水井滑坡為原型，應(yīng)用CFD 流體力學(xué)軟件，定量分析了超前沖擊氣浪的速度；但計(jì)算中將滑坡體假設(shè)為具有固定形狀的平直運(yùn)動(dòng)剛體，沒有考慮遠(yuǎn)程滑坡以碎屑流運(yùn)動(dòng)時(shí)其本身的結(jié)構(gòu)和形狀的變化，同時(shí)也未考慮滑坡復(fù)雜運(yùn)動(dòng)路徑地形條件變化對(duì)沖擊氣浪的影響。

最近10年來，隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的學(xué)者應(yīng)用三維數(shù)值模擬技術(shù)研究高速遠(yuǎn)程滑坡的運(yùn)動(dòng)機(jī)制和預(yù)測其潛在危害。

Crosta 等[15]基于GIS 高精度地形資料，用三維有限元法，采用Voellmy 流變學(xué)理論重現(xiàn)了意大利Val Pola 滑坡的整個(gè)三維運(yùn)動(dòng)過程，反演了碎屑流堆積形態(tài)，確定了其運(yùn)動(dòng)形態(tài)、速度矢量和速度大小。McDougall 等[16]通過DAN3D軟件，反算了加拿大Nomash River 滑坡碎屑流運(yùn)動(dòng)過程中鏟刮行為引起的體積加積效應(yīng)。Sosio 等[17]通過二維和三維DNA 模型對(duì)意大利中部阿爾卑斯山 Punta Thurwieser 巖崩的運(yùn)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了數(shù)值分析。Pirulli等[18]基于RASH3D軟件，根據(jù)Frictional,Voellmy,Pouliquen 3個(gè)流變學(xué)準(zhǔn)則，對(duì)加拿大Frank 滑坡和意大利Val Pola 滑坡的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了三維反算，取得了與現(xiàn)場調(diào)查情況基本吻合的計(jì)算結(jié)果。Willenberg 等[19]運(yùn)用DAN3D軟件對(duì)瑞士Riviera 山谷一處潛在的不穩(wěn)定滑坡進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)估，通過一系列流變參數(shù)對(duì)其失穩(wěn)的方量進(jìn)行了估算。Pirulli[20]通過 RASH3D軟件，對(duì)比分析摩擦和Voellmy 兩個(gè)流變準(zhǔn)則在模擬Punta Thurwieser 滑坡中的特點(diǎn)，認(rèn)為Voellmy 準(zhǔn)則更能準(zhǔn)確地反演滑坡運(yùn)動(dòng)過程中碎屑流的運(yùn)動(dòng)速度和堆積形態(tài)。Welkner等[21]運(yùn)用DAN3D軟件對(duì)智利的Portillo 滑坡進(jìn)行了反算分析，計(jì)算出滑坡的堆積形態(tài)和速度大小，并以此對(duì)一處潛在的滑坡進(jìn)行了評(píng)估。張遠(yuǎn)嬌[22]運(yùn)用DAN3D軟件對(duì)汶川地震形成的牛圈溝滑坡進(jìn)行了模擬分析，通過對(duì)比不同的流變模型，得到牛圈溝滑坡的運(yùn)動(dòng)速度和最終堆積形態(tài)。唐昭榮等[23]采用基于離散元法的三維顆粒流軟件PFC3D對(duì)臺(tái)灣九份二山滑坡的運(yùn)動(dòng)與堆積過程進(jìn)行了模擬，并由此分析了滑坡的崩滑機(jī)制。

可以看出，上述高速遠(yuǎn)程滑坡三維數(shù)值模擬針對(duì)地僅僅是滑坡碎屑流本身速度大小、堆積形態(tài)、堆積厚度等運(yùn)動(dòng)特征的分析，對(duì)于通過三維模擬方法反演高速遠(yuǎn)程滑坡（碎屑流）運(yùn)動(dòng)全過程的動(dòng)力學(xué)行為，并對(duì)其產(chǎn)生的超前沖擊氣浪機(jī)制定量分析的文獻(xiàn)，尚未見到。

2008-05-12 汶川8.0 級(jí)大地震誘發(fā)的位于震中蓮花心溝的牛圈溝滑坡，以規(guī)模巨大、遠(yuǎn)程、速度高、多級(jí)折射運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生明顯的超前沖擊氣浪等特點(diǎn)而聞名于世[24-29]。

本文以牛圈溝滑坡為研究對(duì)象，考慮滑坡運(yùn)動(dòng)全過程的真實(shí)三維運(yùn)動(dòng)路徑和地形條件；采用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFD，并將Voellmy 準(zhǔn)則[30-31]通過軟件用戶自定義端口引入其中；通過建立牛圈溝高速遠(yuǎn)程滑坡三維模型，數(shù)值模擬再現(xiàn)滑坡啟動(dòng)、碎屑流運(yùn)動(dòng)、碎屑流與運(yùn)動(dòng)路徑兩側(cè)山體撞擊、碎屑流堆積等運(yùn)動(dòng)的全過程情景；并在此基礎(chǔ)上，定量分析其整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的超前沖擊氣浪強(qiáng)度及其變化規(guī)律，特別是對(duì)氣浪的速度、沖擊力大小、破壞作用范圍，以及滑坡運(yùn)動(dòng)形態(tài)、運(yùn)動(dòng)路徑地形條件等因素對(duì)氣浪的影響程度進(jìn)行論述，為超前沖擊氣浪災(zāi)害的預(yù)測及防治提供有效的科學(xué)理論依據(jù)。

2 牛圈溝滑坡運(yùn)動(dòng)及氣浪特征

2.1 牛圈溝滑坡運(yùn)動(dòng)特征

牛圈溝滑坡位于汶川縣映秀鎮(zhèn)南約2 km 處龍門山主中央斷裂帶上。滑坡受到強(qiáng)烈的地震力作用啟動(dòng)時(shí)，數(shù)百萬立方米的巖體從海拔高程約1 800 m的山頭瞬間高速下滑，沖入其前緣的蓮花心溝（牛圈溝支溝），與溝左岸山體發(fā)生第1 次撞擊后（如圖1 中所示撞擊點(diǎn)1），轉(zhuǎn)化為碎屑流，順溝谷呈流態(tài)化高速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)約1 km 后匯入牛圈溝主溝。高速流動(dòng)的碎屑流隨溝谷的轉(zhuǎn)彎地形而發(fā)生了5 次較大的碰撞、折射（如圖1 中所示）、彎道離心爬高和變向運(yùn)動(dòng)，最后前緣流體在幾乎要到達(dá)岷江河床處才因能量的最終耗盡而停積下來。從滑源區(qū)頂部到碎屑流前緣，總長度接近3 km，相對(duì)高差超過1 km（見圖1）。許強(qiáng)等[24]通過謝德格爾法和動(dòng)量傳遞法，分別計(jì)算出滑坡運(yùn)動(dòng)的最大速度為55.3 m/s 和48.0 m/s，滑坡運(yùn)動(dòng)耗時(shí)分別為52.7 s 和92.5 s。

圖1 牛圈溝滑坡三維示意圖（單位：m）Fig.1 Diagram showing 3D features of the Niujuangou rock avalanche(unit:m)

2.2 牛圈溝滑坡氣浪運(yùn)動(dòng)特征

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，牛圈溝滑坡運(yùn)動(dòng)路徑上存在著較為明顯的氣浪打擊證據(jù)（如圖2 所示）?；滤樾剂髟谶\(yùn)動(dòng)過程中，受到溝谷地形轉(zhuǎn)折的影響，與兩側(cè)山體發(fā)生了5 次強(qiáng)烈地碰撞；在這幾個(gè)碰撞點(diǎn)附近，由于地形轉(zhuǎn)折導(dǎo)致的碎屑流彎道外側(cè)的氣浪影響界線明顯超高；氣浪影響帶內(nèi)，原來生長的樹木傾倒、樹枝折斷、樹皮剝落，在山體斜坡的植被上留下了明顯的氣浪界線。

