不同横缝状态影响下混凝土重力坝抗爆性能研究

张社荣,于 茂,2,王 超,王高辉

(1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072; 2.中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300222; 3.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉 430072)

不同横缝状态影响下混凝土重力坝抗爆性能研究

张社荣1,于 茂1,2,王 超1,王高辉3

(1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072; 2.中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300222; 3.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉 430072)

考虑混凝土重力坝横缝张开状态对大坝内冲击波传播的影响,基于FSI流固耦合数值分析方法模拟水下浅水爆炸冲击波的形成、传播及其与自由面、大坝结构之间的耦合相互作用过程,从混凝土重力坝的动态响应、渐进毁伤破坏过程及大坝损伤耗散能累积特性等方面,对比分析横缝状态对大坝综合抗爆性能的影响机制。结果表明,重力坝横缝张开范围对大坝抗爆性能有重要影响,且表现为加剧大坝动态响应、促进大坝混凝土毁伤破坏区域形成、增大坝体损伤耗能累积量的整体规律,明显削弱了大坝的抗爆性能。

混凝土重力坝;横缝;浅水爆炸;动态响应;毁伤特性;损伤耗散能

对于大体积混凝土坝结构,为了满足施工、沉降及温控等方面的要求,往往进行分块浇筑,并在坝块间设置浇筑缝或者诱导缝,造成大坝在运行期内往往是带缝工作的[1]。在运行期环境因素的激励作用下,坝间横缝大片区域会呈现张开状态,即坝段与坝段之间存在一定的空气间隙。在横缝张开状态下,坝体内部的冲击波在横缝处不能发生完全透射,导致坝体内部冲击波的传播规律复杂化,也必将坝体的动态抗爆力学性能产生一定的影响。

国内外学者在大坝横缝的动态变化过程及其对大坝力学行为特征影响等方面已经积累了较多的研究成果。在大坝抗震方面,Alembagheri等[2]考虑拱坝横缝接触非线性力学特性及不同横缝分布类型,对12条地震波激励条件下的大坝动态响应过程及损伤破坏规律进行了对比分析;张楚汉等[3]在高坝抗震安全关键问题的进展研究中也指出,大坝横缝非线性特性对强震作用下的大坝混凝土损伤发展、横缝张开度及整体安全性等有重要影响;冯帆等[4]研究了上游止水区域横缝未灌浆条件下的特高拱坝的力学性能;何婷等[5]结合监测资料,综合探讨了横缝对高拱坝力学特性的影响规律;樊启祥等[6]依托溪洛渡高拱坝工程,研究了高拱坝施工过程中的横缝开度的变化规律及控制方法;张社荣等[7]研究了自重及水压作用下横缝状态对孔口结构变形、开裂状态、应力分布及钢筋受力状态的力学行为的影响规律。从以上的研究成果可以看出,在实际结构性能分析中横缝是不可忽略的重要因素。由于边界面两边介质的物理属性不同,冲击波由一种介质传到另一介质中时将在边界面处反射形成稀疏波或压缩波,导致近边界爆炸下的荷载分布与冲击过程较自由场下发生较大变化。明付仁等[8]采用三维SPH (smoothed particle hydrodynamics)方法对水下爆炸冲击波传播过程及其与自由面的相互作用过程进行了分析。崔杰等[9]等研究表明,自由面截断效应对冲击波的传播过程影响明显。刘翠丹等[10]对界面处冲击波传播过程中压力及冲量特征进行了研究,论述了水底边界对冲击波传播过程也具有明显影响。杨莉等[11]分析了水底影响下冲击波传播规律及马赫反射现象。而在大坝抗爆性能分析中,尚未有学者对坝间横缝张开造成的坝体不连续特性影响下的大坝整体抗爆性能展开相关研究工作。

本文主要考虑坝间横缝张开状态对坝体内部冲击波传播规律的影响,基于FSI流固耦合数值分析方法模拟了水下浅水爆炸冲击波的形成、传播及其与自由面、大坝结构之间的耦合相互作用过程,从混凝土重力坝的动态响应、渐进毁伤过程及大坝损伤耗散能分布特性等方面,深入探讨及分析横缝状态对大坝综合抗爆性能的影响规律。

1 计 算 模 型

图1 浅水爆炸冲击高坝结构的计算模型Fig.1 Calculation model of the high dam with openings subjected to deep underwater explosion

