顧 鑫，章 青

(河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 211100)

爆炸荷載作用下大壩破壞分析的數(shù)值模擬研究進(jìn)展

顧 鑫，章 青

(河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 211100)

對(duì)近年來爆炸沖擊荷載作用下大壩動(dòng)力響應(yīng)和破壞分析所采用的數(shù)值模擬方法的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行綜述。重點(diǎn)總結(jié)現(xiàn)有計(jì)算爆炸力學(xué)數(shù)值方法進(jìn)行大壩爆炸動(dòng)力響應(yīng)特征和破壞過程分析的研究成果，指出大壩爆炸響應(yīng)分析是一個(gè)涉及炸藥爆炸、爆炸沖擊波形成和傳播、沖擊波或爆炸產(chǎn)物與壩體相互作用以及壩體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的完整連續(xù)過程，同時(shí)總結(jié)了水庫(kù)大壩環(huán)境中的爆炸荷載分類、特點(diǎn)及其對(duì)大壩結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)。指出各種爆炸條件下大壩的爆炸模擬需要關(guān)注的不同問題，今后需要在目前研究基礎(chǔ)上及時(shí)吸收計(jì)算力學(xué)的最新研究成果，發(fā)展高精度的數(shù)值計(jì)算方法和高效率的數(shù)值求解體系，實(shí)現(xiàn)大壩爆炸動(dòng)力響應(yīng)的全過程仿真模擬。

爆炸荷載；大壩破壞分析；數(shù)值模擬；研究現(xiàn)狀；綜述

大壩在服役期間內(nèi)除受到自重、水壓等常規(guī)荷載作用外，還可能面臨爆炸沖擊等極端外荷載作用。戰(zhàn)爭(zhēng)實(shí)例表明，重大水利工程尤其是高壩以其顯著的政治經(jīng)濟(jì)效益是局部戰(zhàn)爭(zhēng)的重點(diǎn)攻擊對(duì)象[1-2]。大壩安全防護(hù)為世界各主要國(guó)家所重視，也是我國(guó)國(guó)家總體安全戰(zhàn)略的重要組成部分，爆炸沖擊荷載作用下大壩的毀損破壞過程和抗爆安全研究給學(xué)術(shù)界和工程界提出了迫切的要求和挑戰(zhàn)。

結(jié)構(gòu)爆炸毀損涉及炸藥爆炸、爆炸沖擊波的形成和傳播、沖擊波或爆炸產(chǎn)物與固體結(jié)構(gòu)的相互作用以及由此導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)4個(gè)過程[3]，涉及多相介質(zhì)在高速、高溫、高壓等極端條件下的復(fù)雜力學(xué)行為，也必然會(huì)產(chǎn)生各種復(fù)雜的變形不連續(xù)特征，研究難度很大。試驗(yàn)研究對(duì)大壩爆炸動(dòng)力響應(yīng)和破壞過程研究至關(guān)重要，國(guó)內(nèi)外在水中爆炸、空中爆炸和侵徹爆炸等的化爆模擬試驗(yàn)、核爆炸效應(yīng)試驗(yàn)、大壩模型潰壩試驗(yàn)、機(jī)械沖擊試驗(yàn)、離心機(jī)試驗(yàn)等方面均開展了相關(guān)的試驗(yàn)研究[1-2，4-11]，但試驗(yàn)成本高，且爆炸的瞬時(shí)特征也會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)困難，試驗(yàn)研究獲得的有限數(shù)據(jù)還可能存在較大離散性。完全的理論分析方法只適用于一些簡(jiǎn)單、理想化問題，對(duì)精確描述爆炸沖擊荷載作用下大壩的動(dòng)力響應(yīng)和破壞機(jī)制極為困難；半經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的理論分析技術(shù)雖然可以降低試驗(yàn)成本，建立某些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，但其應(yīng)用范圍較窄。目前，計(jì)算爆炸力學(xué)的數(shù)值模擬與仿真技術(shù)已成為研究結(jié)構(gòu)爆炸響應(yīng)的主要手段，國(guó)內(nèi)外研究者在炸藥爆轟、爆炸沖擊波傳播、結(jié)構(gòu)爆炸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、毀傷破壞過程和抗爆防護(hù)等方面的數(shù)值模擬開展了許多卓有成效的研究，但現(xiàn)有研究主要集中于各類建筑結(jié)構(gòu)工程、艦船工程和軍事設(shè)備領(lǐng)域，對(duì)大壩等水工結(jié)構(gòu)工程的爆炸毀傷效應(yīng)、破壞過程和破壞機(jī)理尚缺乏系統(tǒng)研究。

本文對(duì)爆炸荷載作用下大壩破壞分析的數(shù)值模擬方法和研究成果進(jìn)行綜述。重點(diǎn)總結(jié)現(xiàn)有計(jì)算爆炸力學(xué)數(shù)值方法對(duì)大壩爆炸動(dòng)力響應(yīng)特征和破壞過程分析的研究成果，探討爆炸荷載分類、特點(diǎn)及其對(duì)大壩結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)，指出各種爆炸條件下大壩爆炸模擬需要關(guān)注的問題，并對(duì)爆炸荷載作用下大壩毀損過程的全過程仿真模擬提出相關(guān)建議。

1 水庫(kù)大壩環(huán)境中的爆炸荷載及其特點(diǎn)

圖1 水庫(kù)大壩環(huán)境中的爆炸荷載Fig. 1 Blast loading exerted on reservoir dam

1.1 侵徹爆炸的特點(diǎn)和破壞效應(yīng)

戰(zhàn)斗部裝藥對(duì)大壩的侵徹爆炸實(shí)質(zhì)上是射彈的侵徹和炸藥爆炸2個(gè)過程的耦合作用，但由于作用機(jī)理的復(fù)雜性、過程的瞬時(shí)性和材料的差異性，通常將侵徹過程和爆炸過程分開單獨(dú)進(jìn)行研究[18]。分析彈體對(duì)大壩的侵徹過程，關(guān)鍵是準(zhǔn)確描述彈體與壩體的沖擊接觸過程、彈體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及壩體的漸進(jìn)破壞過程，進(jìn)而分析爆炸產(chǎn)物與壩體結(jié)構(gòu)的相互作用以及固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

侵徹爆炸會(huì)產(chǎn)生侵徹彈坑、爆腔、爆炸漏斗和震動(dòng)效應(yīng)。彈體的侵徹深度和軌跡與彈體材質(zhì)、尺寸和運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及壩體材質(zhì)和結(jié)構(gòu)相關(guān)，爆炸破壞范圍和爆腔尺寸等與炸藥性能、壩體材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，以及前期侵徹破壞作用相關(guān)?？傮w來看，侵徹爆炸主要使大壩在侵徹部位、壩踵和起坡點(diǎn)附近區(qū)域發(fā)生局部破壞，而不至于發(fā)生整體失效破壞。

1.2 空中爆炸的特點(diǎn)和破壞效應(yīng)

1.3 水下爆炸的特點(diǎn)和破壞效應(yīng)

