張社榮,于 茂,2,王 超,王高輝

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津 300072; 2.中水北方勘測設計研究有限責任公司,天津 300222; 3.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北 武漢 430072)

不同橫縫狀態(tài)影響下混凝土重力壩抗爆性能研究

張社榮1,于 茂1,2,王 超1,王高輝3

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津 300072; 2.中水北方勘測設計研究有限責任公司,天津 300222; 3.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北 武漢 430072)

考慮混凝土重力壩橫縫張開狀態(tài)對大壩內(nèi)沖擊波傳播的影響,基于FSI流固耦合數(shù)值分析方法模擬水下淺水爆炸沖擊波的形成、傳播及其與自由面、大壩結(jié)構(gòu)之間的耦合相互作用過程,從混凝土重力壩的動態(tài)響應、漸進毀傷破壞過程及大壩損傷耗散能累積特性等方面,對比分析橫縫狀態(tài)對大壩綜合抗爆性能的影響機制。結(jié)果表明,重力壩橫縫張開范圍對大壩抗爆性能有重要影響,且表現(xiàn)為加劇大壩動態(tài)響應、促進大壩混凝土毀傷破壞區(qū)域形成、增大壩體損傷耗能累積量的整體規(guī)律,明顯削弱了大壩的抗爆性能。

混凝土重力壩;橫縫;淺水爆炸;動態(tài)響應;毀傷特性;損傷耗散能

對于大體積混凝土壩結(jié)構(gòu),為了滿足施工、沉降及溫控等方面的要求,往往進行分塊澆筑,并在壩塊間設置澆筑縫或者誘導縫,造成大壩在運行期內(nèi)往往是帶縫工作的[1]。在運行期環(huán)境因素的激勵作用下,壩間橫縫大片區(qū)域會呈現(xiàn)張開狀態(tài),即壩段與壩段之間存在一定的空氣間隙。在橫縫張開狀態(tài)下,壩體內(nèi)部的沖擊波在橫縫處不能發(fā)生完全透射,導致壩體內(nèi)部沖擊波的傳播規(guī)律復雜化,也必將壩體的動態(tài)抗爆力學性能產(chǎn)生一定的影響。

國內(nèi)外學者在大壩橫縫的動態(tài)變化過程及其對大壩力學行為特征影響等方面已經(jīng)積累了較多的研究成果。在大壩抗震方面,Alembagheri等[2]考慮拱壩橫縫接觸非線性力學特性及不同橫縫分布類型,對12條地震波激勵條件下的大壩動態(tài)響應過程及損傷破壞規(guī)律進行了對比分析;張楚漢等[3]在高壩抗震安全關鍵問題的進展研究中也指出,大壩橫縫非線性特性對強震作用下的大壩混凝土損傷發(fā)展、橫縫張開度及整體安全性等有重要影響;馮帆等[4]研究了上游止水區(qū)域橫縫未灌漿條件下的特高拱壩的力學性能;何婷等[5]結(jié)合監(jiān)測資料,綜合探討了橫縫對高拱壩力學特性的影響規(guī)律;樊啟祥等[6]依托溪洛渡高拱壩工程,研究了高拱壩施工過程中的橫縫開度的變化規(guī)律及控制方法;張社榮等[7]研究了自重及水壓作用下橫縫狀態(tài)對孔口結(jié)構(gòu)變形、開裂狀態(tài)、應力分布及鋼筋受力狀態(tài)的力學行為的影響規(guī)律。從以上的研究成果可以看出,在實際結(jié)構(gòu)性能分析中橫縫是不可忽略的重要因素。由于邊界面兩邊介質(zhì)的物理屬性不同,沖擊波由一種介質(zhì)傳到另一介質(zhì)中時將在邊界面處反射形成稀疏波或壓縮波,導致近邊界爆炸下的荷載分布與沖擊過程較自由場下發(fā)生較大變化。明付仁等[8]采用三維SPH (smoothed particle hydrodynamics)方法對水下爆炸沖擊波傳播過程及其與自由面的相互作用過程進行了分析。崔杰等[9]等研究表明,自由面截斷效應對沖擊波的傳播過程影響明顯。劉翠丹等[10]對界面處沖擊波傳播過程中壓力及沖量特征進行了研究,論述了水底邊界對沖擊波傳播過程也具有明顯影響。楊莉等[11]分析了水底影響下沖擊波傳播規(guī)律及馬赫反射現(xiàn)象。而在大壩抗爆性能分析中,尚未有學者對壩間橫縫張開造成的壩體不連續(xù)特性影響下的大壩整體抗爆性能展開相關研究工作。

