黄河冰凌单点爆破的数值模拟与试验研究

许冠超, 孟卓伦, 赵继伟

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450046; 2.国网河南省电力公司检修公司,河南 郑州 450006)

黄河具有特殊的热力、水力、河道边界条件及地理位置,导致其每年在内蒙段都会出现不同程度的冰凌灾害,严重影响了沿岸人民群众的生命财产安全[1]。目前,黄河防凌减灾主要以军队实施的向冰面抛掷炸弹的方法为主。这种方法在黄河凌汛期的紧急抢险中发挥了很大的作用,但成本高,炸药能量利用率很低,有时爆炸所产生的冲击波会给两岸设施及人员带来一定的危害。再加上频频出现的极端气候现象,致使黄河流域大部分地区常常遭遇寒潮,气温骤降,黄河冰封提前,冰厚较往年增加,黄河流域受凌汛灾害影响越来越严重。因此,研发节约防凌成本且破冰效果更好的爆破防凌器材对黄河防凌具有非常重要的作用[2-3]。黄河流域内蒙段是黄河产生冰凌灾害的主要河段之一,几乎每年封河和开河时都会造成冰凌灾害。因此,本文选取内蒙古自治区包头市磴口黄河冰封河段,针对冰凌河段在不同冰厚、炸药装药量和炸药埋深等工况下,开展冰凌爆破数值模拟试验和现场聚能随进破冰器破冰的试验研究,以期为黄河流域的防凌减灾和研制一系列聚能随进破冰器材的需要提供理论依据[4-5]。

1 冰凌爆破数值模拟

1.1 建立数值模型

冰凌爆破数值模型涉及到冰体材料模型的破坏和水下爆炸,反映空气、冰体、水体和炸药间的相互耦合作用,整个过程是一个动态的、高度非线性的变化过程,不能只采用有限元软件ANSYS建立冰体爆破模型进行计算。对于江河中冰凌爆破的数值模拟计算问题,国防科技大学和大连理工大学等高校及科研院所常利用ANSYS/LS-DYNA程序,采用多物质ALE (Arbitrary Lagrange-Euler)算法以及适用于界面的流固耦合算法进行显式动力分析[6]。LS-DYNA程序能模拟真实世界各种复杂的几何非线性、材料非线性和接触非线性问题,特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题。因此,本文在进行冰凌爆破数值模拟时也采用ANSYS/LS-DYNA程序。

基于爆破模型的对称性和计算的快捷性,只建立了1/4个三维的冰凌爆破模型,模型由空气、冰、炸药和水4部分组成:空气模型尺寸为500 cm×500 cm×50 cm;冰模型尺寸为500 cm×500 cm×Xcm(冰厚为10～60 cm);水模型尺寸为500 cm×500 cm×100 cm;炸药模型尺寸为Xcm×Xcm×Xcm(X取值10～20 cm),如图1所示。

图1 冰凌爆破1/4数值模型

模型单元选用3D Solid 164单元,它是由8个节点组成的三维实体单元,每个节点具有9个自由度;水体为NULL模型;冰体采用各向同性弹性断裂模型;计算方法采用多物质ALE算法,即多物质任意拉格朗日-欧拉算法[7-10]。

炸药采用HIGH-EXPLOSIVE-BURN高能炸药模型,爆轰压力的确定采用JWL(JONES-Wilkins-Lee)状态方程[11]:

(1)

式中:P为爆轰压力;V为炸药的相对体积;E为单位体积炸药的初始内能;ω、A、B、R1、R2均为材料常数。

1.2 模拟分析工况

工况1:冰厚为20～60 cm;分析在不同埋深处,炸药的装药量分别为1.2、2.4、4.8 kg时冰体爆破直径和体积的关系。

工况2:分析炸药的装药量分别为1.2、2.4、4.8 kg时不同冰厚、炸药埋深与冰层爆破直径之间的关系。

工况3:分析冰层厚度分别为20、40、60 cm时不同装药量、炸药埋深与冰层爆破直径之间的关系。

2 数值模拟结果分析

根据建立的三维冰凌爆破模型,模拟分析工况1,限于篇幅,仅以冰厚30 cm和50 cm为例,分析不同装药量、药包埋深与冰体爆破直径和体积的关系,详见表1和表2。

根据表1、表2中的数值模拟分析结果,经回归分析可得:冰层厚度在20～60 cm时,以水为约束介质的最佳爆破作用系数K=R/H=30/60～20/20=0.5～1.0(H为冰厚;R为炸药埋深,即药包中心至冰层下表面的距离);药包位于冰层下的爆破效果明显好于位于冰面或冰层内的爆破效果。