圖2(a)為牛圈溝滑坡運(yùn)動(dòng)路徑上，在蓮花心溝中部位置向運(yùn)動(dòng)路徑上游方向拍攝的仰視照片，從圖中能夠明顯地看出滑坡運(yùn)動(dòng)在其路徑的豎向剖面上存在著分帶特性：①為碎屑流流動(dòng)堆積區(qū)，②中零星散落的巖塊，為碎屑流跳躍拋灑區(qū)，③中樹木受到氣浪作用的影響，為氣浪影響區(qū)；②和③之間通過植被顏色判別，存在一條較為明顯地分割界限。圖2(b)為滑坡運(yùn)動(dòng)路徑上，靠近剪出口位置向運(yùn)動(dòng)路徑下游方向拍攝的俯視照片，也可見溝谷兩側(cè)豎向剖面上存在較為明顯的自下而上的分帶特性。圖2(c)、(d)為蓮花心溝段右岸氣浪影響區(qū)中，樹木受到氣浪作用所呈現(xiàn)出的倒伏、樹枝折斷情況，可見倒伏樹木順?biāo)樾剂鬟\(yùn)動(dòng)方向，傾向下游（圖中箭頭方向所示）。此外，位于氣浪影響區(qū)的樹木，其面向碎屑流運(yùn)動(dòng)側(cè)的樹枝幾乎折斷，下部只剩光禿禿的主干；僅剩上部殘留部分的枝干揭示了該處沖擊氣浪破壞打擊的上限。而背向側(cè)的樹枝卻得以基本保留（如圖2(d)所示）。圖2(e)、(f)分別為碎屑流從蓮花心溝轉(zhuǎn)向牛圈溝運(yùn)動(dòng)的撞擊點(diǎn)2（如圖1 所示）位置，超前沖擊氣浪對(duì)路徑兩側(cè)樹木的破壞情況（其中e 位于路徑右側(cè)，f 位于路徑左側(cè)）。由圖2(e)可見，受到碎屑流運(yùn)動(dòng)路徑上彎道處氣浪的強(qiáng)大作用，樹木呈現(xiàn)不同程度的樹皮剝落現(xiàn)象；由圖2(f)可見，此處正位于彎道轉(zhuǎn)折外側(cè)，超前沖擊氣浪遇到地形變化，氣體壓縮作用最為強(qiáng)烈，此處樹木受損最為嚴(yán)重，氣浪區(qū)內(nèi)殘留的樹木其樹枝幾乎全部折斷、樹皮剝落嚴(yán)重，導(dǎo)致樹木枯萎死亡。

圖2 牛圈溝滑坡超前沖擊氣浪打擊現(xiàn)象Fig.2 Phenomena of airblast generated by the Niujuangou rock avalanche

3 滑坡全程動(dòng)力學(xué)三維模擬方法

3.1 基本假設(shè)

高速遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動(dòng)過程比較復(fù)雜，流體靜力學(xué)準(zhǔn)則、各向同性假設(shè)和質(zhì)量連續(xù)假設(shè)都不能直接應(yīng)用于這類滑坡運(yùn)動(dòng)的分析，且滑坡體通常由兩種以上性狀為剛性、塑性、流體化的物質(zhì)組成，使得它在陡峭、不規(guī)則地形下的運(yùn)動(dòng)形式多種多樣。許多高速遠(yuǎn)程滑坡在運(yùn)動(dòng)過程中演變成碎屑流，具有流體運(yùn)動(dòng)的特性[30-31]，牛圈溝滑坡的運(yùn)動(dòng)也是如此。模擬時(shí)，根據(jù)Hungr 提出的等效流體的概念，將復(fù)雜的、非均質(zhì)的滑坡體等效為一種理想物質(zhì)，這種物質(zhì)具有簡單的內(nèi)部變形和阻力關(guān)系。假設(shè)滑坡體內(nèi)部的變形僅由摩擦引起，因而只與摩擦角有關(guān)，阻力關(guān)系則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取不同的流變模型[32-33]。模擬高速遠(yuǎn)程滑坡產(chǎn)生的超前沖擊氣浪特征的前提在于，首先要模擬出滑坡碎屑流的運(yùn)動(dòng)過程，故采用計(jì)算流體力學(xué)中專門用來進(jìn)行流場分析、流場計(jì)算、流場預(yù)測的CFD 模擬軟件[34]進(jìn)行模擬。CFD 的基本思路可以歸結(jié)為：把原來在時(shí)間域和空間域上連續(xù)的物理量的場，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上變量值的集合來代替，通過流動(dòng)基本方程（質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程）建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。

3.2 模型建立

根據(jù)牛圈溝滑坡及其運(yùn)動(dòng)路徑三維地形所反映出的滑坡全程地形特征（見圖1）建立三維的地質(zhì)模型如圖3 所示。圖中①為失穩(wěn)前的滑體（流體），②為滑坡下墊面。為了避免邊界效應(yīng)對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響，在模型剖面的豎直方向（圖2 中的Z 方向）上，增加1 km 的長度范圍，并連接起來形成一個(gè)閉合的立體空間③。

圖3 牛圈溝滑坡三維地形計(jì)算模型（單位：m）Fig.3 Niujuangou avalanche topographies as 3D modelling input(unit:m)

采用六面體劃分模型的網(wǎng)格：在下墊面邊界②附近，亦即在鄰近滑體和滑床的一定范圍，屬于模擬的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，加密網(wǎng)格，減小網(wǎng)格大小對(duì)于計(jì)算結(jié)果精細(xì)程度的影響；其他區(qū)域，按比例劃分相對(duì)較稀疏的網(wǎng)格，減小網(wǎng)格數(shù)量，便于有效地縮短計(jì)算時(shí)間。將下墊面②以外的空間定義為空氣，為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。根據(jù)能量守恒定律，將碎屑流運(yùn)動(dòng)的上方、后上方、前上方及兩側(cè)邊界，定義為壓力出口，下墊面邊界②設(shè)置為壁面（Wall）邊界。

模型中相的物理參數(shù)如表1 所示，表中碎屑流密度值是由野外實(shí)測而確定[35]；邊界條件如表2 所示，湍流邊界中湍流強(qiáng)度和湍流黏度比的取值為經(jīng)驗(yàn)值，并且經(jīng)過驗(yàn)證空氣相對(duì)于碎屑流的密度太小，參數(shù)取值對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)；壁面邊界采用無滑移邊界，添加自定義摩擦力方程。

表1 物理屬性參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameters of physical properties

表2 邊界條件Table 2 Boundary conditions

3.3 流變關(guān)系

CFD 軟件中，對(duì)于微小尺寸的管道流，通過調(diào)整管道壁面的粗糙系數(shù)和顆粒粗糙高度兩個(gè)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)摩擦力的模擬。然而，在高速遠(yuǎn)程滑坡碎屑流模型中，滑坡底滑面（下墊面）上的抗剪強(qiáng)度（摩擦阻力），若僅采用系統(tǒng)中默認(rèn)的壁面粗糙系數(shù)和顆粒粗糙高度兩個(gè)參數(shù)來定義，則其模擬效果很不理想。大尺度的滑坡碎屑流模擬中，經(jīng)過大量反算發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)參數(shù)模擬滑坡碎屑流在底滑面上受到的抗剪強(qiáng)度時(shí)，對(duì)滑坡碎屑流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦阻力效果可以忽略不計(jì)。故本文考慮采用其他的流變準(zhǔn)則，通過軟件自帶的用戶自定義接口來定義滑坡碎屑流在底滑面上受到的抗剪強(qiáng)度。

根據(jù)牛圈溝滑坡的運(yùn)動(dòng)特征，通過對(duì)Hungr[30-31]提出的兩個(gè)流變準(zhǔn)則（摩擦準(zhǔn)則和Voellmy 準(zhǔn)則）的抗剪強(qiáng)度表達(dá)式進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)在采用Voellmy準(zhǔn)則作為滑坡運(yùn)動(dòng)過程中的抗剪強(qiáng)度時(shí)，能夠更好地模擬出牛圈溝滑坡運(yùn)動(dòng)過程中的速度大小變化以及碎屑流堆積區(qū)最后的堆積形態(tài)。Voellmy 準(zhǔn)則的抗剪強(qiáng)度表達(dá)式為

