許冠超, 孟卓倫, 趙繼偉

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046; 2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司檢修公司,河南 鄭州 450006)

黃河具有特殊的熱力、水力、河道邊界條件及地理位置,導(dǎo)致其每年在內(nèi)蒙段都會(huì)出現(xiàn)不同程度的冰凌災(zāi)害,嚴(yán)重影響了沿岸人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。目前,黃河防凌減災(zāi)主要以軍隊(duì)實(shí)施的向冰面拋擲炸彈的方法為主。這種方法在黃河凌汛期的緊急搶險(xiǎn)中發(fā)揮了很大的作用,但成本高,炸藥能量利用率很低,有時(shí)爆炸所產(chǎn)生的沖擊波會(huì)給兩岸設(shè)施及人員帶來(lái)一定的危害。再加上頻頻出現(xiàn)的極端氣候現(xiàn)象,致使黃河流域大部分地區(qū)常常遭遇寒潮,氣溫驟降,黃河冰封提前,冰厚較往年增加,黃河流域受凌汛災(zāi)害影響越來(lái)越嚴(yán)重。因此,研發(fā)節(jié)約防凌成本且破冰效果更好的爆破防凌器材對(duì)黃河防凌具有非常重要的作用[2-3]。黃河流域內(nèi)蒙段是黃河產(chǎn)生冰凌災(zāi)害的主要河段之一,幾乎每年封河和開河時(shí)都會(huì)造成冰凌災(zāi)害。因此,本文選取內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市磴口黃河冰封河段,針對(duì)冰凌河段在不同冰厚、炸藥裝藥量和炸藥埋深等工況下,開展冰凌爆破數(shù)值模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)聚能隨進(jìn)破冰器破冰的試驗(yàn)研究,以期為黃河流域的防凌減災(zāi)和研制一系列聚能隨進(jìn)破冰器材的需要提供理論依據(jù)[4-5]。

1 冰凌爆破數(shù)值模擬

1.1 建立數(shù)值模型

冰凌爆破數(shù)值模型涉及到冰體材料模型的破壞和水下爆炸,反映空氣、冰體、水體和炸藥間的相互耦合作用,整個(gè)過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、高度非線性的變化過程,不能只采用有限元軟件ANSYS建立冰體爆破模型進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于江河中冰凌爆破的數(shù)值模擬計(jì)算問題,國(guó)防科技大學(xué)和大連理工大學(xué)等高校及科研院所常利用ANSYS/LS-DYNA程序,采用多物質(zhì)ALE (Arbitrary Lagrange-Euler)算法以及適用于界面的流固耦合算法進(jìn)行顯式動(dòng)力分析[6]。LS-DYNA程序能模擬真實(shí)世界各種復(fù)雜的幾何非線性、材料非線性和接觸非線性問題,特別適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動(dòng)力沖擊問題。因此,本文在進(jìn)行冰凌爆破數(shù)值模擬時(shí)也采用ANSYS/LS-DYNA程序。

基于爆破模型的對(duì)稱性和計(jì)算的快捷性,只建立了1/4個(gè)三維的冰凌爆破模型,模型由空氣、冰、炸藥和水4部分組成:空氣模型尺寸為500 cm×500 cm×50 cm;冰模型尺寸為500 cm×500 cm×Xcm(冰厚為10～60 cm);水模型尺寸為500 cm×500 cm×100 cm;炸藥模型尺寸為Xcm×Xcm×Xcm(X取值10～20 cm),如圖1所示。

圖1 冰凌爆破1/4數(shù)值模型

模型單元選用3D Solid 164單元,它是由8個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的三維實(shí)體單元,每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有9個(gè)自由度;水體為NULL模型;冰體采用各向同性彈性斷裂模型;計(jì)算方法采用多物質(zhì)ALE算法,即多物質(zhì)任意拉格朗日-歐拉算法[7-10]。

炸藥采用HIGH-EXPLOSIVE-BURN高能炸藥模型,爆轟壓力的確定采用JWL(JONES-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程[11]:

(1)

式中:P為爆轟壓力;V為炸藥的相對(duì)體積;E為單位體積炸藥的初始內(nèi)能;ω、A、B、R1、R2均為材料常數(shù)。

1.2 模擬分析工況

工況1:冰厚為20～60 cm;分析在不同埋深處,炸藥的裝藥量分別為1.2、2.4、4.8 kg時(shí)冰體爆破直徑和體積的關(guān)系。

工況2:分析炸藥的裝藥量分別為1.2、2.4、4.8 kg時(shí)不同冰厚、炸藥埋深與冰層爆破直徑之間的關(guān)系。

工況3:分析冰層厚度分別為20、40、60 cm時(shí)不同裝藥量、炸藥埋深與冰層爆破直徑之間的關(guān)系。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)建立的三維冰凌爆破模型,模擬分析工況1,限于篇幅,僅以冰厚30 cm和50 cm為例,分析不同裝藥量、藥包埋深與冰體爆破直徑和體積的關(guān)系,詳見表1和表2。

根據(jù)表1、表2中的數(shù)值模擬分析結(jié)果,經(jīng)回歸分析可得:冰層厚度在20～60 cm時(shí),以水為約束介質(zhì)的最佳爆破作用系數(shù)K=R/H=30/60～20/20=0.5～1.0(H為冰厚;R為炸藥埋深,即藥包中心至冰層下表面的距離);藥包位于冰層下的爆破效果明顯好于位于冰面或冰層內(nèi)的爆破效果。

表1 炸藥埋深與冰層破壞直徑和體積的關(guān)系(冰厚30 cm)

表2 炸藥埋深與冰層破壞直徑和體積的關(guān)系(冰厚50 cm)

