一种基于拟静力法的重力坝远场水下爆炸稳定评估方法

1.本发明属于爆炸技术领域，涉及一种基于拟静力法的重力坝远场水下爆炸稳定评估方法。


背景技术：

2.炸药在水下爆炸将对大坝的生命力造成严重的威胁，因此，在现有的混凝土重力坝安全评价方法的基础上，提出的一种基于拟静力法的重力坝远场水下爆炸安全评估方法，为高坝抗爆安全快速评估提供了新思路。


技术实现要素：

3.针对上述技术问题，本发明提供一种基于拟静力法的重力坝远场水下爆炸稳定评估方法，可用于大坝在局部战争炸弹袭击时的稳定安全评估，以便于迅速确定相应的抢险加固措施。
4.本发明提供的技术方案如下：
5.一种基于拟静力法的重力坝远场水下爆炸稳定评估方法，包括以下步骤：
6.(1)根据大坝库水深度，假定炸药起爆距离大于最大水深即为远场爆炸，其产生的冲击波作用于坝面时近似平面波；
7.(2)根据已知的爆炸参数，包括爆炸药量w和起爆距离r，采用cole经验公式及水中爆炸冲击波在不同介质界面的透反射公式可计算得到坝体上游的超压pm以及压力时程曲线p(t,r)；
8.(3)根据冲击波在坝体内部的传播规律，从能量平衡的角度，认为当冲击波经透反射传播至上游坝面透射垂直入射点时，坝体内部的冲量/能量达到最大，此时坝体处于稳定最不利时刻；
9.(4)在确定了冲击波在坝体内部的传播时间、得到冲击波对重力坝结构的冲量后，再根据冲量定理计算得到等效冲击荷载pe；
10.(5)计算得到等效冲击荷载后，认为等效冲击荷载均布于上游坝面，等效冲击力fe；
11.(6)根据抗剪断强度公式计算重力坝的抗滑稳定安全系数，并基于抗滑稳定安全系数进行稳定性评估。
12.进一步，所述步骤(2)中，根据cole经验公式计算得到上游坝面的超压和压力时程曲线：
[0013][0014]
[0015][0016]
考虑冲击波在水和混凝土之间的透反射，计算得到反射之后大坝表面的超压和压力时程曲线，根据此时的压力时程曲线计算冲量：
[0017][0018][0019]
式中，p
′m、pm为冲击波反射前后的超压，pa；p
′
(t，r)、p(t,r)为冲击波反射前后的压力时程曲线，pa；θ为时间衰减常数，s；t为冲击波传播时间，s；i为冲击波对重力坝结构的单位面积的冲量，n
·
s/m2；w为炸药质量，kg；r为爆心距，m；(ρc)
水
、(ρc)
混
分别表示水和混凝土的波阻抗；k,α是与炸药性能有关的常数。
[0020]
进一步，所述步骤(3)中，冲击波传播时间的计算公式为：
[0021][0022]
式中，l表示入射冲击波经透射传播至下游坝面，又经反射传播到上游坝面透射垂直入射点时冲击波的传播距离，如图4所示；c表示冲击波在坝体内部传播速度，取3500m/s。
[0023]
进一步，所述步骤(4)中，等效冲击荷载pe的计算公式为：
[0024][0025]
式中，i为冲击波对重力坝结构的单位面积冲量，n
·
s/m2；t为冲击波传播时间。
[0026]
进一步，所述步骤(5)中，等效冲击力fe计算公式为：
[0027]
fe＝peh
[0028]
式中，pe为单位面积冲击荷载，n/m2；h为重力坝高度。
[0029]
进一步，所述步骤(6)中，抗滑稳定安全系数k
′
的计算公式为：
[0030][0031]
式中，g表示坝体的重力；u表示坝基面受到的扬压力；fw表示静水压力；fe表示等效冲击力；a表示坝基接触面面积；f
′
、c
′
分别表示截面的摩擦系数和粘聚力。
[0032]
本发明基于拟静力法的重力坝远场水下爆炸稳定评估方法的有益效果在于：
[0033]
(1)传统的混凝土重力坝稳定安全评估方法，并未考虑水下爆炸冲击荷载对大坝结构的影响，本发明提供了一种远场水下爆炸荷载作用下重力坝结构的稳定评估方法；
[0034]