式中：τ為滑體底部的抗剪強(qiáng)度；σ為垂直于滑動(dòng)路徑方向的總應(yīng)力；f為摩擦系數(shù)；ρ為滑坡物質(zhì)的密度；g為重力加速度；v為滑體的平均速度；ξ為滑體的湍流系數(shù)（其值為謝齊系數(shù)的平方）。

Voellmy 準(zhǔn)則是將滑坡運(yùn)動(dòng)過程中每一時(shí)刻的摩擦阻力簡化成通過摩擦系數(shù)和湍流系數(shù)這兩個(gè)參數(shù)來定義。準(zhǔn)則中f 與ξ 兩個(gè)待定的參數(shù)值的確定，基于Mika 等[36]得出的參數(shù)取值范圍；對(duì)于高速遠(yuǎn)程滑坡（rock avalanche），f 的取值范圍是0.03～0.24，ξ 的取值范圍是100～1 000 m/s2。本文通過大量反算，最終確定出其兩個(gè)參數(shù)的取值分別為摩擦系數(shù)f=0.2、湍流系數(shù)ξ=260 m/s2。

3.4 模型計(jì)算

計(jì)算模型采用適合碎屑流和空氣相互作用的VOF(volume of fluid)二相流模型，幾何模型為三維，近壁處理采用系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)壁面方程，鑒于滑坡碎屑流作為流體在運(yùn)動(dòng)過程中并非是相鄰層間流體有序的流動(dòng)，而是更接近于湍流中流動(dòng)不穩(wěn)定且速度等流動(dòng)特性都隨機(jī)而變化，故模型采用系統(tǒng)中常見的標(biāo)準(zhǔn)K-epsilon 湍流模型[25]。

計(jì)算收斂條件如表3 所示。CFD 軟件中默認(rèn)的收斂標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)計(jì)算過程中的所有曲線（包括連續(xù)性曲線、X 方向曲線、Y 方向曲線、紊流脈動(dòng)動(dòng)能K曲線、紊流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率epsilon 曲線），在每一個(gè)時(shí)間步長中的值都等于或小于10-3（即0.001）時(shí)即達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算所得到的解屬于有效解。

表3 計(jì)算收斂條件Table 3 Convergence conditions

4 模擬結(jié)果分析

4.1 滑體堆積體分布

模擬得到的滑坡碎屑流在不同時(shí)刻下的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和速度大小如圖4 所示。由圖可見，0 s時(shí)，牛圈溝滑坡滑體在啟動(dòng)瞬間，速度達(dá)到9 m/s，隨后迅速?zèng)_進(jìn)剪出口前部的蓮花心溝；9 s時(shí)，失穩(wěn)的滑體與對(duì)面山體發(fā)生撞擊，由于滑體兩側(cè)地形開闊，使得滑體的堆積面積較初始狀態(tài)有所增加，順著溝谷左側(cè)的山體向下游運(yùn)動(dòng)，隨著勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，碎屑流此時(shí)的最大速度達(dá)到49 m/s；18 s時(shí)，碎屑流與蓮花心溝左岸山體發(fā)生折射撞擊后，改變初始運(yùn)動(dòng)方向沿著蓮花心溝迅速向下游流動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)了45 s時(shí)，其前緣經(jīng)過與撞擊點(diǎn)2 處山體的碰撞轉(zhuǎn)折后，部分碎屑流翻越經(jīng)過彎道處的山體（這一現(xiàn)象在現(xiàn)場調(diào)查中也得以證實(shí)[35]），大部分碎屑流到達(dá)蓮花心溝溝口；46 s 后碎屑流開始進(jìn)入牛圈溝運(yùn)動(dòng)階段，受到蓮花心溝和牛圈溝之間一處陡坎的影響，碎屑流在重力作用下再次加速；54 s 前后，碎屑流與牛圈溝右側(cè)的山體發(fā)生了第3 次撞擊，再次改變了運(yùn)動(dòng)方向，部分碎屑流朝著牛圈溝上游方向向上運(yùn)動(dòng)，而大部分碎屑流向著牛圈溝下游方向運(yùn)動(dòng)，并與牛圈溝中的山體又發(fā)生了兩次碰撞，此后碎屑流速度受到強(qiáng)大的摩擦力而逐漸減??；在119 s時(shí)，碎屑流前緣運(yùn)動(dòng)趨于停止，而運(yùn)動(dòng)路徑上陡坎處尚有小部分碎屑物質(zhì)因?yàn)橹亓ψ饔眠€未完全停止運(yùn)動(dòng)，但速度較之前有明顯的降低，局部速度低于6 m/s。碎屑流運(yùn)動(dòng)距離從滑坡由滑源區(qū)啟動(dòng)到碎屑流堆積區(qū)停積，長達(dá)2.9 km。

圖4 碎屑流在不同時(shí)刻下的堆積形態(tài)和速度大小Fig.4 Deposit distributions and velocities of sliding mass in different times

模擬結(jié)果與滑坡實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中速度大小及碎屑流堆積區(qū)最后的堆積形態(tài)基本吻合[24,28]，如圖5中所示。圖中虛線勾勒出通過航拍照片解譯的牛圈溝滑坡整體影響和作用范圍，圖中顏色較深部分為三維數(shù)值模擬中，牛圈溝滑坡的最后堆積形態(tài)，由圖可見，碎屑流進(jìn)入牛圈溝以后，部分碎屑物質(zhì)明顯的向著牛圈溝上游方向運(yùn)動(dòng)，并形成一定厚度的堆積物；堆積形態(tài)中顏色較淺部分為碎屑流體積分?jǐn)?shù)（流體體積分?jǐn)?shù)：在流場中的每個(gè)網(wǎng)格，碎屑流流體的體積與網(wǎng)格實(shí)際體積的比值）為0.6～0.9 的區(qū)域，亦即顯示在滑源區(qū)下部及撞擊點(diǎn)2 的彎道處，受到地形及碎屑流運(yùn)動(dòng)的影響，這兩處出現(xiàn)較大的碎屑流跳躍拋灑區(qū)（碎屑物質(zhì)體積占60～90%，而空氣體積僅為10～40%）。通過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模擬中的堆積體形態(tài)與實(shí)際情況基本吻合，僅在牛圈溝主溝的中部其堆積形態(tài)稍微超出實(shí)際影響范圍。

同時(shí)也說明，前述模擬中所采用的摩擦系數(shù)f與湍流系數(shù)ξ 這兩個(gè)參數(shù)的具體取值，不僅符合Voellmy 準(zhǔn)則中參數(shù)選取的判定標(biāo)準(zhǔn)[31]，而且也證實(shí)該模型的建立與參數(shù)的選取能夠很好地模擬牛圈溝滑坡的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)行為。

圖5 牛圈溝滑坡實(shí)際測量范圍與數(shù)值模擬堆積形態(tài)對(duì)比Fig.5 Comparison between measured and computed of CFD Niujuangou avalanche deposit

為了得到碎屑流在運(yùn)動(dòng)及堆積過程中碎屑物質(zhì)厚度的分布特征，從而更好地分析滑坡運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，通過CFD 計(jì)算流體力學(xué)軟件的用戶自定義功能，用C 語言對(duì)CFD 軟件進(jìn)行二次開發(fā)，從而得到了不同時(shí)刻下牛圈溝滑坡碎屑流運(yùn)動(dòng)過程中碎屑物堆積厚度如圖6 所示。由圖可見，0 s時(shí)在滑體啟動(dòng)瞬間，最厚處為47 m 左右，隨著滑體碎屑流在蓮花心溝地運(yùn)動(dòng)，逐漸減??；48 s時(shí)，當(dāng)碎屑流進(jìn)入蓮花心溝，其厚度最大處位于碎屑流中部靠近前緣的地方，為41 m；119 s時(shí)，當(dāng)碎屑流基本處于停積階段，蓮花心溝段堆積厚度沿著碎屑流運(yùn)動(dòng)由上游向下游方向逐漸增大，在位于剪出口附近碎屑流堆積厚度為12 m 左右，而位于蓮花心溝彎道處的碎屑流厚度達(dá)到36 m 左右，此時(shí)牛圈溝段的堆積厚度則沿著碎屑流運(yùn)動(dòng)方向逐漸減小，在位于蓮花心溝和牛圈溝之間的陡坎處厚度為34 m，但滑體前緣處的堆積厚度僅為8 m。