炸藥裝藥在水下爆炸具有以下特點(diǎn)：(a)水中爆炸沖擊波超壓峰值高、相比于空中爆炸隨距離衰減慢、波及范圍廣，對(duì)臨近水中建筑和艦船等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較嚴(yán)重的破壞效應(yīng)。(b)爆生高壓氣體的周期性脹縮運(yùn)動(dòng)形成多次脈動(dòng)壓力，即氣泡脈動(dòng)壓力，其滯后于沖擊波作用，作用頻率低、持時(shí)長(zhǎng)、動(dòng)能大，易激發(fā)水中結(jié)構(gòu)物共振，具有較強(qiáng)的破壞力。(c)水下巖土介質(zhì)處于水飽和狀態(tài)，深水爆炸時(shí)爆炸地震效應(yīng)格外強(qiáng)烈，且衰減慢。(d)淺水爆炸氣體沖出水面形成強(qiáng)烈的空氣沖擊波，伴生的水噴和水面波浪效應(yīng)升高，動(dòng)壓大、拖曳力強(qiáng)，對(duì)岸邊設(shè)施的沖刷破壞力強(qiáng)。此外，淺水爆炸的水中沖擊波超壓峰值明顯低于深水爆炸值。(e)隨著爆心距增加，水下爆炸沖擊波很快衰減到介質(zhì)聲速，因而可采用線性聲學(xué)近似描述遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸沖擊波的傳播規(guī)律。(f)水下爆炸沖擊在不同交界面(自由水面和結(jié)構(gòu)面)發(fā)生反射，沖擊波疊加易造成水面切斷效應(yīng)和氣穴現(xiàn)象(或空化效應(yīng))，氣穴荷載對(duì)臨近自由水面的建筑結(jié)構(gòu)具有重要影響，故在分析壩體近場(chǎng)近水面爆炸時(shí)需要考慮氣穴效應(yīng)。

2 爆炸荷載的施加方式

水庫(kù)大壩環(huán)境下的炸藥爆炸與結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)涉及炸藥、水、空氣、壩體等多種材料介質(zhì)，以及它們?cè)诟邞?yīng)變率、高溫、高壓等極端條件下的復(fù)雜力學(xué)行為，準(zhǔn)確描述各種材料的力學(xué)行為需要有恰當(dāng)?shù)臓顟B(tài)方程與本構(gòu)模型。由于裝藥爆轟反應(yīng)區(qū)機(jī)理復(fù)雜，高精度模擬裝藥爆轟過程還存在困難，通常采用定常爆轟反應(yīng)速率函數(shù)配合爆轟產(chǎn)物的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)方程[19-20]描述炸藥爆炸過程：

(1)

(2)

式中：p——爆轟壓力；λ——爆轟反應(yīng)速率函數(shù)，在0到1之間變化；peos——由爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程計(jì)算得到的爆轟壓力；A、B、R1、R2、ω——材料常數(shù)；V——爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積(即現(xiàn)時(shí)爆轟產(chǎn)物體積v與炸藥初始體積v0之比)，V=v/v0；E0——炸藥單位初始體積比內(nèi)能；λ1——Wilkins反應(yīng)速率函數(shù)；t——當(dāng)前時(shí)間；tL——點(diǎn)火時(shí)間，不同單元或質(zhì)點(diǎn)不同，它反映了爆轟波以爆速?gòu)钠鸨c(diǎn)傳播到該質(zhì)點(diǎn)的時(shí)間；D——爆速；h——特征尺寸，采用有限元計(jì)算時(shí)一般取單元最小尺寸；λ2——CJ比體積燃燒函數(shù)(或β燃燒函數(shù))；γ——絕熱指數(shù)，pCJ——CJ點(diǎn)爆壓。

空氣采用理想氣體或真實(shí)氣體狀態(tài)方程描述：

(3)

式中：γ——絕熱指數(shù)；ρ、ρ0——材料現(xiàn)時(shí)密度和初始密度；e——單位質(zhì)量比內(nèi)能。

水體壓縮可用等熵狀態(tài)方程或多項(xiàng)式狀態(tài)方程描述，常用的一種多項(xiàng)式方程為

(4)

其中

式中：A、n、a1、a2、a3、b0、b1、b2、b3——水的材料常數(shù)。

土、巖石和混凝土等筑壩材料在高壓下可采用可壓縮流體模型描述，如Mie-Gruneisen方程：

(5)

式中：p*——冷壓，e*——冷比內(nèi)能，Γ——格林乃森系數(shù)，g、h——材料常數(shù)。

在較高動(dòng)壓下，土、巖石和混凝土等也可采用流體彈塑性模型描述：

(6)

式中：γ0、a——無量綱材料參數(shù)；E——系統(tǒng)內(nèi)能。

式(6)給出流體彈塑性模型中狀態(tài)方程表示的球應(yīng)力，球應(yīng)力由物態(tài)方程控制； 同時(shí)，偏應(yīng)力由胡克定律控制并受塑性準(zhǔn)則修正。不能忽略材料強(qiáng)度效應(yīng)時(shí)也可用含率效應(yīng)的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，如Holmquist-Johnson-Cook模型。

3 爆炸荷載作用下大壩動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬方法可以對(duì)爆炸的4個(gè)階段及各自涉及的問題進(jìn)行系統(tǒng)分析，促進(jìn)爆炸荷載作用下大壩的動(dòng)力響應(yīng)、毀傷機(jī)理、破壞過程與抗爆性能評(píng)估研究，為大壩抗爆安全評(píng)估及綜合防護(hù)提供理論依據(jù)和科學(xué)支撐。目前，爆炸力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法主要有4類：(a)基于網(wǎng)格的有限差分法、有限體積法和有限元法(Lagrange方法、Euler方法、ALE和CLE等Lagrange與Euler混合方法、TVD和WENO等為代表的高分辨率算法、CE/SE方法為代表的新型高精度算法)；(b)以光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法(SPH)和物質(zhì)點(diǎn)方法(MPM)為代表的無網(wǎng)格方法；(c)以FEM-SPH耦合方法為代表的網(wǎng)格-無網(wǎng)格耦合分析方法；(d)能反映不連續(xù)變形特征的離散元方法、塊體元法和流形元方法等。寧建國(guó)等[19，21]在其出版的專著中，系統(tǒng)介紹了爆炸力學(xué)的內(nèi)容、數(shù)值計(jì)算方法和相關(guān)研究成果。寧建國(guó)等[22]和王成等[22]分別綜述了爆炸力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法和高精度數(shù)值模擬的研究進(jìn)展。胡春紅等[13]分析和總結(jié)了水下爆炸現(xiàn)象數(shù)值模擬以及水下爆炸作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算研究進(jìn)展。辛春亮等[23]比較了LS-DYNA、DYTRAN、ABAQUS和AUTODYN這4種商業(yè)軟件在模擬水下爆炸問題的特點(diǎn)和適用范圍。宗智等[24]系統(tǒng)介紹了ABAQUS模擬中遠(yuǎn)場(chǎng)水下爆炸問題的半經(jīng)驗(yàn)性方法與分析算例。現(xiàn)有文獻(xiàn)采用的大壩爆炸響應(yīng)和破壞分析的數(shù)值模擬方法皆可包含于上述4類。

3.1 離散元法

離散元法(DEM)在大壩的變形、抗滑穩(wěn)定性、大壩地震開裂和潰壩破壞等方面得到了應(yīng)用，近年來在巖體爆破的動(dòng)力響應(yīng)和破壞分析中受到廣泛關(guān)注，但對(duì)壩體結(jié)構(gòu)的爆炸響應(yīng)研究較少。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所魯曉兵等[25-26]采用離散元法進(jìn)行壩體表面埋置裝藥爆炸作用下混凝土壩的動(dòng)力響應(yīng)分析，驗(yàn)證了DEM模擬混凝土壩爆炸破壞的可行性。他們通過與試驗(yàn)比對(duì)的方法確定離散元法模型的計(jì)算參數(shù)，給出壩體表面質(zhì)點(diǎn)速度時(shí)程曲線，并指出數(shù)值計(jì)算結(jié)果的精度與劃分塊體尺寸及材料參數(shù)密切相關(guān)。河海大學(xué)王冰玲等[27]基于四面體單元隨機(jī)剖分網(wǎng)格，采用離散元法模擬了上游壩面接觸爆炸荷載作用下三維混凝土壩的潰壩過程，但其采用經(jīng)驗(yàn)公式直接將爆炸荷載施加到壩體上，影響爆炸模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。

