CN106949824A - 水下淤泥爆破空腔半径电极阵列测试法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下淤泥爆破空腔半径电极阵列测试法，属于水下淤泥爆破空腔体积及其发展过程的测试方法。建立爆破空腔电极阵列测试系统，检查多通道ICP电压双功能数据采集仪，将防水药包置于待测的深度为H的淤泥或水中，记录炸药所在水深和淤泥深度，启动起爆器，将采集到的图像或数据进行整理和分析，根据各通道记录的断路时间，得出爆破空腔扩展时间和相应的爆破空腔半径。优点是，通过电路回路中的通断即可实现测量，能够实时测试爆破空腔体积及其发展过程，开创了爆破空腔测试新技术，为水下爆破和淤泥爆破技术研究奠定了基础，对于水下爆破工程设计、施工、科研具有广泛现实意义。

Description

水下淤泥爆破空腔半径电极阵列测试法

技术领域

本发明属于水下淤泥爆破空腔体积及其发展过程的测试方法，适用水下爆炸气泡脉动测量。

背景技术

具有一定厚度淤积覆盖的水下岩塞爆破工程，岩塞爆破前，在岩塞上口的淤泥与岩石界面放置药包将淤泥爆破成空腔，空腔使“淤泥—岩石”界面转变成“气体—岩石”界面，为爆炸应力波的反射创造了有利条件，也为岩石的抛掷提供了空间。爆破挤淤是在抛石棱体前方和周边淤泥中埋设药包爆破，将一定范围内的淤泥向四周挤出形成爆破空腔，提头抛石体在重力作用下滑移落入空腔并形成石舌，瞬时实现“泥—石”置换。可见，对爆破空腔的研究具有十分重要意义。

而爆破空腔的大小及其形成过程，目前现场尚无较好的测试方法和手段。对于淤泥空腔的扩展，有报道在室内采用小体积试验箱模拟试验，采用X光设备拍照空腔形成过程图像；对于水中爆破空腔形成(气泡脉动)过程测量，也有报道采用高压爆炸容器放置小当量的炸药，容器一侧留有有机玻璃照相窗口，通过高速摄影机摄录爆炸空腔或气泡发展过程。这些试验只能在室内进行，其方法具有较大局限性。

由于爆破空腔形成过程是瞬间的，又会在很短的时间内被水或淤泥充填，因此，在现场获得爆破空腔的大小和扩展过程难度较大。

发明内容

本发明提供一种水下淤泥爆破空腔半径电极阵列测试法，以解决现场获得爆破空腔的大小和扩展过程难度较大的问题。

本发明采取的技术方案是：包括下列步骤：

(a)建立爆破空腔电极阵列测试系统：在具有一定强度和刚度的钢管上或其它杆件上，沿其轴向方向成对布置电极i，每对电极i分别包括正极和负极，组成电极阵列杆，每对电极i处于杆件同一横截面，两极之间留有一定间距，电极与杆件之间有绝缘护套、来保证电极与杆件之间相互绝缘，每对电极i从管中引出的导线接入电源E_i、分压电阻R_i、开关K_i连接，i＝1、2、3、……、n，每对电极i分别与多通道ICP电压双功能数据采集仪的通道i连接，i＝1、2、3、……、n，该多通道ICP电压双功能数据采集仪的通道0与电极0的正、负极、电源E₀、分压电阻R₀、开关K₀构成的回路连接；

检查导线防水和绝缘情况，检查各电极与钢杆件的绝缘情况；

(b)对每对电极所连接的导线进行编号，以便记录电极位置，编号如0^#、1^#、2^#、……、n^#，各对电极之间的距离a；

(c)检查多通道ICP电压双功能数据采集仪；

(d)各测试回路检查连接好后，合闸，调试多通道ICP电压双功能数据采集仪；

(e)将质量为m的炸药，制成防水药包，药包外缠绕0^#通道的电极导线，用于获取炸药爆炸时刻，也就是空腔发展的起始时刻；

(f)将防水药包置于待测的深度为H的淤泥或水中，记录炸药所在水深和淤泥深度；

(g)将制成的电极阵列杆置入淤泥或水中并固定，防止爆破产生移动，电极阵列杆的轴线延长线要通过药包中心；由于淤泥或水导电，这样每对电极、电源、导线、电阻、开关和淤泥或水组成了测试回路；