圖6 不同時(shí)刻牛圈溝滑坡碎屑流堆積厚度示意圖Fig.6 Time series of flow/deposit depth distribution of the Niujuangou avalanche

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬中厚度分布的準(zhǔn)確性，沿碎屑流運(yùn)動(dòng)路徑上選擇了4 條不同位置的橫剖面，其分布位置如圖7 所示。

圖8為4 條不同位置的橫剖面上，數(shù)值模擬堆積厚度與現(xiàn)場實(shí)測碎屑流堆積厚度的對(duì)比圖。由于牛圈溝滑坡碎屑流路徑皆為V 字型溝谷，故橫剖面上堆積形態(tài)呈現(xiàn)出不同程度的V 字型形狀，即橫剖面上中部堆積厚度大于兩側(cè)的厚度。剖面I'-I'位于牛圈溝滑坡剪出口下方（如圖7 所示），數(shù)值模擬的堆積厚度比實(shí)測厚度在碎屑流堆積最厚處小4 m 左右；剖面II'-II'位于蓮花心溝中部，數(shù)值模擬的堆積厚度比實(shí)測厚度在碎屑流堆積最厚處小6 m 左右；剖面IV'-IV'位于進(jìn)入蓮花心溝彎道處，此處數(shù)值模擬的堆積厚度比實(shí)測厚度在碎屑流堆積最厚處大7 m 左右；剖面V'-V'位于蓮花心溝彎道處，此處數(shù)值模擬的堆積厚度比實(shí)測厚度在碎屑流堆積最厚處大9 m 左右。考慮到剖面I'-I'和II'-II'位置位于蓮花心溝中后部，堆積物形成后受到溝谷水流的沖刷裹攜作用程度較剖面IV'-IV'和V'-V'輕，坡度較緩，故剖面I'-I'和II'-II'的實(shí)測堆積厚度要大于數(shù)值模擬結(jié)果；與此相反，剖面IV'-IV'和V'-V'的實(shí)測堆積厚度要小于數(shù)值模擬結(jié)果。考慮到上述因素，可以認(rèn)為，數(shù)值模擬的堆積厚度與實(shí)測剖面堆積厚度基本吻合。

圖7 碎屑流運(yùn)動(dòng)路徑上縱剖面和橫剖面布置圖（單位：m）Fig.7 Longitudinal cross-section and cross-section on the moving path of Niujuangou avalanche(unit:m)

圖8 碎屑流運(yùn)動(dòng)路徑上不同橫剖面厚度形態(tài)（數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測對(duì)比）Fig.8 Thickness along several cross-sectional profiles.(The simulation results are presented for the 3D simulation against measured reconstruction)

圖9為牛圈溝滑坡縱剖面上碎屑流形態(tài)（厚度）分布示意圖（縱剖面線延伸如圖7 所示），為了能清楚地展示碎屑流在運(yùn)動(dòng)過程中縱剖面上的形態(tài)，特意選取4個(gè)不同時(shí)刻（0、27、54、119 s）并將這些時(shí)刻碎屑流堆積體厚度在縱向上比例放大了5倍。如圖所示，碎屑流啟動(dòng)瞬間（0 s）其后緣厚度相對(duì)前緣要大；隨著碎屑流的運(yùn)動(dòng)，27 s時(shí)和54 s時(shí)碎屑厚度較大處均出現(xiàn)在其中后部；在119 s時(shí)，隨著碎屑流運(yùn)動(dòng)的停積，縱剖面上的堆積體形態(tài)在蓮花心溝中碎屑流厚度較大處位于蓮花心溝下游處，而牛圈溝碎屑流堆積厚度最大處則靠近牛圈溝上游處，靠近蓮花心溝和牛圈溝之間的陡坎處。

圖9 牛圈溝滑坡碎屑流縱向堆積形態(tài)示意圖Fig.9 Debris profiles extracted along longitudinal direction of Niujuangou

4.2 滑體運(yùn)動(dòng)速度

圖10 所示為不同時(shí)刻下滑體內(nèi)部的速度分布，體現(xiàn)了滑坡運(yùn)動(dòng)的速度變化。顯而易見，每一時(shí)刻滑體內(nèi)部速度曲線（除t=50 s 曲線之外），從碎屑流的尾部到前鋒，均呈現(xiàn)出先增大再減小或先增大然后經(jīng)歷一次或多次增大、減小后再減小的過程，對(duì)比分析可知，滑坡碎屑流每一時(shí)刻的最大速度并非出現(xiàn)在滑體的最前端，而是出現(xiàn)在滑體中心靠近前緣的地方。結(jié)合圖4 可知，在0 s時(shí)，滑體啟動(dòng)瞬間其前緣速度最大，達(dá)到9 m/s；滑體在運(yùn)動(dòng)9 s 左右達(dá)到一個(gè)較大的速度49 m/s，此時(shí)滑體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為完全飛出剪出口，經(jīng)歷部分失穩(wěn)滑體勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的階段[27-28]；在27 s 左右碎屑流最大速度達(dá)到55 m/s，此時(shí)所有失穩(wěn)滑體勢能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，速度達(dá)到整個(gè)滑體運(yùn)動(dòng)過程中的最大值；隨著撞擊作用的進(jìn)行以及摩擦力對(duì)于動(dòng)量的消耗，滑坡碎屑流速度開始逐漸減??；48 s時(shí)，當(dāng)碎屑流與撞擊點(diǎn)2 彎道處的山體強(qiáng)烈撞擊以后，部分碎屑流翻越彎道處山體，其余大部分碎屑流順著彎道沖進(jìn)牛圈溝，受到地形呈現(xiàn)為一個(gè)急劇而下的巨大陡坎，前段的碎屑流飛出陡坎后，導(dǎo)致其前緣運(yùn)動(dòng)速度突然變大，并且大于其內(nèi)部中心靠近前緣處的速度，在50 s 左右時(shí)達(dá)到了49 m/s 的另一個(gè)峰值，這也解釋了圖中t=50 s時(shí)滑體內(nèi)部速度最大值出現(xiàn)在滑體前緣的原因；進(jìn)入牛圈溝以后，54 s 左右，當(dāng)碎屑流前緣與牛圈溝中右岸山體發(fā)生第3 次撞擊時(shí)，其前緣速度減小至26 m/s；隨后碎屑流又在牛圈溝中與山體發(fā)生了兩次折射撞擊，由于牛圈溝中溝谷較為寬闊，碎屑流底部摩擦面積較蓮花心溝中更大，碎屑流運(yùn)動(dòng)進(jìn)入了完全減速的狀態(tài)，速度不斷減小直至停止。

圖10 不同時(shí)刻滑體速度分布曲線圖Fig.10 Variations of rock avalanche velocities at different times

圖11 所示為每一時(shí)刻滑坡碎屑流前、后緣以及碎屑流內(nèi)部速度最大部位的速度變化曲線。碎屑流內(nèi)部最大速度隨著碎屑流自身運(yùn)動(dòng)及外部地形的變化而變化，其出現(xiàn)的空間位置也隨時(shí)間而異，模擬中通過不斷監(jiān)測其內(nèi)部每一時(shí)刻的速度而得到其最大速度及其相應(yīng)位置。從圖中時(shí)程曲線可以直觀地看出，滑坡碎屑流經(jīng)歷了一個(gè)加速-減速-再突然加速-減速-停積的這樣一個(gè)運(yùn)動(dòng)全過程，運(yùn)動(dòng)過程中碎屑流前緣的速度在16 s 和50 s時(shí)，兩次達(dá)到了峰值，分別為46 m/s 和49 m/s，而其后緣速度則在3 s和27 s時(shí)分別達(dá)到了8 m/s、7 m/s 的最大值。滑坡碎屑流內(nèi)部速度最大部位的速度則達(dá)到了3 次峰值，分別是14 s 左右的52 m/s、27 s 左右的55 m/s和50 s 左右的49 m/s；而由圖4 碎屑流運(yùn)動(dòng)速度分布圖可以看出，在蓮花心溝運(yùn)動(dòng)階段，滑坡碎屑流內(nèi)部的最大值出現(xiàn)在其靠近前緣的部位，而在滑坡碎屑流進(jìn)入牛圈溝后，由于在蓮花心溝和牛圈溝之間地形出現(xiàn)一處巨大陡坎，加上滑坡碎屑流完全進(jìn)入減速階段，故后期滑坡碎屑流最大速度一直出現(xiàn)在這一陡坎運(yùn)動(dòng)位置處，直到滑坡碎屑流運(yùn)動(dòng)完全靜止。在滑坡啟動(dòng)119 s 以后，滑坡碎屑流前緣速度趨于0，進(jìn)入停積狀態(tài)。