表1 炸药埋深与冰层破坏直径和体积的关系(冰厚30 cm)

表2 炸药埋深与冰层破坏直径和体积的关系(冰厚50 cm)

根据建立的三维冰凌爆破模型,模拟分析工况2,设定装药量分别为1.2、2.4、4.8 kg,运用ORIGIN软件绘制不同冰厚、炸药埋深与冰层爆破直径之间的关系曲线如图2所示。

模拟分析工况3,设定冰层厚度分别为20、40、60 cm时,不同装药量、炸药埋深与冰层爆破直径之间的关系如图3所示。

不同冰层厚度下,装药量和冰体最大爆破直径之间的关系如图4所示。

图2 设定装药量时,不同冰厚、炸药埋深与冰层爆破直径之间的关系

图3 设定冰层厚度时,不同装药量、炸药埋深与冰层爆破直径之间的关系

图4 不同冰层厚度下,装药量和冰体最大爆破直径之间的关系

由图2—4可知：装药量为1.2 kg和2.4 kg时，不同冰厚、不同炸药埋深的最大爆破直径分布比较开，相差较大，最大差值约2 m；装药量为4.8 kg时，不同冰厚、不同炸药埋深的最大爆破直径相对比较集中，可以预估在0～60 cm的冰厚区域内，当装药量相对较大时，在最佳炸药埋深范围内冰体爆破直径相对集中，变化不大。

当装药量一定、冰层厚度固定时，冰体破坏直径随着药包埋深的增加大致呈先增加后减小的趋势；在以水为介质的爆破范围内存在一个最佳爆破点。

不同冰厚的最大爆破直径在一定范围内随装药量的增加而变大，但不呈线性关系递增。

3 现场试验研究

2010年3月和2012年3月,由华北水利水电大学防凌减灾研究所与工程兵科研三所等单位组成的破冰试验小组先后两次赴黄河流域内蒙古磴口段开展了不同装药量和炸药埋深的现场破冰试验。采用的破冰器材为聚能随进破冰器。聚能随进破冰器是集存储、运输、发射、破冰功能于一体的两级爆炸破冰结构,将聚能穿孔装置、随进破冰装置、推进装置依序密封在连接筒内,如图5所示。第一部分聚能穿孔装置通过传爆装置与第二部分随进破冰装置相连,第二部分随进破冰装置尾端嵌入至第三部分——提供动力的推进装置中。该器材的连接筒外侧中部设置了支架。

图5 聚能随进破冰器

在冰厚30 cm、装药量1.2 kg时,分别进行了炸药埋深为-20、-10、0、10、20 cm的冰凌爆破试验,试验数据见表3,现场试验场景如图6所示。对比分析表1和表3,结合图6可知：相同装药量下,现场爆炸效果与数值模拟的计算结果表现出良好的一致性;爆炸区域均基本呈圆形;在冰体破碎区域,冰体都有径向和环向裂纹产生,证明了数值计算模型和计算结果的安全可靠性。

表3 冰厚30 cm、装药量1.2 kg时现场破冰试验结果

2010年和2012年的两次破冰试验都非常圆满地完成了预定的爆破计划,取得了良好的现场试验结果；同时，验证了聚能随进破冰器的可行性,且为聚能随进破冰器进一步的优化设计奠定了基础。

4 结语

基于黄河流域防凌减灾和研制一系列聚能随进破冰器的需要,为获取各种典型工况下的防凌爆破参数,选取内蒙古自治区包头市磴口黄河冰封河段,开展了冰凌爆破数值模拟试验和现场聚能随进破冰器破冰试验,主要结论如下:

1)现场聚能随进破冰器破冰试验结果验证了数值模拟结果的可靠性,为设计不同防凌器材奠定了理论基础。

2)药包在冰面爆炸的破冰效果最差,在冰内爆炸的效果也不理想,在冰层以下爆炸的效果最好,且在冰层下方存在一个最佳爆破系数K=R/H=0.5～1.0。

3)当冰厚一定、装药深度一定时,冰体爆破直径随装药量的增加大致呈增加趋势;当装药量一定、装药深度一定时,冰体爆破直径随冰厚的增加呈减小趋势;当装药量一定、冰厚一定时,冰体爆破直径随炸药埋深的增加呈先增加后减小趋势。

4)最佳爆破位置的确定,为各种装药量、不同地区的冰厚尺寸下的爆破防凌器材的延时参数设计奠定了基础。

5)通过现场试验和数值模拟分析,不同工况下的爆破参数可以组建成为防凌爆破数据库,为研发一系列不同防凌器材提供参考,对今后黄河面对不同凌灾选用合适的防凌器材具有重要的现实意义。