以国内某200 m级高混凝土重力坝为研究对象,建立了其挡水坝段在浅水爆炸冲击荷载作用下的全耦合仿真分析模型,如图1所示。模型主要由重力坝坝体、基岩、库水、空气及TNT炸药等材料组成。大坝坝高为200.1 m,坝段宽30 m,库前水深193.6 m,取大坝中心截面为对称面。库水、空气及TNT炸药采用欧拉网格模拟,坝体、挡水闸门、泡沫铝夹芯板及基岩均采用拉格朗日网格模拟,两种网格之间采取流固耦合算法进行物理参数的传递及更新,从而实现爆炸冲击全过程的数值仿真。水下炸药装药量为1 000 kg,炸药爆心距(炸药中心到坝体上游直立面的距离)为10 m,炸药起爆深度(炸药中心到库水自由表面的距离)为10 m。图2为建立的坝体、基岩及库水的网格离散模型,为保证水体、孔口等重要区域的网格较为精细,网格最大尺寸不超过0.5 m[12],坝顶区域网格大小为0.3 m,计算模型单元总数为2 906 640个。基岩底部截断处施加全约束,模型对称面施加对称边界,并在基岩、库水、空气截断面处施加无反射边界条件。如图3所示,采用FSI流固耦合数值分析方法计算时,往往先通过实际空间相对位置识别欧拉网格有效区域,再根据重叠情况对欧拉网格及拉格朗日网格的边界分别进行处理与加载,两类网格之间的边界条件相互传递,从而形成一个耦合体系。

图2 浅水爆炸冲击高坝结构的离散模型Fig.2 Discrete model of the high dam with openings

图3 FSI耦合方法Fig.3 Fluid structure interaction method subjected to deep underwater explosion

2 材料及参数

2.1 大坝混凝土材料

选用RHT本构模型[13]描述高应变率加载下大坝混凝土的动态力学特性,采用P-α状态方程描述混凝土材料的体积压缩过程,同时考虑了混凝土材料的3个强度极限面:弹性极限面、破坏极限面以及残余强度面。具体材料参数见文献[14]。

2.2 基岩材料

坝基基岩的动态材料特性采用JH-2模型[15]来描述,并采用Principal-Stress受拉失效准则,主要参数取值为:密度ρ=2 630 kg/m3,弹性模量为50 GPa,泊松比为0.16,屈服应力为40 MPa,切线模量为12.50 MPa,抗拉强度为24 MPa,抗压强度为70 MPa。

2.3 高能炸药材料

高能炸药材料采用JWL状态方程描述了爆轰压力P和每单位体积内能e及相对体积V的关系:

(1)

式中:P——爆轰产物的压力,Pa;V——相对体积,即爆轰产物体积和炸药初始体积之比,m3;e——单位体积内能,e=5.999×109J/m3;a2,b2,R1,R2,ω——特征参数,各参数取值如下:a2=3.738×1011Pa,b2=3.747×1011Pa,R1=4.15,R2=0.9,ω=0.35。

2.4 空气及水等环境介质材料

空气采用理想气体状态方程:

(2)

式中:E2——比内能,J/kg;γ——绝热指数,取γ=1.4;ρ0——初始密度,取ρ0=1.225 kg/m3;ρ——密度,kg/m3。

当水为膨胀状态(μgt;0)时,其状态方程为

P=A1μ+A2μ2+A3μ3+(B0+B1μ)ρ0e2

(3)

当水为压缩状态(μlt;0)时,其状态方程为

P=T1μ+T2μ2+B0ρ0e2

(4)

式中:ρ0——初始密度,取ρ0=999 kg/m3;e2——材料内能,J;h——水的深度,m;g——重力加速度,m/s2;p0——大气压强,Pa;A1、A2、A3、B0、B1、、T1、T2为材料常数,各参数取值如下:A1=2.2×109Pa,A2=9.54×109Pa,A3=1.457×1010Pa,B0=0.28,B1=0.28,T1=2.2×109Pa,T2=0。

3 考虑横缝开合状态的坝体毁伤特性分析

如图4所示,为了对大坝横缝的开合状态影响下的高坝抗击水下爆炸冲击荷载作用的能力进行评估,拟定4种工况进行研究。

图4 不同横缝状态影响下大坝横缝处边界设置Fig.4 Boundary conditions of the dam contraction joints with different opening states

3.1 动态响应规律

图5 横缝不同张开范围下大坝顺河向速度响应过程对比Fig.5 Comparison of velocity responses of the dam with different opening areas in the contraction joints

图5展示了水下浅水爆炸冲击荷载作用下、横缝不同张开范围影响下大坝顺河向的速度响应过程对比情况。与横缝全部闭合情况相比,20 ms之前的测点速度变化基本相同,20 ms之后测点的速度变化出现较为明显的差别:坝顶顺河向速度的差值最大为0.5 m/s,主要出现在28 ms及38 ms;下游坝坡高程测点的顺河向速度差值最大为0.5 m/s,出现在23 ms。而坝踵区域的顺河向速度响应差异小于0.05 m/s,与横缝不张开计算条件相比:横缝上部张开1/3时,速度差异达到0.09 m/s,出现在126 ms;横缝上部张开2/3时,速度差异达到0.11 m/s,出现在126 ms;横缝全部张开时,速度差异达到0.10 m/s,出现在136 ms。由此可知,对于浅水爆炸冲击荷载作用下的高坝结构而言,大坝的速度响应较大区域主要集中在大坝上部的坝头区域,而横缝张开范围在坝头区域变化时,对坝体尤其是坝头的动态响应影响较大。