圖12為牛圈溝滑坡碎屑流在時(shí)間節(jié)點(diǎn)為48 s時(shí)的速度矢量圖。由圖可見，圖中顏色較深部分為碎屑流體積分?jǐn)?shù)為1 的區(qū)域，周圍其他顏色較淺的區(qū)域?yàn)轶w積分?jǐn)?shù)不為1 的碎屑流拋灑區(qū)范圍，圖中矢量箭頭代表碎屑流內(nèi)部各處的運(yùn)動(dòng)方向及速度大小。此時(shí)，正值碎屑流運(yùn)動(dòng)過程中與彎道處的山體發(fā)生強(qiáng)烈碰撞之后，如圖中箭頭所示，運(yùn)動(dòng)過程中，碎屑流左右兩側(cè)有向外拋灑的現(xiàn)象出現(xiàn)；同時(shí)小部分碎屑流受到彎道撞擊和離心作用，翻越彎道處的山脊，而大部分碎屑流則沿著彎道，發(fā)生了一次明顯的轉(zhuǎn)折，從兩溝之間的陡坎處傾流而下，向牛圈溝右岸方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)碎屑流最大速度達(dá)到43 m/s。

圖11 滑坡碎屑流速度與時(shí)間的關(guān)系Fig.11 Velocity variations of rock avalanche with time

圖12 牛圈溝滑坡碎屑流48 s時(shí)的速度矢量圖Fig.12 Instantaneous velocity vectogram with fully 3D features in 48 s of Niujuangou avalanche

4.3 超前沖擊氣浪速度

選擇碎屑流運(yùn)動(dòng)路徑全程的縱剖面和撞擊點(diǎn)2、3 位置的橫剖面（見圖7），分別對(duì)這幾個(gè)斷面上超前沖擊氣浪速度及其壓強(qiáng)進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖13為滑坡碎屑流運(yùn)動(dòng)全過程縱剖面上的速度分布云圖。由圖可見，該圖不僅體現(xiàn)了滑坡碎屑流的運(yùn)動(dòng)過程和速度，而且還包含了滑坡碎屑流產(chǎn)生的超前沖擊氣浪的速度大小和分布范圍?；滤樾剂鬏喞€（云圖中的實(shí)線）以外，為其產(chǎn)生的超前沖擊氣浪的速度云圖。由0 s時(shí)刻的云圖可知，滑坡啟動(dòng)瞬間，滑體作為剛體整體運(yùn)動(dòng)壓縮前方空氣，在其前方50 m 范圍內(nèi)形成了整片的沖擊氣浪，接近滑坡體前緣處的氣浪速度最大達(dá)到了5 m/s；9 s時(shí)，滑體還未完全碎屑化，仍然處于整體運(yùn)動(dòng)，其前方80 m 以內(nèi)的氣浪影響范圍，氣浪最高速度達(dá)到了25 m/s 左右。其后，滑體逐漸碎屑化，在逐漸解體演變成碎屑流運(yùn)動(dòng)的過程中，隨著滑坡碎屑流速度的變化，在其運(yùn)動(dòng)前、后方以及上方都產(chǎn)生了較強(qiáng)的氣浪；其中以碎屑流運(yùn)動(dòng)上方的氣浪最為明顯，原因在于碎屑流前端與空氣的接觸面積隨著滑體的碎屑化而逐漸減小，而與此同時(shí)，與空氣產(chǎn)生更多接觸的面則位于滑坡碎屑流的上方；這一特征在46 s 滑坡碎屑流前緣到達(dá)蓮花心溝溝口時(shí)和54 s滑坡碎屑流經(jīng)過跌坎處加速后進(jìn)入牛圈溝運(yùn)動(dòng)時(shí)最為明顯。54 s 以后，隨著滑坡碎屑流體動(dòng)量的損失，運(yùn)動(dòng)速度降低，超前沖擊氣浪的速度也隨之降低，氣浪影響范圍也隨之變小。

圖13 碎屑流全程運(yùn)動(dòng)速度分布云圖Fig.13 Nephograms of velocity distribution of rock avalanche

圖14 所示為滑坡碎屑流前方不同空間位置處超前沖擊氣浪的速度。從圖可見，距離滑坡碎屑流前緣位置越近，氣浪的速度越大；隨著滑坡碎屑流前緣的速度在16 s 和50 s 分別達(dá)到46 m/s 和49 m/s兩個(gè)峰值，其超前沖擊氣浪的速度亦相應(yīng)到達(dá)峰值，距離滑坡碎屑流前方50 m 處的氣浪速度峰值分別是15 m/s 和27 m/s；前方100 m 處的氣浪速度峰值分別是7.9 m/s 和8.3 m/s；隨著空間位置距離滑坡碎屑流前鋒越遠(yuǎn)，沖擊氣浪速度也逐漸減小。

圖14 滑體前緣不同位置氣浪速度Fig.14 Velocities of airblast at different locations away from the front edge

4.4 超前沖擊氣浪壓強(qiáng)

圖15為碎屑流運(yùn)動(dòng)全程縱剖面上的氣浪壓強(qiáng)分布云圖。圖中不僅顯示了滑坡碎屑流內(nèi)部自身的壓強(qiáng)，更包含了其產(chǎn)生的超前沖擊氣浪產(chǎn)生的壓強(qiáng)大小和分布范圍，圖中標(biāo)尺正值表示高出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓強(qiáng)值范圍，負(fù)值表示低于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓強(qiáng)值范圍。由圖可知，0 s時(shí)，滑坡啟動(dòng)瞬間，其前方0～40 m 產(chǎn)生了高達(dá)591 Pa 的正壓，40～90 m 處正壓也達(dá)到了495 Pa；而位于滑體中前部和后部的上方0～10 m 范圍內(nèi)，由于滑體的高速運(yùn)動(dòng)則產(chǎn)生了最大100 Pa 的負(fù)壓。9 s時(shí)，隨著碎屑流在山谷開闊地形的運(yùn)動(dòng)，其前方0～40 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生的正壓減小至554 Pa，40～95 m 處產(chǎn)生了489 Pa的正壓；100～130 m 處的正壓值為328 Pa；隨著此時(shí)速度達(dá)到了一個(gè)較大的峰值，碎屑流與空氣接觸的中部上方0～38 m 處產(chǎn)生了200 Pa 的負(fù)壓，中后部上方0～10 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生了最大400 Pa 的負(fù)壓。隨著滑體逐漸演化為碎屑流，碎屑流前方的氣浪壓強(qiáng)值開始逐漸減小，如18 s時(shí)，其前方0～30 m 處的最大正壓值減小至506 Pa，前方30～80 m 處的最大正壓值減小至468 Pa，200 m 附近的正壓值僅為152 Pa。46 s時(shí)，碎屑流前緣經(jīng)過與撞擊點(diǎn)2 處山體的強(qiáng)烈撞擊折射后，改變了運(yùn)動(dòng)方向，到達(dá)蓮花心溝溝口，因其運(yùn)動(dòng)路徑前方山體阻擋了其前方局部范圍內(nèi)的空氣耗散，導(dǎo)致其前方0～10 m 范圍內(nèi)的正壓最大值增大至536 Pa，10～120 m 范圍內(nèi)的正壓也高達(dá)497 Pa，120～300 m 處的正壓都還在275 Pa 以上。54 s時(shí)，碎屑流進(jìn)入牛圈溝運(yùn)動(dòng)階段，且此時(shí)碎屑流內(nèi)部速度最大的部分剛飛入牛圈溝內(nèi)，此時(shí)由云圖可知，在碎屑流的前端0～40 m處產(chǎn)生了441 Pa 的正壓，40～95 m 處正壓值為305 Pa；而在碎屑流前緣上方60 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生了200 Pa 的負(fù)壓；在陡坎處的碎屑流還處于加速飛行階段，其內(nèi)部產(chǎn)生了超過400 Pa 的負(fù)壓。正壓大小和分布范圍，與滑體呈整體運(yùn)動(dòng)時(shí)（9 s 左右）相比，受到在牛圈溝段碎屑流運(yùn)動(dòng)速度減小的影響，均有一定程度的降低；且產(chǎn)生負(fù)壓的空間范圍也逐漸由碎屑流尾部轉(zhuǎn)移到碎屑流的中部。由此說明，整體呈剛體高速運(yùn)動(dòng)的滑體，與空氣接觸面更大，壓縮空氣的行為更加明顯，產(chǎn)生的超前沖擊氣浪的壓強(qiáng)更大，范圍更廣。高速滑坡在運(yùn)動(dòng)過程產(chǎn)生的超前沖擊氣浪，與自然狀態(tài)下風(fēng)的形成原理相似，空氣的流動(dòng)（即風(fēng)）均是由壓強(qiáng)相對(duì)較高的地方向壓強(qiáng)相對(duì)較低的地方運(yùn)動(dòng)，因此，滑坡氣浪的破壞能力可參考不同風(fēng)級(jí)、風(fēng)速、風(fēng)壓下地面物體的表現(xiàn)特征[1]，而加以表征。由此可見，滑坡啟動(dòng)瞬間和9 s時(shí)產(chǎn)生的氣浪相當(dāng)于11 級(jí)暴風(fēng)，陸上少見，有則必有廣泛破壞。54 s時(shí)產(chǎn)生的氣浪相當(dāng)于10 級(jí)狂風(fēng)，可拔起樹木，損壞建筑物。