為充分發(fā)揮有限元法和離散元法各自的優(yōu)勢(shì)，研究者發(fā)展了多種FEM/DEM耦合分析方法。FEM/DEM耦合分析方法通常采用過渡層銜接有限元區(qū)域和離散元區(qū)域，或者采用接觸算法與位移約束條件描述有限單元與離散單元間的相互作用，或者在離散或破裂有限單元間引入離散元法的接觸力模型(即可離散有限元法或連續(xù)-非連續(xù)單元方法)，或者在一定條件下將有限單元轉(zhuǎn)化為離散單元。上述各種FEM/DEM耦合方法已在建筑結(jié)構(gòu)倒塌、重力壩地震破壞分析、邊坡穩(wěn)定、混凝土等準(zhǔn)脆性材料沖擊破壞、巖石劈裂破壞、顆粒-結(jié)構(gòu)相互作用等多個(gè)領(lǐng)域得到初步應(yīng)用，但FEM/DEM耦合方法在爆炸分析與大壩爆炸破壞分析中仍缺乏研究，僅嚴(yán)成增等[28]采用FEM/DEM耦合方法開展了爆炸氣體驅(qū)動(dòng)下巖體破裂模擬。

3.2 Lagrange有限元法

浙江大學(xué)李鴻波等[29-31]采用連續(xù)損傷模型描述壩體行為，采用自主研制的三維各向異性脆性動(dòng)力損傷有限元程序ADDFEP3D，分析了混凝土重力壩和拱壩及其基巖系統(tǒng)在大壩下游面受炸彈爆炸沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)、損傷演化與破壞問題。他們?cè)谘芯恐胁捎萌切魏奢d時(shí)程曲線施加爆炸荷載，忽略炸彈沖擊侵徹對(duì)壩體的毀損效應(yīng)，也忽略了庫(kù)水滿庫(kù)工況時(shí)壩體與動(dòng)水的耦合作用。

基于遠(yuǎn)場(chǎng)水下爆炸沖擊波對(duì)重力壩的作用可近似為均勻沖擊荷載作用的假定，南京水利科學(xué)研究院顧培英等[32]采用ABAQUS/Explicit的Lagrange顯式動(dòng)力學(xué)程序分析了不同沖擊荷載下大壩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和破壞形態(tài)?；诰€性聲學(xué)近似的聲-固耦合計(jì)算方法可以較好地模擬遠(yuǎn)場(chǎng)水下爆炸問題的結(jié)論，長(zhǎng)江科學(xué)院張啟靈等[33-35]采用ABAQUS/Explicit的顯式有限元程序，通過聲-固耦合方法模擬遠(yuǎn)場(chǎng)水下爆炸沖擊作用下多種壩工結(jié)構(gòu)的損傷發(fā)展規(guī)律和潛在破壞模式；需要指出，聲-固耦合模擬方法僅適用于中遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸，不能求解近場(chǎng)爆炸問題。

早期的分析爆炸沖擊問題的流體動(dòng)力學(xué)程序(Hydrocode)多采用歐拉算法，近年來，北京理工大學(xué)[19，21]、北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所[36]、中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所和北京大學(xué)[37]等單位的學(xué)者也開發(fā)了一些基于Euler算法的爆炸計(jì)算程序，但采用單一歐拉法研究大壩爆炸動(dòng)力響應(yīng)和破壞問題的文獻(xiàn)還很少見。

3.3 Lagrange與Euler混合方法

網(wǎng)格類Lagrange方法方便確定物質(zhì)界面移動(dòng)，但在處理大變形問題時(shí)易發(fā)生網(wǎng)格扭曲纏繞，導(dǎo)致求解不精確甚至失效；Euler方法適合模擬大變形問題，但存在難以精確追蹤物質(zhì)界面和多介質(zhì)混合網(wǎng)格的力學(xué)量的問題?；贚agrange和Euler的混合算法已成為計(jì)算爆炸力學(xué)當(dāng)今的研究重點(diǎn)，任意拉格朗日-歐拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian， ALE)法和耦合歐拉-拉格朗日(Coupled Eulerian-Lagrangian， CLE)法是2種典型的耦合分析方法，在爆炸沖擊模擬中取得良好效果?，F(xiàn)有近場(chǎng)爆炸和侵徹爆炸荷載作用下大壩的動(dòng)力響應(yīng)和破壞分析多采用Lagrange與Euler混合方法。其中：高能炸藥、庫(kù)水和空氣采用Euler網(wǎng)格建模，采用多物質(zhì)Euler算法或多物質(zhì)ALE算法求解；大壩等固體結(jié)構(gòu)采用Lagrange網(wǎng)格建模，采用Lagrange算法求解；采用流固耦合算法描述庫(kù)水/空氣與大壩之間的相互作用，流固耦合方法包括合并流體和結(jié)構(gòu)的界面節(jié)點(diǎn)方法、Noh耦合方法、罰函數(shù)接觸算法和Ghost耦合算法等。

武漢大學(xué)潘超[38]以LS-DYNA2D軟件的Euler有限元法分析了炸藥淺水爆炸時(shí)沖擊波傳播規(guī)律和水體噴柱現(xiàn)象，采用ALE方法分析了上游水面近壩爆炸、上游庫(kù)底近壩爆炸作用下混凝土重力壩的應(yīng)力變化規(guī)律、壩體振動(dòng)特性、壩體損傷演化和破壞規(guī)律。指出：水面近壩爆炸易造成壩踵和下游面起坡點(diǎn)附近拉應(yīng)力應(yīng)力集中，水面爆炸時(shí)壩頭部分損壞嚴(yán)重，壩體中部及下部損壞并不嚴(yán)重，壩踵附近有小范圍局部損傷；庫(kù)底爆炸時(shí)壩踵區(qū)域嚴(yán)重破壞，壩基面損傷破壞區(qū)域大，對(duì)大壩安全影響更為嚴(yán)重。采用ALE方法分析了巡航導(dǎo)彈垂直打擊壩頂與水平打擊壩體上游不同部位時(shí)，侵徹爆炸作用下混凝土重力壩的應(yīng)力和應(yīng)變變化規(guī)律、爆腔大小及壩體最終破壞范圍，指出侵徹爆炸易造成侵徹部位、壩踵和起坡點(diǎn)附近的局部破壞，提出了壩踵加厚、改善混凝土材料性能、在重點(diǎn)部位增加纖維材料的大壩抗爆安全防護(hù)措施。但其研究忽略了侵徹過程及其對(duì)大壩的損毀效應(yīng)；炸藥爆轟采用Lagrange算法，并通過接觸滑動(dòng)算法研究爆炸產(chǎn)物與壩體的相互作用，但接觸滑動(dòng)算法的描述還不完善。

第二炮兵學(xué)院李本平等[39-41]利用LS-DYNA軟件的ALE方法，在精確制導(dǎo)炸彈侵徹爆炸和重復(fù)打擊等條件下，研究了混凝土重力壩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、破壞效應(yīng)及壩體的抗滑穩(wěn)定性問題，分析了制導(dǎo)炸彈在壩前水面爆炸時(shí)水下和空中沖擊波的傳播規(guī)律以及大壩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。其研究表明：(a)侵徹爆炸造成壩體局部毀傷破壞，且呈現(xiàn)以爆炸作用為主、侵徹作用為輔的破壞特征；(b)重復(fù)打擊下彈藥爆炸具有明顯的疊加效應(yīng)，大壩毀傷更為嚴(yán)重，對(duì)大壩的正常運(yùn)行及安全構(gòu)成威脅。第二炮兵學(xué)院孟會(huì)林等[42]采用同樣的方法研究上游近壩面水下爆炸和上游深水庫(kù)底壩踵處爆炸時(shí)，典型混凝土重力壩斷面的動(dòng)力響應(yīng)特性和破壞范圍。張甲文等[3]采用相同方法研究鉆地武器垂直侵徹壩頂后爆炸下，混凝土重力壩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，指出壩頂遭到侵徹爆炸時(shí)破壞區(qū)主要集中在壩頭部分。

