装药位置对爆破破冰效果影响的数值分析.pdf

第3 2 卷第4 期 2 0 1 5 年1 2 月 爆破 B L A S T 矾G V 0 1 ．3 2N o ．4 D e c ．2 0 1 5 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 5 ．0 4 ．0 2 2 装药位置对爆破破冰效果影响的数值分析水 张忠和1 , 2 ，梁向前2 ，徐3 吴瑞波4 1 ．中国地质大学，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．中国水利水电科学研究院，北京1 0 0 0 4 8 ； 3 ．石家庄经济学院，石家庄0 5 0 0 8 1 ；4 ．6 6 2 6 7 部队，石家庄0 5 0 0 8 1 摘要采用数值模拟的方法研究了炸药装药位置对水下冰凌爆破效果的影响。以黄河防凌破冰试验为 基础，采用有限元软件I S D Y N A 模拟了炸药在水下不同深度处的爆破破冰效果。模拟结果表明在深度大于 4 ．5m 的水中，药包位于冰下约1 ．5m 处破冰效果较好；当水深较小时药包的最佳深度相应增加。通过对水 压力变化分析，揭示装药深度和水深对爆破效果影响的物理机制。研究结果为防凌破冰设备的研制提供了 理论依据。 关键词冰凌爆破；装药位置；水深；破冰效果；数值模拟 中图分类号T V 5 4 2 ．5 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 5 0 4 0 1 1 8 0 5 N u m e r i c a lA n a l y s i so fE f f e c to fD i f f e r e n t C h a r g eP o s i t i o no nI c eB l a s t i n g Z H A N GZ h o n g k 1 ”，H A N GX i a n g ．q i a n 2 ，X UW e i 3 ，删R u i ．b 0 4 1 ．C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．C h i n e s eI n s t i t u t eo fW a t e rR e s o u r c e sa n dH y d r o p o w e rR e s e a r c h ，B e i j i n g1 0 0 0 4 8 ，C h i n a ； 3 ．S h i j i a z h u a n gU n i v e r s i t yo fE c o n o m i c s ，S h i j i a z h u a n g0 5 0 0 81 ，C h i n a ； 4 ．6 6 2 6 7P L AT r o o p ，S h i j i a z h u a n g0 5 0 0 81 ，C h i n a A b s t r a c t T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dw a su s e dt os t u d yt h ee f f e c to fe x p l o s i v ep o s i t i o nu n d e ri c el a y e ro n i c eb r e a k i n g ．T a k i n gb l a s t i n gi nY e l l o wR i v e ra se x a m p l e ．t h eL S D Y N Aw a su s e dt os i m u l a t et h ei c eb r e a k i n ge f f e c t w i t he x p l o s i v eu n d e rd i f f e r e n tw a t e rd e p t h s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m i z e di c e b r e a k i n ge f f e c tW a so b t a i n e da t t h ep o s i t i o n1 ．5m e t e ru n d e ri c el a y e rw h e nt h ew a t e ri sd e e p e rt h a n4 ．5m e t e r s ．