技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種混凝土重力壩壩踵抗爆防護結(jié)構(gòu)，具體來說是一種用于混凝土重力壩壩踵抗水下接觸爆炸的防護裝置，適用于戰(zhàn)時或受到恐怖威脅時混凝土重力壩壩踵的抗爆安全防護及巖坎爆破拆除中附近建構(gòu)物的安全防護。

背景技術(shù)：

混凝土重力壩主要依靠自重維持穩(wěn)定，因此混凝土重力壩下部體積較大，上部結(jié)構(gòu)薄弱。水下接觸爆炸荷載作用下，盡管上部壩體結(jié)構(gòu)更容易破壞，但不至于產(chǎn)生嚴(yán)重的潰壩事故。壩踵區(qū)域由于應(yīng)力集中現(xiàn)象，易產(chǎn)生拉伸開裂破壞，且大壩防滲帷幕距離壩踵較近。當(dāng)炸藥在壩踵處發(fā)生爆炸時，大壩壩踵極易發(fā)生拉伸開裂破壞，并貫徹大壩防滲帷幕，導(dǎo)致?lián)P壓力上升，對大壩的安全穩(wěn)定產(chǎn)生嚴(yán)重影響，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致大壩失事，造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。因此，提升大壩壩踵的抗爆安全性能至關(guān)重要。

在大壩壩踵處的安全防護中，傳統(tǒng)防護工程措施包括配筋加固、優(yōu)化結(jié)構(gòu)等，但對于已建成的大壩而言可操作性不強、難以實現(xiàn)。另一方面，有學(xué)者提出通過向水下通入高壓氣體形成不斷上升、濃密的氣泡帷幕，利用氣泡帷幕來衰減爆炸沖擊波，但是對于運行中的高壩，由于庫區(qū)底部沉淀有一定厚度的泥沙，導(dǎo)致氣泡帷幕裝置的安裝布置十分困難。同時氣泡帷幕僅能應(yīng)用于非接觸爆炸的防護中，而對于魚雷等能直接作用在壩踵上的接觸爆炸荷載，氣泡帷幕將失去防護作用。因此，當(dāng)混凝土重力壩壩踵受到水下接觸爆炸荷載威脅時，如何快速布防，以提升混凝土重力壩壩踵的抗爆性能，是混凝土重力壩安全防護中亟需解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是在于提供一種用于混凝土重力壩壩踵抗水下接觸爆炸的防護裝置，以解決混凝土重力壩安全防護的問題，為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種用于混凝土重力壩壩踵抗水下接觸爆炸的防護裝置，其特征是：包括從前至后依次設(shè)置的前面板、波浪面板、中面板、支撐隔板和后面板，所述前面板、中面板和后面板的四周通過側(cè)面板密封固定連接，所述波浪面板與前面板、中面板均不固定連接；所述支撐隔板用于將中面板和后面板隔離開。

