坑道中木格栅消波器的消波效应试验研究.pdf

2 0 1 1 年2 月坑道中木格栅消波器的消波效应试验研究王启睿等 坑道中木格栅消波器的消波效应试验研究’ 王启睿张晓忠孔福利张福明 总参工程兵科研三所 河南洛阳，4 7 1 0 2 3 [ 摘要] 该文以多孔结构具有强消波作用为研究基础，系统开展了相同孔隙率条件下，不同尺寸的小、大木格栅 ●● 消波器的消波效应试验，对试验结果进行详细比较，并对消波机理进行初步分析。结果表明木格栅消波器消波效 应显著，在相同孔隙率下，断面孔隙更密集的小木格栅具有更优良的消波性能。 [ 关键词]防护工程坑道木格栅消波器爆炸冲击波消波效应 [ 分类号] 0 3 8 3 T D 2 3 5 ．1 1 引言 通常，当坑道内发生爆炸时，坑道内爆炸产生的 持续时间长、峰值压力高的强空气冲击波给各类坑 道工程及其围护结构带来极大的威胁，因此，如何有 效降低强冲击波产生的破坏效应越来越受到高度关 注。 为使坑道内构筑物免遭空气冲击波的破坏，可 采用多种消减冲击波的方法，具体包括防止形成强 冲击波、在冲击波形成瞬间减弱它以及在冲击波传 播途中减弱它。多孔结构消波器即是在冲击波传播 途中减弱它的一种方式。多孔结构消波器的特殊结 构能改变冲击波传播流场，促使发生绕流、碰撞等复 杂的相互作用，消耗能量，最终达到消减冲击波的目 的。关于开展多孔结构消波器的消波效应研究，美 国最早研究了消波器多孔介质中孔隙以不同角度倾 斜排列时的消波效应，日本定量研究了整齐排列球 体和圆柱体消波器在初始条件和阻塞面积相同时的 对比，前苏联C ．K ．萨文科系统阐述了用人工阻波 墙消减及消除空气冲击波的措施等⋯。 最早的多孔结构消波器即为松散堆放的块石， 随着多孔结构技术的不断改进，出现按规律排布的 砌块、预制混凝土块、高分子材料、高密度复合材料 以及多孔金属等不同材料的消波器【2 刮。这些消波 器虽各有特点，但亦有弊端块石、砌块与混凝土块 等在坑道内施工不便且易改变坑道结构；高分子材 料、高密度复合材料等容易释放有毒物质，污染环 境；而多孔金属材料则工艺复杂，造价昂贵等。因 此，均不宜推广使用。 本项目设计了两种木格栅消波器，使用时既能 在坑道内现场组装，又可先安装好后再于坑道内设 置，因此可设计性、操作性更好，不会对坑道结构产 生影响，并且经济环保。木格栅在早期的坑道防护 技术中也曾采用过，但并未从孔隙率的因素进行定 性分析。 该项目通过一系列试验，对在相同孔隙率条件 下不同尺寸的小、大木格栅消波器及其组合的消波 效应进行了系统的研究，并取得了一定的成果。 1 模型试验 1 ．1 木格栅消波器的制作 木格栅消波器选用优质东北白松为原材，在一 个模型坑道单元长度范围内，根据坑道断面尺寸，分 别由相同截面、不同长度的木料，以一定间距交错码 放并固定制成，根据木料间距控制孔隙率。其中，按 木料截面大小可将消波器分成小、大两种，每种消波 器又分别由长度不同的长、短两种单元构成。需要 强调的是，“小”是指由枋材截面小导致消波器截面 孔隙小而密，“大”则是指截面孔隙大而疏，但两消 波器的孔隙率基本相同。木格栅示意图如图1 所 示，各构造参数见表1 。 图1 木格栅消波器示意 收稿日期2 0 1 0 - 0 9 - 2 7 作者简介王启睿 1 9 8 0 一 ．男。助理研究员。主要从事防护工程研究工作。E - m a i l l y w q r 3 0 6 2 1 6 3 ．c o i n 万方数据 2 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 0 卷第1 期 1 ．2 试验系统 试验在链接式坑道模型系统上进行，该系统由 爆室和多个坑道单元组成，爆室与坑道材质相同，每 单元长1 ．0I T I ，内截面尺寸为0 ．6 m 0 ．6 m ，连接部 位中间用橡胶条密封，通过高强螺栓加固连接成整 体。坑道内口部附近装药，当量均为2k g 田盯，在爆 心后适当部位设置木格栅消波器，消波器之后的坑 道段作为测量段。坑道模型照片如图2 ，木格栅消 波器在坑道内的设置情况如图3 。 图4 相对位置示意图 图2 链接式坑道模型 上- 直坑道，下穿廊式结构 图3 木格栅消渡器坑道内设置 鉴于在坑道内爆炸情况下爆点附近高强光热及 高强高频冲击振动的影响，致使试验的动态响应参 数量测难度大，因此对量测系统提出了较高的要求。 试验中结合链接式坑道模型的设计特点，精选了量 测仪器，量测线缆一律布设在坑道模型外部，传感器 适配器采用悬浮隔离式，同时布置了相对较多的测 点。测量系统由前置部分的传感器和测量站内的信 号放大器、数据记录仪及其控制系统等组成。爆心、 消波器及测量传感器相对位置如图4 ，量测系统工 作原理如图5 。 匦西甲 臣亘雯巫D 匦匦小圆 图5 量测系统工作原理图 1 ．3 试验工况 在直坑道和穿廊式坑道模型上，分别进行了两 种木格栅消波器仅设置方式不同但其它爆炸参数相 同的试验研究。消波器的设置情况多种，主要以大 小类型、数量和位置的不同进行组合，结果统一比 较，具体试验工况见表2 。 