根據(jù)建立的三維冰凌爆破模型,模擬分析工況2,設(shè)定裝藥量分別為1.2、2.4、4.8 kg,運(yùn)用ORIGIN軟件繪制不同冰厚、炸藥埋深與冰層爆破直徑之間的關(guān)系曲線如圖2所示。

模擬分析工況3,設(shè)定冰層厚度分別為20、40、60 cm時(shí),不同裝藥量、炸藥埋深與冰層爆破直徑之間的關(guān)系如圖3所示。

不同冰層厚度下,裝藥量和冰體最大爆破直徑之間的關(guān)系如圖4所示。

圖2 設(shè)定裝藥量時(shí),不同冰厚、炸藥埋深與冰層爆破直徑之間的關(guān)系

圖3 設(shè)定冰層厚度時(shí),不同裝藥量、炸藥埋深與冰層爆破直徑之間的關(guān)系

圖4 不同冰層厚度下,裝藥量和冰體最大爆破直徑之間的關(guān)系

由圖2—4可知：裝藥量為1.2 kg和2.4 kg時(shí)，不同冰厚、不同炸藥埋深的最大爆破直徑分布比較開，相差較大，最大差值約2 m；裝藥量為4.8 kg時(shí)，不同冰厚、不同炸藥埋深的最大爆破直徑相對(duì)比較集中，可以預(yù)估在0～60 cm的冰厚區(qū)域內(nèi)，當(dāng)裝藥量相對(duì)較大時(shí)，在最佳炸藥埋深范圍內(nèi)冰體爆破直徑相對(duì)集中，變化不大。

當(dāng)裝藥量一定、冰層厚度固定時(shí)，冰體破壞直徑隨著藥包埋深的增加大致呈先增加后減小的趨勢(shì)；在以水為介質(zhì)的爆破范圍內(nèi)存在一個(gè)最佳爆破點(diǎn)。

不同冰厚的最大爆破直徑在一定范圍內(nèi)隨裝藥量的增加而變大，但不呈線性關(guān)系遞增。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

2010年3月和2012年3月,由華北水利水電大學(xué)防凌減災(zāi)研究所與工程兵科研三所等單位組成的破冰試驗(yàn)小組先后兩次赴黃河流域內(nèi)蒙古磴口段開展了不同裝藥量和炸藥埋深的現(xiàn)場(chǎng)破冰試驗(yàn)。采用的破冰器材為聚能隨進(jìn)破冰器。聚能隨進(jìn)破冰器是集存儲(chǔ)、運(yùn)輸、發(fā)射、破冰功能于一體的兩級(jí)爆炸破冰結(jié)構(gòu),將聚能穿孔裝置、隨進(jìn)破冰裝置、推進(jìn)裝置依序密封在連接筒內(nèi),如圖5所示。第一部分聚能穿孔裝置通過傳爆裝置與第二部分隨進(jìn)破冰裝置相連,第二部分隨進(jìn)破冰裝置尾端嵌入至第三部分——提供動(dòng)力的推進(jìn)裝置中。該器材的連接筒外側(cè)中部設(shè)置了支架。

圖5 聚能隨進(jìn)破冰器

在冰厚30 cm、裝藥量1.2 kg時(shí),分別進(jìn)行了炸藥埋深為-20、-10、0、10、20 cm的冰凌爆破試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)景如圖6所示。對(duì)比分析表1和表3,結(jié)合圖6可知：相同裝藥量下,現(xiàn)場(chǎng)爆炸效果與數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)出良好的一致性;爆炸區(qū)域均基本呈圓形;在冰體破碎區(qū)域,冰體都有徑向和環(huán)向裂紋產(chǎn)生,證明了數(shù)值計(jì)算模型和計(jì)算結(jié)果的安全可靠性。

表3 冰厚30 cm、裝藥量1.2 kg時(shí)現(xiàn)場(chǎng)破冰試驗(yàn)結(jié)果

2010年和2012年的兩次破冰試驗(yàn)都非常圓滿地完成了預(yù)定的爆破計(jì)劃,取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果；同時(shí)，驗(yàn)證了聚能隨進(jìn)破冰器的可行性,且為聚能隨進(jìn)破冰器進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于黃河流域防凌減災(zāi)和研制一系列聚能隨進(jìn)破冰器的需要,為獲取各種典型工況下的防凌爆破參數(shù),選取內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市磴口黃河冰封河段,開展了冰凌爆破數(shù)值模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)聚能隨進(jìn)破冰器破冰試驗(yàn),主要結(jié)論如下:

1)現(xiàn)場(chǎng)聚能隨進(jìn)破冰器破冰試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性,為設(shè)計(jì)不同防凌器材奠定了理論基礎(chǔ)。

2)藥包在冰面爆炸的破冰效果最差,在冰內(nèi)爆炸的效果也不理想,在冰層以下爆炸的效果最好,且在冰層下方存在一個(gè)最佳爆破系數(shù)K=R/H=0.5～1.0。

3)當(dāng)冰厚一定、裝藥深度一定時(shí),冰體爆破直徑隨裝藥量的增加大致呈增加趨勢(shì);當(dāng)裝藥量一定、裝藥深度一定時(shí),冰體爆破直徑隨冰厚的增加呈減小趨勢(shì);當(dāng)裝藥量一定、冰厚一定時(shí),冰體爆破直徑隨炸藥埋深的增加呈先增加后減小趨勢(shì)。

4)最佳爆破位置的確定,為各種裝藥量、不同地區(qū)的冰厚尺寸下的爆破防凌器材的延時(shí)參數(shù)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

5)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析,不同工況下的爆破參數(shù)可以組建成為防凌爆破數(shù)據(jù)庫(kù),為研發(fā)一系列不同防凌器材提供參考,對(duì)今后黃河面對(duì)不同凌災(zāi)選用合適的防凌器材具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。