CN108225136B - 一种基于水下爆炸试验量测结果的坝体破坏药量估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于水下爆炸试验量测结果的坝体破坏药量估算方法，包括根据水坝参数模拟得到破坏临界条件下施加至坝体上的爆炸冲击载荷峰值压力临界值；基于雷管和炸药建立水下爆炸试验装置，在确定装药量及装药沉深和容器内充气压力条件下，进行系列爆炸试验，测量得到水下爆炸的冲击波峰值，并拟合得到装药量和水下冲击峰值压力之间的关系，最后估算得到坝体破坏药量，具有简单方便，成本低的特点。
Description
技术领域
本发明属于爆炸技术领域，涉及一种用于水下爆炸试验的装置及水坝爆炸破坏用药量的估算方法。
背景技术
战时大型水坝一旦受到爆炸破坏，进而导致多个水利工程发生连溃，将造成巨大的人员损伤和经济损失。因此，研究大坝工程的抗爆安全问题对最大限度降低损失以及进行大坝安全性评估具有十分重要的理论指导意义。由于经费和场地受限，难以通过原型爆炸试验研究得到爆炸荷载作用下大型坝体毁伤的机理；传统的结构模型试验也难以真实揭示爆炸原型的力学行为和破坏过程。土工离心机通过高速旋转增加模型重力，使模型介质体产生与原型相近的自重应力，模型的变形及破坏机制与原型相似，从而可模拟复杂的岩土工程及动力学问题，目前成为研究爆炸工程力学的常用手段之一，但是其昂贵的成本和试验费用成为其大面积推广使用的限制。
此外在进行水下爆炸试验中，爆炸装置处于水下超重的环境中，超重环境和高静水压力的外界条件，会影响雷管等爆炸装置的爆炸性能，甚至出现拒爆现象，急需要研制安全可靠、缩比爆炸装置，实现高静水压力环境下水下爆破的精确模拟。
发明内容
本发明公开了一种基于水下爆炸试验量测结果的坝体破坏药量估算方法，根据水坝爆炸的特点，建立了缩比的水下爆炸试验装置，通过系列爆炸试验并对其进行多项式拟合，估算得到了坝体爆炸破坏时的破坏药量。
本发明的具体技术方案如下：
一种基于水下爆炸试验量测结果的坝体破坏药量估算方法，包括以下步骤：
【1】根据水坝的坝体结构、材料参数和炸药布放点的水深h，用ANSYS软件模拟得到破坏临界条件下施加至坝体上的爆炸冲击载荷峰值压力临界值P*；
【2】基于电雷管和炸药建立缩比的水下爆炸试验装置，在保持装药沉深H和容器内充气压力P0条件下，进行系列装药量Wi的爆炸试验，测量得到第i次水下爆炸的冲击峰值压力Pi；其中P0的等效水柱高度为H0，h＝H+H0；
【3】采用最小二乘法多项式拟合的方法，根据步骤【2】得到的装药量Wi和Pi实测结果，拟合得出二者的关系式：
P＝f(W) (1)
【4】将步骤【1】中的爆炸冲击载荷峰值压力临界值P*代入公式(1)，计算得到对应的临界破坏药量值W*；
所述的爆炸试验装置包括爆炸密封容器、爆炸组件和传感器，容器包括上盖板、底座和外壁，上盖板设置有中心通孔、传感器通孔和气压阀，爆炸组件和传感器分别穿过中心通孔和传感器通孔后设置在容器腔内；所述的爆炸组件和传感器通过密封接头密封固联在容器的上盖板上；所述的容器下半部盛有水，上半部分充有高压气体。
进一步的，所述的爆炸组件包括电雷管、起爆连接件、导爆索和炸药，所述的电雷管和导爆索之间通过起爆连接件固联；
所述的起爆连接件包括导爆索接头、雷管套和螺套；导爆索接头的尾端设置有外螺纹，中心设置有通孔，导爆索设置在导爆索接头的中心通孔内；雷管套包括大直径的前端和小直径的尾端；雷管套的前端中部设置有容纳雷管的空腔，雷管套的尾端设置有中心通孔，用于穿接雷管起爆线；螺套穿过雷管套的尾端，通过内螺纹和导爆索接头尾端的外螺纹配合联接，将雷管压贴在导爆索的端面上。
