水下接触爆炸条件下的高拱坝毁伤机理

Due to the very serious consequence of dam failure, the safety evaluation and protection of high dams subjected to explosion loadings is an important topic in the field of safe operation of the high dam hinge. When the high arch dam is attacked by the contact explosion loading, the safety of the dam will suffer a serious threat because of the very thinner body. To solve the antiknock safety problems of high concrete arch dam subjected to contact explosion, the shock wave propagation characteristics and the bubble pulsation processes are discussed, and the dynamic coupling mechanism of the water-explosion loading-dam systems is studied. A fully coupled model based on the SPH-FEM is presented including the explosion loading-dam-reservoir interaction. The damage mechanism, fracture propagation process and damage spatial distribution characteristics of high arch dam subjected to underwater contact explosion are revealed. The expected research results will provide a theoretical basis and technical support for the antiknock performance assessment and protective design of concrete dams, which is of great theoretical significance and engineering values.

高坝失事后果严重，爆炸荷载作用下高坝的抗爆安全评价及防护是高坝枢纽安全运行领域的重要研究课题；高拱坝由于坝体较薄，当坝体遭受炸弹命中等接触爆炸作用时，大坝安全性将面临严重威胁。本项目拟针对接触爆炸条件下高混凝土拱坝的抗爆安全问题，研究水下接触爆炸条件下的冲击波传播与爆轰产物水下膨胀运动过程、水-爆炸荷载-坝作用系统的多介质动态耦合作用机制，建立基于SPH-FEM的接触爆炸荷载与坝体和库水相互作用的全耦合模型，揭示水下接触爆炸条件下高拱坝的冲击损伤机制、冲击波和爆轰产物联合作用下的坝体破坏发展过程和坝体毁伤空间分布特征，为水下接触爆炸条件下高拱坝的毁伤效应评估提供理论基础和技术支撑，具有重要的理论意义和工程价值。

高拱坝由于坝身较薄，当坝体遭受来自恐怖袭击或局部战争的接触爆炸荷载作用时，大坝安全性将面临严重的威胁。因此，本项目针对水下接触爆炸条件下高拱坝的动态响应和破坏过程开展研究，主要研究内容包括水下接触爆炸条件下的多介质动态耦合作用机制、接触爆炸荷载与坝体和库水相互作用的全耦合模型、水下接触爆炸作用下高拱坝的毁伤机理及特性。. 取得的研究成果主要包括：（1）构建了近自由面和近结构面的水下接触爆炸全耦合模型，该模型可有效捕捉近边界面水下爆炸的不稳定气穴效应，探讨了空气隔层对水下爆炸冲击波的缓冲效应，揭示了空气隔层的运动发展过程；（2）通过以“炸药半径与网格尺寸之比”作为网格尺寸划分依据，提出了一种适用于不同爆炸当量环境的网格尺寸确定方法，建议的网格尺寸取炸药半径的1/3~1/6，克服了传统建模方法难于建立高坝作用系统大型精细爆炸模型的局限；（3）水下接触爆炸荷载作用下，高拱坝上游坝面在爆轰产物及高温高压冲击波荷载直接作用下出现爆炸压缩漏斗坑破坏，随后爆坑周围出现裂缝并向坝体内部拓展，坝体下游面受到反射拉伸波的作用出现拉伸破坏，并朝上游面发展，最终与爆坑边缘向下游延伸的裂缝贯通形成贯穿性裂缝。相较于近场水下非接触爆炸，水下接触爆炸时坝体损伤情况更复杂、破坏程度更严重。. 结合本项目的研究，共发表论文18篇，其中SCI收录13篇，EI收录5篇；出版学术专著一部，授权发明专利4项；培养硕士研究生3人。. 本项目的研究成果对加深高拱坝爆炸毁伤机理及抗爆安全性能的认识具有一定的意义，可为我国高拱坝抗爆防护设计提供理论基础。