本文主要考慮壩間橫縫張開狀態(tài)對壩體內(nèi)部沖擊波傳播規(guī)律的影響,基于FSI流固耦合數(shù)值分析方法模擬了水下淺水爆炸沖擊波的形成、傳播及其與自由面、大壩結(jié)構(gòu)之間的耦合相互作用過程,從混凝土重力壩的動態(tài)響應、漸進毀傷過程及大壩損傷耗散能分布特性等方面,深入探討及分析橫縫狀態(tài)對大壩綜合抗爆性能的影響規(guī)律。

1 計 算 模 型

圖1 淺水爆炸沖擊高壩結(jié)構(gòu)的計算模型Fig.1 Calculation model of the high dam with openings subjected to deep underwater explosion

以國內(nèi)某200 m級高混凝土重力壩為研究對象,建立了其擋水壩段在淺水爆炸沖擊荷載作用下的全耦合仿真分析模型,如圖1所示。模型主要由重力壩壩體、基巖、庫水、空氣及TNT炸藥等材料組成。大壩壩高為200.1 m,壩段寬30 m,庫前水深193.6 m,取大壩中心截面為對稱面。庫水、空氣及TNT炸藥采用歐拉網(wǎng)格模擬,壩體、擋水閘門、泡沫鋁夾芯板及基巖均采用拉格朗日網(wǎng)格模擬,兩種網(wǎng)格之間采取流固耦合算法進行物理參數(shù)的傳遞及更新,從而實現(xiàn)爆炸沖擊全過程的數(shù)值仿真。水下炸藥裝藥量為1 000 kg,炸藥爆心距(炸藥中心到壩體上游直立面的距離)為10 m,炸藥起爆深度(炸藥中心到庫水自由表面的距離)為10 m。圖2為建立的壩體、基巖及庫水的網(wǎng)格離散模型,為保證水體、孔口等重要區(qū)域的網(wǎng)格較為精細,網(wǎng)格最大尺寸不超過0.5 m[12],壩頂區(qū)域網(wǎng)格大小為0.3 m,計算模型單元總數(shù)為2 906 640個。基巖底部截斷處施加全約束,模型對稱面施加對稱邊界,并在基巖、庫水、空氣截斷面處施加無反射邊界條件。如圖3所示,采用FSI流固耦合數(shù)值分析方法計算時,往往先通過實際空間相對位置識別歐拉網(wǎng)格有效區(qū)域,再根據(jù)重疊情況對歐拉網(wǎng)格及拉格朗日網(wǎng)格的邊界分別進行處理與加載,兩類網(wǎng)格之間的邊界條件相互傳遞,從而形成一個耦合體系。

圖2 淺水爆炸沖擊高壩結(jié)構(gòu)的離散模型Fig.2 Discrete model of the high dam with openings

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

2 材料及參數(shù)

2.1 大壩混凝土材料

選用RHT本構(gòu)模型[13]描述高應變率加載下大壩混凝土的動態(tài)力學特性,采用P-α狀態(tài)方程描述混凝土材料的體積壓縮過程,同時考慮了混凝土材料的3個強度極限面:彈性極限面、破壞極限面以及殘余強度面。具體材料參數(shù)見文獻[14]。