上海交通大學(xué)徐俊祥等[3]建立了壩體、壩基、炸藥、水及空氣二維全耦合計(jì)算模型，全過程分析了水下爆炸時(shí)混凝土重力壩的彈性加速度和位移時(shí)程變化規(guī)律。河海大學(xué)Yu[44]利用LS-DYNA軟件的ALE算法研究了發(fā)生上游壩面接觸爆炸時(shí)，水面、水中和庫(kù)底等3種不同位置炸藥爆炸對(duì)混凝土壩體動(dòng)力響應(yīng)和毀傷破壞的影響，指出距庫(kù)底一定距離的水中爆炸對(duì)壩體的毀傷最為嚴(yán)重。劉軍等[45]采用荷載時(shí)程曲線，在壩體頂部施加均布爆炸荷載，利用LS-DYNA軟件研究了兩河口土石壩在壩頂局部接觸爆炸作用下的動(dòng)力響應(yīng)和毀傷破壞問題。張智超等[46]利用LS-DYNA內(nèi)的多物質(zhì)ALE方法分析了均質(zhì)土石壩的爆炸破壞問題，研究不同炸藥埋深和不同孔壓上升程度對(duì)堤壩彈坑及爆腔效應(yīng)的影響。Zhu等[47]采用LS-DYNA研究了水下爆炸作用下三維混凝土拱壩的動(dòng)力響應(yīng)問題，指出水下爆炸沖擊作用下拱壩的水平位移、速度和加速度動(dòng)力響應(yīng)比豎直方向更為顯著。Linsbauer[48]通過建立庫(kù)水-壩體耦合模型，對(duì)庫(kù)底爆炸沖擊荷載作用下的混凝土重力壩(上游面含水平裂縫)的動(dòng)力響應(yīng)、穩(wěn)定性及破壞機(jī)理進(jìn)行了研究。

天津大學(xué)張社榮等[49-53]、王高輝等[54-55]基于LS-DYNA、AUTODYN和ABAQUS等軟件，構(gòu)建壩體、壩基、炸藥、水及空氣的三維全耦合模型，采用CLE法和ALE法系統(tǒng)研究混凝土重力壩在侵徹爆炸、水中爆炸和空中爆炸等不同爆炸方式下的動(dòng)力響應(yīng)、破壞模式及抗爆性能，為大壩抗爆性能評(píng)估和防護(hù)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。對(duì)淺水爆炸的沖擊波傳播過程和水面切斷效應(yīng)進(jìn)行分析，進(jìn)而針對(duì)水下爆炸沖擊波傳播及荷載特點(diǎn)，探討了混凝土重力壩在水下爆炸沖擊荷載作用下，大壩高度、庫(kù)前水位和局部配置抗爆鋼筋對(duì)大壩抗爆性能的影響。張社榮等[56]還分析了淺水爆炸下混凝土高拱壩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、可能破壞模式及抗爆性能，并進(jìn)而研究了網(wǎng)格尺寸對(duì)空中、水下爆炸模擬精度的影響，并給出網(wǎng)格尺寸的確定方法[57-58]。王高輝等[59-60]研究了近水面水下爆炸沖擊波傳播特性和氣穴效應(yīng)問題，并對(duì)比了水下爆炸和空中爆炸沖擊波的傳播特性[61]，以及2種爆炸條件下重力壩的不同動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性[62-63]。張社榮等[64]和楊明[65]采用LS-DYNA的ALE算法研究了水下爆炸沖擊下重力拱壩的動(dòng)力響應(yīng)、破壞特性和增加泡沫鋁結(jié)構(gòu)的抗爆性能。朱祖國(guó)等[66]采用同樣方法模型分析了混凝土閘壩在進(jìn)口段庫(kù)前和內(nèi)部發(fā)生水下爆炸時(shí)的失效模式。金亮等[67]考慮壩身孔口對(duì)結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響，研究了水下爆炸沖擊荷載作用下重力拱壩及壩后式廠房的動(dòng)力響應(yīng)和破壞模式，分析了爆心距對(duì)大壩結(jié)構(gòu)破壞模式的影響。他們的研究表明：水中爆炸沖擊荷載作用下大壩的破壞效應(yīng)較大，水下貼壩面爆炸時(shí)大壩破壞最嚴(yán)重，侵徹爆炸和空中爆炸的毀傷效應(yīng)主要體現(xiàn)為壩體的局部破壞效應(yīng)；采用配筋抗爆措施能夠顯著限制壩體裂縫的擴(kuò)展和貫穿，減少壩體開裂破壞范圍，有效地改善壩體的抗爆性能。

3.4 SPH、MPM和PD等無網(wǎng)格法

近年來，無網(wǎng)格粒子類方法[68-71]成為國(guó)際計(jì)算力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，光滑質(zhì)點(diǎn)流體動(dòng)力學(xué)方法(smoothed particle hydrodynamics， SPH)、物質(zhì)點(diǎn)法(material point method， MPM)，以及近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方法(peridynamics， PD)是其典型代表。光滑質(zhì)點(diǎn)流體動(dòng)力學(xué)方法的無網(wǎng)格、Lagrangian性質(zhì)能夠自然處理爆炸產(chǎn)生的大變形、多介質(zhì)等問題；目前，SPH程序已集成于AUTODYN、LS-DYNA等商業(yè)軟件中，在爆炸問題分析中得到廣泛應(yīng)用，也應(yīng)用于大壩的爆炸毀損分析，得到工程界的認(rèn)可。物質(zhì)點(diǎn)法是一種無網(wǎng)格粒子法，兼有Lagrange方法和Euler方法的優(yōu)點(diǎn)，能夠自然描述爆炸涉及的大變形、運(yùn)動(dòng)物質(zhì)交界面和多介質(zhì)耦合等問題；目前，研究者積極開展MPM在爆炸分析中的理論和應(yīng)用研究，已初步形成了商業(yè)分析軟件[69]，但尚未應(yīng)用到大壩毀傷分析領(lǐng)域。近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方法是一種新興的非局部無網(wǎng)格粒子類方法[70]，具有類似SPH方法的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在分析固體破壞問題時(shí)優(yōu)勢(shì)顯著，是爆炸問題分析的一種較有潛力的方法，目前僅Demmie[71]初步開展了炸藥爆轟和彈頭破碎的模擬研究，亟待進(jìn)一步發(fā)展。

3.5 SPH/FEM等耦合法

有限元法與光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(SPH/FEM)耦合方法在大變形區(qū)域采用SPH點(diǎn)，在小變形區(qū)采用FEM網(wǎng)格，充分利用FEM的計(jì)算效率與準(zhǔn)確施加本質(zhì)邊界條件優(yōu)勢(shì)，以及SPH方法能更準(zhǔn)確模擬大變形問題而沒有網(wǎng)格畸變問題的優(yōu)勢(shì)。張社榮等[72]和王帥[73]使用AUTODYN軟件的 FEM/SPH耦合方法分別研究水下接觸爆炸下重力壩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以及近水面水下爆炸對(duì)大壩動(dòng)力響應(yīng)及破壞模式的影響規(guī)律。同時(shí)，物質(zhì)點(diǎn)法或近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方法與有限元法的耦合分析是一個(gè)潛在研究方向，有利于促進(jìn)大壩結(jié)構(gòu)的爆炸毀傷分析。