为了更直观地考察采用木格栅消波器后坑道内 各测点的峰值压力变化，除表2 中列举的试验工况 之外，还进行了相同条件下没有设置消波器情况的 试验，其结果作为衡量表2 中列举各工况变化基准。 另外，为便于比较，特定义“超压衰减率”，即为某测 点设置与未设置消波措施时的峰值压力变化值 △ P 同该测点未设置时峰值压力值 P o 的比率，用 A 表示，可按照公式A △p ／P o 1 0 0 ％计算，坑道 内A 随到爆心距离的变化关系可充分反映出木格 栅的消波效果。 2 结果与分析 木格栅消波器结构主要由纵横放置的木料及其 中留有的孔隙构成，为提高结构整体强度，木料之问 固定并与坑道壁面楔紧。当空气冲击波作用到木格 栅消波器时，在木料周围发生局部反射与绕射，并产 生拉伸波，而木料之间的孔隙相对于整个坑道属断 面变小的坑道，冲击波由弋向小截面坑道传播时，会 万方数据 2 0 1 1 年2 月 坑道中木格栅消波器的消波效应试验研究王启容等 表2 两种模型的试验 工况 炮次直 坑道炮次穿廊式坑道 1 1 1 0 0 1 A 第2 、3 单元各一块小木格栅 1 0 2 7 0 4 A 第2 单元小木格栅，第3 单元大木格栅 1 1 1 0 0 2 B 第2 单元一块小木格栅 1 1 0 4 0 2 B 第3 单元大木格栅 1 1 1 2 0 1 C 第2 单元一块大木格栅 1 1 0 4 0 4 C 第2 、3 单元各一块小木格栅 1 1 1 2 0 2 D 第2 、3 单元各一块大木格栅 1 1 0 4 0 6 D 第2 单元小木格栅 1 1 1 2 0 3 E 第3 单元一块大木格栅 1 1 0 4 0 7 E 第3 单元小木格栅 产生压缩波，该过程在消波器内持续进行。产生的 拉伸波和压缩波会使冲击波消弱，同时由于这些波 的相互作用，使消波器内流场变得非常紊乱，进一步 消耗了能量并降低了冲击波的强度，最终可使得强 冲击波经过消波器后显著降低。试验的结果可以说 明这一现象。 在木格栅消波器的消波效应试验中，直坑道内 和穿廊式结构主坑道内各测点测量数据分别见表3 和表4 ，根据测量结果得到的超压衰减率随爆心距 的变化曲线如图6 所示。 表3 直 坑道结 构试 验 董 替 楚 磺 崮 翱 4 0 0 6 0 08 0 0l o o o1 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 0 距爆心距离／c m a 直坑道 逞 祷 建 麟 崔 麓 b 穿廊式主坑道 图6 木格栅消波试验坑道内超压衰减率变化曲线对比 万方数据 爆破器材E x p l 0 6 i v eM a r t i a l s 第4 0 卷第1 期 从图6 a 和 b 中均可看出，由木格栅构造的 多孔消波器对通道冲击波有突出的衰减作用。坑道 内近爆心端的冲击波超压衰减率基本上都在4 0 ％ 以上，最高接近8 0 ％，远爆心端的也都在2 0 ％以上． 并沿坑道距爆心距离的增加逐渐降低。下面对具体 坑道内的试验进行分析。 直坑道内的情况见图6 a ，各设置工况分别以 A 、B 、C 、D 、E 表示，可分成以下3 种情况比较 1 比较A 和B ，或者D 和C ，即同种形式的消 波器分别设置两块和一块木格栅两种情况之间的比 较，亦可视为同种消波器不同长度条件下的比较。 两种设置方式的消波效果有一定差异，但差异不大， 如A 较B 仅增加约5 ％，D 较C 仅增加约l ％，因此 可以说，使用一块木格栅消波器后的消波效果已相 当明显，如再于其后增加第二块消波器时 延长其 长度 ，虽仍可致使消波效果有所增加但对增幅贡 献不大。 2 比较A 和D ，或者B 和C ，即不同消波器在 相同位置条件下的比较。两种设置方式的消波效果 差别均很显著，如A 和D 相差3 0 ％左右，B 和C 相 差3 5 ％左右。因此，小木格栅消波器的消波效果更 为明显，进而说明在同种孔隙率下，孔隙小而密的消 波器具有更好的消波效果。 3 比较C 和E ，即相同消波器在不同位置条 件下的比较，其中C 工况的消波器设置位置比E 工 况的距离爆心近1 ．0m ，消波效果也更明显，增加 1 0 ％左右，说明消波器距爆心近则消波效果更好。 穿廊式结构主坑道内的情况见图6 b ，同直坑 道情况一样，以A 、B 、C 、D 、E 表示工况，分3 种情况 比较，分别为 1 比较C 和A ； 2 比较E 和B ； 3 比较D 和E 。比较结果也同直坑道的类似，消波器 长度延长、截面孔隙小而密、距爆心近时具有更好的 消波效果。穿廊式结构主坑道和直坑道也有不同之 处，例如，如果延长消波器长度，采用同类型消波器 时 如C 和D ，消波效果提高幅度可达2 0 ％以上， 而采用不同类型消波器时 如A 和D ，消波效果提 高几乎无变化，两种结构坑道的这一变化差异很大， 可能是由于穿廊结构中冲击波经过T 型转折后的 变化所引起，需进一步研究。 在本项目研究中，除小、大木格栅消波器之外， 还包括其它多种措施，均进行了大量试验，例如不同 设置的水和粉尘、陶瓷纤维毡、钢网覆层等。在相同 试验条件下，采用和未采用消波措施时测得的峰值 超压随比例距离的变化规律如图7 所示，可明显看 出其中的小木格栅消波器的消波性能最优。 来采，} 】消波描施 一均珠矗 一一袋装水 腻中 - - - 4 1 - - - 小木格栅消波器 - - ．