2.2 基巖材料

壩基基巖的動態(tài)材料特性采用JH-2模型[15]來描述,并采用Principal-Stress受拉失效準則,主要參數(shù)取值為:密度ρ=2 630 kg/m3,彈性模量為50 GPa,泊松比為0.16,屈服應力為40 MPa,切線模量為12.50 MPa,抗拉強度為24 MPa,抗壓強度為70 MPa。

2.3 高能炸藥材料

高能炸藥材料采用JWL狀態(tài)方程描述了爆轟壓力P和每單位體積內(nèi)能e及相對體積V的關系:

(1)

式中:P——爆轟產(chǎn)物的壓力,Pa;V——相對體積,即爆轟產(chǎn)物體積和炸藥初始體積之比,m3;e——單位體積內(nèi)能,e=5.999×109J/m3;a2,b2,R1,R2,ω——特征參數(shù),各參數(shù)取值如下:a2=3.738×1011Pa,b2=3.747×1011Pa,R1=4.15,R2=0.9,ω=0.35。

2.4 空氣及水等環(huán)境介質(zhì)材料

空氣采用理想氣體狀態(tài)方程:

(2)

式中:E2——比內(nèi)能,J/kg;γ——絕熱指數(shù),取γ=1.4;ρ0——初始密度,取ρ0=1.225 kg/m3;ρ——密度,kg/m3。

當水為膨脹狀態(tài)(μgt;0)時,其狀態(tài)方程為

P=A1μ+A2μ2+A3μ3+(B0+B1μ)ρ0e2

(3)

當水為壓縮狀態(tài)(μlt;0)時,其狀態(tài)方程為

P=T1μ+T2μ2+B0ρ0e2

(4)

式中:ρ0——初始密度,取ρ0=999 kg/m3;e2——材料內(nèi)能,J;h——水的深度,m;g——重力加速度,m/s2;p0——大氣壓強,Pa;A1、A2、A3、B0、B1、、T1、T2為材料常數(shù),各參數(shù)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 考慮橫縫開合狀態(tài)的壩體毀傷特性分析

如圖4所示,為了對大壩橫縫的開合狀態(tài)影響下的高壩抗擊水下爆炸沖擊荷載作用的能力進行評估,擬定4種工況進行研究。

圖4 不同橫縫狀態(tài)影響下大壩橫縫處邊界設置Fig.4 Boundary conditions of the dam contraction joints with different opening states

3.1 動態(tài)響應規(guī)律

圖5 橫縫不同張開范圍下大壩順河向速度響應過程對比Fig.5 Comparison of velocity responses of the dam with different opening areas in the contraction joints

圖5展示了水下淺水爆炸沖擊荷載作用下、橫縫不同張開范圍影響下大壩順河向的速度響應過程對比情況。與橫縫全部閉合情況相比,20 ms之前的測點速度變化基本相同,20 ms之后測點的速度變化出現(xiàn)較為明顯的差別:壩頂順河向速度的差值最大為0.5 m/s,主要出現(xiàn)在28 ms及38 ms;下游壩坡高程測點的順河向速度差值最大為0.5 m/s,出現(xiàn)在23 ms。而壩踵區(qū)域的順河向速度響應差異小于0.05 m/s,與橫縫不張開計算條件相比:橫縫上部張開1/3時,速度差異達到0.09 m/s,出現(xiàn)在126 ms;橫縫上部張開2/3時,速度差異達到0.11 m/s,出現(xiàn)在126 ms;橫縫全部張開時,速度差異達到0.10 m/s,出現(xiàn)在136 ms。由此可知,對于淺水爆炸沖擊荷載作用下的高壩結(jié)構(gòu)而言,大壩的速度響應較大區(qū)域主要集中在大壩上部的壩頭區(qū)域,而橫縫張開范圍在壩頭區(qū)域變化時,對壩體尤其是壩頭的動態(tài)響應影響較大。

