一种用于提高混凝土重力坝安全性能的抗爆防护方法.pdf

本发明公开了一种用于提高混凝土重力坝安全性能的抗爆防护方法，包括步骤：步骤1，根据实际情况获得混凝土重力坝的特征参数；步骤2，采用拉格朗日-欧拉全耦合方法分别建立不同库水位对应的水下爆炸全耦合模型，基于水下爆炸全耦合模型进行数值计算获得不同库水位对应的混凝土重力坝毁伤空间分布特征；步骤3，将不同库水位对应的混凝土重力坝毁伤空间分布特征进行对比分析，获得库水位位于大坝下游折坡高程以下时混凝土重力坝防爆安全性能最优；步骤4，战时将库水位降低至大坝下游折坡高程以下。本发明可操作性强，易于实现，额外经费支出小，可显著提升混凝土重力坝抗爆性能，尤其适用于提高已建混凝土重力坝的抗爆安全性能。

权利要求书
1.    一种用于提高混凝土重力坝安全性能的抗爆防护方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1，根据实际情况获得混凝土重力坝的特征参数，包括坝顶高程、坝底高程、库区正常蓄水位高程、库区死水位高程、坝头高度、坝顶宽度和坝底宽度；
步骤2，基于步骤1获得的特征参数，采用拉格朗日-欧拉全耦合方法分别建立不同库水位对应的水下爆炸全耦合模型，所述的不同库水位包括正常蓄水位、死水位、大坝下游折坡高程、大坝下游折坡高程以下水位；基于水下爆炸全耦合模型进行数值计算获得不同库水位对应的混凝土重力坝毁伤空间分布特征；
步骤3，将不同库水位对应的混凝土重力坝毁伤空间分布特征进行对比分析，获得库水位位于大坝下游折坡高程以下时混凝土重力坝防爆安全性能最优；
步骤4，战时将库水位降低至大坝下游折坡高程以下。

2.  如权利要求1所述的用于提高混凝土重力坝安全性能的抗爆防护方法，其特征在于：
步骤2中水下爆炸全耦合模型的建立过程具体为：
库水、空气及炸药采用欧拉网格建模，大坝及基岩采用拉格朗日网格建模，库水和坝基间采用拉格朗日-欧拉全耦合法建模。

3.  如权利要求1所述的用于提高混凝土重力坝安全性能的抗爆防护方法，其特征在于：
步骤2中，通过非线性动力分析平台AUTODYN进行数值计算，获得各水下爆炸全耦合模型对应的混凝土重力坝毁伤空间分布特征。