所述支撐隔板為多個縱向板和多個橫向板相連組成，縱向板和橫向板將中面板和后面板之間分割成多個可儲存密封空氣的小空腔。

所述前面板、波浪面板、中面板、支撐隔板、后面板和側(cè)面板分別采用能抗其周圍靜水壓力的鋼板制成，所述中面板的厚度大于前面板和波浪面板的厚度。

該防護裝置的結(jié)構(gòu)整體所受重力G大于結(jié)構(gòu)整體在水中所受浮力F，且G/F=1.01~1.20。

波浪面板波幅為80mm~150mm，波長與波幅之比為3~6。

支撐隔板的縱向板間距和橫向板間距均為200mm~400mm。

所述防護裝置頂部布置兩個吊環(huán)，吊環(huán)與防護裝置頂部固定連接，使用時將吊環(huán)與鋼絲繩連接，來控制防護裝置升降。

本發(fā)明的工作原理在于：由于前面板和波浪面板厚度較小且波浪面板的形狀易于被壓縮，接觸爆炸荷載作用下，二者很容易發(fā)生變形破壞，在此過程中將吸收部分爆炸能量。由于中面板與波浪面板之間無固定連接，波浪面板的變形破壞不會直接引起中面板的變形，反而將接觸爆炸產(chǎn)生的集中荷載轉(zhuǎn)變?yōu)榉植己奢d，增大了中面板的受沖擊面積，從而降低了沖擊強度。由于中面板厚度較大，且支撐隔板將中、后面板間的空氣層分割成眾多小空腔，故降低了空氣層被完全破壞的風(fēng)險，同時支撐隔板受到爆炸沖擊時可有效吸收爆炸沖擊波的能量，有助于增強裝置縱向的結(jié)構(gòu)強度。最后利用波阻抗失配原理，通過中、后面板間空腔內(nèi)空氣介質(zhì)與周圍水體介質(zhì)波阻抗的差異來反射、衰減爆炸沖擊波，從而減小爆炸沖擊波對大壩壩踵的破壞。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1. 本防護裝置無需對混凝土重力壩壩體進行改裝、破壞，只需在大壩壩踵受到水下爆炸威脅時，通過吊裝將本裝置布置于大壩上游面底部即可，另外，本裝置結(jié)構(gòu)簡單，方便預(yù)制，縮短了施工時間，適用于快速布防，具有快捷方便的優(yōu)點。同時通過控制裝置整體重量與裝置在水中所受浮力的大小，減小了結(jié)構(gòu)在水中吊裝時所需拉力，提高了裝置的操控性。

2. 本防護裝置能夠避免魚雷等爆炸物直接作用在大壩壩踵上，因此可以同時用于水下接觸與水下非接觸爆炸荷載威脅下大壩壩踵的安全防護。

3. 本防護裝置充分利用前面板和波浪面板的變形破壞，吸收部分爆炸能量，同時利用波阻抗失配原理，通過中、后面板間的空腔反射、衰減爆炸沖擊波，吸能效果好、剩余強度高，能夠有效保護大壩壩踵的安全。

4. 本防護裝置波浪面板的形狀有利于其充分壓縮變形吸能，從而增大中面板受沖擊面積，減小了沖擊強度。由于中面板與波浪面板之間不固接，波浪面板的變形不會直接引起中面板的破壞，且支撐隔板將中、后面板間的空氣層分割成眾多小空腔，從而降低了中、后面板間的空氣層被完全破壞的風(fēng)險。

雖然本發(fā)明是針對混凝土重力壩壩踵抗水下接觸爆炸安全防護提出的，但是，通過控制吊裝高度，可以將其用來防護泄洪孔口、沖沙孔洞和壩頭等壩體抗爆性能相對薄弱的其它部位，同時本裝置還可以用于其它結(jié)構(gòu)的抗爆安全防護。

附圖說明

圖1為本發(fā)明在壩踵抗爆防護中的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的外部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為結(jié)構(gòu)局部拆分圖。

1-前面板，2-波浪面板，3-中面板，4-支撐隔板，5-后面板，6-側(cè)面板，7-吊環(huán)，8-鋼絲繩，9-混凝土重力壩，10-大壩防滲帷幕。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明做進一步說明。

如圖1~圖4所示，本發(fā)明包括前面板1、波浪面板2、中面板3、支撐隔板4、后面板5、側(cè)面板6、吊環(huán)7、鋼絲繩8、混凝土重力壩9、大壩防滲帷幕10。其中，前面板1覆蓋在波浪面板2之上，波浪面板2支撐于中面板3上，波浪面板2與前面板1、中面板3均不固接；中面板3和后面板5通過支撐隔板4隔開，支撐隔板4由多個縱向板和多個橫向板固定相連組成，支撐隔板4通過與中面板3、后面板5的固定連接將中面板3和后面板5間的空氣層分割成眾多小空腔，支撐隔板4沿裝置長、高方向上的間距均為200mm~400mm；側(cè)面板6將前面板1、中面板3和后面板5的四周密封固定連接；吊環(huán)7通過焊接與裝置頂部的側(cè)面板6固定連接；使用時，通過鋼絲繩8與吊環(huán)7的連接保證結(jié)構(gòu)的吊裝安放。前面板1、波浪面板2、中面板3、支撐隔板4、后面板5和側(cè)面板6均為鋼板制成，各板厚度只需保證靜水壓力作用下結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定即可，在此前提下，中面板3的厚度取放大1.2~1.5倍。

用本防護裝置進行壩踵抗水下接觸爆炸的實現(xiàn)步驟是：

1. 確定需要進行抗爆防護混凝土重力壩9的壩高、壩段長度、蓄水高程等，本實施例中壩段寬度為15m，蓄水高程為80m，因此各面板厚度應(yīng)保證裝置能夠抵抗80m深靜水壓力。