圖16 是多個(gè)不同的同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)下，碎屑流前方不同位置沖擊氣浪的壓強(qiáng)變化曲線。圖17 是碎屑流前方多個(gè)不同的同一位置處，不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，沖擊氣浪的壓強(qiáng)變化曲線。由圖16 可知，在滑坡啟動(dòng)瞬間（圖中t=0 s時(shí)），此刻正值滑體勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能之時(shí)，且滑體基本保持剛體形狀，其前方產(chǎn)生的超前沖擊氣浪壓強(qiáng)達(dá)到最大值，高達(dá)591 Pa。隨著滑體的碎屑化，滑坡體與其前方的空氣接觸面的面積減小，相應(yīng)產(chǎn)生的超前沖擊氣浪強(qiáng)度也逐漸減小。當(dāng)t=50 s時(shí)，碎屑流飛進(jìn)牛圈溝，碎屑流運(yùn)動(dòng)再次加速并強(qiáng)烈地壓縮其前方空氣，氣浪壓強(qiáng)值也瞬間增大至657 Pa；在此之后，碎屑流速度減小，壓縮作用降低，氣浪正壓值也隨之減小直至消失。

由圖17 可知，在滑體前方不同位置超前沖擊氣浪的強(qiáng)度隨著距滑體距離的增加，呈逐漸減小的趨勢。9 s時(shí)，距離碎屑流前緣50 m 和100 m 的曲線均達(dá)到各自的一個(gè)峰值，50 s時(shí)，所有曲線前方的正壓均突然陡增并迅速回落，符合此時(shí)碎屑流前緣由蓮花心溝沖進(jìn)牛圈溝，強(qiáng)烈壓縮其前方的空氣，造成的壓強(qiáng)陡然增大后，隨著牛圈溝中空氣的迅速逸散造成的壓力快速減小的變化規(guī)律。

圖18 所示為碎屑流前緣地面以上豎直方向的壓力變化曲線，由圖可知，隨著碎屑流前緣豎向高度的增大，壓強(qiáng)均趨向于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；其中50 s時(shí)，由于碎屑流沖入牛圈溝，在其前緣處豎向高度在0～100 m 范圍內(nèi)的氣浪壓強(qiáng)瞬間增大至657 Pa，后隨著豎向高度的增大，在高度315 m 處氣浪壓強(qiáng)出現(xiàn)10 Pa 的負(fù)壓。54 s時(shí)，受到碎屑流撞擊牛圈溝右側(cè)山體并向上爬升，在接近碎屑流前緣處地面以上豎向106 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)了值為70 Pa的負(fù)壓。

圖15 碎屑流全程運(yùn)動(dòng)氣浪壓強(qiáng)分布云圖Fig.15 Nephograms of airblast pressure distribution of rock avalanche

圖16 碎屑流前方不同位置沖擊氣浪的壓強(qiáng)變化Fig.16 Variations of airblast pressure away from the front edge

圖17 碎屑流前方不同時(shí)間沖擊氣浪的壓強(qiáng)變化Fig.17 Variations of airblast pressure at different locations away from the front edge

圖18 碎屑流前緣豎直方向氣浪壓強(qiáng)變化Fig.18 Variations of airblast pressure in vertical at the front edge

4.5 碎屑流前緣龍頭形態(tài)對(duì)氣浪壓強(qiáng)的影響

圖19、20 分別為滑坡碎屑流在蓮花心溝運(yùn)動(dòng)階段、牛圈溝運(yùn)動(dòng)階段，其前緣龍頭形態(tài)與其前方氣浪壓強(qiáng)變化的曲線。由圖可知，在碎屑流運(yùn)動(dòng)過程中，碎屑流前緣的形態(tài)（亦即龍頭高度h 和寬度w）在不斷地發(fā)生變化。起初，t=9 s時(shí)，滑體尚處于飛出剪切口的整體運(yùn)動(dòng)，其龍頭高度較小，僅為10 m，而寬度較大為93 m；隨著滑體的碎屑化以及進(jìn)入蓮花心溝后地形的變化，碎屑流前緣的高度先增大至21 m（t=18 s時(shí)），隨后不斷減小，與之對(duì)應(yīng)的碎屑流前緣的寬度則隨著溝谷的地形逐漸增大，由38 m增大至51 m（t=36 s時(shí)）。與此同時(shí)，受到碎屑流運(yùn)動(dòng)速度逐漸降低的影響，其前方氣浪的壓強(qiáng)值呈逐漸減小的趨勢，但減小的幅度較低，僅從9 s時(shí)的554 Pa 減小至36 s時(shí)的450 Pa；而氣浪的影響范圍亦隨著碎屑流龍頭高度的減小、寬度的增大，而從410 m 縮短至330 m。這一變化規(guī)律在碎屑流進(jìn)入牛圈溝運(yùn)動(dòng)階段時(shí)表現(xiàn)的尤為明顯，如圖20 所示，當(dāng)其前緣龍頭高度由15 m 降低至8 m時(shí)，其前方0～50 m范圍內(nèi)氣浪最大壓強(qiáng)由441 Pa 降低至25 Pa，相應(yīng)氣浪的影響范圍由290 m 縮短至150 m。究其原因在于進(jìn)入牛圈溝運(yùn)動(dòng)階段以后，碎屑流與溝谷橫斷面接觸面積變大，碎屑流受到更大的摩擦力，導(dǎo)致碎屑流速度大幅減小，再加上龍頭高度的持續(xù)下降，兩者疊加作用，導(dǎo)致了明顯的氣浪強(qiáng)度和影響范圍的減小。

圖19 蓮花心溝碎屑流前緣龍頭形態(tài)與超前沖擊氣浪壓強(qiáng)變化Fig.19 Variations of airblast pressure with the shape of the front edge in Lianhuaxingou

圖20 牛圈溝碎屑流前緣龍頭形態(tài)與超前氣浪壓強(qiáng)變化Fig.20 Variations of airblast pressure with the shape of the front edge in Nujuangou

4.6 地形條件對(duì)氣浪速度、壓強(qiáng)的影響

由圖1 可知，在碎屑流運(yùn)動(dòng)路徑上，碎屑流與兩側(cè)山體有5 次較大的碰撞轉(zhuǎn)折，其中碎屑流在撞擊點(diǎn)2、3時(shí)動(dòng)能較大，地形條件的變化對(duì)其自身速度及其產(chǎn)生的氣浪的速度和壓強(qiáng)影響也較為明顯。

