爆炸荷载作用下特高土石坝的动力响应分析

发布时间：2020-06-05 14:48

【摘要】：近年来我国建设了大量的大型水利枢纽工程,尤其以土石坝居多,由于其适应地质及地形能力强、成本相对较低的特点,数量和高度不断增加,一旦发生溃坝,尤其是那些特高土石坝,甚至会造成梯级水库土石坝的连续溃坝,对下游人民生命财产安全造成巨大的灾难,造成的不良社会影响也是无法估量的。无论是逆全球化再起、恐怖袭击的发生,还是大坝因使用寿命到期和适用性的降低而拆旧建新,随着时代的发展,对水库大坝进行爆炸响应分析研究越来越引起人们的关注。然而在通常的土石坝安全防护中,对于地震、爆炸、洪水等极端情况下的设计研究,一直以地震和洪水为主,而对爆炸情况研究较少。因此,对土石坝进行爆炸荷载作用下的动力响应分析,对其抗爆性能以及爆炸破坏机理进行研究都有着十分重要的现实意义。本文根据土石坝的发展现状及显示动力学的基本理论和计算方法,以长河水电站砾石土心墙堆石坝为研究对象,使用大型有限元分析软件Ansys-Workbench中的Mechanical模块进行静力分析,将静力分析数据传入到Autodyn显式动力学分析模块,对土石坝在爆炸荷载作用下的变形及应力进行分析,并对其破坏机理及破坏过程进行了研究。其主要内容如下:(1)分三类详细分析了炸药爆炸对土石坝产生的冲击效果,阐述了爆轰波的CJ理论,对非线性显式有限元分析软件Autodyn及常用的动力计算方法进行了比较分析。(2)利用Ansys-Workbench中的Mechanical模块建立了土石坝三维实体模型,在竣工期和蓄水期两种工况下进行了土石坝静力计算,并对其应力、位移进行了系统的分析,同参考文献结果进行对比,其位移、应力吻合很好,从而验证了所建模型的适用性和合理性。(3)利用Autodyn模块,在Mechanical前处理以及静力分析的基础上,建立了长河特高土石坝-炸药-空气三维有限元实体模型,采用流固耦合(CEL)法对土石坝爆炸荷载作用下的动力响应进行模拟,对土石坝整体进行了应力、位移分析,并对典型观测点进行了应力、速度、位移时程分析计算,重点研究了TNT炸药在坝体中爆炸的效果,以及炸药量和爆炸位置不同对土石坝的动力响应影响。本文基于长河特高土石坝实例进行模拟,得到了一些有益结论,静力分析所得出的位移、应力分布以及大小与其他模拟十分吻合,动力分析所得到的的爆炸响应与破坏机理规律性较好,该分析成果将对长河特高土石坝安全运行管理具有指导意义及现实意义,对同类大坝的抗爆减灾具有一定的参考价值。
【图文】：

（2）利用 Ansys-Workbench 中的 Mechanical 模块建立土石坝三维实体模型，在竣工期和蓄水期两种工况下进行土石坝静力计算，并对其应力、位移进行系统的分析。（3）利用 Autodyn 模块，在 Mechanical 前处理以及静力分析的基础上，，建立长河特高土石坝-炸药-空气三维有限元实体模型，采用流固耦合（CEL）法对土石坝爆炸荷载作用下的动力响应进行模拟，对土石坝整体进行应力、位移分析，并对典型观测点进行应力、速度、位移时程分析计算。重点研究 TNT 炸药在坝体中爆炸的效果，以及炸药量和爆炸位置不同对大坝动力响应的影响，对其破坏机理及破坏过程进行研究。具体分析流程如图 1.1 所示。先利用 Ansys-Workbench 中的 Mechanical 进行静力分析，然后通过显示动力学传递到 Autodyn 中作为初始应力进行爆炸响应动力分析，依据静动力计算结果，分析土石坝受力状况，以及破坏过程，对其破坏机理及破坏过程进行研究，为土石坝运行管理与安全防护提供参考。

炸药在大坝外部的水中爆炸时，会先产生高温高压产物，不断挤压周围水面同空中爆炸一样，会逐渐向外推进，形成爆炸冲击波，另一方面与空中不同之处在于爆炸产物为气体，在水中会以气泡的形式存在，不但会向前，还会因为浮力的作用不断向水面浮去。同时，相比较于空气，由于水的大，粘滞系数大，可压缩性远远小于空气，所以水中爆炸的膨胀要远小于。由于水和空气特质的不同，水中爆炸规律不能完全沿用空中爆炸的规律根据水的特点总结出其符合水中爆炸实际的研究规律。1948 年，Cole 通过验进行总结，研究分析了水中爆炸，对其试验研究方法进行了比较，同时爆炸过程以及破坏规律进行了总结，并建立了水中爆炸基本理论。水中爆炸冲击波的形式同空中爆炸相类似，但其初始冲击波压力接近pa，比空中冲击波压力的 100MPa 左右大了将近 100 倍，同时随着爆炸冲击前推进，其压力水平会迅速下降。Cole 总结了 173kgTNT 炸药在水中爆炸力迅速下降的分布图，如图 2.1 所示。从图中可以看出，水中爆炸在炸药处很大，在爆心附近时，压力下降很快，随着距离的变远，压力下降会越来，同倒数函数曲线相类似。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV641;TV312