(2)本发明提供的方法通过拟静力法计算得到远场水下爆炸等效冲击荷载，然后采用传统的静力学方法快速得到重力坝结构在远场水下爆炸冲击波作用下的稳定安全系数，为高坝抗爆安全快速评估提供了新思路。
附图说明
[0035]
图1为本发明方法的流程图；
[0036]
图2为冲击波压力时程曲线；
[0037]
图3为坝体内部冲击波传播示意图；
[0038]
图4为最危险时刻示意图；
[0039]
图5为远场水下爆炸荷载下混凝土重力坝典型断面受力图。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐释本发明是如何实施的。本发明的内容完全不限于此。
[0041]
实施例
[0042]
一种基于拟静力法的重力坝远场水下爆炸稳定评估方法，步骤如下：
[0043]
1.根据大坝库水深度，假定炸药起爆距离大于最大水深即为远场爆炸，其产生的冲击波作用于坝面时近似平面波。
[0044]
2.根据已知的爆炸参数，包括爆炸药量w和起爆距离r，采用cole经验公式及水中爆炸冲击波在不同介质界面的透反射公式可计算得到坝体上游的超压pm以及压力时程曲线 p(t,r)：
[0045][0046][0047][0048][0049]
冲击波在上游坝面发生透反射后的压力时程曲线无法直接通过理论推导得出，在实际计算冲击波冲量时，由于反射前后时程曲线所对应的冲量相差不大(如图2所示)，可直接用 p
′
(t，r)积分计算冲量；
[0050]
根据压力时程曲线，积分得到冲击波冲量i，
[0051][0052]
式中，p
′m、pm为冲击波反射前后的超压，pa；p
′
(t，r)、p(t,r)为冲击波反射前后的压力时程曲线，pa；θ为时间衰减常数，s；t为冲击波传播时间，s；i为冲击波对重力坝结构的单位面积的冲量，n
·
s/m2；w为炸药质量，kg；r为爆心距，m；(ρc)
水
、(ρc)
混
分别表示水和混凝土的波阻抗；k,α是与炸药性能有关的常数。
[0053]
3.根据冲击波在坝体内部的传播规律，当冲击波传播至上游坝面时，会在上游坝面发生透射，并继续向下游坝面传播，并在下游坝面发生反射，折向上游坝面。从能量平衡的角度，当冲击波经过透反射传播至上游坝面后，坝体系统向外部输出能量，当某时刻从整个上游坝面入射的冲击波冲量与从上游坝面透射的冲击波冲量相等时，为坝体冲量(能量)最大的时刻，此时坝体应力处于最不利时刻。认为当冲击波经透反射传播至上游坝面透射
垂直入射点时，坝体内部的冲量/能量将达到最大，此时坝体处于稳定最不利时刻，如图3所示，确定此时冲击波传播时间t，计算公式为：
[0054][0055]
式中，l表示入射冲击波经透射传播至下游坝面，又经反射传播到上游坝面透射垂直入射点时冲击波的传播距离；c表示冲击波在坝体内部传播速度，取3500m/s。
[0056]
4.在确定了冲击波在坝体内部的传播时间、得到冲击波对重力坝结构的冲量后，再根据冲量定理计算得到等效冲击荷载pe：
[0057][0058]
式中，i为冲击波对重力坝结构的单位面积的冲量，n
•
s/m2；t为冲击波传播时间。
[0059]
5.计算得到等效冲击荷载后，认为等效冲击荷载均布于上游坝面，如图五所示，则等效冲击力fe计算公式为：
[0060]
fe＝peh
[0061]
式中，pe为单位面积冲击荷载，n/m2；h为重力坝高度。说明：计算取的是单位宽度的坝段，所以力也是单位宽度的力，坝段也可取1m，这样力的单位就是n。
[0062]
6.计算得到等效冲击力之后，采用抗剪断强度公式计算重力坝的抗滑稳定安全系数：
[0063][0064]
式中，g表示坝体的重力；u表示坝基面受到的扬压力；fw表示静水压力；fe表示等效冲击力；a表示坝基接触面面积；f
′
、c
′
分别表示截面的摩擦系数和粘聚力。
[0065]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。