2025大赛优秀作品 | 强动载作用下拱坝动态响应和损伤破坏的数值模拟研究

作品名称：强动载作用下拱坝动态响应和损伤破坏的数值模拟研究

作者： 钱敬业 | 同济大学

关键词：强动载，水下爆炸，拱坝，损伤破坏，数值模拟

有限元计算模型

鉴于低截面厚度拱坝在恐怖袭击及爆炸事故中的显著风险，本研究基于LS-DYNA软件建立了某原型拱坝的精细化三维数值模型，旨在研究其在水下爆炸强动载作用下的动态响应与损伤破坏机理。数值模拟考虑了两种TNT当量（100 kg与 200 kg）及两种爆炸深度（水面下12.5 m和25 m）的水下爆炸工况，实现了爆炸冲击波-水体-坝体相互作用的完全耦合高精度模拟。模型完整再现了结构从微损伤萌生、宏观裂缝扩展直至最终失稳溃坝的全过程损伤演化，并特别计入了坝体损伤后库水压力的持续作用机制。研究结果表明：坝顶区域为结构最薄弱部位，损伤破坏易在此处萌生并发展。爆炸当量与爆炸深度的变化均显著影响坝体损伤程度，其中在相同爆炸当量下，增大爆炸深度可显著减轻拱坝的损伤。拱坝在水下爆炸作用下的破坏过程可分为三个阶段：i）初始损伤阶段；ii）损伤发展阶段；iii）溃坝阶段。本研究所建立的精细化模型及模拟方法，为深入理解低截面厚度拱坝在极端荷载下的失效机理及其安全防护设计提供了重要依据。

挑战/需求

三个工况的结构最终破坏情况

低截面厚度拱坝在恐怖袭击或爆炸事故中的极端脆弱性亟需量化评估与防护提升。常规数值模拟方法/软件难以对水下爆炸强动载作用下拱坝全流程损伤演化机制进行精细刻画，尤其难以模拟爆炸冲击波-库水-坝体耦合作用及损伤后库水持续渗透效应。工程实践需求包括：高精度破坏预测模型；不同爆炸工况对损伤的敏感性；薄弱区域强化设计依据。

使用工具

Ansys LS-DYNA; LS-PrePost; Python

最终成果

水冢与溃坝

本研究基于LS-DYNA建立了低截面厚度拱坝水下爆炸全耦合模型，首次完整再现了结构从微损伤萌生、宏观裂缝扩展至溃坝的全过程演化，并计入了损伤后库水渗透压力持续作用机制。关键成果表明：

（1）坝顶为损伤萌生与发展的最敏感区域；

（2）相同当量下，爆炸深度从12.5 m增至25 m可显著降低坝体损伤；

（3）拱坝的破坏过程可划分初始损伤→损伤发展→溃坝的渐进失效路径。

所建立的有限元模型可以为极端爆炸荷载下拱坝安全防护设计提供了理论基础。