进一步的，所述的密封接头由压缩接头、密封件和密封底座组成；所述的压缩接头设置有外螺纹；所述的密封件采用可压缩的弹性材料制成；密封底座具有内螺纹和外螺纹，密封底座内螺纹与压缩接头的外螺纹配合联接，密封底座外螺纹与的容器上盖板联接；测试线或起爆线穿过压缩接头和密封件的中心通孔。
进一步的，所述的上盖板外部设置有压力表。
进一步的，所述的底座设置有十字交叉加强筋板。
进一步的，所述的容器的外部联接有检验装置，所述的检验装置包括信号调理器、动态采集器、电脑终端和起爆器，所述的起爆器与爆炸组件中的电雷管电联接；所述的传感器输出端经过信号调理器对传感器信号进行放大调理后，由动态采集器进行信号采集，并将采集的数据存储在电脑终端。
进一步的，所述的起爆器包含有同步触发端口，通过同步信号线与动态采集器相联，触发动态采集器进行爆炸信号采集。
进一步的，传感器与炸药布设在同一水平高度。
本发明的有益技术效果如下：
1、本发明采用缩比后的压力爆炸容器进行了坝体水下爆破的精确模拟试验，在密封容器中加入足够的水并通入不同气压的空气，实现不同水深处水坝静水压力参数的爆炸模拟，并在容器中设置压力传感器，测量得到水下爆炸冲击波参数，最后对实测结果进行数据拟合，结合理论模拟得到的坝体破坏冲击载荷，最终得到了坝体的破坏药量值，具有方便可靠、试验成本低的特点。
2、传统的电雷管起爆方式采用将胶带将雷管和导爆索缠绕粘接的方式，在水下试验中被证明无法进行正常的起爆，常出现拒爆的现象发生；本发明采用起爆连接件将雷管和导爆索端面密封条件下压贴，使之与水隔离且紧密贴合固定，降低水浸及水压对雷管起爆性能的影响，克服了拒爆问题，确保了高静压水下爆破雷管起爆的可靠性。
3、本发明在爆炸容器的上盖设置了密封件，用于将测试线和起爆线的密封，密封件采用可压缩的弹性材料制成，压接在测试线或起爆线上，确保了整个容器不漏气。
附图说明
图1为爆炸密封容器结构示意图；
图2为测试线/起爆线密封接头结构示意图；
图3为起爆连接件结构示意图；
图4为爆炸装置结构示意图；
图5实测的水下爆炸压力时间曲线。
图中：1—容器；2—起爆线密封接头；3—测试线密封接头；4—传感器；5—炸药；6—水；7—气压阀；8—上盖板；9—底座；10—压力表；11—压缩接头；12—密封件；13—密封底座；14—密封线；21—电雷管；22—雷管套；23—螺套；24—导爆索接头；25—导爆索；30—信号调理器；31—动态采集器；32—电脑终端；33—起爆器。
具体实施方式
如图1所示，本发明的水下压力爆炸试验装置包括爆炸密封容器1、爆炸组件和传感器4，容器1包括上盖板8、底座9和外壁7，上盖板8设置有中心通孔、传感器通孔和气压阀，爆炸组件和传感器4分别穿过中心通孔和传感器通孔后设置在容器腔内；传感器与装药布设在同一水平高度，爆炸组件和传感器4通过密封接头2密封固联在容器1的上盖板8上；容器下半部盛有水，上半部分充有高压气体。
爆炸罐容器全高1200mm，内部高度960mm，侧壁厚20mm，上下盖板厚35mm，底部盖板加装井字支架。上盖板中心和距中心250mm处预留直径50mm的通孔，用以布设炸药和压力传感器，装药沉深300mm，水深700mm，传感器与装药布设在同一水平高度，距离300mm，可满足所需炸药种类及当量的模拟试验要求，并确保了模拟爆炸试验的安全。
装药和传感器从压力容器上盖板处预留的两个通孔布置入容器内部，通孔加工有内螺纹，通过两个接头分别将起爆线和测试线从通孔引出，然后旋紧密封，压力容器上盖板处安装数字压力表与气压阀，用以加压以及读取容器内部气体压力。底座9设置有十字交叉加强筋板，以提高容器爆炸的承受能力。