- O - - 大木格栅消波器 - 懿中堆放粉尘 一均佑放筲粉尘 一陶瓷纤维随糨层 一钢刚镬层 O 比例距离／ m I 呵} 图7直坑道各种消波措施效果比较 3 结论 1 设置木格栅消波器可显著降低空气冲击波 峰值超压，具有良好的消波性能，可作为坑道内衰减 强冲击波的有力措施。 2 坑道内冲击波作用到木格栅消波器时，消 波器的特殊结构改变激波传播流场，使激波发生绕 流、碰撞等复杂作用，消耗能量，显著降低冲击波强 度。 3 若坑道内设置的木格栅消波器具有截面孔 隙小而密、距爆心近、长度加长等条件，均能达到更 好的消波效果。其中，在孔隙率相同时而截面孔隙 数量增加一倍的情况下，小木格栅消波器的消波效 果比大木格栅消波器提高3 0 ％以上；同种木格栅消 波器到爆心的距离增加1 ．0m 一坑道单元 时，超 压衰减率能提高约1 0 ％；在直坑道内延长木格栅消 波器的长度对消波效果的提升贡献不大，但在穿廊 式结构的坑道中若延长消波器长度，则对主坑道内 的冲击波峰值压力影响较大，最高近2 0 ％。 4 木格栅消波器除具有显著的消波效果之 外，还具有良好的可设计性和操作性，经济环保，不 会对内部环境和结构产生影响，因此，非常适用于坑 道内快速灵活设置。 参考文献 [ 1 ] C ．K ．萨文科，A ．A ．古林，H ．C ．马雷．井下空气冲击波 [ M ] ．龙维祺，于亚伦，译．北京冶金工业出版社。 1 9 7 9 1 2 2 - 1 3 0 ． [ 2 ]郭乙木，陈朝东．消波装置的消波机理初探[ c ] ．／／第 四届全国计算力学会议论文集．1 9 9 7 ． [ 3 ] A s t u s h iA b e ，G oU t 8 u n o m i y a ，J o h nH ．S ．L e e 。e ta 1 ． S h o c kw 矗他m t e r a e t i o nw i t hr i g i dp o r o u sb a f f l e p h t e s [ C ] ．／／2 5 t hI n m m a t i o n a lC o n g r e m 彻H i g h ．S p e e dP h o - t o g r a p h ya n dP h o t o m e s ．B e a u n e ，F r a n c e ．2 0 0 3 ． 下转第8 页 8 6 4 2 O 芒乏＼邕疆晕誊 万方数据 8 爆破器材E x p l o s i v e M a t e r i a l s 第4 0 卷第1 期 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] B a k e rWE 。H uWC La n dJ a c k s o nTR ．E l a s t i c 静 s p o n s eo ft h i ns p h e r i c a ls h e l l st o ∞【i l I y m m e t 贰h l a s tl o a d - i n g [ J ] ．J o u r n a lo fA p p l i e dM e c h a n i c s ，1 9 6 6 3 8 0 0 ． 8 0 6 ． C h o uP Ca n dK c e n l gHA ．Au n i f i e da p p r o a c ht oc y l i n - d r i c a la n ds p h e r i c a le l a s t i cw a v e sb ym e t h o do fc l m r a c t e r - i s t i c s [ J ] ．J o u r n a lo fA p 曲e dM e c h a n i c s ，1 9 6 6 3 1 5 9 - 1 6 7 ． R o s eJL 。C h o uSCa n dC h o uPC ．V i b r a t i o na n a l y s i s0 f t h i c k w a i l e ds p h e r e sa n dc y l i n d e r s [ J ] ．J o u n u do ft h e A c o u s t i c a lS o c i e t yo fA m e r i c a ，1 9 7 3 3 7 7 1 - 7 7 6 ． P a oYHa n dC e r a n n g l uAN ．D e t e r m i n a t i o no ft r a n s i e n t r e s p o n s e so fat h i c k - w a l l e ds p h e r i c a ls h e Hb yt h er a yt h e - o f y [ J ] ．J o u m a lo fA p p l i e dM e c h a n i c s ，1 9 7 8 5 1 1 4 - 1 2 2 ． 李永池．径向惯性对薄壁管中弹塑性复合应力波传播 的影响[ J ] ．固体力学学报，2 0 0 0 2 8 8 - 9 2 ． [ 7 ]J ．