忠玉水電站雙曲拱壩高性能纖維混凝土抗爆性能分析

0 引言

目前，對水庫大壩等大型水利工程安全性的研究主要分為兩方面： ① 正常運(yùn)行條件下水壩的穩(wěn)定性，主要包括溫度[1]、滲流[2]、沉降[3]以及裂縫[4]等因素對水壩的影響； ② 抗爆防護(hù)，相關(guān)研究主要集中在水下爆炸對混凝土壩的結(jié)構(gòu)影響和損傷破壞等方面[5-7]。邵蔚等[8]通過對現(xiàn)場振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對水下爆破的濾頻效應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行了研究。鐘冬望對長江太子磯航道水下爆破工程的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)主振頻率大部分為低頻波而少部分為高頻波。唐海等[10]以現(xiàn)場振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出了以巖體質(zhì)點(diǎn)振速峰值作為控制標(biāo)準(zhǔn)。王洋等[1結(jié)合大連港大窯灣航道水下爆破工程，采用最小二乘法分析得到了Sadovsk公式中的衰減系數(shù)，為改良爆破設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。劉釗等[12]為驗(yàn)證水下爆破施工對沉管存放區(qū)干塢是否有影響，開展了一系列爆破試驗(yàn)。

然而，鉆地武器對高壩大庫抗爆防護(hù)安全的威脅也不可忽視。一旦混凝土壩遭受侵徹爆炸打擊，其穩(wěn)定性可能會(huì)大幅下降，發(fā)生潰壩將給下游帶來巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[13-15]。Yang等[16]的研究表明，在混凝土受到侵徹爆炸作用時(shí)，初始侵徹?fù)p傷會(huì)影響混凝土的爆炸損傷;Shu等[1的研究結(jié)果顯示，在高速彈丸沖擊下，初始侵徹毀傷對混凝土壩的毀傷機(jī)制影響較小;李本平[18]對混凝土重力壩的毀傷效應(yīng)進(jìn)行了研究；張海榮[9采用LS-DYNA有限元分析程序研究了混凝土重力壩在侵徹后爆炸的流固耦合模型，探討了彈體整個(gè)侵徹和內(nèi)爆過程對混凝土重力壩造成的破壞。此外，張甲文等2還對混凝土重力壩受到侵徹和爆炸聯(lián)合作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了仿真分析，并研究了打擊后壩頭部分的毀傷程度及安全性能；陳葉青等[21]指出在侵徹爆炸條件下，大壩易發(fā)生毀傷破壞而出現(xiàn)局部潰口。

上述研究表明，混凝土壩的侵徹爆炸作用對壩體的損傷具有不可忽視的影響，對混凝土壩的損傷具有主導(dǎo)作用。目前，對于混凝土壩在侵徹爆炸作用下的損傷機(jī)理已有較為豐富的成果，然而對于如何降低混凝土壩在侵徹爆炸作用下的損傷卻少有研究。本文從水壩材料出發(fā)，針對高性能纖維混凝土在爆破荷載作用下的損傷分布情況進(jìn)行分析，以驗(yàn)證其抗爆性能。

1 工程概況

忠玉水電站位于西藏那曲地區(qū)嘉黎縣境內(nèi)（圖1），主要任務(wù)為發(fā)電，可研階段推薦的工程樞紐布置方案由混凝土雙曲拱壩、壩身孔口泄洪、壩后水墊塘消能、右岸地下廠房引水發(fā)電系統(tǒng)組成。工程規(guī)模為I等大（1）型工程。攔河壩采用對數(shù)螺旋線型雙曲拱壩，壩頂高程 3225m ，最大壩高 270m 。壩頂中心線弧長 402.08m ，底寬 54m ，厚高比0.2，最大倒懸度0.16，柔度系數(shù)8.41。

根據(jù)前期預(yù)可行報(bào)告研究，工程區(qū)在大地構(gòu)造上位于岡瓦拉古陸的岡底斯-騰沖微陸塊，新構(gòu)造上位于東構(gòu)造結(jié)北側(cè)，地貌分區(qū)屬藏東南山地河谷區(qū)，現(xiàn)今構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈。庫區(qū)第四系土質(zhì)岸坡存在局部蓄水后庫岸再造、塌岸問題。同時(shí)，所在流域具有年較差小、日較差大的氣溫變化特點(diǎn)。為確保忠玉水電站混凝土雙曲拱壩的安全施工及運(yùn)營，研發(fā)了一種高性能纖維混凝土以滿足混凝土的質(zhì)量和性能要求，并對該高性能纖維混凝土的抗爆性能進(jìn)行驗(yàn)證。

2 數(shù)值模型

2.1 模型建立

采用LS-DYNA建立高性能纖維混凝土及普通混凝土模型，在混凝土中間進(jìn)行鉆孔及裝藥，藥包尺寸為 2.1cm×60.0cm 。單位制為 cm-g-μm ，數(shù)值計(jì)算采用流固耦合算法，混凝土視為固體，采用拉格朗日網(wǎng)格?？諝庖约罢ㄋ幰暈榱黧w，采用歐拉網(wǎng)格。模型中的各邊界均為自由邊界，起爆方式為孔底起爆，模型示意見圖2（圖中 r 為半徑）。