说明书一种用于提高混凝土重力坝安全性能的抗爆防护方法
技术领域
本发明涉及一种用于提高混凝土重力坝安全性能的抗爆防护方法，适用于战时坝体的抗 爆安全防护。
背景技术
近年来，恐怖袭击活动在世界范围内频发，具有明显政治经济效益的混凝土重力坝成为 恐怖分子的重点打击目标。我国正处在高坝快速发展时期，一大批100-300m级的高坝已建成 或正在建设中，如龙羊峡水电站(178m)、二滩水电站(240m)、澜沧江的黄登水电(202m)、 白鹤滩水电站(284m)等，这些大坝水位高、库容大，一旦失事将对下游造成巨大的人员伤 亡和财产损失，因此加强大坝抗爆防护、减小大坝失事风险损失具有重要战略意义。
现有技术中，对于大坝的抗爆防护主要是从主动防护与被动防护两方面进行，主动防护 指采用各种高新技术对导弹进行主动拦截、打击，如直接在高坝周围架设拦截导弹，以防止 远程核攻击，但是如果敌方不是直接攻击大坝，而是在远处水库引爆核弹形成水下冲击波打 击大坝，由于拦截范围太大而难以实施。被动防护指采用工程措施被动提高大坝抗爆性能， 如大坝薄弱部位配筋加固、选用保护层，但是这些抗爆防护方法对于已建成高坝而言可操作 性不强、难以实现。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种可操作性强、易于实现、用于提高混凝土 重力坝安全性能的抗爆防护方法，尤其适用于已建混凝土重力坝。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种用于提高混凝土重力坝安全性能的抗爆防护方法，包括步骤：
步骤1，根据实际情况获得混凝土重力坝的特征参数，包括坝顶高程、坝底高程、库区 正常蓄水位高程、库区死水位高程、坝头高度、坝顶宽度和坝底宽度；
步骤2，基于步骤1获得的特征参数，采用拉格朗日-欧拉全耦合方法分别建立不同库水 位对应的水下爆炸全耦合模型，所述的不同库水位包括正常蓄水位、死水位、大坝下游折坡 高程、大坝下游折坡高程以下水位；基于水下爆炸全耦合模型进行数值计算获得不同库水位 对应的混凝土重力坝毁伤空间分布特征；
步骤3，将不同库水位对应的混凝土重力坝毁伤空间分布特征进行对比分析，获得库水 位位于大坝下游折坡高程以下时混凝土重力坝防爆安全性能最优；
步骤4，战时将库水位降低至大坝下游折坡高程以下。
步骤2中水下爆炸全耦合模型的建立过程具体为：
库水、空气及炸药采用欧拉网格建模，大坝及基岩采用拉格朗日网格建模，库水和坝基 间采用拉格朗日-欧拉全耦合法建模。
步骤2中，通过非线性动力分析平台AUTODYN进行数值计算，获得各水下爆炸全耦合 模型对应的混凝土重力坝毁伤空间分布特征。
本发明通过构建不同库水位下的水下爆炸全耦合模型，从而获得各库水位对应的混凝土 重力坝毁伤空间分布特征；通过对比分析各库水位对应的混凝土重力坝毁伤空间分布特征发 现降低库水位可提高大坝抗爆安全性能、减小大坝在水下爆炸冲击荷载作用下的损伤破坏范 围。经进一步分析大坝在水下爆炸冲击波荷载作用下的损伤破坏区域，发现大坝下游折坡处 损伤破坏最为严重，当库水位降至大坝下游折坡高程以下时，由于水面切断效应，冲击波能 量传播受到阻断，自由水面以上的坝体受到损伤也相应减小。因此，对混凝土重力坝而言， 战时可通过预警放水来降低库水位至大坝下游折坡高程以下，从而减小大坝失事风险损失。
和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
可操作性强，易于实现，额外经费支出小，可显著提升混凝土重力坝抗爆性能，尤其适 用于已建混凝土重力坝。
附图说明
图1为Lagrangian-Eulerian(拉格朗日-欧拉)全耦合方法的计算流程图；
图2为库水位位于正常蓄水位处的水下爆炸全耦合模型；
图3为库水位位于正常蓄水位处的坝体毁伤空间分布特征图；
图4为库水位位于死水位处的坝体毁伤空间分布特征图；
图5为库水位位于大坝下游折坡高程处的坝体毁伤空间分布特征图；
图6为库水位位于大坝下游折坡高程以下10m处坝体毁伤空间分布特征图；
图7为库水位位于大坝下游折坡高程以下20m处坝体毁伤空间分布特征图。
图中，1-空气；2-库水；3-混凝土重力坝；4-基岩；5-TNT炸药。
具体实施方式