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 陈生水;;特高土石坝建设与安全保障的关键问题及对策[J];人民长江;2018年05期

2 熊岩;;基于超高土石坝的安全监测研究[J];化工管理;2015年32期

3 ;国际高土石坝学术研讨会在北京召开[J];水力发电学报;1994年01期

4 吴其张;;国际高土石坝学术研讨会在北京召开[J];浙江水利科技;1993年04期

5 朱建华;;我国高土石坝筑坝技术的新成就[J];中国水利;1987年01期

6 郭宗彦;;关于加速发展高土石坝的几点建议[J];人民珠江;1988年06期

7 顾淦臣;;高土石坝的发展进程和发展趋势[J];河海大学科技情报;1989年03期

8 陈生水;;复杂条件下特高土石坝建设与长期安全保障关键技术研究进展[J];中国科学:技术科学;2018年10期

9 王晓松，李宝珠;世界高土石坝发展综述[J];黑龙江水专学报;1995年03期

10 陈生水;程展林;孔宪京;;高土石坝试验技术与安全评价理论及应用[J];水利水电技术;2018年01期

相关会议论文 前10条

1 周春意;高润德;李盛青;;强风化岩作为高土石坝防渗料的试验研究[A];土石坝与岩土力学技术研讨会论文集[C];2001年

2 关志诚;;中国高土石坝的发展水平与关键技术[A];大坝安全与新技术应用[C];2013年

3 赵剑明;刘小生;温彦锋;陈宁;刘启旺;;紫坪铺面板坝汶川地震震害及高土石坝抗震减灾研究设想[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展[C];2009年

4 朱晟;;土石坝震害与抗震安全[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展（2011年）[C];2011年

5 束一鸣;李永红;;较高土石坝膜防渗结构设计方法探讨[A];全国第六届土工合成材料学术会议论文集[C];2004年

6 孙胜利;代巧技;王新奇;;黄土类土的工程性质研究及在高土石坝中的应用[A];土石坝与岩土力学技术研讨会论文集[C];2001年

7 郦能惠;;西部地震区高土石坝抗震安全[A];加入WTO和中国科技与可持续发展——挑战与机遇、责任和对策（下册）[C];2002年

8 刘莹光;孔宪京;邹德高;;高土石坝加筋抗震措施的快速拉格朗日差分分析[A];第15届全国结构工程学术会议论文集（第Ⅱ册）[C];2006年

9 李永红;余挺;王观琪;吴显伟;;特高土石坝防渗土料改性研究与实践[A];四川省水力发电工程学会2018年学术交流会暨“川云桂湘粤青”六省（区）施工技术交流会论文集[C];2018年

10 殷宗泽;;高土石坝应力变形分析[A];海峡两岸土力学及基础工程地工技术学术研讨会论文集[C];1994年

相关重要报纸文章 前5条

1 记者 张琪;高土石坝技术向更安全更智慧升级[N];中国能源报;2017年

2 记者 张春杰 通讯员 李明;全国高土石坝关键筑坝技术研讨会召开[N];中国水利报;2018年

3 记者 蒋学林　通讯员 罗崇伸 张蕴华 于步亚;国内第一高土石坝两河口水电站开建[N];中国电力报;2014年

4 本报记者 蒋学林　通讯员 罗崇伸 张蕴华 于步亚;水电工程的新高度[N];中国电力报;2014年

5 李姗姗;藏区最大水电站在甘孜开建 总投资664亿[N];企业家日报;2014年

相关博士学位论文 前7条

1 肖海斌;高土石坝坝料试验及结构分区智能优化研究[D];中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）;2006年

2 李红军;高土石坝地震变形分析与抗震安全评价[D];大连理工大学;2008年

3 胡军;高土石坝动力稳定分析及加固措施研究[D];大连理工大学;2008年

4 赵梦蝶;高土石坝地震动输入与地震变形分析[D];郑州大学;2016年

5 张锐;高土石坝地震作用效应及坝坡抗震稳定分析研究[D];大连理工大学;2008年

6 朱亚林;地震时高土石坝的弹塑性分析和抗震措施研究[D];大连理工大学;2011年

7 曹学兴;深厚覆盖层地基高土质心墙堆石坝抗震安全性研究[D];武汉大学;2013年

相关硕士学位论文 前10条

1 张志飞;爆炸荷载作用下特高土石坝的动力响应分析[D];郑州大学;2019年

2 马驰;地震作用下土工格栅加筋高土石坝数值分析[D];合肥工业大学;2018年

3 李端洲;基于广义塑性理论的高土石坝动力分析[D];合肥工业大学;2017年

4 毛雯娟;强震区高土石坝三维动力反应分析[D];大连理工大学;2008年

5 许春雷;高土石坝坝坡稳定的可靠性研究[D];大连理工大学;2010年

6 陈飞;基于ABAQUS的高土石坝边坡稳定分析研究[D];北京交通大学;2011年

7 尤丽红;高土石坝地震动最不利输入方向研究[D];大连理工大学;2011年

8 王倩;施工质量不确定下高土石坝应力变形随机有限元分析[D];天津大学;2012年

9 王越;数字化施工下高土石坝施工期结构性态有限元精细分析[D];天津大学;2013年

10 孙静;考虑坝体压实情况下高土石坝施工期应力变形分析[D];天津大学;2012年

本文编号：2698205