CN112001631B - 评估水下接触爆炸荷载冲击下高拱坝安全状态的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种评估水下接触爆炸荷载冲击下高拱坝整体安全状态的方法，包括如下步骤：1)依据工程实际获取高拱坝的几何特征和材料参数，采用拉格朗日‑欧拉全耦合方法，建立目标部位发生水下接触爆炸时的高拱坝水下接触爆炸全耦合模型；2)基于步骤1建立的全耦合模型，利用AUTODYN软件进行数值计算获取高拱坝的毁伤空间分布特征；3)基于步骤2得到的目标部位发生水下接触爆炸对应的高拱坝毁伤空间分布特征，并结合毁伤部位坝体的性能特点，选取相应的指标判定高拱坝的局部爆炸毁伤状态；4)依据大坝可能的灾变演化模式，对高拱坝的整体安全状态进行评估。易于实现，可操作性强，适用于水下接触爆炸荷载冲击下高拱坝的整体安全评估。
Description
技术领域
本发明涉及高拱坝抗爆评估技术领域，尤其涉及一种评估水下接触爆炸荷 载冲击下高拱坝整体安全状态的方法。
背景技术
在爆炸荷载作用下水位高、库容大的高拱坝坝体一旦失事，不仅会影响工 农业的生产以重创国民经济，而且将会使下游产生巨大的财产损失和人员伤亡， 产生恶劣的政治影响。
目前，针对大坝在动力荷载作用下的安全评估方法研究，主要围绕大坝的 抗震安全评价开展的。大坝在地震荷载作用下的响应以整体为主，而水下接触 爆炸荷载作用下，大坝的毁伤破坏以局部为主，安全评价方法不同于抗震，尤 其对于结构性比较强的拱坝。拱坝遭遇水下接触爆炸荷载冲击后，会使爆心一 定范围内的坝体产生毁伤，即局部毁伤。当爆炸毁伤出现在拱端面、泄洪孔洞等关键部位时，将对高拱坝的性能和整体安全稳定带来显著影响。因此，亟需 一种水下接触爆炸荷载冲击下高拱坝整体安全状态的评估方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种可操作性强的评估水下接触爆炸荷载冲击下高拱 坝整体安全状态的方法，其技术方案如下：
评估水下接触爆炸荷载冲击下高拱坝整体安全状态的方法，包括如下步骤：
1)依据工程实际获取高拱坝的几何特征和材料参数，采用拉格朗日-欧拉 全耦合方法，建立目标部位发生水下接触爆炸时的高拱坝水下接触爆炸全耦合 模型；
2)基于步骤1建立的全耦合模型，利用AUTODYN软件进行数值计算获取高 拱坝的毁伤空间分布特征；
3)基于步骤2得到的目标部位发生水下接触爆炸对应的高拱坝毁伤空间分 布特征，并结合毁伤部位坝体的性能特点，选取相应的指标判定高拱坝的局部 爆炸毁伤状态；
4)依据大坝可能的灾变演化模式，对高拱坝的整体安全状态进行评估。
优选地，所述目标部位为：拱冠梁、泄洪表孔、泄洪深孔和坝肩。
优选地，所述目标部位为拱冠梁时；
在步骤3)中，局部爆炸毁伤状态是通过沿坝体厚度的贯穿程度来判定的；
在步骤4)中，高拱坝的整体安全状态是通过判断拱结构毁伤程度是否超过 高拱坝整体失效破坏所对应的临界值来评估的，所述临界值是以纵剖面发生爆 炸毁伤区域以上坝体的压应力逐渐增大至材料自身抗压强度计算的 优选地，所述目标部位为泄洪表孔时；
在步骤3)中，局部爆炸毁伤状态是通过泄洪表孔中墩的连续开裂长度来判 定的；
在步骤4)中，高拱坝的整体安全状态是通过泄洪表孔中墩的连续开裂长度 来评估的。
优选地，所述目标部位为泄洪深孔时；
在步骤3)中，局部爆炸毁伤状态是通过泄洪中孔的贯穿毁伤程度来判定的；
在步骤4)中，高拱坝的整体安全状态是通过泄洪中孔的贯穿毁伤程度来评 估的。
优选地，所述目标部位为坝肩时；
在步骤3)中，局部爆炸毁伤状态是通过邻近拱端面的损伤面积占比来评估 的；
在步骤4)中，高拱坝的整体安全状态是在分析各拱圈抗滑稳定安全系数的 基础上分析高拱坝整体的抗滑稳定来评估的。
优选地，所述高拱坝的几何特征和材料参数包括拱坝的最大坝高、坝体厚 度、泄洪孔洞位置以及尺寸、大坝混凝土分区。
优选地，所述水下接触爆炸全耦合模型是由：库水、空气及炸药采用欧拉 网格建模，大坝及基岩采用拉格朗日网格建模，库水和坝基间采用拉格朗日-欧 拉全耦合法建模。
