CN106759157B - 一种用于混凝土重力坝坝踵抗水下接触爆炸的防护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于混凝土重力坝坝踵抗水下接触爆炸的防护装置，包括从前至后依次设置的前面板、波浪面板、中面板、支撑隔板和后面板，所述前面板、中面板和后面板的四周通过侧面板密封固定连接，所述波浪面板与前面板、中面板均不固定连接；所述支撑隔板用于将中面板和后面板隔离开，所述支撑隔板为多个纵向板和多个横向板相连组成，纵向板和横向板将中面板和后面板之间分割成多个可储存密封空气的小空腔。本发明装置利用前面板和波浪面板的变形破坏来吸收爆炸的部分能量，然后利用装置中空气和周围水介质的波阻抗失配原理，进一步反射和衰减爆炸冲击波，从而提高重力坝抗爆防护，其抗爆性能好、剩余强度高、结构简单、能快速无破坏布防。

Description

一种用于混凝土重力坝坝踵抗水下接触爆炸的防护装置

技术领域

本发明涉及一种混凝土重力坝坝踵抗爆防护结构，具体来说是一种用于混凝土重力坝坝踵抗水下接触爆炸的防护装置，适用于战时或受到恐怖威胁时混凝土重力坝坝踵的抗爆安全防护及岩坎爆破拆除中附近建构物的安全防护。

背景技术

混凝土重力坝主要依靠自重维持稳定，因此混凝土重力坝下部体积较大，上部结构薄弱。水下接触爆炸荷载作用下，尽管上部坝体结构更容易破坏，但不至于产生严重的溃坝事故。坝踵区域由于应力集中现象，易产生拉伸开裂破坏，且大坝防渗帷幕距离坝踵较近。当炸药在坝踵处发生爆炸时，大坝坝踵极易发生拉伸开裂破坏，并贯彻大坝防渗帷幕，导致扬压力上升，对大坝的安全稳定产生严重影响，严重时还会导致大坝失事，造成巨大的人员伤亡和经济损失。因此，提升大坝坝踵的抗爆安全性能至关重要。

在大坝坝踵处的安全防护中，传统防护工程措施包括配筋加固、优化结构等，但对于已建成的大坝而言可操作性不强、难以实现。另一方面，有学者提出通过向水下通入高压气体形成不断上升、浓密的气泡帷幕，利用气泡帷幕来衰减爆炸冲击波，但是对于运行中的高坝，由于库区底部沉淀有一定厚度的泥沙，导致气泡帷幕装置的安装布置十分困难。同时气泡帷幕仅能应用于非接触爆炸的防护中，而对于鱼雷等能直接作用在坝踵上的接触爆炸荷载，气泡帷幕将失去防护作用。因此，当混凝土重力坝坝踵受到水下接触爆炸荷载威胁时，如何快速布防，以提升混凝土重力坝坝踵的抗爆性能，是混凝土重力坝安全防护中亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种用于混凝土重力坝坝踵抗水下接触爆炸的防护装置，以解决混凝土重力坝安全防护的问题，为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于混凝土重力坝坝踵抗水下接触爆炸的防护装置，其特征是：包括从前至后依次设置的前面板、波浪面板、中面板、支撑隔板和后面板，所述前面板、中面板和后面板的四周通过侧面板密封固定连接，所述波浪面板与前面板、中面板均不固定连接；所述支撑隔板用于将中面板和后面板隔离开。

所述支撑隔板为多个纵向板和多个横向板相连组成，纵向板和横向板将中面板和后面板之间分割成多个可储存密封空气的小空腔。

所述前面板、波浪面板、中面板、支撑隔板、后面板和侧面板分别采用能抗其周围静水压力的钢板制成，所述中面板的厚度大于前面板和波浪面板的厚度。

该防护装置的结构整体所受重力G大于结构整体在水中所受浮力F，且G/F=1.01~1.20。

波浪面板波幅为80mm~150mm，波长与波幅之比为3~6。

支撑隔板的纵向板间距和横向板间距均为200mm~400mm。

所述防护装置顶部布置两个吊环，吊环与防护装置顶部固定连接，使用时将吊环与钢丝绳连接，来控制防护装置升降。

本发明的工作原理在于：由于前面板和波浪面板厚度较小且波浪面板的形状易于被压缩，接触爆炸荷载作用下，二者很容易发生变形破坏，在此过程中将吸收部分爆炸能量。由于中面板与波浪面板之间无固定连接，波浪面板的变形破坏不会直接引起中面板的变形，反而将接触爆炸产生的集中荷载转变为分布荷载，增大了中面板的受冲击面积，从而降低了冲击强度。由于中面板厚度较大，且支撑隔板将中、后面板间的空气层分割成众多小空腔，故降低了空气层被完全破坏的风险，同时支撑隔板受到爆炸冲击时可有效吸收爆炸冲击波的能量，有助于增强装置纵向的结构强度。最后利用波阻抗失配原理，通过中、后面板间空腔内空气介质与周围水体介质波阻抗的差异来反射、衰减爆炸冲击波，从而减小爆炸冲击波对大坝坝踵的破坏。

