水下爆炸沖擊作用下混凝土閘壩的失效模式分析

朱祖國，王高輝，許 昌，蕭燕子

(1.長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢430010;2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430072;3.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州450003)

混凝土閘壩由于在防洪、發(fā)電、灌溉、航運(yùn)等綜合利用水資源方面可以發(fā)揮重要的作用，目前國內(nèi)各大流域均建有大量的閘壩。閘壩眾多是淮河流域的一大特點(diǎn)，截止2000年淮河流域修建的閘壩已達(dá)到1.1萬余座[1]。除工程本身屬于混凝土閘壩外，在興建的大型水庫中，重大水工建筑物均含有閘壩結(jié)構(gòu)物，如混凝土重力壩、拱壩壩身兼有溢流和泄洪作用，土石壩或堆石壩也將在岸邊布置泄洪閘或陡槽式溢洪道等工程，混凝土閘壩在水利樞紐中發(fā)揮巨大的作用;然而目前在設(shè)計(jì)混凝土閘壩時(shí)主要考慮自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、地震荷載、共振等常規(guī)荷載，在突發(fā)爆炸荷載作用下，混凝土閘壩結(jié)構(gòu)的安全性將面臨嚴(yán)重的威脅。因此，開展水下爆炸荷載作用下的混凝土閘壩失效模式分析，對提高結(jié)構(gòu)的抗爆安全性能具有重要的作用。

水下爆炸沖擊作用下的結(jié)構(gòu)失效是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，然而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值方法已成為研究結(jié)構(gòu)抗爆性能的一種重要手段。如徐俊祥等[2]研究了水下爆炸沖擊荷載作用下壩體的加速度響應(yīng)及位移時(shí)程變化特點(diǎn);Yu[3]采用ALE方法研究了混凝土重力壩水下接觸爆炸條件下的損傷破壞特征;張啟靈等[4－5]對高水位運(yùn)行下混凝土壩水下爆炸沖擊損傷發(fā)展及破壞模式進(jìn)行了研究;張社榮等[6－8]研究了混凝土重力壩在不同爆炸方式下的可能破壞模式及抗爆性能，并重點(diǎn)研究了水中爆炸沖擊荷載下大壩動態(tài)響應(yīng)、失效模式及抗爆性能，;Wang等[9]對水下爆炸荷載下混凝土重力壩的損傷預(yù)測模型進(jìn)行研究，研究了大壩上游水位及大壩高度對混凝土重力壩抗爆性能的影響[10];陸路等[11]對水下爆炸引起的混凝土壩危險(xiǎn)性進(jìn)行了估計(jì)。上述研究成果主要集中在混凝土重力壩，然而針對混凝土閘壩在水下爆炸荷載作用下的失效模式分析較少，有待進(jìn)一步研究。

文中通過建立混凝土閘壩廠房壩段水下爆炸全耦合模型，基于顯示動力程序LS－DYNA對水下爆炸沖擊荷載作用下閘壩廠房壩段的失效破壞過程進(jìn)行分析，研究炸藥在閘壩進(jìn)口段內(nèi)部和庫前水下爆炸對閘壩抗爆安全性能的影響。

1 高應(yīng)變率下的混凝土動態(tài)損傷本構(gòu)模型

混凝土是一種率相關(guān)的脆性材料，在爆炸高加載率下應(yīng)變率高達(dá) 10/s～103/s[12]，其強(qiáng)度將顯著提高。Holmquist等[13]在 Johnson－Cook模型的基礎(chǔ)上提出了可考慮爆炸沖擊荷載作用下混凝土的大變形、高應(yīng)變率及高壓下產(chǎn)生的損傷、破碎和斷裂等問題的混凝土動力損傷本構(gòu)模型(Holmquist Johnson Cook，HJC)，該模型如圖1所示。

圖1 高應(yīng)變率下的混凝土本構(gòu)模型

圖1(a)為HJC模型的等效強(qiáng)度模型，可表述為:

式中，σ*是標(biāo)準(zhǔn)化等效應(yīng)力;σ是實(shí)際等效應(yīng)力是靜態(tài)抗壓強(qiáng)度;P*=是標(biāo)準(zhǔn)化靜水壓力;P是實(shí)際靜水壓力是無量綱應(yīng)變率;˙ε是實(shí)際應(yīng)變率是參考應(yīng)變率;D(0≤D≤1)為損傷度;A、B、N、C為材料的強(qiáng)度參數(shù)。

圖1(b)為混凝土材料的損傷累積破壞模型，可以表示為:

式中:Δεp為等效塑性應(yīng)變增量;Δμp為塑性體積應(yīng)變增量為等效塑性應(yīng)變?yōu)樗苄泽w積應(yīng)變;為總塑性應(yīng)變，其表達(dá)式為=D1(P*+T*)D2式中，T為最大拉伸強(qiáng)度;D1和D2為損傷常數(shù)，T*為標(biāo)準(zhǔn)化最大拉伸強(qiáng)度。損傷常數(shù)Efmin=0.01為最小塑性應(yīng)變，且 D1(P*+T*)D2≥Efmin。

圖1(c)為 HJC模型的狀態(tài)方程，主要包括:(1)線彈性階段(OA)，滿足K=Pcrush/μcrush(Pcrush為壓垮的靜水壓力;μcrush為壓垮的體積應(yīng)變，K為體積彈性模量);(2)過渡階段(AB);(3)完全密實(shí)階段(BC)，滿足，式 中，ˉμ =(μ - μlock)/(1+ μlock)，K1、K2、K3為材料常數(shù)。

混凝土動態(tài)損傷本構(gòu)模型(亦即 HJC本構(gòu)模型)中相關(guān)參數(shù)[13]見表 1。

表1 HJC本構(gòu)模型的相關(guān)參數(shù)[13]

2 庫前水下爆炸沖擊荷載下混凝土閘壩抗爆性能分析

2.1 數(shù)值模型

國內(nèi)某工程樞紐由左、右岸擋水壩段、河床式廠房壩段、泄洪閘壩段等建筑物組成。上游正常蓄水位1 015.00 m，下游水位 986.92 m，壩頂長度 461.13 m，最大壩高72.8 m，混凝土閘壩廠房壩段的幾何示意圖如圖2所示。當(dāng)炸藥在庫前水下爆炸后，產(chǎn)生的爆炸沖擊荷載將直接作用于廠房壩段的進(jìn)口段，且爆炸沖擊荷載峰值衰減較快，結(jié)構(gòu)破壞往往在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，水下爆炸能量主要對進(jìn)口段造成破壞，進(jìn)口段后部發(fā)電廠房結(jié)構(gòu)受沖擊波荷載的直接作用強(qiáng)度較小。因此，本次主要取廠房壩段的進(jìn)口段為研究對象，暫不考慮發(fā)電廠房的破壞，計(jì)算區(qū)域如圖2所示。

圖2 混凝土閘壩廠房壩段剖面

為了研究水下爆炸沖擊波對大壩破壞的影響規(guī)律，模擬采用了集中裝藥一次引爆模式的簡化模型，主要包括:采用Euler網(wǎng)格模擬高能炸藥、庫水、空氣;采用Lagrange網(wǎng)格模擬大壩結(jié)構(gòu);大壩與庫水之間的交界面采用Lagrangian－Eulerian流固耦合算法[14]。根據(jù)圖2所示的計(jì)算區(qū)域，建立有限元計(jì)算模型如圖3所示，單元總數(shù)為428 544個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為456 100個(gè)，炸藥、庫水、空氣的材料模型及狀態(tài)方程參考文獻(xiàn)[15]。假定高能炸藥位于水下深度10 m，分別計(jì)算炸藥位于進(jìn)口段內(nèi)部和位于壩前10 m處兩種工況，炸藥用量為1 000 kg。為了研究水下爆炸沖擊荷載作用下混凝土閘壩的失效過程，考慮了混凝土斷裂失效(拉伸應(yīng)變值大于0.002)。在模型截?cái)噙吔缣幨┘訜o反射邊界條件;進(jìn)口段與廠房交接處采用法向約束，壩基底部施加全約束。