2.2 材料模型及參數(shù)

（1）混凝土的RHT模型。高性能纖維混凝土由中熱硅酸鹽水泥、中粗河砂、石灰碎石或花崗巖碎石以及抗裂纖維拌和而成，其中纖維摻用體積率為 2% ，細(xì)骨料容積比為0.4，粗骨料容積比為0.5，水灰比為0.3，含氣量為 4%～7% 。與普通混凝土相比，其強(qiáng)度和抗裂性能得到改善，可適應(yīng)西藏高海拔地區(qū)日夜溫差較大的特點(diǎn)。

混凝土材料參數(shù)選用RHT本構(gòu)模型，其在充分考慮了彈性極限面、失效面以及損傷軟化段方程等基礎(chǔ)上將該模型分彈性、線性強(qiáng)化以及損傷軟化3個(gè)階段[22-25]，如圖3所示，可對混凝土在爆破作用下的損傷特性進(jìn)行較好的描述。

在RHT模型中，需要輸入到LS-DYNA中的有38個(gè)參數(shù)。基本的物理和力學(xué)參數(shù)，如密度和靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度，由試驗(yàn)獲得。剪切模量、單軸抗拉強(qiáng)度可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。然后，部分參數(shù)可根據(jù)一系列理論計(jì)算得到（表1）。

（2）炸藥材料參數(shù)。炸藥材料采用LS-DYNA內(nèi)置的MAT_HIGH_EXPLOSIVE_MURN，并加以狀態(tài)方程JWL_EOS對炸藥的爆破過程進(jìn)行描述。

式中： P_cj 為爆炸壓力； V 為相對于未引爆狀態(tài)的體積；E₀ 為初始比內(nèi)能： ;A，B，R₁，R₂ 和 ω 為爆炸常數(shù)。炸藥及狀態(tài)方程的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

（3）空氣材料參數(shù)?？諝獠牧贤ǔ＿x用MAT_NULL材料及LINEAR_POLYNMIAL狀態(tài)方程加以描述，空氣壓力 P 為

P=C₀+C₁μ+C₂μ²+C₃μ³+（C₄+C₅+C₆μ²）E

式中： E 為單位體積內(nèi)能； μ 為空氣壓縮應(yīng)變， μ= （ρ/ρ₀）-1，ρ 和 ρ₀ 分別為當(dāng)前空氣密度和初始空氣密度； C₀，C₁，C₂，C₃，C₄，C₅，C₆ 為空氣物質(zhì)常數(shù)， C₄，C₅ 可用 C₄=C₅=γ-1 計(jì)算， γ 為比熱比值。

空氣材料參數(shù)及狀態(tài)方程的相關(guān)參數(shù)如下：空氣密度 ρ₀=1.29kg/m³ ， C₄=C₅=0.4，E=0.25MPa，V₀ =1.0 。

3 數(shù)值分析

3.1 損傷分析

在對混凝土的爆破數(shù)值分析中，混凝土的抗爆性能常以損傷變量來表征。為分析高性能混凝土的抗爆性能，提取模型中不同時(shí)刻的損傷云圖并與普通混凝土進(jìn)行比較，對比結(jié)果見圖4。

炸藥引爆時(shí)，將產(chǎn)生大量高溫、高壓、高速氣流，激發(fā)沖擊波作用于炮孔孔壁，導(dǎo)致炮孔發(fā)生變形，并粉碎巖石、擴(kuò)大爆腔，如圖4所示。隨后爆炸沖擊波衰減為爆炸應(yīng)力波，在混凝土周圍形成拉伸變形和裂隙；然后爆生氣體填充爆腔，劇烈膨脹并侵入徑向裂隙，促使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展。最后彈性能被釋放成卸荷拉伸波，產(chǎn)生環(huán)向裂隙，將混凝土分割。

由圖4可知，在相同的爆炸荷載作用下，高性能纖維混凝土的損傷分布較普通混凝土少，兩者損傷分布主要差異體現(xiàn)在模型上部，即遠(yuǎn)離起爆點(diǎn)一側(cè)。

由于采用的是孔底起爆，根據(jù)考慮傳播時(shí)間的應(yīng)力波疊加理論可知，在遠(yuǎn)離起爆點(diǎn)一側(cè)的應(yīng)力疊加現(xiàn)象更明顯，因此在模型上部將具有更大的應(yīng)力，在模型最上側(cè)的混凝土將更易造成損傷，形成剝離，進(jìn)一步導(dǎo)致下面混凝土的損傷加劇。對于普通混凝土，由于其抗爆性能較弱，因此形成圖4（a）所示的損傷分布形態(tài)，而對于高性能纖維混凝土，抗爆性能較普通混凝土更優(yōu)，其最上側(cè)混凝土能更好抵抗爆炸作用力造成的損傷，使其對內(nèi)側(cè)混凝土仍能起到一定約束和保護(hù)作用，從而減少了整體損傷程度。