3.2 毀傷破壞特征

一般認為混凝土損傷達到0.75以上后出現(xiàn)宏觀破壞,圖6及圖7分別展示了不同橫縫狀態(tài)下的大壩上部嚴重毀傷區(qū)域(損傷大于0.75)的漸進發(fā)展過程。受淺水爆炸沖擊下,由于橫縫上部張開1/3、橫縫上部張開2/3及橫縫全部張開3種條件下壩頭區(qū)域的毀傷區(qū)域及毀傷程度均相同,因此僅給出其中一種計算情況下的壩頭毀傷狀態(tài)。

圖6 橫縫不張開條件下的大壩毀傷破壞過程Fig.6 Damage failure process of the dam with contraction joints in closing state

圖7 橫縫上部1/3張開條件下大壩毀傷破壞過程Fig.7 Damage failure process of the dam with 1/3 upper contraction joints in opening state

圖8 不同橫縫張開狀態(tài)下大壩整體塑性耗散能累積過程Fig.8 Accumulation process of the overall damage dissipation energy in the dam in different contraction joint opening states

由圖6和圖7可以看出,在壩頭區(qū)附近的壩間橫縫張開條件下,淺水爆炸沖擊作用對大壩壩頭區(qū)域造成了嚴重的毀傷破壞。相比于壩間橫縫不張開的狀態(tài),爆炸沖擊波在壩體內(nèi)部傳播的初期(25 ms時),沖擊波在橫縫界面、壩頭下游面均出現(xiàn)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壞區(qū)(A區(qū))也有明顯加深加厚;壩頭多個界面處形成的反射拉伸波在壩體內(nèi)部疊加后形成較大的拉伸應力,導致壩頭內(nèi)部區(qū)域(B區(qū))大面積出現(xiàn)受拉破壞,毀傷區(qū)域貫穿了整個壩頭;25～200 ms時間段內(nèi),壩頭下游折坡高程以下的沖切破壞區(qū)域(C區(qū))逐步加深,并在200 ms時貫穿整個壩體,貫穿深度及損傷帶的厚度均有明顯的增大。

3.3 能量分布特征

考慮大壩橫縫不同張開范圍影響下,圖8展示了擋水壩段受淺水爆炸沖擊下的整體損傷耗散能的積累過程。因橫縫張開后,自由面的反射卸載波致使附近混凝土大面積出現(xiàn)塑性損傷,并伴隨損傷耗散能的積累,致使大壩整體的損傷耗散能有了明顯的升高。同時由圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn),淺水爆炸主要對壩頭區(qū)域的造成了嚴重的毀傷破壞,而3種橫縫張開范圍條件下,沖擊波對壩體中部及下部的沖擊作用較弱,而壩頭部位的橫縫均處于張開狀態(tài),因此造成大壩整體塑性損傷耗散能的積累基本一樣。

4 結(jié) 論

a. 考慮不同橫縫張開范圍的影響,探究了不同橫縫張開狀態(tài)下水下爆炸沖擊大壩的動態(tài)作用全過程,研究結(jié)果表明,受橫縫張開影響,淺水爆炸沖擊荷載作用下,自由水面高程、壩頭內(nèi)部區(qū)域大面積出現(xiàn)貫穿性毀傷破壞,壩頭沖切破壞區(qū)域貫穿深度及毀傷區(qū)厚度明顯增大,大壩的整體抗爆安全性明顯降低。

b. 橫縫上部張開1/3、橫縫上部張開2/3及橫縫全部張開3種條件下壩頭區(qū)域的橫縫卸載條件基本相似,導致壩頭區(qū)域的毀傷狀態(tài)相同。因此,在大壩的抗爆設計及安全評價中,如果壩體遭受淺水爆炸沖擊,則應主要關注壩體上部區(qū)域的橫縫開合狀態(tài)。

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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

國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體科學基金(51321065)；國家自然科學基金(51379141，51509182)

張社榮(1960—)，男，山東日照人，教授，博士，主要從事水工結(jié)構(gòu)靜動力安全評價研究。E-mail:tjuzsr@126.com

于茂，工程師。E-mail:yumao@tju.edu.cn

TV642.3

A

1000-1980(2017)06-0509-06