(h)靠近电极阵列杆圆锥端的1^#电极与药包中心的距离b介于预估的爆破空腔最大半径R_max的1/3～2/3之间；

(i)爆破空腔最大半径R_max根据下述两种情况估算：

1)对于在水中或密度较小的淤泥中的爆破空腔，其半径R_max按水中爆炸气泡最大半径公式估算：

式中：R_max——预估空腔最大半径，m；

m——炸药质量，kg；

H——为爆心处静水深度，m；

K——系数，水中为3.5；

2)对于在密度较大淤泥中的爆破空腔，其最大半径R_max可按10倍药包半径估算；

(j)检查各测试回路，闭合开关K₀、K₁、……、K_n，检查多通道ICP电压双功能数据采集仪各通道电压信号；

(k)启动多通道ICP电压双功能数据采集仪进行数据采集；

(l)启动起爆器，使埋入淤泥中的药包起爆，药包起爆后，通道0的测试回路导线首先被炸断，多通道ICP电压双功能数据采集仪采集到爆破空腔形成初始时刻t₀，随着爆破空腔的扩展，通道1、通道2、……通道m的所在回路依次断路，m≤n，多通道ICP电压双功能数据采集仪采集各回路电压断路时刻信号t₁、t₂、……、t_m，m≤n；

(m)将采集到的图像或数据进行整理和分析，根据各通道记录的断路时间t＝t_m﹣t₀，得出爆破空腔扩展时间t＝t_m﹣t₀和相应的爆破空腔半径R＝b+a×(m-1)，m＝1、2、3、……n。

本发明的优点是，采用爆破空腔电极阵列测试系统的结构新颖，测试原理清晰，通过电路回路中的通断即可实现测量，能够实时测试爆破空腔体积及其发展过程。测量精度根据实际需要可选，如将加密电极可实现更高精度测试，本方法填补了国内外爆破空腔大小及其扩展过程现场测试方法的空白，开创了爆破空腔测试新技术，为水下爆破和淤泥爆破技术研究奠定了基础，对于水下爆破工程设计、施工、科研具有广泛现实意义。

附图说明

图1是本发明爆破空腔电极阵列测试系统的测试原理示意图；

图2是工程应用实例的测试波形图；

图3是工程应用实例的爆破空腔半径过程线图。

具体实施方式

包括下列步骤：

(a)建立爆破空腔电极阵列测试系统：在具有一定强度和刚度的钢管上或其它杆件上，沿其轴向方向成对布置电极i，每对电极i分别包括正极和负极，组成电极阵列杆，每对电极i处于杆件同一横截面，两极之间留有一定间距，电极与杆件之间有绝缘护套、来保证电极与杆件之间相互绝缘，每对电极i从管中引出的导线接入电源E_i、分压电阻R_i、开关K_i连接，i＝1、2、3、……、n，每对电极i分别与多通道ICP电压双功能数据采集仪的通道i连接，i＝1、2、3、……、n，该多通道ICP电压双功能数据采集仪的通道0与电极0的正、负极、电源E₀、分压电阻R₀、开关K₀构成的回路连接，如图1所示；

检查导线防水和绝缘情况，检查各电极与钢杆件的绝缘情况；

(b)对每对电极所连接的导线进行编号，以便记录电极位置，编号如0^#、1^#、2^#、……、n^#，各对电极之间的距离a；

(c)检查多通道ICP电压双功能数据采集仪；

(d)各测试回路检查连接好后，合闸，调试多通道ICP电压双功能数据采集仪；

(e)将质量为m的炸药，制成防水药包，药包外缠绕0^#通道的电极导线，用于获取炸药爆炸时刻，也就是空腔发展的起始时刻；

(f)将防水药包置于待测的深度为H的淤泥或水中，记录炸药所在水深和淤泥深度；

(g)将制成的电极阵列杆置入淤泥或水中并固定，防止爆破产生移动，电极阵列杆的轴线延长线要通过药包中心；由于淤泥或水导电，这样每对电极、电源、导线、电阻、开关和淤泥或水组成了测试回路；