4.6.1 撞擊點(diǎn)2 處碎屑流的速度及其產(chǎn)生的氣浪速度和壓強(qiáng)分析

由圖1 可知，撞擊點(diǎn)2 處于蓮花心溝下游，進(jìn)入牛圈溝的彎道中心處。圖21為碎屑流在撞擊點(diǎn)2前、后的縱剖面氣浪速度云圖，縱剖面線延伸如圖7 所示。34 s時(shí)，碎屑流即將進(jìn)入彎道，前緣速度為34 m/s，在其前方0～10 m 范圍內(nèi)的氣浪速度最大為31 m/s，接近碎屑流前緣的速度，10～30 m 范圍內(nèi)的氣浪速度最大值為18 m/s。42 s時(shí)，碎屑流在撞擊點(diǎn)2 處與彎道山體發(fā)生了強(qiáng)烈的撞擊，部分碎屑流出現(xiàn)了爬高現(xiàn)象，其前緣速度減小為22 m/s，其前方0～10 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生的氣浪最大速度也減小為18 m/s，10～30 m 范圍內(nèi)的氣浪速度減小為14 m/s。48 s時(shí)，碎屑流翻過彎道處的山體向斜坡下方運(yùn)動(dòng)，在重力作用下，其前緣速度突然增大至45 m/s，強(qiáng)烈擠壓前方空氣，其前方0～50 m 范圍內(nèi)的氣浪速度增大為42 m/s，50～75 m 范圍內(nèi)增大為25 m/s。

圖22為碎屑流在撞擊點(diǎn)2 前、后的縱剖面氣浪壓強(qiáng)云圖。由圖可知，34 s時(shí)，碎屑流強(qiáng)烈擠壓彎道內(nèi)的空氣，在其前方0～60 m 產(chǎn)生了最高554 Pa的正壓，60～140 m 之間正壓也達(dá)到了375 Pa，彎道處山體迎風(fēng)面的壓強(qiáng)梯度變化較背風(fēng)面變化相當(dāng)明顯；42 s時(shí)，受到碎屑流爬高的影響，其前方0～80 m 范圍的正壓減小為484 Pa，80～100 m 范圍正壓為367 Pa；48 s時(shí)，碎屑流翻過彎道處的山體，再次擠壓其前方的空氣，其前方0～10 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生了高達(dá)631 Pa 的正壓，10～100 m 之間正壓也達(dá)到了491 Pa，在彎道處山體背風(fēng)面，翻過山體的碎屑流速度突然增大，部分碎屑流處于自由落體的失重狀態(tài)，在其內(nèi)部產(chǎn)生了超過400 Pa 的負(fù)壓。由此可見，當(dāng)碎屑流的速度增大時(shí)，其前方產(chǎn)生的超前沖擊氣浪的速度和壓強(qiáng)也隨之增大；并且前方突如其來的地形變化會(huì)使壓強(qiáng)分布出現(xiàn)較大的梯度變化，在局部出現(xiàn)陡然增大的正壓或突然出現(xiàn)的負(fù)壓。圖23是碎屑流在撞擊點(diǎn)2處碎屑流前方不同位置沖擊氣浪的壓強(qiáng)變化曲線。如圖所示，34 s時(shí)，碎屑流進(jìn)入撞擊點(diǎn)2 所在彎道，壓縮彎道內(nèi)的空氣，在其前端產(chǎn)生的氣浪壓強(qiáng)為554 Pa；38 s時(shí)，隨著碎屑流與彎道處山體之間空氣的消散，其前端壓強(qiáng)減小至484 Pa；42 s時(shí)，碎屑流爬山彎道處的山體，其前端壓強(qiáng)繼續(xù)減小至439 Pa；45 s時(shí)，碎屑流由翻越的山體上沖下，速度開始增大，此時(shí)其前端壓強(qiáng)增大為595 Pa；48 s時(shí)，碎屑流速度達(dá)到最大，由山體向下沖進(jìn)牛圈溝中，強(qiáng)烈壓縮其前方的空氣，在其前端的氣浪壓強(qiáng)陡增至631 Pa，這相當(dāng)于11級(jí)暴風(fēng)的壓力。

圖21 撞擊點(diǎn)2 處氣浪速度云圖Fig.21 Nephograms of airblast velocity distribution of rock avalanche at impact point 2

圖22 撞擊點(diǎn)2 處氣浪壓強(qiáng)云圖Fig.22 Nephograms of airblast pressure distribution of rock avalanche at impact point 2

圖23 撞擊點(diǎn)2 處碎屑流前方不同位置沖擊氣浪的壓強(qiáng)變化Fig.23 Variations of airblast pressure away from the front edge at impact point 2

圖24為撞擊點(diǎn)2彎道處不同時(shí)刻碎屑流壓強(qiáng)分布的橫截面圖，橫剖面線（III'-III'，IV'-IV'，V'-V'，VI'-VI'）延伸位置如圖7 所示。由圖可知，圖中顏色最深的是碎屑流內(nèi)部自身的壓強(qiáng)，同時(shí)也可以看作是此時(shí)碎屑流前緣的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。34 s時(shí)，碎屑流即將進(jìn)入彎道，其左側(cè)（彎道內(nèi)側(cè)）0～50 m、右側(cè)（彎道外側(cè)）0～80 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生了最大450 Pa的正壓，左側(cè)50～80 m、右側(cè)80～120 m 范圍內(nèi)正壓的最大值為355 Pa。38 s時(shí)，碎屑流進(jìn)入彎道，由于離心作用，出現(xiàn)了彎道超高，超高達(dá)到33 m，碎屑流此時(shí)緊貼彎道外側(cè)，在其左側(cè)0～70 m、右側(cè)0～80 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生了485 Pa 的正壓，其左側(cè)70～90 m、右側(cè)90～120 m處產(chǎn)生了367 Pa 的正壓。40 s時(shí)，碎屑流處于彎道中心，彎道超高尤其明顯，達(dá)到了51 m，同時(shí)受到溝谷兩側(cè)地形影響，壓強(qiáng)變化明顯，其左側(cè)0～70 m、右側(cè)0～40 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生了最高508 Pa 的正壓，其左側(cè)70～90 m、右側(cè)40～70 m 處產(chǎn)生了375 Pa 的正壓。42 s時(shí)，碎屑流在與山體發(fā)生撞擊后沖出彎道，超高降低至13 m，其左側(cè)0～80 m、右側(cè)0～80 m范圍內(nèi)產(chǎn)生了439 Pa的正壓，其左側(cè)80～110 m、右側(cè)80～110 m 處產(chǎn)生了329 Pa 的正壓。由此可見，經(jīng)歷了一次撞擊以后，碎屑流能量的損失導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)速度的降低也造成了其溝道兩側(cè)氣浪壓強(qiáng)的減小。

圖25為撞擊點(diǎn)2 位置，碎屑流前緣豎直方向氣浪壓強(qiáng)變化曲線。可見，34、38 和42 s時(shí)，滑坡碎屑流在靠近其前緣處隨著豎向方向高度的增大，壓強(qiáng)逐漸趨于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（1.013×105Pa），45 s時(shí)在其前緣地面上空365 m 處出現(xiàn)了6 Pa 的負(fù)壓，48 s時(shí)，因?yàn)樗樾剂魉俣鹊亩溉辉龃?，在其前緣處豎向高度110 m 處則出現(xiàn)了52 Pa 的負(fù)壓。

圖24 撞擊點(diǎn)2 處氣浪壓強(qiáng)橫截面變化云圖Fig.24 Cross-section of airblast pressure distribution of rock avalanche at impact point 2

圖25 撞擊點(diǎn)2 處碎屑流前緣豎直方向氣浪壓強(qiáng)變化Fig.25 Variations of airblast pressure in vertical at the front edge at impact point 2

4.6.2 撞擊點(diǎn)3 處碎屑流的速度及其產(chǎn)生的氣浪速度和壓強(qiáng)分析

由圖1 可知，撞擊點(diǎn)3 位于牛圈溝中正對(duì)蓮花心溝溝口的右側(cè)山體。大部分碎屑流從蓮花心溝沖出后，與其正對(duì)面的牛圈溝右側(cè)山體發(fā)生了第3 次碰撞。