圖3 廠房壩段進(jìn)口段水下爆炸全耦合模型

2.2 炸藥在進(jìn)口段庫前爆炸

當(dāng)炸藥在庫前水下爆炸時(shí)，大壩的破壞模式如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)高能炸藥的用量為1 000 kg時(shí)，在庫前水下爆炸沖擊荷載作用下，首先在中墩上游面壩頭與直立面交接處產(chǎn)生開裂破壞;隨著沖擊波的傳播，該裂縫貫穿至中墩與胸墻交接處;在進(jìn)口段與廠房頂部交接處，由于廠房頂部提供支點(diǎn)，中墩、邊墩以及胸墻均在該高程貫穿貫穿性裂縫，主要為脆性開裂破壞;同時(shí)在閘墩與進(jìn)口段底板交接處，由于受到?jīng)_擊荷載作用，產(chǎn)生較大的剪切作用，在此處也產(chǎn)生剪切開裂破壞，且中墩的裂縫貫穿至流道頂板處。

2.3 炸藥在進(jìn)口段內(nèi)部爆炸

當(dāng)高能炸藥在進(jìn)口段內(nèi)部水域發(fā)生爆炸時(shí)，大壩的失效模式如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)高能炸藥的用量為1 000 kg時(shí)，在進(jìn)口段內(nèi)部水下爆炸沖擊荷載作用下，進(jìn)口段中墩由于離爆源較近，閘墩被壓垮震碎;隨著爆轟能量的傳播，由于中墩吸收了較大部分能量，側(cè)墩主要產(chǎn)生脆性破壞，在離爆源下部高程10 m左右處產(chǎn)生了貫穿上下游的開裂破壞;同時(shí)在胸墻與廠房交接處由于應(yīng)力集中，也出現(xiàn)了貫 穿性裂縫。

圖4 庫前水下爆炸沖擊荷載作用下的混凝土閘壩失效模式

由以上分析可知，當(dāng)炸藥在庫前水下淺水近場爆炸時(shí)，進(jìn)口段閘墩主要表現(xiàn)為脆性開裂破壞和剪切破壞，主要在中墩壩頭與上游直立面交接處產(chǎn)生貫穿至胸墻處的裂縫，并在廠房頂部高程處，中墩、邊墩及胸墻產(chǎn)生貫穿性裂縫，同時(shí)在閘墩與進(jìn)口段底板交接處也出現(xiàn)剪切開裂破壞;當(dāng)炸藥在進(jìn)口段內(nèi)部爆炸時(shí)，中墩將被震碎，且邊墩和胸墻均產(chǎn)生貫穿性裂縫。

3 結(jié)論

本文通過建立混凝土閘壩廠房壩段全耦合水下爆炸模型，分析了水下爆炸作用下閘壩進(jìn)口段的失效模式。主要得到以下結(jié)論:

(1)水下爆炸荷載由于其短持時(shí)、強(qiáng)峰值特性，對混凝土閘壩結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)應(yīng)給以關(guān)注;

(2)混凝土閘壩在水下爆炸沖擊荷載作用下將發(fā)生嚴(yán)重的破壞，當(dāng)炸藥在庫前水下淺水近場爆炸時(shí)，進(jìn)口段閘墩主要表現(xiàn)為脆性開裂破壞和剪切破壞;(3)當(dāng)炸藥在進(jìn)口段內(nèi)部爆炸時(shí)，中墩將被震碎，邊墩和胸墻均產(chǎn)生貫穿性裂縫，且比庫前水下爆炸破壞更加嚴(yán)重。

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