(h)靠近电极阵列杆圆锥端的1^#电极与药包中心的距离b介于预估的爆破空腔最大半径R_max的1/3～2/3之间；

(i)爆破空腔最大半径R_max根据下述两种情况估算：

1)对于在水中或密度较小的淤泥中的爆破空腔，其半径R_max按水中爆炸气泡最大半径公式估算：

式中：R_max——预估空腔最大半径，m；

m——炸药质量，kg；

H——为爆心处静水深度，m；

K——系数，水中为3.5；

2)对于在密度较大淤泥中的爆破空腔，其最大半径R_max可按10倍药包半径估算；

(j)检查各测试回路，闭合开关K₀、K₁、……、K_n，检查多通道ICP电压双功能数据采集仪各通道电压信号；

(k)启动多通道ICP电压双功能数据采集仪进行数据采集；

(l)启动起爆器，使埋入淤泥中的药包起爆，药包起爆后，通道0的测试回路导线首先被炸断，多通道ICP电压双功能数据采集仪采集到爆破空腔形成初始时刻t₀，随着爆破空腔的扩展，通道1、通道2、……通道m的所在回路依次断路，m≤n，多通道ICP电压双功能数据采集仪采集各回路电压断路时刻信号t₁、t₂、……、t_m，m≤n；

(m)将采集到的图像或数据进行整理和分析，根据各通道记录的断路时间t＝t_m﹣t₀，得出爆破空腔扩展时间t＝t_m﹣t₀和相应的爆破空腔半径R＝b+a×(m-1)，m＝1、2、3、……n。

下边通过具体工程应用实例来进一步说明本发明。

实例1：

测试地点选择在刘家峡库区洮河口处。试验部位上部水深1m，水深1m以下为淤泥，初步估计淤泥密度约为1.35g/cm³，爆破采用某高能乳化炸药，炸药密度1.22g/cm²，爆速4500～5600m/s，炸药质量0.5kg，炸药经过防水包装处理后放置在4m深淤泥中。

使用的是用于测试爆破振动速度和加速度的ICP电压双功能数据采集仪，通道数可选，一般32～64通道，通道数独立，并行采集，单通道最大采样频率为100K，采集精度可达0.01ms；本实例中：采集设备采用32通道ICP电压双功能数据采集仪，电极阵列杆上电极30对，每对电极之间间距5cm。

组成回路的导线采用30对多芯信号屏蔽电缆，长度约130m。考虑长导线的电阻分压影响，电池为6V大容量电池。

采用套管法钻孔下药包，当药包下到淤泥指定位置时，提出套管，套管提出过程中应小心防止扯断捆绑在药包上的导线和起爆线，随后沿钻孔位置下电极阵列杆，同时不能损坏导线，按预估空腔半径公式，计算预估最大空腔半径R，由于是在密度较小淤泥中，K取3.5；计算中将淤泥折算成了水深1+1.35×4＝6.4(m)，计算R_max＝110cm，电极阵列杆底端的一对电极据药包距离45cm。固定电极阵列杆，使其不因空腔爆破产生移动。为使经过钻孔等施工扰动后的淤泥回复原状，炸药埋设和电极阵列杆安装完毕后等待了一天时间。之后，连接好各测试回路，调试采集设备，检查无误后起爆药包，测试结果如图2所示。

将采集到的测试波形图整理成表格形式，如表1所示。

表1爆破空腔测试结果表

电极距药包(cm)	通道号	断路时刻(s)	历时时间(ms)	备注
					0	1	44.374	0	药包导线炸断
45	2	44.393	19	1#电极断路
					50	3	44.396	22	2#电极断路
55	4	44.398	24	3#电极断路
					60	5	44.401	27	4#电极断路
65	6	44.404	30	5#电极断路
					70	7	44.407	33	6#电极断路
75	8	44.411	37	7#电极断路
					80	9	44.414	40	8#电极断路
85	10	44.418	44	9#电极断路
					90	11	44.423	49	10#电极断路
95	12	44.428	54	11#电极断路
					100	13	44.435	61	12#电极断路
105	14	44.447	73	13#电极断路

按表1测试结果绘成爆破空腔半径随时间变化过程线，如图3所示：

从图3爆破空腔半径过程线中的拟合曲线方程可以得出，此处爆破空腔半径的发展过程符合二次曲线规律：R＝﹣0.0166t²+2.6452t+0.5899。这与大多数研究成果是相符的。

实例2

测试地点仍选择在刘家峡库区洮河口处。试验位置上部水深2m，水深2m以下为淤泥，初步估计淤泥密度约为1.6g/cm³。爆破仍采用前述高能乳化炸药，炸药质量2kg，经计算药包半径7.34cm，估算爆破空腔最大半径为7.34×10＝73.4(cm)，炸药经过防水包装处理后放置在4m深淤泥中，其它步骤同前例，测试结果见下表2所示。

