水下爆炸对坝体的损伤机理和离心模型模拟技术研究

In this project, damage mechanism of large-scale hydraulic structures under explosion will be investigated systemically in order to minimize hazardous effect on hydraulic structures caused by explosive loadings, as well as to guide landslide dam blasting for risk mitigation and deconstruction for existing hydraulic buildings. Centrifuge experimental techniques provide laboratory simulation of cratering effects and will be used as the main research method. For simplicity, gravity dams and landslide dams will be taken as the main objectives. Fundamental theories in simulation, testing techniques, measurement technology and error control technology of explosion centrifuge tests will be improved. Formation laws of explosion crater in soil, explosion wave propagation laws in water and interactions on fluid-solid interface will be studied; underwater shock wave pressure formula will be rectified, in which the parameter determine methods will be proposed; a database of explosion craters will be programmed and a calculation handbook will be edited. The research will combine centrifugal model tests with numerical study on discontinuous deformation analysis method, dynamic response, damage mechanism and failure modes of gravity dams and landslide dams under shock wave, bubble pulse and water surface wave. Results of this project will provide experimental basis and theoretical support for gravity dam protection, engineering design, and blasting of landslide dams for breaching, which is of great theoretical value and practical significance for improving water conservancy structures protection and dammed lake draining.

为了减轻爆炸冲击引起的水工建筑物破坏性灾害，指导堰塞体爆破排险和既有水工建筑物拆除改建，本项目拟以离心模型试验为主要研究手段，以重力坝和堰塞体为主要工程研究对象，系统开展大型水工建筑物损伤破坏机制研究。完善应用离心机进行爆炸试验的模拟基础理论、试验技术、量测技术和误差控制技术；研究土中爆炸坑形成规律、水中爆炸波传播规律和流固界面的相互作用机理，修正水中爆炸冲击波压力公式，提出公式中参数的确定方法，编制爆炸坑数据库和计算手册；结合离心模型试验和非连续变形数值分析，研究冲击波、气泡脉冲和水面兴波作用下重力坝、堰塞体的动力响应、毁伤机理和破坏模式。本项目的研究成果将为重力坝防护设计和堰塞湖爆破泄流提供实验依据和理论支撑，对提高我国水利工程防护水平和堰塞湖险情处置水平具有重大的理论价值和现实意义。

水下爆炸是水工建筑或船舶等结构在生命周期内所能遭受的最极端载荷，水下爆炸对结构的毁伤作用关系着公共安全；而如果使用得当，水下爆炸也可以有效地用于围堰、堰塞湖等结构的拆除。本项目采用离心模型试验为主要研究手段，对中国水科院的离心机爆炸模拟试验装置进行改进，形成了离心模拟水下爆炸试验技术，为进一步工程应用奠定基础。基于该设备进行了一系列水下爆炸试验研究，给出了典型的试验结果处理方法以及试验系统误差的分析方法。开展水下爆炸载荷特性研究，基于量纲分析方法，得到影响冲击波和气泡脉动特性的关键物理量，并通过试验进行验证。离心模型试验得到的冲击波、气泡脉动经验公式与大当量试验结果非常接近，这进一步证实了离心机研究水下爆炸的适用性。研究冲击波、气泡脉冲对钢板、重力坝结构的动力响应、毁伤机理和破坏模式，并进行了数值模拟。基于能量的角度推导了考虑球面波效应的冲击因子，经过试验验证，其可以反映结构所受的冲击环境。本项目的研究成果将为重力坝防护设计和堰塞湖爆破泄流提供实验依据和理论支撑，对提高我国水利工程防护水平和堰塞湖险情处置水平具有重大的理论价值和现实意义。