优选地，在步骤2)中，所述数值计算采用拉格朗日-欧拉全耦合方法。
本发明的有益效果：
易于实现，可操作性强，适用于水下接触爆炸荷载冲击下高拱坝的整体安 全评估。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是水下接触爆炸时高拱坝的全耦合数值模型；
图示中：2.1-无反射边界和法向约束，2.2-库水，2.3-无反射边界，2.4- 坝体，2.5-地基，2.6-法向约束，2.7-固定边界；
图3是水下接触爆炸荷载作用位置示意图；
图示中：3.1-泄洪表孔水下接触爆炸位置，3.2-拱冠梁水下接触爆炸位置， 3.3-坝肩水下接触爆炸位置，3.4-泄洪深孔水下接触爆炸位置；
图4是进行拱冠梁处水下接触爆炸时高拱坝的坝体毁伤破坏图；
图示中：4.1-压缩毁伤，4.2-上游面，4.3-下游面，4.4-拉压毁伤，4.5- 纵剖面，4.6-冲切毁伤；
图5是进行泄洪表孔处水下接触爆炸时高拱坝的坝体毁伤破坏图；
图示中：5.1-上游坝面，5.2-下游坝面；
图6是进行泄洪深孔处水下接触爆炸时高拱坝的坝体毁伤破坏图；
图示中：6.1-孔洞进口，6.2-孔洞出口；
图7是进行拱坝坝肩处水下接触爆炸时高拱坝的坝体毁伤破坏图；
图示中：7.1-下游坝面，7.2-拱端面，7.3-上游坝面；
图8是进行高拱坝整体抗滑稳定分析时坝体区域的选择图；
图示中：8.1-损伤区域，8.2-稳定分析拱端。
具体实施方式
参见图1，示出了本实施例的评估水下接触爆炸荷载冲击下高拱坝整体安全 状态的方法，其具体步骤如下：
步骤1，依据工程实际获取高拱坝的几何特征和材料参数，几何特征和材料 参数主要包括最大坝高、坝体厚度、泄洪孔洞位置以及尺寸、大坝混凝土分区； 分别建立各目标部位发生水下接触爆炸时的高拱坝水下接触爆炸全耦合模型， 高拱坝的目标部位主要包括高拱坝拱冠梁、泄洪表孔、泄洪深孔以及坝肩位置。
步骤2，基于步骤1获取的几何特征和材料参数，采用欧拉-拉格朗日全耦合 方法建立高拱坝拱冠梁的水下接触爆炸全耦合模型，其中空气、库水和TNT炸药 采用欧拉网格建模，基岩和大坝则采用拉格朗日网格进行建模，库水和坝基之 间采用拉格朗日-欧拉全耦合法进行建模，然后利用显式非线性动力分析软件 AUTODYN进行数值计算，得高拱坝拱冠梁毁伤的空间分布特征，并计算高拱坝拱 冠梁的局部毁伤程度值D。
步骤3，基于步骤1获取的几何特征和材料参数，采用欧拉-拉格朗日全耦合 方法建立高拱坝泄洪表孔的水下接触爆炸全耦合模型，建模和数值计算方法同步骤2所述一致，得高拱坝泄洪表孔中墩毁伤的空间分布特征，并计算高拱坝泄 洪表孔的局部毁伤程度值D1。
步骤4，基于步骤1获取的几何特征和材料参数，采用欧拉-拉格朗日全耦合 方法建立高拱坝泄洪深孔的水下接触爆炸全耦合模型，建模和数值计算方法同 步骤2所述一致，得高拱坝泄洪深孔中墩毁伤的空间分布特征，并计算高拱坝泄 洪深孔的局部毁伤程度值D2。
步骤5，基于步骤1获取的几何特征和材料参数，采用欧拉-拉格朗日全耦合 方法建立高拱坝坝肩的水下接触爆炸全耦合模型，建模和数值计算方法同步骤2 所述一致，得高拱坝坝肩毁伤的空间分布特征，并计算高拱坝坝肩的局部毁伤 程度值D3。
步骤6，计算高拱坝遭受拱冠梁局部毁伤时高拱坝拱结构的毁伤程度值D,与 高拱坝整体失效破坏对应的临界值作比较，判断高拱坝的整体稳定性，其中：
高拱坝拱冠梁遭遇爆炸毁伤后，高拱坝拱冠梁局部毁伤程度D是通过拱冠梁 爆炸毁伤沿坝体厚度的贯穿程度来评估的，即D＝∑Li/H，其中∑Li是沿坝体厚 度方向的总毁伤长度，H是发生毁伤处高拱坝的总厚度；以及
高拱坝遭受拱冠梁局部毁伤时高拱坝拱结构毁伤程度KC＝Szf/Sz，其中Szf是 高拱坝纵剖面发生爆炸毁伤的面积，Sz是纵剖面发生爆炸毁伤最低高程以上的 总面积。
步骤7，判定高拱坝遭受泄洪表孔局部毁伤时高拱坝的泄洪表孔中墩的连续 开裂长度,通过泄洪表孔中墩的连续开裂长度来评估高拱坝的整体稳定性,其中：