表2爆破空腔测试结果表

电极距药包(cm)	通道号	断路时刻(s)	历时时间(ms)	备注
					0	1	52.620	0	药包导线炸断
45	2	52.624	4	1#电极断路
					50	3	52.625	5	2#电极断路
55	4	52.625	5	3#电极断路
					60	5	52.626	6	4#电极断路
65	6	52.627	7	5#电极断路
					70	7	52.628	8	6#电极断路
75	8	52.629	9	7#电极断路
					80	9	52.630	10	8#电极断路
85	10	52.631	11	9#电极断路

两次测试结果说明：淤泥密度大，爆破空腔小，历时时间也短。

Claims (2)

1.一种水下淤泥爆破空腔半径电极阵列测试法，其特征在于，包括下列步骤：

(a)建立爆破空腔电极阵列测试系统：在具有一定强度和刚度的钢管上或其它杆件上，沿其轴向方向成对布置电极i，每对电极i分别包括正极和负极，组成电极阵列杆，每对电极i处于杆件同一横截面，两极之间留有一定间距，电极与杆件之间有绝缘护套、来保证电极与杆件之间相互绝缘，每对电极i从管中引出的导线接入电源E_i、分压电阻R_i、开关K_i连接，i＝1、2、3、……、n，每对电极i分别与多通道ICP电压双功能数据采集仪的通道i连接，i＝1、2、3、……、n，该多通道ICP电压双功能数据采集仪的通道0与电极0的正、负极、电源E₀、分压电阻R₀、开关K₀构成的回路连接；

检查导线防水和绝缘情况，检查各电极与钢杆件的绝缘情况；

(b)对每对电极所连接的导线进行编号，以便记录电极位置，编号如0^#、1^#、2^#、……、n^#，各对电极之间的距离a；

(c)检查多通道ICP电压双功能数据采集仪；

(d)各测试回路检查连接好后，合闸，调试多通道ICP电压双功能数据采集仪；

(e)将质量为m的炸药，制成防水药包，药包外缠绕0^#通道的电极导线，用于获取炸药爆炸时刻，也就是空腔发展的起始时刻；

(f)将防水药包置于待测的深度为H的淤泥或水中，记录炸药所在水深和淤泥深度；

(g)将制成的电极阵列杆置入淤泥或水中并固定，防止爆破产生移动，电极阵列杆的轴线延长线要通过药包中心；由于淤泥或水导电，这样每对电极、电源、导线、电阻、开关和淤泥或水组成了测试回路；

(h)靠近电极阵列杆圆锥端的1^#电极与药包中心的距离b介于预估的爆破空腔最大半径R_max的1/3～2/3之间；

(i)对爆破空腔最大半径R_max估算：

(j)检查各测试回路，闭合开关K₀、K₁、……、K_n，检查多通道ICP电压双功能数据采集仪各通道电压信号；

(k)启动多通道ICP电压双功能数据采集仪进行数据采集；

(l)启动起爆器，使埋入淤泥中的药包起爆，药包起爆后，通道0的测试回路导线首先被炸断，多通道ICP电压双功能数据采集仪采集到爆破空腔形成初始时刻t₀，随着爆破空腔的扩展，通道1、通道2、……通道m的所在回路依次断路，m≤n，多通道ICP电压双功能数据采集仪采集各回路电压断路时刻信号t₁、t₂、……、t_m，m≤n；

(m)将采集到的图像或数据进行整理和分析，根据各通道记录的断路时间t＝t_m﹣t₀，得出爆破空腔扩展时间t＝t_m﹣t₀和相应的爆破空腔半径R＝b+a×(m-1)，m＝1、2、3、……n。

2.根据权利要求1所述的一种水下淤泥爆破空腔半径电极阵列测试法，其特征在于：步骤(i)爆破空腔最大半径R_max根据下述两种情况估算：

1)对于在水中或密度较小的淤泥中的爆破空腔，其半径R_max按水中爆炸气泡最大半径公式估算：

$R_{max}=K\sqrt[3]{\frac{m}{(H+9.8)}}$

式中：R_max——预估空腔最大半径，m；

m——炸药质量，kg；

H——为爆心处静水深度，m；

K——系数，水中为3.5；

2)对于在密度较大淤泥中的爆破空腔，其最大半径R_max可按10倍药包半径估算。