本发明具有以下有益效果：

1. 本防护装置无需对混凝土重力坝坝体进行改装、破坏，只需在大坝坝踵受到水下爆炸威胁时，通过吊装将本装置布置于大坝上游面底部即可，另外，本装置结构简单，方便预制，缩短了施工时间，适用于快速布防，具有快捷方便的优点。同时通过控制装置整体重量与装置在水中所受浮力的大小，减小了结构在水中吊装时所需拉力，提高了装置的操控性。

2. 本防护装置能够避免鱼雷等爆炸物直接作用在大坝坝踵上，因此可以同时用于水下接触与水下非接触爆炸荷载威胁下大坝坝踵的安全防护。

3. 本防护装置充分利用前面板和波浪面板的变形破坏，吸收部分爆炸能量，同时利用波阻抗失配原理，通过中、后面板间的空腔反射、衰减爆炸冲击波，吸能效果好、剩余强度高，能够有效保护大坝坝踵的安全。

4. 本防护装置波浪面板的形状有利于其充分压缩变形吸能，从而增大中面板受冲击面积，减小了冲击强度。由于中面板与波浪面板之间不固接，波浪面板的变形不会直接引起中面板的破坏，且支撑隔板将中、后面板间的空气层分割成众多小空腔，从而降低了中、后面板间的空气层被完全破坏的风险。

虽然本发明是针对混凝土重力坝坝踵抗水下接触爆炸安全防护提出的，但是，通过控制吊装高度，可以将其用来防护泄洪孔口、冲沙孔洞和坝头等坝体抗爆性能相对薄弱的其它部位，同时本装置还可以用于其它结构的抗爆安全防护。

附图说明

图1为本发明在坝踵抗爆防护中的结构示意图。

图2为本发明的外部结构示意图。

图3为本发明的内部结构示意图。

图4为结构局部拆分图。

1-前面板，2-波浪面板，3-中面板，4-支撑隔板，5-后面板，6-侧面板，7-吊环，8-钢丝绳，9-混凝土重力坝，10-大坝防渗帷幕。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明。

如图1~图4所示，本发明包括前面板1、波浪面板2、中面板3、支撑隔板4、后面板5、侧面板6、吊环7、钢丝绳8、混凝土重力坝9、大坝防渗帷幕10。其中，前面板1覆盖在波浪面板2之上，波浪面板2支撑于中面板3上，波浪面板2与前面板1、中面板3均不固接；中面板3和后面板5通过支撑隔板4隔开，支撑隔板4由多个纵向板和多个横向板固定相连组成，支撑隔板4通过与中面板3、后面板5的固定连接将中面板3和后面板5间的空气层分割成众多小空腔，支撑隔板4沿装置长、高方向上的间距均为200mm~400mm；侧面板6将前面板1、中面板3和后面板5的四周密封固定连接；吊环7通过焊接与装置顶部的侧面板6固定连接；使用时，通过钢丝绳8与吊环7的连接保证结构的吊装安放。前面板1、波浪面板2、中面板3、支撑隔板4、后面板5和侧面板6均为钢板制成，各板厚度只需保证静水压力作用下结构的整体稳定即可，在此前提下，中面板3的厚度取放大1.2~1.5倍。

用本防护装置进行坝踵抗水下接触爆炸的实现步骤是：

1. 确定需要进行抗爆防护混凝土重力坝9的坝高、坝段长度、蓄水高程等，本实施例中坝段宽度为15m，蓄水高程为80m，因此各面板厚度应保证装置能够抵抗80m深静水压力。

2. 接触爆炸荷载作用下，前面板1和波浪面板2将发生变形破坏，在此过程中将吸收部分爆炸能量。波浪面板2压缩变形后将接触爆炸产生的集中荷载转变为分布荷载，同时增大了中面板3受冲击面积，从而降低了冲击强度。波浪面板2波幅为80mm~150mm，波长与波幅之比为3~6，本实例中波浪面板2波幅取100mm，波长取400mm，厚度取为6mm。在保证结构能够抵抗静水压力作用的前提下，应尽量减小前面板1的厚度。

