黄河爆破破冰的水中冲击波特性试验研究.pdf

书书书 第 31 卷 第 4 期 2014 年 12 月 爆 破 BLASTING Vol. 31 No. 4  Dec. 2014 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2014. 04. 001 黄河爆破破冰的水中冲击波特性试验研究* 梁向前， 熊 峰， 陆遐龄 （中国水利水电科学研究院， 北京 100048） 摘 要 以黄河包头磴口段开河期冰盖为试验对象， 开展了多种新型破冰弹的爆破破冰综合试验。重点介 绍了 2岩石乳化炸药单药包在不同入水深度处爆破和多药包群爆破冰试验， 实测了水中爆破冲击波压力， 分析计算了单药包爆破水击波压力幅值与入水深度的相关性、 多药包群爆水击波压力变化特征及冲击波冲 量等， 归纳总结了冰盖覆盖下单药包和多药包爆破水中冲击波压力经验计算公式以及水中冲击波波速值。 研究成果为冰盖覆盖下爆破水击波特性增添了新的内容， 同时为新型防凌破冰装备的研制应用及安全控制 提供了理论依据。 关键词 黄河破冰；乳化炸药；水中冲击波；衰减特性；波速值 中图分类号 TV542 . 5 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2014） 04 -0001 -04 Experimental Research on Underwater Shock Wave Characteristic of Ice Blasting at Yellow River LIANG Xiang-qian， XIONG Feng， LU Xia-ling （China Institute of Water Resource and Hydropower Research， Beijing 100048， China） Abstract The comprehensive experiments of new ice blasting missile were conducted during the period of break- ing at Dengkou in the Yellow River. The experiments with 2 rock emulsion explosive and multiple explosive at dif- ferent water depth were introduced， and the underwater shock waves were also detected in the test field. By the rela- tionship between the underwater shock wave stress amplitude and the depth of single explosive under water， the char- acteristics of shock wave pressure and impulse of shock wave were obtained. Further more， the ula of underwater shock wave stress with single explosive and multiple explosive and the velocity of underwater shock wave were calcu- lated. The results from the underwater shock wave under the cover of ice provided theoretical support for ice breaking equipment. Key words ice breaking in Yellow River；emulsion explosive；shock wave under water；attenuation ula； wave velocity 收稿日期 2014 -08 -08 作者简介 梁向前 （1970 - ） ， 男， 博士、 高级工程师， 主要从事工程爆 破与防护科研工作，（E-mail） 970063246 qq. com。 基金项目“十二五” 国家科技支撑计划 （2011BAK09B02） ； 国家自然 科学基金重点项目 （51339006） ； 中国水利水电科学研究 院科研专项 （岩集 1308） 根据 “十二五” 国家科技支撑计划 “防凌破冰关 键技术研究及装备研制” 课题 （2011BAK09B02） 任 务要求， 于 20122014 年在包头黄河磴口段开展了 黄河爆破破冰综合试验， 包括破碎冰盖、 消除冰塞、 破除冰坝、 主动干预开启流凌通道等凌汛灾害的快 速处治试验， 验证了新型爆破破冰装备的关键技术 参数和破冰综合效果。