W h e nt h ed e p t ho fw a t e rb e c a m e s m a l l e r ，t h ep o s i t i o nf o rt h eb e t t e ri c e b r e a k i n ge f f e c tw o u l dp r o m o t e ．T h r o u g ht h ea n a l y s i so fw a t e rp r e s s u r ec h a n g e ， t h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo fi n f l u e n c eo fc h a r g ep o s i t i o na n dw a t e rd e p t ho nt h eb l a s t i n gw a sr e v e a l e d ，w h i c hp r o v i d e s t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e v e l o p m e n to fi c e - j a mb r e a k i n ge q u i p m e n t ． K e yw o r d s i c eb l a s t i n g ；e x p l o s i v ep o s i t i o n ；w a t e rd e p t h ；i c eb r e a k i n ge f f e c t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 凌汛是河道封冻后冰盖对水流约束增强产生阻 力而引起的江河水位明显上涨的水文现象，会造成 收稿日期2 0 1 5 0 8 一0 8 作者简介张忠和 1 9 9 2 一 ，男，汉族，安徽省六安市霍邱县人，硕 士．主要从事地质工程研究， E m a i l z h o n g h e c u g b y a h o o ． c o m o 基金项目“十二五”国家科技支撑计划 2 0 1 l B A K 0 9 8 0 2 ；国家自然 科学基金重点项目 5 1 3 3 9 0 0 6 ；中国水利水电科学研究 院科研专项 岩集1 3 0 8 水位大幅抬高，最终漫滩或决堤，还可能会导致主流 改道⋯。2 0 1 4 年春季武警于黑龙江塔河段进行了 冰凌爆破。早在1 9 7 7 年，松花江白山水电站开江前 就用爆破方法清除了下游2 ．5k m 河段的冰盖⋯。 目前采用的爆破法破冰的手段按药包位置可分冰 层中爆破、冰面上裸露药包爆破和药包布置在冰层 下方水中的水下爆破口1 。 水下爆破机理复杂，破冰施工主要依据工程经 万方数据 第3 2 卷第4 期张忠和，梁向前，徐激，等装药位置对爆破破冰效果影响的数值分析 1 1 9 验。2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机性能的大幅 提升，水下爆炸的数值模拟研究也取得了长足的进 展，S h i n 首次建立一艘实船的三维有限元模型并对 其在爆炸载荷作用下的动态响应进行了数值模 拟。3J 。许多商业软件例如A B A Q U S 、K S D Y N A 、 D Y T R A N 及A U T O D Y N 均建立了爆炸模块，广泛地 被爆破学者们采用。 论文以有限元软件L s D Y N A 为工具，建立了不 同水深与炸药位置的水下爆破方式破冰的数值模 型，来分析了水深，炸药深度与破冰半径的关系，为 破冰装备研制提供理论依据。 1 集中药包爆破试验 依据“十二五”国家科技支撑计划“应急装备关 键技术研究与装备研制”项目要求，在内蒙古包头 黄河磴口段开展了“2 0 1 3 爆破破冰课题综合试验”。 集中药包爆破试验作为综合试验的一部分，试验以 工程常用的乳化炸药为爆炸源，制作成一定尺寸的 集中炸药包，见图1 所示。现场试验时采用人工或 机械在冰上预先钻好孔位，将集中药包用绳索置于 钻孔内不同入水深度处，用导爆索或雷管引爆集中 药包，达到爆破破冰的目的。 图1 集中药包 F i g ．1 C o n c e n t r a t ec h a r g e 使用炸药类型2 岩石乳化炸药；炸药重量1 0 k g ；密度1 3 0 0k g ／m 3 ；药包外形尺寸咖1 8 0 3 0 0 ；冰 层平均厚度5 2c m ；实验内容冰下不同深度处爆破 破冰。 试验中，各药包距离为3 5m ，以减小相邻药包 的爆破作用影响。试验结果如表1 所示，在深度为 4 ．4 3m 的水中，当1 0k g 集中药包位于水下1 ．5m 处时，破冰效果最好，形成的冰洞半径为5 ．