线路密封措施参考图2所示的抗爆压力容器的起爆线2和测试线的线路密封接头3。密封接头包括起爆线密封接头2和测试线密封接头3，密封接头由压缩接头11、密封件12和密封底座13组成；压缩接头11设置有外螺纹；密封件12采用尼龙等可压缩的弹性材料制成；密封底座13具有内螺纹和外螺纹，密封底座13的内螺纹与压缩接头11的外螺纹配合联接，密封底座13的外螺纹与容器的上盖板8联接；密封线14也就是测试线或起爆线，穿过压缩接头11和密封件12的中心通孔。
如图3所示，爆炸组件包括电雷管21、起爆连接件、导爆索25和炸药，电雷管21和导爆索25之间通过起爆连接件固联；起爆连接件包括导爆索接头24、雷管套22和螺套23；导爆索接头24的尾端设置有外螺纹，中心设置有通孔，导爆索25设置在导爆索接头24的中心通孔内；雷管套22包括大直径的前端和小直径的尾端；雷管套22的前端中部设置有容纳雷管21的空腔，雷管套22的尾端设置有中心通孔，用于穿接雷管起爆线；螺套23穿过雷管套22的尾端，通过内螺纹和导爆索接头24尾端的外螺纹配合联接，将雷管21压贴在导爆索25的端面上。
如图4所示，爆炸密封容器的外部联接有检验装置。检验装置包括信号调理器30、动态采集器31、电脑终端32和起爆器33，所述的起爆器33与爆炸组件中的电雷管21电联接；所述的传感器4输出端经过信号调理器30对传感器4信号进行放大调理后，由动态采集器31进行信号采集，并将采集的数据存储在电脑终端32。
起爆器33包含有同步触发端口，通过同步信号线与动态采集器31相联，触发动态采集器31进行爆炸信号采集。起爆器33采用GBP414型起爆器，其具有测量、显示网络直流电阻，以及起爆电雷管21的功能，并且无需电池供电。主要技术指标包括，输出电压：≥1600V(充电后瞬间)；起爆能力：导线电阻不大于50Ω时，充电后立即起爆串联军用8#电雷管200发；重量：≤1kg；体积：长×宽×高≤160mm×105mm×60mm。
传感器4采用水压力传感器，使用的是ICP公司生产的型号为PCB 138A10压力传感器，其量程为68.95MPa，灵敏度系数为73mV/MPa，谐振频率≥1000kHz，低响应频率2.5Hz。该型号压力传感器可将水中压力信号转换为电信号，但是需要型号为482C的调理器进行处理。信号调理器30具有四个独立通道，均可为传感器提供合适的电流源以维持传感器工作，每个通道的输入和输出均在后面板使用BNC接口。
动态采集器31采用高速数据采集系统，使用的是东华泰测公司的型号为DH5960的超动态信号测试分析系统，其应用范围广泛，可完成应力应变、振动(加速度、速度、位移)、冲击、声学、温度(各种类型热电偶、铂电阻)、压力、流量、力、扭矩、电压、电流等各种物理量的测试和分析。20MHz高速瞬态采样速率，广泛应用于冲击、爆破试验，准确捕捉瞬态信号。具有16个独立通道，试验时采样频率设置为1M。
将爆炸装置和测试传感器与起爆线和测试线连接好布置于压力容器内，并连接设置数据采集系统。按照试验方案选取药量，设置装药沉深和测试距离，然后密封加压至方案所设计的压力时，起爆爆炸装置，测试水下爆炸产生的水压力变化。
基于上述的爆炸装置开展了水坝破坏药量的估算，具体方法是：
(1)根据水坝的坝体结构、材料参数和炸药布放点距离坝体的爆距r、炸药布放点的水深h，用ANSYS软件模拟得到破坏临界条件下，施加至坝体上的爆炸冲击载荷峰值压力临界值P*；
对于水坝爆炸破坏而言，爆炸点的位置设置至关重要，要综合考虑坝体的结构、材料等参数，通常选择在坝体包含折坡，并举例泄洪孔口较近的地方，此处才是水坝的薄弱环节。对于不同坝体差异较大。对于爆炸点的力学特征表征而言，还要考虑到炸药布放点的水深h，其直接关系到水下爆炸冲击波载荷压力值。