為進(jìn)一步對兩者間的損傷差異進(jìn)行定量分析，通過 LS-PrePost 后處理軟件獲取 t=1.00ms 時(shí)的損傷占比，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，普通混凝土的損傷占比為 72.3% ，高性能纖維混凝土的損傷占比為61.6% ，降低了 10.7% 。

由上述分析可知，高性能纖維混凝土較普通混凝土具有更好的抗爆性能。

3.2 有效應(yīng)力分析

為進(jìn)一步分析兩種混凝土損傷差異的原因，提取兩模型中的同一測點(diǎn)A（圖6的有效應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，在該點(diǎn)處，普通混凝土的有效應(yīng)力峰值為 75MPa ，高性能纖維混凝土的有效應(yīng)力峰值為42MPa ，減少了 44% 。這是由于相較于普通混凝土，高性能纖維混凝土的強(qiáng)度有所增強(qiáng)，且拉壓應(yīng)變率參數(shù)增大，使得在爆破作用下，高性能纖維混凝土的有效應(yīng)力降低，裂紋擴(kuò)展得到抑制。模型的同一點(diǎn)處，當(dāng)爆炸荷載相同時(shí)，高性能纖維混凝土相較于普通混凝土具有更小的有效應(yīng)力，對于模型中的一點(diǎn)，有效應(yīng)力越小意味著會(huì)形成的損傷更小，混凝土的抗爆性能更佳。

注：外側(cè)圓環(huán)為高性能纖維混凝土，內(nèi)側(cè)圓環(huán)為普通混凝土。

3.3 振速分析

爆破沖擊波衰減為地震波后，會(huì)引起建（構(gòu)）筑物的振動(dòng)，若不加以控制，爆破振動(dòng)同樣會(huì)對建（構(gòu)）筑物造成破壞。為此，以 10cm 為步長，各測點(diǎn)位置如圖8所示，提取兩模型中上部自由面各測點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值數(shù)據(jù)，分析其衰減規(guī)律，結(jié)果見圖9。

由圖9可知，在各測點(diǎn)處，高性能纖維混凝土的振動(dòng)速度峰值均小于普通混凝土。這是由于兩者間的波阻抗不同，高性能纖維混凝土的振速衰減更快。相較于普通混凝土，高性能混凝土的振動(dòng)峰值速度平均降低 45.93% 。

4結(jié)論

為評(píng)價(jià)和驗(yàn)證高性能纖維混凝土的抗爆性能，采用LS-DYNA軟件建立了普通混凝土與高性能纖維混凝土模型并進(jìn)行了對比分析，得到如下結(jié)果。

（1）在相同的爆炸荷載作用下，高性能纖維混凝土能更好地抑制損傷分布，尤其是對于模型上部的混凝土。

（2）在模型的同一測點(diǎn)處，高性能纖維混凝土的有效應(yīng)力相較普通混凝土更小，同時(shí)高性能混凝土的振動(dòng)峰值速度更低。

（3）高性能纖維混凝土具有較好的抗爆性能，能更好地應(yīng)對突發(fā)極端情況，可為忠玉水電站混凝土雙曲拱壩的安全運(yùn)行提供保障。

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（編輯：李慧）

Analysis of blast resistance ofhigh-performance fiber concrete for double -curved arch dam of Zhongyu Hydropower Station

TIAN Jiangwei，F(xiàn)AN Tian，LI Yanhai，BAIMA Duoji （National Energy Group Xizang Electric Power Company Limited，Lhasa 85oooo，China）

Abstract：Reducing the damage of concrete dams caused bypenetrating explosions is of great significance for the safe constructionand operation of hydropower station dams.Inorder to ensure the safe construction and operationof theconcretehyperbolicarch damof Zhongyu Hydropower Station，the numerical calculation model of three-dimensional highperformance fiber concrete blasting was established by LS-DYNA basedon the three-dimensional non-linear finite elementanalysis method，and numerical simulationanalysis was cariedouttoanalyze the blast-resistantperformanceof high-performance fiberconcrete.Theresultsshowedthatcompared with ordinary concrete，high-performance fiber concrete can effectively inhibit the formation of damage with a reduction of damage ration at 11. 16% .At the same measurement point，the effective stress of high-performance fiber concrete was 42MPa ，which was a reduction of 44% compared with ordinary concrete of 75MPa .The vibration of the peak velocity of high -performance concrete reduced by 45.93% averagely，compared with ordinary concrete. On the whole，the high -performance fiber concrete has a stronger blast -resistant performance.

Key words：double-curved arch dam；high-performance fiber concrete；blast-resistant performance；numerical simulation；Zhongyu Hydropower Station