5 4m ，其 他位置效果均不如该处。当水较浅时，炸药位于冰 下较浅时破冰效果较好，当水深大，炸药位于冰下 1 ．5m 时效果最好，因此可以看到水深和炸药位置 对破冰效果均有较大的影响。 表1 现场试验破冰半径 T a M e1I c eh o l er a d i u so ff i e l dt e s t 2 数值模型建立 对炸药量1 0k g 的集中药包进行水下冰凌爆破 数值模拟，建立水深分别为0m 、0 ．5 m 、1 ．5m 、 2 ．5m 、3 ．5m 、4 ．5 m 、6 ．0m 、7 ．5m 的8 种模型，再 将炸药置于不同水深处，建立不同的有限元模型。 研究破冰半径与水深和炸药位置间的关系。模型四 周设置为无反射边界和对称边界，底面为固定边界， 顶面为自由边界，进而可以使用1 ／4 模型简化模型， 如图2 所示。 图2 有限兀模型 F i g ．2 F i n i t em o d e l 模型采用单元失效法 A d dE r o s i o n 来模拟破 冰的破坏，当单元的应力或应变达到一定值时，将该 单元删除，这样可以清楚地看到冰体的孔洞与裂隙。 材料本构模型与参数如表2 所示，单位制为恤s g ． c m ，本构方程参考相关书籍，再此不作介绍。 水下爆破过程复杂，炸药，水，空气和水下的泥 土均作为流体进行模拟，材料状态方程如表3 所示。 流体在作用下，其压力会出现变化。对于炸药产物 和空气等压缩性高的流体尤为明显。炸药爆轰过程 中压力和比容的关系使用J W L 状态方程计算。 万方数据 爆破 2 0 1 5 年1 2 月 表2 材料本构模型与参数 T a b l e2M a t e r i a lc o n s t i t u t i v em o d e la n dp a r a m e t e r s G R U N E I S E N 水 E O S I DC S lS 2 G A M A OA ‰ 0020 ．51 ．9 2一O ．0 9 60 ．3 5 注释G R U N E I S E N 状态方程C 为波速；s 为斜率；G A M A O 是材料参数；A 是修正系数。 J W L 状态方程，4 、曰、R 。、R 、O M E G 为状态方程参数；E o 为初始内能。 L I N E R _ P O L Y N O M I A L 状态方程c 0 一c 6 为状态方程的参数。 3 数值结果分析 3 ．1 水压力变化 炸药位于冰下不同水深处，水介质中的应力不 同，对冰层影响也不一样。炸药位于水下最佳位置 时，可以最充分地利用水介质的作用，取得最好的破 冰效果。 图3 为在3 0 0 0 s 时刻，炸药位置不同的四种 模型中的水压力云图。图3 a 表示炸药位于冰下 0 ．0m 时的应力云图，从图中可以看到，向上传播的 水击波在已破坏冰面附近发生了消散，向下方传播 的水击波与泥土层发生反射，向两侧传播的水击波 在水中继续向前传播。图3 b 表示炸药位于冰下 1 ．5m 时的应力云图，向上传播的水击波在已破坏 冰面附近发生了消散，水底反射波开始向上传播，向 两侧传播的水击波在水中继续向前传播。图3 c 为炸药位于水下3 ．0m 时的应力云图，向上传播的 水击波在已破坏冰面附近发生了消散，水底反射波 已到达爆源位置处，向两侧传播的水击波在水中继 续向前传播。图3 d 为炸药位于水下4 ．0I n 时的 应力云图，向上传播的水击波在已破坏冰面附近发 生了消散，水底反射波即将到达水面，向两侧传播的 水击波在水中继续向前传播。 水下爆破破冰利用水介质来传播的能量，水击 波的压力大小直接关系到破冰效果。图4 为在炸药 位于不同位置处的4 种模型中，同一位置处 水下 2m 深处 的水压力时间曲线。由于水的阻尼以及 地形，介质面等的影响，水击波强度会随着距离的增 大而减小。从图中可以看出，初始水击波强度大于 反射波强度。炸药越深 曲线D ，初始水击波强度 越低，反射波强度越高。炸药越浅 B ，初始水击波 强度越高，反射波强度越低。 冰层厚度大，强度高的时候，水深大，须充分利 用初始水击波强度；当冰层厚度小，强度低，水深小 的时候，可以考虑利用水底反射波。 3 ．2 破冰半径与炸药位置和水深的关系 在现场试验中，随着炸药水深和深度变化，破冰 半径发生了变化。根据数值结果，在水深为4 ．5m ， 炸药位于不同深度时的数值试验破冰结果图列举如 图5 所示 每张图下方第一个数表示炸药位于冰下 深度，第二个数表示破冰半径 。 万方数据 第3 2 卷第4 期 张忠和，梁向前，徐激，等装药位置对爆破破冰效果影响的数值分析 1 2 l a 冰下0 ．