3.2 毁伤破坏特征

一般认为混凝土损伤达到0.75以上后出现宏观破坏,图6及图7分别展示了不同横缝状态下的大坝上部严重毁伤区域(损伤大于0.75)的渐进发展过程。受浅水爆炸冲击下,由于横缝上部张开1/3、横缝上部张开2/3及横缝全部张开3种条件下坝头区域的毁伤区域及毁伤程度均相同,因此仅给出其中一种计算情况下的坝头毁伤状态。

图6 横缝不张开条件下的大坝毁伤破坏过程Fig.6 Damage failure process of the dam with contraction joints in closing state

图7 横缝上部1/3张开条件下大坝毁伤破坏过程Fig.7 Damage failure process of the dam with 1/3 upper contraction joints in opening state

图8 不同横缝张开状态下大坝整体塑性耗散能累积过程Fig.8 Accumulation process of the overall damage dissipation energy in the dam in different contraction joint opening states

由图6和图7可以看出,在坝头区附近的坝间横缝张开条件下,浅水爆炸冲击作用对大坝坝头区域造成了严重的毁伤破坏。相比于坝间横缝不张开的状态,爆炸冲击波在坝体内部传播的初期(25 ms时),冲击波在横缝界面、坝头下游面均出现自由面反射而形成反射拉伸波,自由水面高程上的稀疏波拉伸破坏区(A区)也有明显加深加厚;坝头多个界面处形成的反射拉伸波在坝体内部叠加后形成较大的拉伸应力,导致坝头内部区域(B区)大面积出现受拉破坏,毁伤区域贯穿了整个坝头;25～200 ms时间段内,坝头下游折坡高程以下的冲切破坏区域(C区)逐步加深,并在200 ms时贯穿整个坝体,贯穿深度及损伤带的厚度均有明显的增大。

3.3 能量分布特征

考虑大坝横缝不同张开范围影响下,图8展示了挡水坝段受浅水爆炸冲击下的整体损伤耗散能的积累过程。因横缝张开后,自由面的反射卸载波致使附近混凝土大面积出现塑性损伤,并伴随损伤耗散能的积累,致使大坝整体的损伤耗散能有了明显的升高。同时由图5和图6可以发现,浅水爆炸主要对坝头区域的造成了严重的毁伤破坏,而3种横缝张开范围条件下,冲击波对坝体中部及下部的冲击作用较弱,而坝头部位的横缝均处于张开状态,因此造成大坝整体塑性损伤耗散能的积累基本一样。

4 结 论

a. 考虑不同横缝张开范围的影响,探究了不同横缝张开状态下水下爆炸冲击大坝的动态作用全过程,研究结果表明,受横缝张开影响,浅水爆炸冲击荷载作用下,自由水面高程、坝头内部区域大面积出现贯穿性毁伤破坏,坝头冲切破坏区域贯穿深度及毁伤区厚度明显增大,大坝的整体抗爆安全性明显降低。

b. 横缝上部张开1/3、横缝上部张开2/3及横缝全部张开3种条件下坝头区域的横缝卸载条件基本相似,导致坝头区域的毁伤状态相同。因此,在大坝的抗爆设计及安全评价中,如果坝体遭受浅水爆炸冲击,则应主要关注坝体上部区域的横缝开合状态。

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Effectofcontractionjointstateontheanti-knockperformanceofconcretegravitydam

ZHANGSherong1,YUMao1,2,WANGChao1,WANGGaohui3

(1.StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSimulationandSafety,TianjinUniversity,Tianjin300072，China;2.ChinaWaterResourcesBeifangInvestigation,DesignandResearchCo.Ltd.,Tianjin300222，China;3.StateKeyLaboratoryofWaterResourcesandHydropowerEngineeringScience,WuhanUniversity,Wuhan430072，China)

To identify the effect of contraction joint state on the anti-knock performance of concrete gravity dam, numerical simulations based on fluid-solid interaction (FSI) method are conducted, which simulates the formation and propagation of shock wave due to shallow underwater explosion, and its interaction with free surface and dam structure. Considering that the shock wave propagation is influenced by the opening states of the contraction joints in the dam, the impact of the latter on the anti-knock performance of the dam is hence investigated in three aspects, including dynamic response, gradual damage failure process and the accumulation of damage dissipation energy. The numerical results show that the anti-knock performance of the dam is significantly influenced by the opening area of the contraction joint, a larger opening area appears to yield enhanced dynamic response, wider damage area and larger accumulation of damage dissipation energy in the dam, thereby weakening the anti-knock performance of the dam.

concrete gravity dam; contraction joints; shallow underwater explosion; dynamic responses; damage characteristics; damage dissipation energy

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.06.006

2016-10-28

国家自然科学基金创新研究群体科学基金(51321065)；国家自然科学基金(51379141，51509182)

张社荣(1960—)，男，山东日照人，教授，博士，主要从事水工结构静动力安全评价研究。E-mail:tjuzsr@126.com

于茂，工程师。E-mail:yumao@tju.edu.cn

TV642.3

A

1000-1980(2017)06-0509-06