混凝土重力坝抗爆性能研究

论文摘要

随着坝工技术的发展，一大批100m300m级的高坝建设进入快速发展阶段，大坝由于其显著的政治经济效益无疑成为局部战争或恐怖袭击的重点对象，而大坝一旦失事，将给国家和人民带来巨大的灾难和损失，后果不堪设想。为了揭示突发性爆炸事故中大坝的损伤破坏机理及可能的破坏模式，本文从不同爆炸方式作用下的大坝抗爆性能；水下爆炸深度、爆心距、炸弹药量等因素对大坝动力响应和破坏模式影响；大坝高度、体型、库前水位对大坝抗爆性能的影响；水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝的抗爆措施等四方面，系统地研究了混凝土重力坝的抗爆性能，为大坝抗爆性能评估和防护设计提供基础。主要工作内容如下：（1）基于非线性有限元技术，以有限元显式动力分析程序LS-DYNA为平台，通过建立重力坝侵彻爆炸、水下爆炸、空中爆炸的全耦合模型，对不同爆炸方式下的大坝动态响应进行了全性能数值仿真，探讨了混凝土重力坝在不同爆炸方式下的可能破坏模式及抗爆性能，为大坝抗爆性能评估和防护设计提供基础。研究表明，水下爆炸冲击荷载作用下大坝的破坏效应较大，水下贴坝面爆炸时大坝破坏最严重；侵彻爆炸和空中爆炸的毁伤效应主要表现为坝体的局部破坏效应，而且侵彻爆炸呈现以爆炸作用为主侵彻作用为辅的破坏特征。（2）水下爆炸冲击荷载作用下的大坝动力响应及其破坏模式分析是评估坝工抗爆安全的关键问题。通过大量数值模拟试验，研究了影响混凝土重力坝动力响应及破坏模式的关键因素。研究表明，在水下爆炸冲击荷载作用下，大坝破坏模式不仅与坝体的自身动力特性有关，还取决于炸弹起爆时的水下深度、爆心距及炸弹药量；重力坝坝头是抗爆性能薄弱部位，大坝可能破坏模式为上游迎爆面的爆炸成坑破坏、坝顶及坝下游面的震塌破坏、坝头与上游直面交接处及下游折坡附近的脆性冲切破坏并出现贯穿性裂缝破坏。（3）在水下爆炸冲击荷载作用下，结构动力响应较之静态荷载和地震荷载作用下要复杂得多。以大坝的动力响应及破坏模式为指标，探讨了混凝土重力坝在水下爆炸冲击荷载作用下，大坝高度、体型以及库前水位对大坝抗爆性能的影响，为大坝抗爆性能评估和防护设计提供基础。研究结果表明：对于混凝土重力坝，随着大坝高度的增加，大坝的抗爆性能增强；库前水位对大坝的抗爆性能影响较大，通过降低库前水位可有效提高大坝的抗爆性能。（4）由于水下爆炸强冲击荷载作用，坝体将不可避免地产生开裂破坏。根据配筋前的大坝动力响应及破坏模式分析，设置了三种不同的配筋方案，研究了局部配置抗爆钢筋对大坝动态响应的影响，给出了配筋前后大坝开裂破坏范围及坝顶动位移响应。研究表明，在水下爆炸冲击荷载作用下，大坝产生易产生反弹现象，重力坝坝头是大坝抗爆薄弱部位，大坝破坏主要有压碎破坏、震塌破坏、脆性冲切破坏；采取配筋抗爆措施能够显著限制坝体裂缝的扩展与贯穿，减少坝体开裂破坏范围，有效地改善坝体的抗爆性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 爆炸理论研究现状
• 1.2.2 大坝抗爆研究现状
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第二章 大坝抗爆基本理论
• 2.1 炸药在不同介质中的爆炸过程
• 2.1.1 水下爆炸
• 2.1.2 空中爆炸
• 2.1.3 混凝土介质中爆炸
• 2.2 混凝土及坝基岩体的非线性动力本构模型
• 2.2.1 混凝土非线性动力损伤本构模型
• 2.2.2 坝基岩体非线性动力本构模型
• 2.3 材料模型及状态方程
• 2.3.1 炮轰产物的材料模型及状态方程
• 2.3.2 水的材料模型及状态方程
• 2.3.3 空气材料模型及状态方程
• 2.4 基于 LS-DYNA 的有限元计算理论
• 2.4.1 LS-DYNA 软件简介
• 2.4.2 控制方程
• 2.4.3 ALE 方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 不同爆炸方式下混凝土重力坝的抗爆性能
• 3.1 引言
• 3.2 大坝受袭的可能爆炸方式
• 3.3 全耦合模型建立
• 3.4 不同爆炸方式下混凝土重力坝抗爆特性分析
• 3.4.1 侵彻爆炸冲击荷载作用下的大坝抗爆特性
• 3.4.2 水下爆炸冲击荷载作用下的大坝抗爆特性
• 3.4.3 空中爆炸冲击荷载作用下的大坝抗爆特性
• 3.5 本章小结
• 第四章 水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝破坏模式分析
• 4.1 引言
• 4.2 水下爆炸全耦合模型的建立
• 4.3 全性能数值仿真实验设计
• 4.4 混凝土重力坝破坏模式分析
• 4.4.1 大坝破坏模式对炸弹起爆距离的敏感性分析
• 4.4.2 大坝破坏模式对炸弹起爆深度的敏感性分析
• 4.4.3 大坝破坏模式对炸弹药量的敏感性分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 水下爆炸冲击荷载下混凝土重力坝的抗爆性能
• 5.1 引言
• 5.2 全耦合模型建立
• 5.3 水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝抗爆性能分析
• 5.3.1 大坝高度对大坝抗爆性能的影响
• 5.3.2 库前水位对大坝抗爆性能的影响
• 5.3.3 大坝体型对大坝抗爆性能的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 混凝土重力坝抗爆措施研究
• 6.1 引言
• 6.2 钢筋混凝土的应变率效应
• 6.3 抗爆钢筋设计及全耦合模型建立
• 6.4 配筋后大坝动力响应及开裂破坏模式分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