0I l l a 1 U n d e r i c eO ．0 m 0 ．3 0 0 ．2 5 篡0 ．2 0 i0 ．1 5 毽 窘0 ．1 0 毒0 ．0 5 【‘】 0 0 ．0 5 d 冰下4 ．0 m d 1 U l l d e r i r e 4 ．0n 图33 0 0 0I t s 时刻水压力云图 F i g ．3 C l o u dp i c t u r eo fw a t e rp r e s s u r ea t3 0 0 0I x s 0 n l i n 一3 e 一0 6 m a x 0 ．0 0 0 2 6 6l7 34 T i m e ／ E 3 习4 水压力时间曲线 F i g ．4 P r e s s u r ecurveo fw a t e r 05m ．45m d 1 ．5 m 。5 ．5 m f 2 ．5 m ，5 ．2 5 m g 3 ．0 m ，5 ．0 m h 3 ．5 m ，4 ．7 m i 4 ．0 m ，4 ．2 m j 4 ．5 m ，3 ．9 m 图54 ．5m 水深处药包入水深度与破冰半径 F i g ．5D e p t ho fc o n c e n t r a t e dc h a r g ea n dr a d i u s e so fi c eb r e a k i n gu n d e rw a t e ro f4 ．5m 从图5 可以看出，冰体的破坏程度与炸药位置 有很大的关系，随着入水深度的增大，冰洞的半径先 增大再减小。炸药在爆炸过程中，爆炸荷载通过水 介质传递到冰层上，随着深度增大，炸药爆炸产生的 m j 5 1卜∞ 下．冰“娜mb n j 0 31 忡下冰“，n r U 万方数据 爆破2 0 1 5 年1 2 月 水中冲击波作用于冰体，因此破冰半径增大；而后由 于重力和水粘度的影响，炸药的水中冲击波压力受 限，且相对增强的反射水击波度强度有限，冰层受到 的影响减弱，因此冰体破碎半径减小。 水深为分别为1 ．5m 、2 ．5m 、3 ．5m 、4 ．5m 、 6 ．0m 时进行数值计算，以探讨炸药破冰的最佳位 置深度。数值计算结果绘于图6 ，可以清楚地看到 水深不变，随着炸药深度增加，破冰半径先增大再减 小。当炸药位于冰下同一深度时，水深增大的过程 中，破冰半径减小，并趋于相等。 6 6 划5 萎s 整4 4 3 00 ．5 1 ．01 ．5 2 ．0 2 ．53 ．03 ．54 ．O4 ．55 ．0 炸药位置 图6 破冰半径与炸药入水深度曲线图 F i g ．6 P o s i t i o no fc o n c e n t r a t e dc h a r g ea n d r a d i u so fi c eb r e a k i n g 水深为2 ．5m 时，炸药位于水下2 ．0m 时，破冰 效果最好，破冰半径为6 ．0m ；水深为3 ．5m 时，炸 药位于水下1 ．7 5m 时，破冰效果最好，破冰半径为 5 ．7 5m ；水深为4 ．5m 时，炸药位于水下深度为 1 ．5 5m 时，破冰半径达到最大，约为5 ．5 5m ，与现场 试验吻合；水深为6 ．0m 时，炸药的最佳位置为水下 1 ．5m ，破冰半径为5 ．5m 。 当水深度较小时，炸药的最佳位置深度相对较 大。由于水深较浅，水击波的传播距离短，反射波强 度较大，因此炸药的最佳位置深度相对大，可以充分 地将初始水击波和反射波有效地利用起来。随着水 深增大，炸药最佳位置逐渐稳定于1 ．5m 左右，对破 冰起主要作用的是初始水击波，反射波影响弱。 3 ．3 数值计算与现场试验结果比较 将破冰半径与水深和炸药入水深度的数值计算 结果绘制成三维图，如图7 所示。从图上可以直观 看出，在水深度较小时，药包最佳入水深度相对较 大，随着水深增大，药包最佳人水深度趋于不变，约 为1 ．5m 。 1 0 蝇集中药包现场破冰试验在水深为4 ．5m ， 炸药位于冰下水1 ．5m 时，破冰的效果最好。在水 深为2 ．3 1m ，炸药位于冰下0 ．0m 时，破冰效果也 较好。将现场试验的结果与该图上的相应点进行对 比，可以看到，数值计算和现场试验结果差别不大。 ／{ } ＼ 图7 三维拟合图 F i g ．7 3Dd i a g r a mp i c t u r e 考虑到现场试验中的不确定因素很多，比如冰层 的结构，厚度，强度与地形等，在数值试验中均未考 虑，因此二者的差别是难以避免的。现场试验和数值 实验均能够表明水深和炸药位置对破冰效果有显著 影响。水深小时可以充分利用反射波对冰层的破坏， 水深大时，利用初始水击波对冰层的破坏即可。 