4 結(jié)論與展望

a.計(jì)算爆炸力學(xué)的數(shù)值模擬與仿真技術(shù)已成為結(jié)構(gòu)爆炸響應(yīng)的主要研究手段，便于系統(tǒng)研究炸藥爆轟、爆炸沖擊波傳播，以及結(jié)構(gòu)爆炸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、毀傷破壞過程和抗爆防護(hù)等問題。

b.現(xiàn)有的數(shù)值模擬研究多基于LS-DYNA、AUTODYN和ABAQUS等商用軟件，這些軟件都有各自的適用范圍，相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法也存在一些不足。自主研發(fā)的計(jì)算程序在分析大壩的爆炸動(dòng)力響應(yīng)和破壞問題的成果還不多見，同時(shí)對(duì)計(jì)算模型做了許多簡(jiǎn)化處理，計(jì)算精度有待進(jìn)一步提高。商用軟件在及時(shí)吸收先進(jìn)理論和算法、改進(jìn)計(jì)算方法等方面難度較大，一些商用軟件的關(guān)鍵部分存在對(duì)華禁用的現(xiàn)實(shí)問題。結(jié)構(gòu)的抗爆安全性研究事關(guān)國(guó)家安全，必須獨(dú)立自主研發(fā)相關(guān)分析程序。

c.現(xiàn)有的大壩爆炸毀傷機(jī)理和破壞過程的研究還不夠系統(tǒng)和深入，需要加大研究投入。大壩的侵徹爆炸研究還較少，常用的ALE方法考慮侵徹和爆炸2個(gè)過程聯(lián)合作用，但基于網(wǎng)格分析方法在準(zhǔn)確模擬裂紋擴(kuò)展時(shí)遇到困難，且一些研究中忽略侵徹過程對(duì)壩體的毀傷作用而只分析爆炸作用；FEM/DEM耦合方法尚未運(yùn)用到大壩的爆炸模擬中；SPH/FEM的耦合分析方法尚未運(yùn)用到壩體開裂分析；物質(zhì)點(diǎn)法等無網(wǎng)格粒子類方法在分析侵徹破壞問題中具有顯著優(yōu)勢(shì)，有望進(jìn)一步促進(jìn)侵徹爆炸數(shù)值模擬的發(fā)展。水下爆炸和空中爆炸需要關(guān)注沖擊波在不同爆炸介質(zhì)中的傳播特性，以及多種邊界面或結(jié)構(gòu)面對(duì)沖擊波傳播的影響，需要加強(qiáng)水下氣泡脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷模擬研究。3種爆炸條件均需考慮多相介質(zhì)的流固耦合作用，需加強(qiáng)流固耦合方法研究，提高荷載的施加精度。

d.基于傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)值分析方法與不連續(xù)破壞問題本身存在根本矛盾，不能很好地描述結(jié)構(gòu)的損傷累積、宏觀裂紋萌生與擴(kuò)展、局部斷裂乃至整體失穩(wěn)的漸進(jìn)破壞過程。其中的Lagrange方法在處理大變形問題時(shí)易發(fā)生網(wǎng)格扭曲纏繞導(dǎo)致求解不精確甚至失效；Euler方法雖然便于處理大變形問題，但運(yùn)動(dòng)物質(zhì)界面的精確追蹤和多介質(zhì)混合網(wǎng)格問題處理難度大；ALE和CLE等混合方法兼具Lagrange和Euler法的特點(diǎn)，但需要著重處理2種單元界面的耦合作用。網(wǎng)格類數(shù)值方法在分析大變形問題時(shí)，一般采用網(wǎng)格重構(gòu)或侵蝕算法，網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)處理復(fù)雜、侵蝕算法刪除破壞單元不能真實(shí)反映爆炸產(chǎn)物與壩體間的作用過程。SPH和MPM等無網(wǎng)格方法近年來受到廣泛重視，但仍存在裂紋等不連續(xù)處的空間導(dǎo)數(shù)不存在的奇異性問題；無網(wǎng)格方法通常計(jì)算耗時(shí)多，需通過并行計(jì)算等高性能計(jì)算方式加以解決。SPH/FEM等網(wǎng)格-粒子類無網(wǎng)格耦合方法通過點(diǎn)、面接觸模擬兩者間的相互作用，但還不成熟，需要研究高精度的耦合計(jì)算方法。DEM方法能自然模擬結(jié)構(gòu)損傷破壞，但其難以精確確定單元間接觸模型的參數(shù)，且計(jì)算精度和效率低于有限元方法；FEM/DEM耦合分析方法具有一定優(yōu)勢(shì)。及時(shí)吸收計(jì)算力學(xué)領(lǐng)域的最新研究成果有利于促進(jìn)大壩等工程結(jié)構(gòu)的爆炸分析。

e.雖然大壩爆炸的動(dòng)力響應(yīng)和破壞分析已取得許多研究成果，但仍有許多待研究問題，如：侵徹爆炸的侵徹和爆炸過程的聯(lián)合分析、水下爆炸沖擊波和氣泡脈動(dòng)壓力聯(lián)合作用下大壩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征和破壞效應(yīng)、各種常規(guī)壩型和特種壩型的爆炸毀損分析、壩體局部構(gòu)造對(duì)大壩整體爆炸毀傷效果的影響，以及大壩抗爆防護(hù)方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化等問題。

[ 1 ] 陸遐齡. 三峽工程防護(hù)問題研究的回顧[J]. 中國(guó)三峽建設(shè)， 1995(2)：23-24. (LU Xialing. Review of research on protection of the Three Gorges Project [J]. China Three Gorges Construction， 1995 (2)：23-24. (in Chinese))

[ 2 ] 霍永基. 大壩工程抗爆炸研究[C]//白以龍， 楊衛(wèi). 力學(xué)2000. 北京：氣象出版社，2000：698-702.

[ 3 ] 徐俊祥， 劉西拉. 水中爆炸沖擊下混凝土壩動(dòng)力響應(yīng)的全耦合分析[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2008， 42(6)：1001-1004. (XU Junxiang， LIU Xila. Full Coupled Simulation of Concrete Dams Subjected to Underwater Explosion [J]. Journal of Shanghai Jiaotong University， 2008， 42(6)：1001-1004. (in Chinese))

[ 4 ] 王山山， 任青文. 重力壩在沖擊荷載作用下破壞模型試驗(yàn)[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)， 2010， 29(5)：11-13. (WANG Shanshan， REN Qingwen. Experimental study of the gravity dam damage caused by impact load [J]. Journal of Hydroelectric Engineering， 2010， 29(5)：11-13. (in Chinese))

[ 5 ] 王山山， 楊振宇. 重力壩動(dòng)力特性測(cè)試方法模型試驗(yàn)研究[J]. 振動(dòng)與沖擊， 2012， 31(10)：1-3， 8. (WANG Shanshan， YANG Zhenyu. Experimental study of the gravity dam damage caused by impact load [J]. Journal of Vibration and Shock， 2012， 31(10)：1-3， 8. (in Chinese))

[ 6 ] 雷冬， 任青文， 王山山， 等. 拱壩沖擊破壞的數(shù)字圖像相關(guān)研究[J]. 水電能源科學(xué)， 2012， 30(1)：70-71. (LEI Dong， REN Qingwen， WANG Shanshan， et al. Study of digital image correlation for impact damage of arch dam [J]. Water Resources and Power， 2012， 30(1)：70-71. (in Chinese))

[ 7 ] 陸路. 混凝土重力壩在水下沖擊波作用下的損傷及防護(hù)決策研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)， 2012.

[ 8 ] 顧培英， 肖仕燕， 鄧昌， 等. 沖擊荷載作用下混凝土重力壩破壞特性分析[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)， 2016， 33(5)：1-7. (GU Peiying， XIAO Shiyan， DENG Chang， et al. Study on damage characteristics of concrete gravity dam under impact load [J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute， 2016， 33(5)：1-7. (in Chinese))

[ 9 ] VANADIT-ELLIS W， DAVIS L K. Physical modeling of concrete gravity dam vulnerability to explosions[C]//Waterside Security Conference (WSS).New York：IEEE， 2010：1-11.

[10] 王秋生， 陳祖煜， 梁向前. 應(yīng)用離心模型試驗(yàn)研究爆炸荷載效應(yīng)[C]// 中國(guó)水利學(xué)會(huì)工程爆破專業(yè)委員會(huì).水利水電工程爆破技術(shù)新進(jìn)展. 北京：中國(guó)水利水電出版社， 2009：1-11.