本实例中各面板材料均为Q235钢板，前面板1厚度取9mm，并按照多跨两边支撑板进行静水压力作用下的强度校核，最大弯矩，前面板1强度应满足：，式中，为均布荷载作用下两边支撑板的弯矩系数，本实例中按照三跨以上连续板进行取值，取为0.1；为均布静水压力荷载；为波浪面板2的半波长；为前面板1沿支撑方向上的截面模量；为前面板1沿支撑方向上的截面塑性发展系数，实例中取1.2；为前面板1材料的屈服强度，本实例中取为235MPa。

3. 由于中面板3与波浪面板2之间无固定连接，波浪面板2的变形破坏不会直接引起中面板3的变形，在保证结构能够抵抗静水压力作用的前提下，应适当增大中面板3的厚度，从而降低中面板3被直接破坏的风险，本实施例中中面板3厚度取为10mm。

4. 在中面板3和后面板5中间布置支撑隔板4，支撑隔板4将中面板3和后面板5之间的空气层分割成众多小空腔，在增大装置纵向结构强度的同时也降低了空气层被完全破坏的风险，此外，支撑隔板4受到爆炸冲击时可有效吸收爆炸冲击波的能量。本实例中支撑隔板4高度取为100mm，支撑隔板4沿装置长、高方向间距均取为250mm，支撑隔板4厚度应满足抗剪强度要求，可近似地假定最大剪应力为支撑隔板4平均剪应力的1.2倍，则支撑隔板4抗剪强度计算公式为，式中为支撑隔板4厚度；最大剪力，其中为均布静水压力荷载，、分别为支撑隔板4沿装置长、高方向上的间距；为支撑隔板4高度，为材料抗剪强度设计值，本实例中取为125MPa，经过计算本实例中支撑隔板4厚度可取为2mm。

5. 利用波阻抗失配原理，通过中面板3和后面板5之间的空腔进一步反射、衰减爆炸冲击波，从而减小爆炸冲击波对大坝坝踵的破坏，同时通过进一步扩大接触爆炸冲击的作用面积，减小了冲击强度。根据支撑隔板4尺寸可以确定后面板5厚度可取为9mm，并按照四边支撑板进行静水压力作用下的强度校核。其中后面板5的最大弯矩，后面板5强度应满足：，式中，为均布荷载作用下后面板5的的弯矩系数，根据四边简支板的弹性力学分析得出，本实例中取为0.065；为均布静水压力荷载；、分别为支撑隔板4沿装置长、高方向上的间距；为后面板5截面塑性发展系数，本实例中取为1.2；为后面板5单位长度的截面模量；为后面板5材料的屈服强度，本实例中取为235MPa。

6. 根据坝段宽度及坝高，确定单个防护装置长度为7.5m，高度为10m，防护装置总厚度为300mm，每个坝段平行布置两个防护装置。经计算，本实例中的防护装置总体重量G与装置在水中所受总浮力F的关系为：G=1.12F，既保证了防护装置在水中能够顺利下沉，又降低了装置在水中吊装所需拉力，从而提高装置在水中的操控性。

7. 在防护装置顶部安装吊环7，通过钢丝绳8与吊环7的连接将本防护装置紧贴混凝土重力坝9上游面向下放置，最终布置于大坝上游面底部，防护装置应尽量贴近大坝上游面。

8. 对于一层防护装置不能消除坝踵所受爆炸荷载冲击威胁的情况，可以在坝踵前布置多层防护装置。

Claims (5)

1.一种用于混凝土重力坝坝踵抗水下接触爆炸的防护装置，其特征是：包括从前至后依次设置的前面板、波浪面板、中面板、支撑隔板和后面板，所述前面板、中面板和后面板的四周通过侧面板密封固定连接，所述波浪面板与前面板、中面板均不固定连接；所述支撑隔板用于将中面板和后面板隔离开；所述支撑隔板为多个纵向板和多个横向板相连组成，纵向板和横向板将中面板和后面板之间分割成多个可储存密封空气的小空腔。

2.如权利要求1所述的防护装置，其特征是：所述前面板、波浪面板、中面板、支撑隔板、后面板和侧面板分别采用能抗其周围静水压力的钢板制成，所述中面板的厚度大于前面板和波浪面板的厚度。

3.如权利要求1所述防护装置，其特征是：该防护装置的结构整体所受重力G大于结构整体在水中所受浮力F，且G/F=1.01~1.20。

4.如权利要求1所述防护装置，其特征是：波浪面板波幅为80mm~150mm，波长与波幅之比为3~6。

5.如权利要求1所述防护装置，其特征是：支撑隔板的纵向板间距和横向板间距均为200mm~400mm。