4 结论 以1 0k g 乳化炸药和5 0c m 厚冰层为前提，研 究了水深和炸药位置的对破冰效果的影响。总结数 值计算和现场试验的结果得到如下结论 水下爆破依靠水介质传播能量，水深较小时，水 底反射波可增强破冰效果；水深较大时，水底反射波 较弱，对破冰影响较小。 在水下爆破中，破冰效果受水深和炸药人水深 度的影响。水深较小时，炸药的最佳位置相对较深； 水深较大时，炸药的最佳位置为1 ．5m 左右。 水深小于2 ．5m 时，破冰效果随着水深增大而 增强；水深在2 ．5 4 ．0m 时，当炸药位于水下 2 ．0m 时，破冰效果最好；随着水深增加，水深大于 4 ．0m 时，炸药的最佳人水深度约为1 ．5i n 。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]陈云玲，唐遵平，郭本忠．山东黄河凌汛成因及处理措 施[ J ] ．科技信息，2 0 1 0 9 7 8 1 ． [ 1 ] C H E NY u n - l i n g ，T A N GZ u n - p i n g ，G U OB e n z h o n g ．T h e c a u s ea n dt a c k l em e a s u r eo fI c ej a mo nY e l l o wR i v e ri n S h a n d o n g [ J ] ．S c i e n c e T e c h n o l o g yI n f o r m a t i o n ， 2 0 1 0 9 7 8 1 ． i nC h i n e s e 下转第1 2 7 页 0 5 O 5 O 5 O 5 0蛇弱m跎铂∞“弘∞ 一㈠U■■√J 万方数据 第3 2 卷第4 期李春军，吴立，李红勇，等不同水深条件下水下钻孔爆破破岩机理研究 1 2 7 [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 9 ] S i m u l a t i o no fu n d e r w a t e re x p l o s i o ns h o c kh a z a r d sa n d s a f e t yc o n t r o l [ J ] ．S a f e t ya n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ， 2 0 1 1 1 5 8 ．6 1 ． i nC h i n e s e 苏欣，许肖梅．厦门海域水下爆破中的冲击波监测 与分析[ J ] ．厦门大学学报 自然科学版 ，2 0 0 7 s 1 2 5 2 7 ．8 8 ． S UX i n ，X UX i a o m e i ．S h o c k w a v em o n i t o r i n ga n da n a l y s i s o fu n d e r w a t e 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i n e s e 闫国斌，于亚伦．空气与水介质不耦合装药爆破数值 模拟[ J ] ．工程爆破，2 0 0 9 4 1 3 1 9 ，6 5 ． Y A NG u o b i n ．Y UY a - l u n ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa i r a n dw a t e rm e d i u md e c o u p l i n gc h a r g eb l a s t i n g [ J ] ．E n g i - n e e f i n gB l a s t i n g ，2 0 0 9 4 1 3 1 9 ，6 5 ． i nC h i n e s e 王爱兴．水下爆炸冲击波近区传播规律及防护方法 研究[ D ] ．武汉长江科学院，2 0 1 0 ． W A N GA i x i n g ．T h es t u d yo nt h ep r o p a g a t io nr u l eo f s h o c kw a v et h a ti sn e a r e de x p l o s i v es o u r c ei nu n d e r w a t e r e x p l o s i o na n di t sp r o t e c t i o nm e t h o d s [ D ] ．W u h a n C h a n g J i a n gR i v e rS c i e n c eR e s e a r c hI n s t i t u t e ，2 0 1 0 ． i nC l l i n e s e 上接第1 2 2 页 [ 2 ] 段元胜，汪向红，刘书宝，等．