2. 接觸爆炸荷載作用下，前面板1和波浪面板2將發(fā)生變形破壞，在此過程中將吸收部分爆炸能量。波浪面板2壓縮變形后將接觸爆炸產(chǎn)生的集中荷載轉(zhuǎn)變?yōu)榉植己奢d，同時增大了中面板3受沖擊面積，從而降低了沖擊強度。波浪面板2波幅為80mm~150mm，波長與波幅之比為3~6，本實例中波浪面板2波幅取100mm，波長取400mm，厚度取為6mm。在保證結(jié)構(gòu)能夠抵抗靜水壓力作用的前提下，應(yīng)盡量減小前面板1的厚度。

本實例中各面板材料均為Q235鋼板，前面板1厚度取9mm，并按照多跨兩邊支撐板進行靜水壓力作用下的強度校核，最大彎矩，前面板1強度應(yīng)滿足：，式中，為均布荷載作用下兩邊支撐板的彎矩系數(shù)，本實例中按照三跨以上連續(xù)板進行取值，取為0.1；為均布靜水壓力荷載；為波浪面板2的半波長；為前面板1沿支撐方向上的截面模量；為前面板1沿支撐方向上的截面塑性發(fā)展系數(shù)，實例中取1.2；為前面板1材料的屈服強度，本實例中取為235MPa。

3. 由于中面板3與波浪面板2之間無固定連接，波浪面板2的變形破壞不會直接引起中面板3的變形，在保證結(jié)構(gòu)能夠抵抗靜水壓力作用的前提下，應(yīng)適當(dāng)增大中面板3的厚度，從而降低中面板3被直接破壞的風(fēng)險，本實施例中中面板3厚度取為10mm。

4. 在中面板3和后面板5中間布置支撐隔板4，支撐隔板4將中面板3和后面板5之間的空氣層分割成眾多小空腔，在增大裝置縱向結(jié)構(gòu)強度的同時也降低了空氣層被完全破壞的風(fēng)險，此外，支撐隔板4受到爆炸沖擊時可有效吸收爆炸沖擊波的能量。本實例中支撐隔板4高度取為100mm，支撐隔板4沿裝置長、高方向間距均取為250mm，支撐隔板4厚度應(yīng)滿足抗剪強度要求，可近似地假定最大剪應(yīng)力為支撐隔板4平均剪應(yīng)力的1.2倍，則支撐隔板4抗剪強度計算公式為，式中為支撐隔板4厚度；最大剪力，其中為均布靜水壓力荷載，、分別為支撐隔板4沿裝置長、高方向上的間距；為支撐隔板4高度，為材料抗剪強度設(shè)計值，本實例中取為125MPa，經(jīng)過計算本實例中支撐隔板4厚度可取為2mm。

5. 利用波阻抗失配原理，通過中面板3和后面板5之間的空腔進一步反射、衰減爆炸沖擊波，從而減小爆炸沖擊波對大壩壩踵的破壞，同時通過進一步擴大接觸爆炸沖擊的作用面積，減小了沖擊強度。根據(jù)支撐隔板4尺寸可以確定后面板5厚度可取為9mm，并按照四邊支撐板進行靜水壓力作用下的強度校核。其中后面板5的最大彎矩，后面板5強度應(yīng)滿足：，式中，為均布荷載作用下后面板5的的彎矩系數(shù)，根據(jù)四邊簡支板的彈性力學(xué)分析得出，本實例中取為0.065；為均布靜水壓力荷載；、分別為支撐隔板4沿裝置長、高方向上的間距；為后面板5截面塑性發(fā)展系數(shù)，本實例中取為1.2；為后面板5單位長度的截面模量；為后面板5材料的屈服強度，本實例中取為235MPa。

6. 根據(jù)壩段寬度及壩高，確定單個防護裝置長度為7.5m，高度為10m，防護裝置總厚度為300mm，每個壩段平行布置兩個防護裝置。經(jīng)計算，本實例中的防護裝置總體重量G與裝置在水中所受總浮力F的關(guān)系為：G=1.12F，既保證了防護裝置在水中能夠順利下沉，又降低了裝置在水中吊裝所需拉力，從而提高裝置在水中的操控性。

7. 在防護裝置頂部安裝吊環(huán)7，通過鋼絲繩8與吊環(huán)7的連接將本防護裝置緊貼混凝土重力壩9上游面向下放置，最終布置于大壩上游面底部，防護裝置應(yīng)盡量貼近大壩上游面。

8. 對于一層防護裝置不能消除壩踵所受爆炸荷載沖擊威脅的情況，可以在壩踵前布置多層防護裝置。