下面将结合附图进一步说明本发明具体实施方式。
本发明方法具体步骤如下：
步骤1，根据实际情况确定混凝土重力坝各特征参数。
所述的特征参数主要包括坝顶高程、坝底高程、库区正常蓄水位高程、库区死水位高程、 坝头高度、坝顶宽度、坝底宽度。
步骤2，根据水下爆炸数值模拟中采用的TNT炸药当量W和TNT炸药密度ρ，计算TNT 炸药的等效球体半径
实际炸药可能并非球形，保持炸药质量不变将其等效成球形炸药，根据球体体积公式，根 据水下爆炸数值模拟中采用的TNT炸药当量W和TNT炸药密度ρ计算炸药的等效球体半径 r = 3 W / 4 πρ 3 . ]]>
步骤3，基于步骤1确定的各特征参数和步骤2确定的炸药等效球体半径，采用 Lagrangian-Eulerian(拉格朗日-欧拉)全耦合方法建立库水位位于正常蓄水位处的水下爆炸 全耦合模型，其中，库水、空气及TNT炸药采用欧拉网格建模，大坝及基岩采用拉格朗日网 格建模，库水和坝基间采用Lagrangian-Eulerian全耦合法建模，通过非线性动力分析平台 AUTODYN进行数值计算，得到混凝土重力坝毁伤空间分布特征。
步骤4，根据步骤1确定的各特征参数和步骤2确定的炸药等效球体半径，采用 Lagrangian-Eulerian(拉格朗日-欧拉)全耦合方法建立库水位位于死水位处的水下爆炸全耦 合模型，建模方法同步骤3中所述水下爆炸全耦合模型的构建方法；然后，通过非线性动力 分析平台AUTODYN进行数值计算，得到混凝土重力坝毁伤空间分布特征。
步骤5，根据步骤1确定的各特征参数和步骤2确定的炸药等效球体半径，采用 Lagrangian-Eulerian(拉格朗日-欧拉)全耦合方法分别建立库水位位于大坝下游折坡高程处、 大坝下游折坡高程以下0～40m范围内2～4个预设水位点的水下爆炸全耦合模型，建模方法同 步骤3中所述水下爆炸全耦合模型的构建方法；然后，通过数值计算得到混凝土重力坝毁伤 空间分布特征。
步骤6，将步骤3～5获得的混凝土重力坝毁伤空间分布特征进行对比分析，发现库水位 降低到大坝下游折坡高程以下时，大坝安全性能可显著提高，大坝下游折坡高程处是安全性 能突变点，库水位高于大坝下游折坡高程处时，坝体动力响应强烈。因此，可通过将当前库 水位降低到大坝下游折坡高程以下来显著提高大坝抗爆安全性能。
混凝土重力坝毁伤空间分布特征可反映大坝的防爆安全性能，所以可以通过比较不同库 水位对应的混凝土重力坝毁伤空间分布特征，来获得不同库水位下坝体的防爆安全性能。
下面提供本发明的实施例。
步骤1，获得某混凝土重力坝各特征参数：坝顶高程1796m，坝底高程1676m，库区正 常蓄水位高程1791m，库区死水位高程1746m，坝头高度20m，坝顶宽度15m，坝底宽度90m。
步骤2，水下爆炸数值模拟中采用的TNT炸药当量W为306kg，TNT炸药密度ρ为 1.62g/cm3，计算等效成球体后的TNT炸药半径r＝0.64m。
步骤3，根据步骤1获得的各特征参数和步骤2确定的炸药等效球体半径，建立库水位 位于正常蓄水位处的水下爆炸全耦合模型，见图1所示；基于水下爆炸全耦合模型通过数值 计算得到大坝毁伤空间分布特征，见图3所示，图例中左侧损伤值0～1表示混凝土重力坝单 元从未发生损伤破坏状态到完全破坏状态，根据图中大坝损伤破坏情况可以看出，坝体主要 破坏区域在大坝下游折坡处。
步骤4，根据步骤1获得的各特征参数和步骤2确定的炸药等效球体半径，建立库水位 位于死水位处的水下爆炸全耦合模型，基于水下爆炸全耦合模型通过数值计算得到大坝毁伤 空间分布特征，见图4所示，与图3对比分析可以发现，当库水位降低到死水位时，大坝破 坏范围减小显著，大坝抗爆安全性能得到显著提高。
步骤5，根据步骤1获得的各特征参数和步骤2确定的炸药等效球体半径，分别建立库 水位位于大坝下游折坡高程处、大坝下游折坡高程以下10m、大坝下游折坡高程以下20m的 水下爆炸全耦合模型，基于所获水下爆炸全耦合模型通过数值计算得到大坝毁伤空间分布特 征，分别见图5～7所示，与步骤3～4的数值计算结果，即图3～4进行对比分析。
步骤6，根据对比分析，可以发现，随着库水位降低，大坝损伤破坏范围逐渐减小，大 坝抗爆安全性能得到提高；当库水位降低到大坝下游折坡高程以下时，大坝抗爆安全性能得 到显著提高。