S ．W h i t t i e ra n dJ ．P ．J o n e s ．A x i a l l ys y m m e t r i cw a v e p r o p a g a t i o ni nat w o - l a y e r e dc y l i n d e r [ J ] ．I n t ．J ．S o l i d s S t r u e t ．1 9 6 7 4 6 弱_ ∞s ． [ 8 ] W a n g X ．S t r e s sw a v ep r o p a g a t i o ni nat w o l a y e r e dc y l i n d e r w i t hi n i t i a li n t e r f a c ep r e s s u r e [ J ] ．h t ．J ．S o l i d sS t r u c t ， 1 9 9 3 1 2 6 9 1 - 7 0 0 ． [ 9 ]N ．R a t t a n a w a n g e h a r o e n ，A ．H ．S h a l l a n dS ．K ．D a t t a ． W a v ep r o p a g a t i o ni nl a m i n a t e dc o m p o s i t ec i r c u l a re y l i n - d e r s [ J ] 山t ．JS o l i d sS t r u e t ，1 9 9 2 6 7 6 7 - 7 8 1 ． [ 1 0 ] 北京工业学院八系．爆炸及其作用[ M ] ．北京国防 工业出版社，1 9 7 9 ． 【1 1 ] 周南，乔登江．脉冲束辐照材料动力学[ M ] ．北京国 防工业出版社，2 0 0 2 ． 【1 2 ] 杨政，郭万林，董蕙如．X 7 0 管线钢冲击韧性试验研究 [ J ] ．金属学报，2 0 0 3 2 1 0 0 - 1 0 4 ． [ 1 3 ] 李年，朱维斗，霍春勇．国产x 7 0 管线钢的包申格效应 [ D ] ．上海中国科学院上海冶金研究所，2 0 0 0 ． A p p r o x i m a t eC a l c u l a t i o no nt h eS c o p eo fP l a s t i cD e f o r m a t i o nf o rM e t a lP l a t eu n d e rB l a s tL o a d C H E NH u ] i n C h i n aA i r b o r n eM i s s l eA c a d e m y H e ’i M mL u o y a n g ，4 7 1 0 0 9 U G u a n g x i n n e1 1 I 瑚E n g l n e e rS c i e n t i f i cR e s e a r c hI n s t i t u t eo f t h eH e a d q u a r t e r s0 f t h eG e n e r a lS t a f f H e ’n a nL u o y a n g ，4 7 1 0 2 3 [ A B S T R A C T ] I no r d e rt od e f i n et h ep l a s t i cz o n e0 fm e t a lp l a t eu n d e re x p l o s i o nl o a d ，b a s e do ne x p a n s i o nt h e o r yo f d e t o n a t i o no u t c o m ea n dt r a n s m i s s i o na n a l y s i so fs t r e s sw a v eb e t w e e ni n t e r f a c e s ，c o m b i n e dw i t hp r o p e r t yo fm e t a lp l a t e ，a f o r m u l ao fp l a s t i cz o n ei sd e d u c e da b o u t m e t a lp l a t eu n d e rc o n t a c te x p l o s i o n0 fc b 雎铲w i t ha g i v e nf o r m ．A ne x p l o s i o nt e s t i si m p l e m e n t e dt od e t e r m i n et h ep l a s t i cz o n eo fp l a t e ．C o m p a r i s o nb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t a lv a l u ea n dc a l c u l a t i o nv a l u e i n d i c a t e sa g o o da g r e e m e n t ． [ K E Yw O R D S ] c o n t a c te x p l o s i o n ，p l a s t i cd e f o r m a t i o n ，8 陋8w a v e ，m e t a lp l a t e 上接第4 页 [ 4 ] A ．