圖26為碎屑流在撞擊點(diǎn)3 前、后的縱剖面氣浪速度云圖，縱剖面線延伸如圖7 所示。50 s時(shí)，碎屑流前緣由蓮花心溝沖進(jìn)牛圈溝，受到兩溝之間陡坎的影響，其前緣速度陡增至49 m/s，強(qiáng)烈的壓縮其前方的空氣，在其前方0～10 m 范圍內(nèi)的氣浪速度達(dá)到38 m/s。53 s時(shí)，碎屑流與牛圈溝的右側(cè)山體發(fā)生撞擊，其前緣速度降低至28 m/s，受到碎屑流與山體撞擊的影響，其前方0～10 m 范圍內(nèi)的氣浪速度降低至24 m/s，10～35 m 處的氣浪速度降低為18 m/s。57 s時(shí)，碎屑流沿著山體向上爬高，其前緣速度繼續(xù)降低至13 m/s，其前方0～35 m 范圍內(nèi)的氣浪速度也隨之降低至10 m/s，35～75 m 范圍內(nèi)的氣浪速度僅為7 m/s。

圖26 撞擊點(diǎn)3 處氣浪速度云圖Fig.26 Nephograms of airblast velocity distribution of rock avalanche at impact point 3

圖27為碎屑流在撞擊點(diǎn)3 前、后的縱剖面氣浪壓強(qiáng)云圖?？梢?，50 s時(shí)，隨著碎屑流高速?zèng)_進(jìn)牛圈溝，極其強(qiáng)烈的壓縮撞擊點(diǎn)3 處山體前方的空氣，在其前方0～50 m 內(nèi)產(chǎn)生了高達(dá)657 Pa 的正壓，50～80 m 處正壓也達(dá)到了507 Pa，而在陡坎處，由于碎屑流速度陡增在其內(nèi)部產(chǎn)生了超過400 Pa的負(fù)壓；53 s時(shí)，碎屑流撞擊牛圈溝右側(cè)山體，隨著撞擊產(chǎn)生的能量損失，以及碎屑流和撞擊山體之間空氣的耗散，其前方0～50 m 范圍內(nèi)的正壓減小至356 Pa，50～80 m 處正壓也減小到了269 Pa；57 s時(shí)，隨著碎屑流的爬高，其運(yùn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢能以及坡面上強(qiáng)大的摩擦力導(dǎo)致的能量損失，在其前方0～10 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生50 Pa 的負(fù)壓。由此可見，當(dāng)碎屑流前方出現(xiàn)較大的障壁時(shí)，其擠壓空氣的作用更加明顯，產(chǎn)生的超前沖擊氣浪壓強(qiáng)也會(huì)更加強(qiáng)烈，壓強(qiáng)梯度變化也更為明顯。

圖27 撞擊點(diǎn)3 處氣浪壓強(qiáng)云圖Fig.27 Nephograms of airblast pressure distribution of rock avalanche at impact point 3

圖28是碎屑流在撞擊點(diǎn)3處碎屑流前方不同位置沖擊氣浪的壓強(qiáng)變化曲線。50 s時(shí)，碎屑流前緣飛下陡坎，沖進(jìn)牛圈溝，其前端氣浪壓強(qiáng)為657 Pa；后隨著碎屑流與牛圈溝右側(cè)山體的撞擊，其前方氣浪迅速減小至53 s時(shí)的357 Pa，59 s時(shí)部分碎屑流向上爬坡停止，動(dòng)量消耗殆盡，在其前緣處產(chǎn)生了微弱的90 Pa 負(fù)壓。

圖29所示為撞擊點(diǎn)3處碎屑流前緣豎直方向的壓力變化曲線，50 s 和55 s時(shí)滑坡碎屑流在靠近其前緣處豎向方向上107 m 和213 m 處都出現(xiàn)了2 Pa的負(fù)壓并隨著高度的增加趨于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。57 s 和59 s時(shí)，在緊貼碎屑流前緣處分別出現(xiàn)了值為50 Pa和90 Pa 的負(fù)壓。

圖28 撞擊點(diǎn)3 處碎屑流前方不同位置沖擊氣浪的壓強(qiáng)變化Fig.28 Variations of airblast pressure away from the front edge at impact point 3

圖29 撞擊點(diǎn)3 處碎屑流前緣豎直方向氣浪壓強(qiáng)變化Fig.29 Variations of airblast pressure in vertical at the front edge at impact point 3

5 結(jié) 論

（1）牛圈溝高速遠(yuǎn)程滑坡碎屑流從啟動(dòng)到靜止總共歷時(shí)119 s；運(yùn)動(dòng)過程中，每一時(shí)刻的最大速度出現(xiàn)在滑體內(nèi)部靠近前緣的地方（50 s時(shí)除外，此時(shí)碎屑流前緣飛進(jìn)牛圈溝中，速度最大部位出現(xiàn)在前緣處）。其最大速度有3個(gè)峰值，分別是滑坡啟動(dòng)后14 s 左右的52 m/s，失穩(wěn)滑體勢能完全轉(zhuǎn)化為動(dòng)能時(shí)27 s 左右的55 m/s，以及滑坡碎屑流前緣部分飛進(jìn)牛圈溝時(shí)50 s 左右的49 m/s。

（2）牛圈溝高速遠(yuǎn)程滑坡產(chǎn)生的超前沖擊氣浪速度的最大值出現(xiàn)在50 s 左右，在距離碎屑流前緣10 m 范圍內(nèi)，其最大速度為38 m/s。氣浪速度大小與碎屑流本身的運(yùn)動(dòng)速度以及其前方的地形有很大關(guān)系，當(dāng)碎屑流前方出現(xiàn)較為高大的障壁時(shí)，高速運(yùn)動(dòng)的碎屑流強(qiáng)烈壓縮其前方因?yàn)檎媳诙鵁o法快速逸散的空氣，局部產(chǎn)生巨大的壓強(qiáng)區(qū)，從而在其前方形成速度較大的超前氣浪。且其前方距碎屑流前緣越遠(yuǎn)，氣浪速度越低。

（3）牛圈溝高速遠(yuǎn)程滑坡超前氣浪壓強(qiáng)的兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在其啟動(dòng)瞬間和碎屑流沖進(jìn)牛圈溝的瞬間。與之相對(duì)應(yīng)的這兩個(gè)時(shí)刻的碎屑流龍頭高度和碎屑流速度均處于較大值。前者（滑體尚呈剛體運(yùn)動(dòng)，龍頭高度30 m 左右為全運(yùn)動(dòng)階段最大值），在碎屑流前方0～40 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生了591 Pa 的正壓；后者（為碎屑流最大速度峰值之一）在其前方0～50 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生了657 Pa 的正壓。由此可知，滑體與空氣的接觸面積越大（即碎屑流前端龍頭高度越高），滑體速度越快，其壓縮空氣的行為更強(qiáng)大，產(chǎn)生的壓強(qiáng)也越大。

（4）滑體運(yùn)動(dòng)前方地形的突變對(duì)氣浪壓強(qiáng)的影響很大。在碎屑流高速運(yùn)動(dòng)的過程中，當(dāng)其前方一定范圍內(nèi)出現(xiàn)較為高大的障壁時(shí)（如撞擊點(diǎn)2 處），隨著碎屑流距離障壁越來越近，在其前方與障壁之間的空氣來不及逸散，壓強(qiáng)會(huì)突然增大，此時(shí)在碎屑流前方瞬間產(chǎn)生極為明顯的壓強(qiáng)梯度變化，巨大的壓力差導(dǎo)致對(duì)地面物體極大的破壞作用。當(dāng)碎屑流前方出現(xiàn)類似于蓮花心溝和牛圈溝之間地形突變的跌坎，或當(dāng)碎屑流因?yàn)閺澋莱叻綇澋捞幧郊箾_下山坡時(shí)，在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)其前緣位置也會(huì)因?yàn)橐远噶⑾侣涞倪\(yùn)動(dòng)方式強(qiáng)烈壓縮前方空氣而導(dǎo)致其前方壓強(qiáng)值局部出現(xiàn)陡增。

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