大型水電站高壩孔口結(jié)構(gòu)力學(xué)行為及抗爆性能研究.pdf

1、近年來，恐怖襲擊和意外爆炸事件時(shí)有發(fā)生，水庫大壩作為水利樞紐工程的重要組成部分，工程效益顯著，一旦失事，將產(chǎn)生災(zāi)害性影響，是敵襲的主要目標(biāo)。隨著混凝土施工技術(shù)的日益發(fā)展，我國一大批200m級及以上的高混凝土重力壩正處于建設(shè)期，這些工程效益顯著，政治意義重大?？紤]大壩失事后的重大災(zāi)難與巨大損失，針對高混凝土壩的抗爆安全問題日益突出。
　　高壩孔口結(jié)構(gòu)作為壩身薄弱部位，常成為受攻擊的重點(diǎn)部位。以大型水電站高壩及高壩孔口結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全為目

2、標(biāo)，客觀認(rèn)知及提升高壩孔口結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與抗爆性能，保證高混凝土壩在戰(zhàn)時(shí)依然能發(fā)揮效益，具有重要的國家安全意義。本文主要工作為分析高壩孔口結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與破壞特性、揭示高壩大庫水下爆炸沖擊荷載作用規(guī)律及高壩動態(tài)毀傷機(jī)理、提出適用有效的高壩孔口抗爆設(shè)防措施等。主要研究內(nèi)容和成果如下：
　?。?）采用考慮非局部平均的擴(kuò)展有限元方法、非線性接觸及開裂算法及時(shí)變黏彈性溫度—應(yīng)力耦合算法，多方面研究了高壩孔口在施工及運(yùn)行期內(nèi)在環(huán)境影響作用影響下

3、的結(jié)構(gòu)受力特性及破壞機(jī)理。
　　基于考慮非局部均化的擴(kuò)展有限元方法，就壩身孔口結(jié)構(gòu)所受不同類型荷載及其組合的作用效應(yīng)，探討了自重及水荷載對孔口開裂行為的影響規(guī)律；建立考慮不同橫縫初始間隙及其開合行為的高壩深孔分析模型，從“結(jié)構(gòu)變形、開裂狀態(tài)、應(yīng)力分布及實(shí)際配筋受力狀態(tài)”四方面，分析了橫縫初始狀態(tài)及其開合行為對孔口結(jié)構(gòu)變形特征、孔壁附近混凝土開裂范圍、混凝土應(yīng)力分布特征及鋼筋受力狀態(tài)等力學(xué)行為的影響；采用時(shí)變黏彈性熱—力耦合數(shù)值分析

4、方法，考慮了環(huán)境氣溫變化、環(huán)境水溫變化、混凝土彈模增長過程、混凝土水化熱、混凝土蠕變效應(yīng)、大壩施工澆筑過程、壩前庫水蓄水過程及溫控措施等因素的綜合影響，對溫度—蠕變效應(yīng)影響下的高壩孔口結(jié)構(gòu)施工—運(yùn)行過程的長期力學(xué)特性進(jìn)行了研究。
　?。?）采用FSI耦合分析方法建立了高壩大庫水下爆炸全耦合數(shù)值仿真模型，對水下爆炸的界面效應(yīng)、多界面綜合作用效應(yīng)進(jìn)行了對比分析，并研究了不同起爆深度下高壩及高壩孔口的動態(tài)響應(yīng)過程及毀傷特性。
　　

5、考慮炸藥起爆過程、沖擊波形成與傳播過程、沖擊波與邊界相互作用過程，研究了近自由面、近結(jié)構(gòu)面及近庫底界面影響下的沖擊波特性，并對比分析了水—空氣—混凝土、水—基巖—混凝土兩種組合界面條件下的沖擊波傳播與分布特性；建立了混凝土重力壩—庫水—空氣—地基—炸藥的全耦合分析模型，對比分析了壩前淺水爆炸、深水爆炸及近庫底爆炸三種典型起爆深度下的大壩動態(tài)響應(yīng)過程、毀傷模式及損傷耗散能累積情況，分析了不同起爆深度下的高壩抗爆性能；建立耦合壩體、孔口、閘

6、門、炸藥、庫水、空氣和壩基的分析模型，對比分析了水下爆炸沖擊下?lián)跛畨味闻c含孔口壩段的抗爆性能，并探討了孔口充水段長度對大壩抗爆性能的影響。
　?。?）考慮大壩施工—運(yùn)行期內(nèi)壩體裂縫及壩間橫縫造成的壩體內(nèi)介質(zhì)不連續(xù)性的影響，采用流固耦合數(shù)值分析方法，基于高壩工程實(shí)例，對不連續(xù)條件影響下的高壩及高壩孔口抗爆性能進(jìn)行了分析與評價(jià)。
　　分別建立空中爆炸沖擊RC板及含裂縫RC板的全耦合分析模型，結(jié)合RC板的現(xiàn)場試驗(yàn)成果，評價(jià)了裂縫因

7、素對RC板抗爆性能的影響；考慮大壩壩頭上游面含水平裂縫情況，綜合分析了淺水爆炸沖擊下的大壩動態(tài)響應(yīng)、毀傷特性及損傷耗散能累積情況，揭示出上游面水平裂縫對壩體抗爆性能的影響機(jī)制；考慮高壩孔口結(jié)構(gòu)擋水閘門前方或后方存在環(huán)向淺層裂縫的情況，綜合分析了深水爆炸沖擊下大壩動態(tài)響應(yīng)、毀傷狀態(tài)及能量消耗特性，揭示了孔口環(huán)向裂縫對大壩抗爆性能的不利影響；綜合分析了不同橫縫張開范圍條件下受淺水爆炸沖擊的大壩動態(tài)響應(yīng)、毀傷狀態(tài)及能量耗散特性，揭示了橫縫張開

8、因素對高壩抗爆性能的不利影響。
　?。?）以高混凝土壩的壩前抗爆設(shè)防為出發(fā)點(diǎn)，研究了空中及水下爆炸下泡沫鋁的削波減爆效應(yīng)、泡沫鋁夾芯板對RC板的抗爆防護(hù)效應(yīng)及泡沫鋁夾芯板局部防護(hù)下高壩抗爆性能等關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究。
　　采用解析法分析了沖擊波與平板、覆層材料、多孔材料的耦合作用過程、沖擊波傳播規(guī)律及平板動態(tài)響應(yīng)規(guī)律；建立了水下及空中爆炸沖擊泡沫鋁夾芯板的全耦合模型，對比分析了空中及水下爆炸下泡沫鋁夾芯板的削波減爆效果；對比分