A b e ，K ．T a k a y a m a ，K ．I t o h ．E x p e r i m e n t a la n dn i l - m e r i c a ls t u d yo fs h o c kw a v ep r o p a g a t i o no v e rc y l i n d e r s a n d s p h e r e s [ C ] ．／／l O t hI n t e r n a t i o n lc 础他I 啪∞C o l n - p u a t l o n a l M e t h o d sa n d E x p e r i m e n t a l M e a s u r e m e n t s C M E M X ．A l i c a n t e ，洲n ．2 0 0 1 ． [ 5 ] C h i n - J y eY u ，T ．D e n n i sC l a a r ，H a r a l dH ．E l f e r r ，e ta 1 ． A p p l i c a t i o no fP o r o u sm e t a lf o a m si nh y b r i d8 _ r l l l o rs y s t e m s fC1 ．胞0 0 0I n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nF u n d a m e n t a l I s s u e sa n dA p p l i c a t i o n so fS h o c k ．W a v ea n dH i 曲．S t r a i n ． B a t eP h e n o m e n a E X P L O M E T 2 0 0 0 ．2 0 0 1 ． [ 6 ] 姚恩有，高洪生．地下防护工程中消减强冲击波措施 的研究[ C ] ．∥中国土木工程学会防护工程学会第五 次学术年会论文集，1 9 9 6 ． T e s tR e s e a r c ho fS h o c k w a v eA t t e n u a t i o nE f f e c ta b o u tW o o d e nL a t t i c eM a c h i n ei nT u n n e l W A N GQ i r u i ，Z H A N GX i a c z h o n g ，K O N GF u l i ，Z H A N GF u m i n g T h eT h i r dR e s e a r c hI n s t i t u t eo ft h eC o r p so fE n g i n e e r i n gG e n e r a lS t a f fo fC P I A H e ’n a nL u o y a n g ，4 7 1 0 2 3 [ A B S T R A C T 】 I nt h i sp a p e r ，b e c a u s eo ft h en o t a b l ef u n c t i o no ft h ep o r o u ss t r u c t u r ea t t e n u a t i n gs h o c k w a v e s ，l a r g e n u m h e m0 ft e s t sa b o u tt h em a c h i n eo fw o o d e nl a t t i c eh a v eb e e nf i n i s h e d ，w h i c hw e r ec o n d i t i o n e dt h e8 蛐p o r o s i t ya n dt h e d i f f e r e n td i a m e t e r s0 ft h ep o r e s 。a n dt h er e s u h sh a v eb e e nc o m p a r e da n da I I a l y z c da tt h el i m et i m e ．T h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h el i t t l ew o o d e nl a t t i c em a c h i n ew i t hd e n s ep o r e sh a v em o r ee x c e l l e n te f f e c t s ． [ K E YW O R D S ] p r o t e c t i v ee n g i n e e r i n g ，t u u n d ，w o o d e nl a t t i c em a c h i n e ，s h o c kw a v e s ，w a v ea t t e n u a t i o ne f f e c t 万方数据