同时， 在试验期间， 对各种破 冰装备爆破破冰引起的水中冲击波压力、 冰盖振动、 黄河内堤振动进行了监测， 分析论证在冰体覆盖的 相对封闭条件下， 炸药水中爆炸的水中冲击波压力 作用特征和传播衰减规律， 为新型破冰装备设计研 制、 爆破破冰机理研究、 凌灾除险及爆破破冰对环境 影响和安全控制提供理论基础 ［1-5］。 1 爆破破冰试验 2013 年 3 月上旬， 黄河包头磴口段开河前期的 试验区环境参数为冰厚 50 70 cm， 河道水深 2. 5 5. 3 m， 流速 1. 0 1. 5 m/ s。冰盖多为夹层冰， 上层 冰较薄， 多含球状气泡为粒状晶粒冰， 下层冰较厚， 多含孔状气泡为柱状晶粒冰。 2岩石乳化炸药集中药包爆破破冰的试验内容 和爆破参数 （1） 单药包参数验证试验 单药包重量为 8 kg、 10 kg、 12 kg 三种， 同一药 量下分冰面裸露、 入水深度 0、 0. 9、 1. 2、 1. 5、 1. 8、 2. 1 m 六种方式爆破。试验验证不同药量在不同入 水深度处的最佳爆破参数和试验效果。 （2） 多药包小面积群爆试验 采用8 kg、 10 kg 两种集中药包， 分两个区爆破， 具体参数见表 1。试验验证多个药包在同一入深深 度处同时或分排延时爆破的整体破冰效果。 表 1 多药包小面积群爆试验 Table 1 Experiment of simultaneous blast of multiple explosives in small area 试验分区ⅠⅡ 药包药量/ kg810 孔网参数 10 m 10 m， 矩形 布孔， 每排 3 孔， 共三排 15 m 15 m， 矩形 布孔， 每排 3 孔， 共三排 入水深度/ m1. 51. 5 爆破方式同时起爆分排延时起爆 爆破总药量/ kg72 kg每排30 kg， 总药量90 kg 2 水中爆破冲击波压力 （1） 单药包爆破水击波压力 以 8 kg 集中药包为例， 分析在入水深度 0、 0. 9、 1. 2、 1. 5、 1. 8 m 五种方式爆破时， 水中冲击波压力 值的变化情况。图 1 为爆源近处测点 P1、 测点 P2 的水击波压力波形， 图 2 为药包在不同入水深度处 爆破， 不同测点距离处水中冲击波压力变化曲线。 图 1 8 kg 集中药包爆破水击波压力实测波形 Fig. 1 Underwater shock wave of 8 kg explosive 图 2 水击波压力随距离变化曲线 Fig. 2 Variation curve of underwater shock wave pressure by distance 图 1 较清晰地记录了 8 kg 药包在不同入水深 度处爆破时水中冲击波压力波形， 在爆源近处冲击 波压力幅值较大， 主频较高， 如测点 P1 水击波脉冲 频率在 380 410 Hz。图 2 反映了五种入水深度处 爆破破冰时， 不同距离测点的水击波压力规律， 大致 分为三个区段 爆源近处 （ 170 m） 时， 水击波压力值随药包入水深度变化 不明显， 且随距离衰减较慢。 （2） 多药包群爆水击波压力 多药包群爆试验分两个区， Ⅰ区 9 个 8 kg 集中 药包在入水深度 1. 5 m 处同时爆破， 药量 72 kg； Ⅱ 区 9 个 10 kg 集中药包入水深度 1. 5 m， 分段间隔起 爆， 分段药量 30 kg， 总药量 90 kg； Ⅰ区和Ⅱ区起爆 时差 1. 0 s。实测爆源近处水击波压力波形见图 3。 2爆 破 2014 年 12 月 图 3 多药包群爆水击波压力波形 Fig. 3 Underwater shock wave of simultaneous blast of multiple explosives 从图 3 波形可以看出， 测点 P2 距Ⅰ区爆源 52. 3 m， 实测水击波压力 238. 0 kPa， 距 II 区爆源 101. 79m， 水击波压力为 170. 0 kPa； 测点 P4 距 I 区 爆源 78. 4 m， 实测水击波压力 120. 4 kPa， 距 II 区爆 源 124. 97m， 水击波压力为 69. 5 kPa。在同一测点 位置处， Ⅰ区水中压力作用时间为 0. 15 s 左右， Ⅱ 区总作用时间为 0. 2 s 左右 （排间延时 55 60 ms） ， 压力作用时间较长。在爆后还存在水压为 15 25 kPa的水体振荡， 频率 120 200 Hz， 历时 0. 