冰凌爆破技术探讨[ J ] ． 冰川冻土，2 0 0 3 2 5 2 2 1 - 2 2 6 ． [ 2 ] D U A NY u a n - s h e n g ，W A N GX i a n g - h o n g ，L I US h u - b a o ，e t a 1 ．A p p l i c a t i o no fb l a s t i n gt e c h n i q u e t oa g a i n s ti c ej a n l [ J ] ．J o u r n a lo fG l a c i o l o g ya n dG e o c r y o l o g y ，2 0 0 3 2 5 2 2 1 - 2 2 6 ． i nC h i n e s e [ 3 ] S H I NYS ．S h i ps h o c km o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nf o rf a r f i e l du n d e r w a t e re x p l o s i o n [ J ] ．C o m p u t e r sa n dS t r u c t u r e s ， 2 0 0 4 8 2 2 2 1 1 - 2 2 1 9 ． i nC h i n e s e [ 4 ] K E L L YS ，C A R N E Y ，D A V I D ，e ta 1 ．Ap h e n o m e n o l o g i c a l h i g hs t r a i nr a t em o d e lw i t hf a i l u r ef o ri c e [ J ] ．I n t e r n a t i o n - a lJ o u r n a lo fS o l i d sa n dS t r u c t u r e s ，2 0 0 6 ，4 3 7 8 2 0 - 7 8 3 9 ． [ 5 ] T R I S H AS a i n ，RN a r a s i m h a n ．C o n s t i t u t i v em o d e l i n go fi c e [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 7 ] i nt h eh i s hs t r a i nr a t er e g i m e [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f S o l i d sa n dS t r u c t u r e s ，2 0 11 ，4 8 8 1 7 - 8 2 7 ． 刘鑫．基于聚能随进技术的冰凌单点爆破数值模拟 与实验研究[ D ] ．郑州华北水利水电大学，2 0 1 3 ． L I UX i n ．B a s e do nt h et e c h n o l o g yo fs h a p e dc h a r g en u - m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s e a r c ho fs i n g l ep o i n t i c eb l a s t i n g [ D ] ．Z h e n g z h o u N o r t hC h i n aU n i v e r s i t yo f W a t e rR e s o u r c e sa n dE l e c t r i cP o w e r ，2 0 1 3 ． i nC h i n e s e 宋锦泉．乳化炸药爆轰特性研究[ D ] ．北京北京科技 大学，2 0 0 0 1 2 0 1 3 6 ． S O N GJ i n g ．q u a n ．R e s e a r c ho nd e t o n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fe m u l s i o ne x p l o s i v e s [ D ] ．B e i j i n g U n i v e r s i t yo fS c i e n c e a n dT e c h n o l o g yB e r i n g ，2 0 0 0 1 2 0 1 3 6 ． i nC h i n e s e 万方数据