(2)基于上述的爆炸装置建立缩比的水下爆炸试验装置，在保持装药沉深H和容器内充气压力P0条件下，进行系列装药量Wi的爆炸试验，测量得到第i次水下爆炸的冲击波峰值Pmi，其中P0的等效水柱高度为H0，h＝H+H0。给容器内部冲压的目的在于使得容器爆炸试验时的水压与水坝模拟时的水压相同，以克服水压对爆炸威力产生的影响。
试验所用的爆炸装置有三种：雷管、柱形装药、球形装药。根据以往的离心试验结果，以电雷管21、导爆索25、球形装药为传爆序列的球形装药爆炸装置，在30cm水深60G重力加速度下，即277kPa水压(相当于18m水深)，爆炸装置不能正常作用。其主要原因可能是，采用传统的雷管起爆方式，是用胶带将雷管和导爆索缠绕粘接的方式，在高水压环境下，电雷管21与导爆索25之间的水层会对电雷管21的起爆能力起到降低的作用，常出现拒爆的现象发生。而采用图3的连接方式，采用特制铝合金金属连接件的螺纹固定，保证雷管与导爆索端面紧密结合，并内置了容纳雷管的空腔，使之与水隔绝密封，起爆单元并不受水压的影响，也就是水的压力无法传递至雷管21和导爆索25的端面影响其正常起爆，从而降低了水及水压对雷管起爆性能的影响，雷管和主装药通过导爆索实现稳定可靠的爆炸。
主装药按形状分为球形或柱形。球形主装药为聚黑-2(8701炸药)，装药密度为1.65g/cm3，炸药规格为0.5g、0.75g、1.0g、2.0g、3.0g；外接10～32cm导爆索25，导爆索25用微型电雷管21起爆。柱形主装药为聚黑-14，装药密度约1.65g/cm3，直接电雷管起爆，药量规格(计雷管药量)为0.125g，0.250g，0.500g，0.750g，1.000g。主装药性能参数，爆速为8160m/s，爆热1210kJ/mol，爆容663L/kg，JWL方程参数A＝6.3，B＝0.175，R1＝4.45，R2＝1.35，w＝0.31，E＝0.112。传爆方式为铝壳导爆索，外壳直径Φ2.56mm，外壳壁厚0.5mm；导爆索药剂为钝黑-5，装药线密度约3.15g/m，爆速约为8041m/s。起爆方式为微型电雷管起爆，雷管内部药量为45mg炸药，45mg起爆药(炸药为黑索金，起爆药为羧甲基纤维素氮化铅)，等效药量50mg，外壳尺寸Φ3.78mm×7.36mm，导线长度40mm，延长至1m。安全电流75mA±5mA，发火直流电压12V±0.5V(电容20μF±2μF)。图5为冲击波压力传感器实测的冲击压力值。
(3)根据试验结果，采用最小二乘法多项式拟合的方法，对系列装药量Wi和Pi实测结果进行数据拟合，得到装药量Wi和Pi之间的关系式：
P＝f(W) (1)
在曲线拟合中可以直接针对数据进行多项式拟合，也可以根据下列的经验公式进行逐近式逼近拟合，可以提高拟合的工作效率。
水下爆炸荷载包括水下冲击波和气泡脉动，Cole针对水下爆炸做了大量的研究工作，提出水下爆炸冲击波峰值压力P计算的经验公式，
公式(2)中：W为折算成TNT的装药质量(kg)；r为爆距(m)，即为炸药和传感器之间的距离；kp、Ap为与炸药特性相关的冲击波参数，KT为与炸药特性相关的气泡参数，对于TNT炸药，kp＝52.4，Ap＝1.13。试验所用爆炸装置主装药成分为RDX，RDX药剂在完全爆轰的情况下威力等效系数n是TNT炸药的1.58倍，n＝1.58。从经验公式来看峰值压力P和药量W呈指数关系，采用MATLAB软件围绕此公式进行微小的变量更迭下的最小二乘法拟合，最终得到P＝f(W)的关系式。
(4)将步骤(1)理论模拟得到的爆炸冲击载荷峰值压力临界值P*代入公式P＝f(W)中，计算得到对应的临界破坏药量值W*；根据需要再折算成TNT的当量。
Claims (8)
1.一种基于水下爆炸试验量测结果的坝体破坏药量估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