3 0.5 s， 这对冰体爆破裂缝的扩展起到了较好的作用。 （3） 水中冲击波冲量计算 水中爆破破冰除水击波压力外， 还需考虑水中 冲击波冲量作用， 计算公式为 I ∫ t 0 p （t） dt 式中 I 为冲击波冲量， MPas； p （t） 为 t 时刻水中冲 击波压力， MPa。 以 10 kg 集中药包在入水深度 0. 9 m 处爆炸， 距爆源 19. 07 m 处水击波波形为例， 见图 4。经计 算， 该主脉冲能量约为 549. 5 Pas， 冲击主频为 500 Hz左右。 图 4 单药包爆破水中冲击波压力图 Fig. 4 Underwater shock wave pressure of single explosive 9 个 8 kg 药包同时起爆 （Ⅰ区） 时， 距爆源 52. 3 m处 （测点 P2） 水中冲击波压力主脉冲能量为 451. 4 Pas， 见图5。多药包72 kg 起爆时主脉冲频 率为230 300 Hz， 多药包 （30 kg 3） 排爆时主脉冲 频率为 400 450 Hz， 二者冲击主频率均较高。 3 水中冲击波作用特性 （1） 单药包爆破破冰时水中冲击波压力公式 以单发或有延时的单发集中药包为主， 药包布 置于水深 1. 5 m 处的爆破监测数据为基准， 并参考 药包在 1. 2 m 和 1. 8 m 的数据， 归纳得到单个集中 药包爆破破冰时水中冲击波压力回归公式 P1 467. 7 Q1/3 R 1. 47 相关系数 γ 0. 97。 式中 P1为单药包爆破水击波压力， 105Pa； Q 为单药包药量， kg； R 为测点到爆源距离， m。 （2） 群药包爆破破冰时水中冲击波压力公式 当多个集中药包群爆破冰时， 药包按一定间距 排列布置， 入水深度相同， 同时或多段起爆。根据现 3第 31 卷 第 4 期 梁向前， 熊 峰， 陆遐龄 黄河爆破破冰的水中冲击波特性试验研究 场试验的监测数据进行回归， 得到多药包群爆破冰 的水中冲击波压力回归公式 P2 112. 2 Q1/3 R 1. 53 相关系数 γ 0. 99。 式中 P2为多药包爆破水击波压力， 105Pa； Q 为多药包最大分段药量， kg。 图 5 多药包群爆水中冲击波压力图 Fig. 5 Underwater shock wave pressure of simultaneous blast of multiple explosives （3） 水中冲击波波速计算 在深水中水中声速理论值为 c 1449. 1 （T - 273. 16）- 0. 04453 （T - 273. 16） 2 1. 398 （S - 35） 0. 17d 式中 T 为水温， 用 K表示； S 为水中含盐度， 以千分 率表示； d 为水深， m。 当水温为 25 ℃， S 1‰， d 2. 6 m 时， c 1501. 1 m/ s。 当水温为 18 ℃时， c 1494 m/ s。 实测常规条件下， 海水、 河湖中水下冲击波波速在 1492 1512 m/ s 之间， 这也是声波在水中的波速值。 在爆破破冰试验中， 由于破冰耗用较多的炸药 能量以及反射折射较乱， 实测水中冲击波波速一般 较水中声速1500 m/ s 的理论值偏小， 大约4％ 5％ 左右。典型水击波压力波形见图 6， 计算平均波速 为 1442. 7m/ s。 图 6 水中冲击波传递波速图 Fig. 6 Velocity of underwater shock wave 4 结论 “防凌破冰关键技术研究及装备研制” 课题组 于 20122014 年在包头黄河磴口段开展了一系列 化的破冰装备爆破破冰试验。重点论述了 2岩石 乳化炸药， 集中药包形式， 分单药包不同入水深度爆 破和多药包群爆两种方式， 进行了破冰参数验证和 破冰效果评价试验， 实测了各次爆破时的水中冲击 波压力变化情况。通过对试验数据的分析研究， 得 到了如下结论 （1）在黄河冰盖覆盖下， 药包在水中爆破产生 强烈的水中冲击波， 主脉冲压力幅值较大， 主频较 高。单药包爆破时， 爆源近区， 水中冲击波压力受药 包入水深度影响较大， 压力值衰减较快； 爆源远区， 受药包入水深度影响不明显， 压力值衰减较慢。 （下转第 10 页） 4爆 破 2014 年 12 月 1996 13-30. ［5］ 翁大根， 葛庆子. 接触爆炸作用下特大型 LNG 储罐的 动力响应分析 ［J］ . 天然气工业， 2014， 34 （1） 139-145. ［5］ WENG Dagen， GE Qing-zi. 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