[11] 張雪東， 侯瑜京， 梁向前， 等. 水下爆破對(duì)大壩影響的離心模擬試驗(yàn)研究[J]. 西北地震學(xué)報(bào)， 2011， 33(增刊1)：234-236. (ZHANG Xuedong， HOU Yujing， LIANG Xiangqian， et al. Centrifuge modeling research on the influence of underwater blasting on a dam[J]. Northwestern Seismological Journal， 2011， 33(Sup1)：234-236. (in Chinese))

[12] 趙海濤， 王成. 空中爆炸問題的高精度數(shù)值模擬研究[J]. 兵工學(xué)報(bào)， 2013， 34(12)：1536-1546. (ZHAO Haitao， WANG Cheng. High resolution numerical simulation of air explosion [J]. Acta Armamentarii， 2013， 34(12)：1536-1546. (in Chinese))

[13] 胡春紅， 馮新， 李昕， 等. 水下爆炸作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算研究綜述[J]. 工程爆破， 2007，13(1)：28-34. (HU Chunhong， FENG Xin， LI Xin， et al. Review of numerical simulation of structural responses to underwater explosion[J]. Engineering Blasting， 2007， 13(1)：28-34. (in Chinese))

[14] 宋順成， 才鴻年. 模擬戰(zhàn)斗部對(duì)混凝土侵徹與爆炸耦合作用的計(jì)算[J]. 彈道學(xué)報(bào)， 2004， 16(4)：23-28. (SONG Shuncheng， CAI Hongnian. Computations for coupled actions of simulated projectile penetrating and detonating to concrete [J]. Journal of Ballistics， 2004， 16(4)：23-28. (in Chinese))

[15] 牟金磊， 朱錫， 張振華， 等. 水下爆炸載荷作用下加筋板的毀傷模式[J]. 爆炸與沖擊， 2009， 29(5)：457-462. (MU Jinlei， ZHU Xi， ZHANG Zhenhua， et al. Failure modes of stiffened plates subjected to underwater explosion [J]. Explosion And Shock Waves， 2009， 29(5)：457-462. (in Chinese))

[16] 牟金磊， 朱錫， 張振華， 等. 水下爆炸載荷作用下加筋板的毀傷模式[J]. 爆炸與沖擊， 2010， 30(3)：225-231. (MOU Jinlei， ZHU Xi， ZHANG Zhenhua， et al. Failure modes of stiffened plates subjected to underwater explosion [J]. Explosion And Shock Waves， 2010， 30(3)：225-231. (in Chinese))

[17] 楊棣， 姚熊亮， 張瑋，等. 水下近場(chǎng)及接觸爆炸作用下雙層底結(jié)構(gòu)損傷試驗(yàn)研究[J]. 振動(dòng)與沖擊， 2015，34(2)：161-165. (YANG Di， YAO Xiongliang， ZHANG Wei， et al. Experimental on double bottom's structural damage under underwater near-field and contact explosions [J]. Journal of Vibration and Shock， 2015， 34(2)：161-165. (in Chinese))

[18] FORRESTAL M J， TZOU D Y. A spherical cavity-expansion penetration model for concrete targets [J]. International Journal of Solids and Structures， 1997， 34(31)：4127-4146.

[19] 寧建國(guó)， 王成， 馬天寶. 爆炸與沖擊動(dòng)力學(xué)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社， 2010.

[20] 馬上. 沖擊爆炸問題的物質(zhì)點(diǎn)無網(wǎng)格法研究[D]. 北京：清華大學(xué)， 2009.

[21] 寧建國(guó)， 王猛. 關(guān)于計(jì)算爆炸力學(xué)的進(jìn)展與現(xiàn)狀[J]. 力學(xué)與實(shí)踐， 2012， 34(1)：10-19，69. (NING Jingguo， WANG Meng. Review on computational explosion mechanics [J]. Mechanics in Engineering， 2012， 34(1)：10-19， 69. (in Chinese))

[22] 王成， SHU Chiwang. 爆炸力學(xué)高精度數(shù)值模擬研究進(jìn)展[J]. 科學(xué)通報(bào)， 2015，60(10)：882-898. (WANG Cheng， Shu Chiwang. Progress in high-resolution numerical simulation of explosion mechanics [J]. Chinese Journal， 2015，60(10)：882-898. (in Chinese))

[23] 辛春亮， 秦健， 徐更光， 等. 數(shù)值模擬軟件在水下爆炸模擬中的應(yīng)用研究[C]//安徽省力學(xué)學(xué)會(huì).第四屆全國(guó)爆炸力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 合肥：安徽省力學(xué)學(xué)會(huì)，2006：232-235.

[24] 宗智， 趙延杰， 鄒麗. 水下爆炸結(jié)構(gòu)毀傷的數(shù)值計(jì)算[M]. 北京：科學(xué)出版社， 2014.

[25] 魯曉兵， 郭易圓， 李世海. DEM 在爆炸載荷下混凝土壩體響應(yīng)的應(yīng)用[C]//中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì).中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)第七次學(xué)術(shù)大會(huì)論文集. 北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社， 2002：319-321.

[26] 魯曉兵， 李世海， 郭易圓. 爆炸載荷下三峽三期縱向圍堰響應(yīng)的離散元分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2002， 21(2)：158-162. (LU Xiaobing， LI Shihai， GUO Yiyuan. DEM analysis on the third period longitudinal cofferdam of the Three Gorges under blast loading [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics & Engineering， 2002， 21(2)：158-162. (in Chinese))

[27] 王冰玲， 劉軍. 爆炸載荷下混凝土壩潰壩過程的連續(xù)仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2014， 26(1)：159-162. (WANG Bingling， LIU Jun. Numerical simulation of process of concrete dam-break under explosive loading [J]. Journal of System Simulation， 2014， 26(1)：159-162. (in Chinese))

[28] 嚴(yán)成增， 孫冠華， 鄭宏， 等. 爆炸氣體驅(qū)動(dòng)下巖體破裂的有限元-離散元模擬[J]. 巖土力學(xué)， 2015， 36(8)：2419-2425. (YAN Chengzeng， SUN Guanhua， ZHENG Hong， et al. Simulation of explosive gas-driven rock fracture by FEM/DEM [J]. Rock & Soil Mechanics， 2015， 36(8)：2419-2425. (in Chinese))

[29] 李鴻波. 混凝土大壩各向異性脆性動(dòng)力損傷問題的三維有限元程序與分析[D]. 杭州：浙江大學(xué)， 2006.

[30] 李鴻波， 張我華， 陳云敏. 爆炸沖擊荷載作用下重力壩三維各向異性脆性動(dòng)力損傷有限元分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2006， 25(8)：1598-1605. (LI Hongbo， ZHANG Wohua， CHEN Yunmin. 3D finite element analysis of anisotropic brittle dynamic damage in gravity dam under blast-impact load [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics & Engineering， 2006， 25(8)：1598-1605. (in Chinese))

[31] 李鴻波， 張我華， 王亞軍. 爆炸載荷下拱壩脆性動(dòng)力損傷有限元分析[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào) (工學(xué)版)， 2007， 41(1) 29-33，103. (LI Hongbo， ZHANG Wohua， WANG Yajun. Finite element analysis of brittle dynamic damage in arch dam under blast load[J]. Journal of Zhejiang University(Enginering Science)， 2007， 41(1)：29-33，103. (in Chinese))

[32] 顧培英， 肖仕燕， 鄧昌， 等. 均勻沖擊荷載作用下重力壩的損傷分析[J]. 華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2015， 36(5)：18-22. (GU Peiying， XIAO Shiyan， DENG Chang， et al. Damage analysis of gravity dam under uniform impact load [J]. Journal of North China University of Water Resources & Electric Power (Natural Science Edition)， 2015， 36(5)：18-22. (in Chinese))