高拱坝泄洪表孔遭遇爆炸毁伤后，高拱坝泄洪表孔毁伤程度D1是通过泄洪表 孔中墩的连续开裂长度来评估的，即其中∑Ln是第n 个泄洪表孔中墩的毁伤宽度，M1是第n个泄洪表孔中墩的总宽度，N是泄洪表孔中 墩总数。
步骤8，判定高拱坝遭受泄洪深孔局部毁伤时泄洪中孔的贯穿毁伤程度,通 过泄洪中孔的贯穿毁伤程度来评估高拱坝的整体稳定性,其中：
高拱坝泄洪深孔遭遇爆炸毁伤后，高拱坝泄洪深孔毁伤程度D2是通过泄洪中 孔的贯穿毁伤程度来评估的，即D2＝(U'+D')/H'，其中U'是泄洪深孔上游侧的毁 伤破坏深度，D'是泄洪深孔下游侧的毁伤破坏深度，H'是泄洪深孔沿河流向的 总厚度。
步骤9，计算坝肩遭受水下接触爆炸作用后拱圈i沿拱端面的抗滑稳定安全 系数，判断拱圈i是否满足抗滑稳定，若不满足，进一步计算抗滑失稳拱圈以 上坝体整体的抗滑稳定系数，判断坝体的整体稳定性，其中：
高拱坝坝肩遭遇爆炸毁伤后，高拱坝坝肩局部毁伤程度D3是通过邻近拱端面 的损伤面积占比来评估的，即其中Sf是高拱坝拱端面的损伤面 积，H3是高拱坝拱端面损伤区域以上的坝体高度，/>是高拱坝拱端面损伤区域以 上坝体拱端面的平均厚度；
高拱坝遭受坝肩局部毁伤下的整体安全状态评估，首先计算水下接触爆炸 作用后拱圈i沿拱端面的抗滑稳定安全系数Ki，
其中γ0是结构重要性系数；ψ为设计状况系数；C1和f1分别是拱端面的粘聚 力和摩擦系数；γd1是结构系数；γm1f和γm1c是材料性能分项系数；Ai,Failure是爆炸 荷载作用后第i层拱圈拱端面发生剪切损伤的面积；Ai是第i层拱圈拱端面的总 面积；Ti和Ni分别为第i层拱圈拱端面上的滑动力和法向力，单位GN。
若Ki＜1.0，即该拱圈i不满足抗滑稳定时，将该拱圈以上坝体看作一个整体， 然后计算出现抗滑失稳拱圈以上坝体整体的抗滑稳定系数K0,
以K0来评估遭受坝肩局部毁伤高拱坝的整体抗滑稳定性。
参见图2至图8，示出了在引入特点参数条件下评估水下接触爆炸荷载冲击 下高拱坝整体安全状态的方法，其具体步骤如下：
步骤1，依据工程实际得到某高拱坝的几何特征和材料参数：该高拱坝的最 大坝高305m，坝顶厚度13m，坝底厚度58m，正常蓄水位300m，4个泄洪表孔位于高程290m处，尺寸为11.5m×10.0m，相邻表孔之间中墩的厚度8.7m，5个泄洪深 孔位于坝体中部高程210m处，尺寸为5.0m×6.0m，相邻深孔之间中墩的厚度20m；
步骤2，水下接触爆炸数值模拟采用TNT炸药，炸药当量取550kg；
步骤3，依据步骤1获得的几何特征和材料参数，构建拱坝拱冠梁的水下接 触爆炸全耦合模型，综合考虑爆炸位置高程上部的水库库容尽量大和水深对炸 药性能和起爆的限制作用，设定水下起爆深度为40m，全耦合模型和炸药位置分 别见图2、图3；基于水下接触爆炸全耦合模型进行数值计算得到拱坝拱冠梁的 毁伤空间分布特征，见图4，毁伤厚度为5.34m，高拱坝拱冠梁的局部毁伤程度 值D为0.18；
步骤4，依据步骤1获得的几何特征和材料参数，构建拱坝泄洪表孔的水下 接触爆炸全耦合模型，全耦合模型和炸药位置分别见图2、图3；基于水下接触 爆炸全耦合模型进行数值计算得到拱坝泄洪表孔的毁伤空间分布特征，见图5， 泄洪表孔中墩的连续开裂长度为20.52m，高拱坝泄洪表孔局部毁伤程度值D1为 0.79；
步骤5，依据步骤1获得的几何特征和材料参数，构建拱坝泄洪深孔的水下 接触爆炸全耦合模型，全耦合模型和炸药位置分别见图2、图3；基于水下爆炸 全耦合模型进行数值计算得到拱坝泄洪深孔的毁伤空间分布特征，见图6，泄洪 深孔上下游侧毁伤破坏总深度为67.36m，高拱坝泄洪深孔局部毁伤程度值D2为 0.77；
步骤6，依据步骤1获得的几何特征和材料参数，构建拱坝坝肩的水下接触 爆炸全耦合模型，全耦合模型和炸药位置分别见图2、图3；基于水下接触爆炸 全耦合模型进行数值计算得到拱坝坝肩的毁伤空间分布特征，见图7，高拱坝坝 肩局部毁伤程度值D3为0.66；
步骤7，当拱冠梁处遭受550kg炸药接触爆炸作用后，高拱坝纵剖面发生爆 炸毁伤的面积为81m2，纵剖面发生爆炸毁伤最低高程以上的总面积为1194m2，高 拱坝拱结构的毁伤程度值KC为81/1194＝0.07<0.20，不影响高拱坝的整体安全；
