水下爆炸冲击作用下拱坝结构损毁模式的离心试验及数值模拟

Arch dams have thin bodies and are vulnerable to underwater explosion shock loading (UESL). One of the greatest challenges is to predict failure modes of arch dams subjected to UESL because it plays an important role in anti-explosion design and rehabilitation of arch dams. The aim of this research project is therefore to develop an understanding of failure modes of arch dams subjected to UESL. Both a centrifuge test and finite element simulation will be performed. We will focus on uncoupling behavior of adjacent monoliths of arch dams, and examine the significance of the behavior in (1) propagation of shock waves and (2) growth of structural damage in arch dams. We will then try and establish what brings about processes evolving from local damage to global failure of arch dams, and clarify the key influencing factors in the evolution. In the centrifuge test, we will assess the significance of the physical boundary, which reflects underwater shock waves and may substantially affect test results. We will adopt a new strategy for the numerical simulation of UESL. The propagation of an underwater explosion will not be considered until the shock wave reaches the upstream face of an arch dam. The test and simulation results will be compared with each other to ensure their reliability. This research will provide a new understanding of the centrifuge testing technique and extend our knowledge of transient dynamic characteristics of arch dams. It will serve as a base for future studies of underwater anti-explosion of dams. It will also provide a framework for anti-explosion design of arch dams and could help to establish an anti-explosion system.

拱坝坝体结构单薄，在水下爆炸冲击作用下较易损毁，预测其损毁模式对于提前制定相应的抗爆及抢险修复措施意义重大。本项目拟采用水下爆炸离心模拟这一试验新技术，辅以有限元数值模拟手段，阐明拱坝坝段分缝处的脱开-接触-错动的非线性力学行为，揭示其对坝体内冲击波传播及损伤发展的影响机制，认识坝体由局部损伤向宏观整体断裂破坏的演化规律，并给出关键控制因素，期望科学地解决极限状态下拱坝结构损毁模式的预测问题。离心物理模拟中重点澄清人为边界条件反射水下爆炸冲击波对试验结果的影响问题，数值模拟新思路选择忽略爆炸起始时刻至冲击波抵达坝面时刻之间有关炸药爆炸及传播的复杂物理过程，物理和数值模拟结果相互对比验证，以此保证其科学性。本项目研究可以推动常规离心模拟技术的发展，拓宽有关拱坝结构动力学的研究方向，给大坝的水下抗爆研究提供全新思路，有关成果可以为拱坝的抗爆设计及建立相应的防爆体系提供科学依据。

自911事件之后，大坝的反恐抗爆问题越来越受到世界各国大坝管理部门的重视。在各种潜在袭击方式中，水下爆炸由于其较好的隐蔽性已成为对大坝最主要的恐怖威胁。拱坝由于其相对单薄的结构体型，又成为各类坝型中最易损毁的一种。本项目采用数值模拟方法，主要研究水下爆炸冲击作用下拱坝结构的非线性动力响应，所采用数值模拟方法的可靠性得到了现场试验数据的验证。研究阐明了拱坝坝段分缝处的脱开-接触-错动的非线性力学行为及键槽工作状态的影响，计算结果表明分缝处的接触非线性除来源于坝段间张合现象外，也来源于键槽作用潜在的退化失效过程，键槽失效将使得各坝段运动相互更为独立，从而坝体具有更大柔性。研究给出了拱坝潜在的两种失效模式：①靠近爆源的坝段出现断裂破坏；②坝基混凝土的开裂。在阻尼比的常规取值范围内（<0.05），阻尼作用对拱坝抗爆响应的影响有限，在拱坝的抗爆计算中，忽略系统的阻尼影响是一种偏保守的方法，同时也不至得出过大的响应预测结果。相比于阻尼比，坝段之间的摩擦系数取值则对计算结果有较大影响，考虑到键槽在爆炸荷载作用下存在失效的可能性，坝段之间的摩擦系数取敏感范围的上限0.65是合适的。本研究在一定程度上推动了大坝水下抗爆现场试验技术的发展，拓宽了拱坝结构动力学的研究方向，给大坝水下抗爆损毁模式的预测提供了有效思路，为拱坝的抗爆设计及建立相应的防爆体系提供了科学依据。