[33] 張啟靈， 李端有， 李波. 水下爆炸沖擊作用下重力壩的損傷發(fā)展及破壞模式[J]. 爆炸與沖擊， 2012， 32(6)：609-615. (ZHANG Qiling， LI Duanyou， LI Bo. Damage propagation and failure mode of gravity dam subjected to underwater explosion [J]. Explosion and Shock Waves， 2012， 32(6)：609-615. (in Chinese))

[34] 張啟靈， 李端有， 李波. 常規(guī)面板堆石壩壩前水下防爆距離的確定和影響因素[J]. 振動(dòng)與沖擊， 2013， 32(6)：78-83. (ZHANG Qiling， LI Duanyou， LI Bo. Underwater explosion protection range of conventional concrete face rockfill dam and its influencing factors [J]. Journal of Vibration and Shock， 2013， 32(6)：78-83. (in Chinese))

[35] 張啟靈， 李波. 高水位運(yùn)行下近水面水下爆炸對(duì)拱壩結(jié)構(gòu)的影響[J]. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)， 2013， 30(2)：153-159. (ZHANG Qiling， LI Bo. Impact on arch dam with a high reservoir level experiencing a near-surface underwater explosion shock loading [J]. Chinese Journal of Applied Mechanics， 2013，30 (2)：153-159. (in Chinese))

[36] 何長(zhǎng)江， 于志魯， 馮其京. 高速碰撞的三維歐拉數(shù)值模擬方法[J]. 爆炸與沖擊， 1999， 19(3)：216-221. (HE Changjiang YU Zhilu FENG Qijing. 3D Eulerian numerical simulation method of high speed impact [J]. Explosion And Shock Waves， 1999， 19(3)：216-221. (in Chinese))

[37] 王景燾， 張德良， 劉凱欣. 基于CE/SE方法的二維Euler型多物質(zhì)流體彈塑性問題計(jì)算[J]. 計(jì)算物理， 2007， 24(4)：395-401. (WANG Jingtao， ZHANG Deliang， LIU Kaixin. A Eulerian approach based on CE/SE method for 2D multimaterial elastic-plastic flows[J]. Jisuan Wuli/chinese Journal of Computational Physics， 2007， 24(4)：395-401. (in Chinese))

[38] 潘超. 關(guān)于砼重力壩在爆炸沖擊作用下的仿真分析 [D]. 武漢：武漢大學(xué)， 2005.

[39] 李本平， 王永， 盧文波. 制導(dǎo)炸彈在壩前水面爆炸破壞效應(yīng)研究[J]. 爆破， 2007， 24(4)：7-10. (LI Benping， Wang Yong， LU Wenbo. Study on the damage effect for water surface explosion of precision guided bomb [J]. Blasting， 2007， 24(4)：7-10. (in Chinese))

[40] 李本平， 盧文波. 制導(dǎo)炸彈水平侵徹爆炸作用下混凝土重力壩毀傷效應(yīng)數(shù)值仿真[J]. 爆破， 2008，24 (1)：1-5. (LI Benping， LU Wenbo. Numerical simulation for the demage of concrete gravity dam under horizontal penetration and explosion of GBU-28 [J]. Blasting， 2007， 24(1)：1-5. (in Chinese))

[41] 李本平. 制導(dǎo)炸彈連續(xù)打擊下混凝土重力壩的破壞效應(yīng)[J]. 爆炸與沖擊， 2010， 30(2)：220-224. (LI Benping. Damage effect of a concrete gravity dam under continuous attacks of guided bombs [J]. Explosion and Shock Waves， 2010， 30(2)：220-224. (in Chinese))

[42] 劉代志.國(guó)家安全地球物理叢書 (三)：地球物理探測(cè)與應(yīng)用[M].西安：西安地圖出版社，2007：212-221.

[43] 張甲文， 孟會(huì)林， 盧江仁. 混凝土重力壩在侵徹及爆炸加載下的仿真分析[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)， 2008， 28(3)：126-130. (ZHANG Jiawen， MENG Huilin， LU Jiangren. Simulation analysis for concrete gravity dam under penetration and explosion [J]. Journal of Projectiles Rockets Missiles & Guidance， 2008， 28(3)：126-130. (in Chinese))

[44] YU Tiantang. Dynamical response simulation of concrete dam subjected to underwater contact explosion load [C]// Computer Science and Information Engineering. New York：IEEE， 2009：769-774.

[45] 劉軍， 劉漢龍， 張正珺. 爆炸荷載下土石壩動(dòng)力響應(yīng)特征的數(shù)值模擬[J]. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)， 2010， 30(1)：10-16. (LIU Jun， LIU Hanlong， ZHANG Zhengjun. Numerical simulation of dynamic response of an earth and rock-fill dam to a blast loading[J]. Journal of Disaster Prevention & Mitigation Engineering， 2010， 30(1)：10-16. (in Chinese))

[46] 張智超， 陳育民， 劉漢龍， 等. 孔隙水壓力及炸藥埋深對(duì)堤壩爆炸效應(yīng)的影響分析[J]. 巖土力學(xué)， 2012， 33(7)：2214-2230. (ZHANG Zhichao， CHEN Yumin， LIU Hanlong， et al. Analysis of influences of pore water pressure and buried depth of explosive on blasting effect of embankments [J]. Rock & Soil Mechanics， 2012， 33(7)：2214-2230. (in Chinese))

[47] ZHU Feng， ZHU Weihua， ZHU Xiaoxi， et al. Numerical simulation of arch dam withstand underwater explosion [C]//Modelling， Identification & Control (ICMIC). New York：IEEE， 2012：1034-1039.

[48] LINSBAUER H. Hazard potential of zones of weakness in gravity dams under impact loading conditions [J]. Frontiers of Architecture & Civil Engineering in China， 2011， 5(1)：90-97.

[49] 張社榮， 王高輝. 混凝土重力壩抗爆性能及抗爆措施研究[J]. 水利學(xué)報(bào)， 2012， 43(10)：1202-1213. (ZHANG Sherong， WANG Gaohui. Study on the antiknock performance and measures of concrete gravity dam [J]. Journal of Hydraulic Engineering， 2012， 43(10)：1202-1213. (in Chinese))

[50] 張社榮， 王高輝. 水下爆炸沖擊荷載下混凝土重力壩的抗爆性能[J]. 爆炸與沖擊， 2013， 33(3)：255-262. (ZHANG Sherong， WANG Gaohui. Antiknock performance of concrete gravity dam subjected to underwater explosion [J]. Explosion and Shock Waves， 2013， 33(3)：255-262. (in Chinese))

[51] 張社榮， 王高輝， 王超，等. 水下爆炸沖擊荷載作用下混凝土重力壩的破壞模式[J]. 爆炸與沖擊， 2012， 32(5)：501-507. (ZHANG Sherong， WANG Gaohui， WANG Chao， et al. Failure mode analysis of concrete gravity dam subjected to underwater explosion [J]. Explosion and Shock Waves， 2012， 32(5)：501-507. (in Chinese))

[52] ZHANG Sherong， WANG Gaohui， WANG Chao， et al. Numerical simulation of failure modes of concrete gravity dams subjected to underwater explosion [J]. Engineering Failure Analysis， 2014， 36：49-64.

[53] 王高輝. 極端荷載作用下混凝土重力壩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為和損傷機(jī)理[D]. 天津：天津大學(xué)，2014.

[54]WANG Gaohui， ZHANG Sherong. Damage prediction of concrete gravity dams subjected to underwater explosion shock loading [J]. Engineering Failure Analysis， 2014， 39：72-91.