步骤8，当坝肩遭受550kg炸药接触爆炸作用后，从坝段高度165m～305m每隔 10m记为一个分析坝段，见图8，14个拱圈中共有11个拱圈的抗滑稳定安全系数 值降低，其中5个拱圈的抗滑稳定安全系数小于1.0，且有3个拱圈完全失去抗滑 能力，其拱圈高度分别为195～205m、205～215m、225～235m；将失稳拱圈以上 坝体视为一个整体，计算得整体抗滑稳定系数K0为0.76<1.0，即高拱坝整体发 生滑动失稳。
以上仅就本发明应用较佳的实例做出了说明，但不能理解为是对权利要求 的限制，本发明的结构可以有其他变化，不局限于上述结构。总之，凡在本发 明的独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在发明的保护范围内。
Claims (5)
1.评估水下接触爆炸荷载冲击下高拱坝整体安全状态的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)依据工程实际获取高拱坝的几何特征和材料参数，所述高拱坝的几何特征和材料参数包括拱坝的最大坝高、坝体厚度、泄洪孔洞位置以及尺寸、大坝混凝土分区；采用拉格朗日-欧拉全耦合方法，建立目标部位发生水下接触爆炸时的高拱坝水下接触爆炸全耦合模型；
2)基于步骤1建立的全耦合模型，利用AUTODYN软件进行数值计算获取高拱坝的毁伤空间分布特征；
3)基于步骤2得到的目标部位发生水下接触爆炸对应的高拱坝毁伤空间分布特征，并结合毁伤部位坝体的性能特点，选取相应的指标判定高拱坝的局部爆炸毁伤状态；
所述目标部位为拱冠梁时，局部爆炸毁伤状态是通过沿坝体厚度的贯穿程度D来判定的：
D＝∑Li/H
其中：∑Li是沿坝体厚度方向的总毁伤长度，H是发生毁伤处高拱坝的总厚度；
所述目标部位为泄洪表孔时；局部爆炸毁伤状态是通过泄洪表孔中墩的连续开裂长度来判定的；
所述目标部位为泄洪深孔时；局部爆炸毁伤状态是通过泄洪中孔的贯穿毁伤程度来判定的；
4)依据大坝可能的灾变演化模式，对高拱坝的整体安全状态进行评估；
所述目标部位为拱冠梁时，高拱坝拱结构毁伤程度KC＝SZf/SZ，
其中SZf是高拱坝纵剖面发生爆炸毁伤的面积，SZ是纵剖面发生爆炸毁伤最低高程以上的总面积；
所述目标部位为泄洪表孔时，高拱坝的整体安全状态是通过泄洪表孔中墩的连续开裂长度来评估的；
所述目标部位为泄洪深孔时，高拱坝的整体安全状态是通过泄洪中孔的贯穿毁伤程度来评估的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标部位为：拱冠梁、泄洪表孔、泄洪深孔和坝肩。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述目标部位为坝肩时；
在步骤3)中，局部爆炸毁伤状态是通过邻近拱端面的损伤面积占比来评估的；
在步骤4)中，高拱坝的整体安全状态是在分析各拱圈抗滑稳定安全系数的基础上分析高拱坝整体的抗滑稳定来评估。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述水下接触爆炸全耦合模型是由：库水、空气及炸药采用欧拉网格建模，大坝及基岩采用拉格朗日网格建模，库水和坝基间采用拉格朗日-欧拉全耦合法建模。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤2)中，所述数值计算采用拉格朗日-欧拉全耦合方法。
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2020
- 2020-08-24 CN CN202010858424.7A patent/CN112001631B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112001631A (zh) | 2020-11-27 |
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