【1】根据水坝的坝体结构、材料参数和炸药布放点的水深h，用ANSYS软件模拟得到破坏临界条件下施加至坝体上的爆炸冲击载荷峰值压力临界值P*；
【2】基于电雷管和炸药建立缩比的水下爆炸试验装置，在保持装药沉深H和容器内充气压力P0条件下，进行系列装药量Wi的爆炸试验，测量得到第i次水下爆炸的冲击峰值压力Pi；其中P0的等效水柱高度为H0，h＝H+H0；
【3】采用最小二乘法多项式拟合的方法，根据步骤【2】得到的装药量Wi和Pi实测结果，拟合得出二者的关系式：
P＝f(W) (1)
【4】将步骤【1】中的爆炸冲击载荷峰值压力临界值P*代入公式(1)，计算得到对应的临界破坏药量值W*；
所述的爆炸试验装置包括爆炸密封容器(1)、爆炸组件和传感器(4)，容器(1)包括上盖板(8)、底座(9)和外壁(7)，上盖板(8)设置有中心通孔、传感器通孔和气压阀，爆炸组件和传感器(4)分别穿过中心通孔和传感器通孔后设置在容器腔内；所述的爆炸组件和传感器(4)通过密封接头密封固联在容器(1)的上盖板(8)上；所述的容器(1)下半部盛有水，上半部分充有高压气体。
2.根据权利要求1所述的基于水下爆炸试验量测结果的坝体破坏药量估算方法，其特征在于：所述的爆炸组件包括电雷管(21)、起爆连接件、导爆索(25)和炸药，所述的电雷管(21)和导爆索(25)之间通过起爆连接件固联；
所述的起爆连接件包括导爆索接头(24)、雷管套(22)和螺套(23)；导爆索接头(24)的尾端设置有外螺纹，中心设置有通孔，导爆索(25)设置在导爆索接头(24)的中心通孔内；雷管套(22)包括大直径的前端和小直径的尾端；雷管套(22)的前端中部设置有容纳电雷管(21)的空腔，雷管套(22)的尾端设置有中心通孔，用于穿接电雷管(21)的起爆线；螺套(23)穿过雷管套(22)的尾端，通过内螺纹和导爆索接头(24)尾端的外螺纹配合联接，将电雷管(21)压贴在导爆索(25)的端面上。
3.根据权利要求2所述的基于水下爆炸试验量测结果的坝体破坏药量估算方法，其特征在于：所述的密封接头由压缩接头(11)、密封件(12)和密封底座(13)组成；所述的压缩接头(11)设置有外螺纹；所述的密封件(12)采用可压缩的弹性材料制成；密封底座(13)具有内螺纹和外螺纹，密封底座(13)的内螺纹与压缩接头(11)的外螺纹配合联接，密封底座(13)的外螺纹与容器(1)的上盖板(8)联接；测试线或起爆线穿过压缩接头(11)和密封件(12)的中心通孔。
4.根据权利要求2所述的基于水下爆炸试验量测结果的坝体破坏药量估算方法，其特征在于：所述的上盖板(8)外部设置有压力表。
5.根据权利要求2所述的基于水下爆炸试验量测结果的坝体破坏药量估算方法，其特征在于：所述的底座(9)设置有十字交叉加强筋板。
6.根据权利要求1所述的基于水下爆炸试验量测结果的坝体破坏药量估算方法，其特征在于：所述的容器的外部联接有检验装置，所述的检验装置包括信号调理器(30)、动态采集器(31)、电脑终端(32)和起爆器(33)，所述的起爆器(33)与爆炸组件中的电雷管(21)电联接；所述的传感器(4)输出端经过信号调理器(30)对传感器信号进行放大调理后，由动态采集器(31)进行信号采集，并将采集的数据存储在电脑终端(32)。
7.根据权利要求6所述的基于水下爆炸试验量测结果的坝体破坏药量估算方法，其特征在于：所述的起爆器(33)包含有同步触发端口，通过同步信号线与动态采集器(31)相联，触发动态采集器(31)进行爆炸信号采集。
8.根据权利要求2所述的基于水下爆炸试验量测结果的坝体破坏药量估算方法，其特征在于：传感器与炸药布设在同一水平高度。
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