[55]王高輝， 張社榮， 盧文波， 等. 水下爆炸沖擊荷載下混凝土重力壩的破壞效應(yīng)[J]. 水利學(xué)報(bào)， 2015， 46(6)：723-731. (WANG Gaohui， ZHANG Sherong， LU Wenbo， et al. Damage effects of concrete gravity dams subjected to underwater explosion [J]. Journal of Hydraulic Engineering， 2015， 46(6)：723-731. (in Chinese))

[56] 張社榮， 王高輝. 淺水爆炸沖擊荷載下高拱壩抗爆性能分析[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版)， 2013， 46(4)：315-321. (ZHANG Sherong， WANG Gaohui. Antiknock Performance of High Arch Dam Subjected to Shallow Water Explosion [J]. Journal of Tianjin University(Science and Technology)， 2013， 46(4)：315-321. (in Chinese))

[57] 張社榮， 李宏璧， 王高輝， 等. 空中和水下爆炸沖擊波數(shù)值模擬的網(wǎng)格尺寸效應(yīng)對(duì)比分析[J]. 水利學(xué)報(bào)， 2015，46(3)：298-306. (ZHANG Sherong， LI Hongbi， WANG Gaohui， et al. Comparative analysis of mesh size effects on numerical simulation of shock wave in air blast and underwater explosion [J]. Journal of Hydraulic Engineering， 2015， 46(3)：298-306. (in Chinese))

[58] 張社榮， 李宏璧， 王高輝， 等. 水下爆炸沖擊波數(shù)值模擬的網(wǎng)格尺寸確定方法[J]. 振動(dòng)與沖擊， 2015，34(8)：93-100. (ZHANG Sherong， LI Hongbi， WANG Gaohui， et al. A method to determine mesh size in numerical simulation of shock wave of underwater explosion [J]. Journal of Vibration and Shock， 2015， 34(8)：93-100. (in Chinese))

[59] WANG Gaohui， ZHANG Sherong， YU Mao， et al. Investigation of the shock wave propagation characteristics and cavitation effects of underwater explosion near boundaries [J]. Applied Ocean Research， 2014，46：40-53.

[60] 王高輝， 張社榮， 盧文波. 近邊界面的水下爆炸沖擊波傳播特性及氣穴效應(yīng)[J]. 水利學(xué)報(bào)， 2015， 46(8)：999-1007. (WANG Gaohui， ZHANG Sherong， Lu Wenbo. The influence of boundaries on the shock wave propagation characteristics and cavitation effects of underwater explosion [J]. Journal of Hydraulic Engineering， 2015， 46(8)：999-1007. (in Chinese))

[61] 張社榮， 孔源， 王高輝. 水下和空中爆炸沖擊波傳播特性對(duì)比分析[J]. 振動(dòng)與沖擊， 2014， 33(13)：148-153. (ZHANG Sherong， KONG Yuan， WANG Gaohui. Comparative analysis on propagation characteristics of shock wave induced by underwater and air explosions [J]. Journal of Vibration and Shock， 2014， 33(13)：148-153. (in Chinese))

[62] 張社榮， 孔源， 王高輝. 水下和空中爆炸時(shí)混凝土重力壩動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比分析[J]. 振動(dòng)與沖擊， 2014， 33(17)：47-54. (ZHANG Sherong， KONG Yuan， WANG Gaohui. Dynamic responses of a concrete gravity dam subjected to underwater and air explosions [J]. Journal of Vibration and Shock， 2014， 33(17)：47-54. (in Chinese))

[63] WANG Gaohui， ZHANG Sherong， KONG Yuan， et al. Comparative study of the dynamic response of concrete gravity dams subjected to underwater and air explosions [J]. Journal of Performance of Constructed Facilities， 2015，29(4)：1-16.

[64] 張社榮， 楊明， 王高輝. 水下爆炸沖擊下重力拱壩的破壞特性[J]. 水電能源科學(xué)， 2014， 32(7)：69-73. (ZHANG Sherong， YANG Ming， WANG Gaohui. Failure characteristics of gravity arch dam subjected to underwater explosion [J]. Water Resources and Power， 2014， 32(7)：69-73. (in Chinese))

[65] 楊明. 水下爆炸沖擊下混凝土重力拱壩動(dòng)態(tài)響應(yīng)及抗爆措施研究[D].天津：天津大學(xué)， 2014.

[66] 朱祖國(guó)， 王高輝， 許昌， 等. 水下爆炸沖擊作用下混凝土閘壩的失效模式分析[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào)， 2015， 13(5)：36-40. (ZHU Zuguo， WANG Gaohui， XU Chang， et al. Failure mode analysis of concrete gate dams subjected to shockloading of underwater explosion [J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering， 2015， 13(5)：36-40. (in Chinese))

[67] 金亮， 王高輝， 盧文波，等. 水下爆炸沖擊荷載作用下重力拱壩及壩后式廠房的破壞效應(yīng)[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào)， 2016， 14(1)：32-38. (JIN Liang， WANG Gaohui， LU Wenbo， et al. Damage effects of gravity arch dams and powerhouse at dam toe subjected to underwater explosion [J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering， 2016， 14(1)：32-38. (in Chinese))

[68] 繆吉倫. SPH數(shù)值模擬在水科學(xué)與工程中的應(yīng)用[M].長(zhǎng)春：吉林出版集團(tuán)有限責(zé)任公司，2013.

[69] 周旭， 張雄. 物質(zhì)點(diǎn)法數(shù)值仿真<軟件>系統(tǒng)及應(yīng)用[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社， 2015.

[70] SILLING S A. Reformulation of elasticity theory for discontinuities and long-range forces [J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids， 2000， 48(1)：175-209.

[71] DEMMIE P. An approach to modeling extreme loading of structures using peridynamics [J]. Journal of Mechanics of Materials and Structures， 2007， 2(10)：1921-1945.

[72] 張社榮， 孔源， 王高輝， 等. 混凝土重力壩水下接觸爆炸下的毀傷特性分析[J].水利學(xué)報(bào)， 2014， 45(9)：1057-1065. (ZHANG Sherong， KONG Yuan， WANG Gaohui， et al. Damage characteristic analysis of concrete gravity dams subjected to underwater contact explosion [J]. Journal of Hydraulic Engineering， 2014， 45(9)：1057-1065. (in Chinese))

[73] 王帥. 基于 FEM/SPH 方法的水下爆炸沖擊荷載作用下的混凝土重力壩破壞模式研究[D].天津：天津大學(xué)， 2012.

Progress in numerical simulation of dam failure under blast loading

GU Xin，ZHANG Qing

(CollegeofMechanicsandMaterials，HohaiUniversity，Nanjing211100，China)

Research progress and development trends in numerical simulation methods for analyzing the dynamic response and failure process of dams under blast and impact loads are reviewed. Research findings regarding the dynamic response and failure process of dams under blast loading obtained through the existing numerical simulation methods for the computation of explosion mechanics are focally summarized. It is pointed out that the dam dynamic response analysis under blast loading involves an explosion，the formation and propagation of a shockwave，the interaction between the shockwave and the dam body，and the dynamic response of the dam body. The classification and characteristics of the blast loads exerted on dams and their damage effects on dams are summarized，and issues that require more attention in dam explosion simulation under explosion conditions are pointed out. Based on current research，the latest research achievements of computational mechanics should be absorbed into future research to develop high-precision numerical methods and high-efficiency numerical solution systems，and to realize the entire process simulation of the dam dynamic response to explosions.

blast loading； dam failure analysis； numerical simulation； research status； review

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.01.007

2016-04-23

國(guó)家自然科學(xué)基金(11672101，11372099， 11132003) ；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2015BAB07B10)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK20151493)

顧鑫(1991—)，男，江蘇連云港人，博士研究生，主要從事計(jì)算力學(xué)與災(zāi)變破壞力學(xué)研究。E-mail：guxinlx1010@gmail.com

章青，教授。E-mail：lxzhangqing@hhu.edu.cn

TV698；O347；O38

A

1000-1980(2017)01-0045-11