北方江河防凌減災(zāi)新技術(shù)研究

郭潁奎 韓曉育 孟聞遠(yuǎn)

摘要：運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA有限元程序模擬了冰體水下爆破過程，開發(fā)了一系列專用于破冰防凌的器材，對(duì)器材裝藥量、引信及水下埋深等指標(biāo)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，成功進(jìn)行了水下爆破試驗(yàn)，能量利用率比冰面爆破提高近20倍，實(shí)現(xiàn)了“快、準(zhǔn)、大、?。粰C(jī)動(dòng)、高效、簡(jiǎn)便”的目標(biāo)，形成了一套安全、高效、低耗、系統(tǒng)和易操作的防凌減災(zāi)新技術(shù)，為我國(guó)北方江河冰凌災(zāi)害防治提供了有利參考。

關(guān)鍵詞：防凌減災(zāi)；破冰器材；新技術(shù)

致災(zāi)的冰凌按其形態(tài)分為冰蓋、流凌、冰塞、冰壩。目前傳統(tǒng)的冰凌防治技術(shù)以被動(dòng)減災(zāi)為主要特征，在技術(shù)上存在著局限性，如：①?gòu)谋萍夹g(shù)上，冰面爆破屬于無(wú)控爆破，能量利用率低；②從防災(zāi)組織上，調(diào)用部隊(duì)的裝備和制式彈藥實(shí)施定點(diǎn)爆炸，需要調(diào)用時(shí)間周期，有時(shí)以誤防凌時(shí)機(jī)；③從破冰器材方面，現(xiàn)有的爆破方法，機(jī)動(dòng)性差、效率低、無(wú)成型的系列專用器材。一改傳統(tǒng)的思路，提出了一套切實(shí)可行、方便高效的冰凌防治新技術(shù)。

一、冰的物理力學(xué)特征研究及防凌減災(zāi)新思路

（一）冰的物理力學(xué)特征

率先采用“微機(jī)伺服巖石高低溫三軸試驗(yàn)機(jī)”進(jìn)行冰樣三軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)定不同水樣、不同溫度、不同加載速度情況下冰的物理力學(xué)參數(shù)，得出一些有效數(shù)據(jù)，為數(shù)值模擬提供參考依據(jù)。

冰是具有晶體結(jié)構(gòu)的固態(tài)物質(zhì)，其強(qiáng)度和變形性質(zhì)具有明顯的方向性。冰的強(qiáng)度和冰溫、冰密度、含鹽量等有關(guān)。

冰的力學(xué)性質(zhì)主要受其分子中氫鍵特性的影響，在不同壓力作用下會(huì)呈現(xiàn)出彈性、塑性及脆性狀態(tài)。冰溫度隨著溫度的降低，冰晶空間格子中的原子變位會(huì)更困難，因此冰就越堅(jiān)固，冰的彈性及脆性性能也表現(xiàn)的更突出，反之，隨著溫度的升高，冰的塑性性能更加顯著[1]。

（二）防凌減災(zāi)新思路[2]

為有效解決長(zhǎng)期困擾黃河地區(qū)河流上的冰凌災(zāi)害問題，特提出變被動(dòng)減災(zāi)為主動(dòng)防御，變傳統(tǒng)模式為現(xiàn)代技術(shù)，變軍隊(duì)?wèi)?yīng)急搶險(xiǎn)為軍民合作專用器材預(yù)控的原則。提出應(yīng)用先進(jìn)的聚能隨進(jìn)及預(yù)控自動(dòng)爆破新技術(shù)研究，以期達(dá)到以下目標(biāo)：①變傳統(tǒng)的人工爆破為常備器材隨進(jìn)自動(dòng)爆破；②變傳統(tǒng)的單點(diǎn)爆破為規(guī)?；嚵斜疲虎圩儽鏌o(wú)控爆破為冰內(nèi)或冰下預(yù)控爆破；④變有破片軍用彈丸爆破為無(wú)彈片民用彈丸爆破；⑤變近距離人工裝藥為遠(yuǎn)程自動(dòng)隨進(jìn)爆破。

按照“預(yù)防為主”、“減災(zāi)為輔”的原則采取防凌減災(zāi)措施：①在可能形成冰塞、冰壩的區(qū)域切割破碎冰蓋，讓小型冰塊漂流到下游，開辟流凌通道；②對(duì)可能形成冰塞、冰壩的大塊流凌，預(yù)先破碎成小塊流凌、避免卡塞成災(zāi)；③一旦形成冰塞、冰壩，在人員能進(jìn)入的地方，根據(jù)需要布設(shè)一組聚能隨進(jìn)破冰器，可一次性地開設(shè)一條或多條有一定寬度的裂縫，消除冰蓋的膨脹作用或開辟河道泄流通道；④人員不能進(jìn)入的地方，用火箭拖帶破冰器和隨進(jìn)型火箭破冰彈摧毀，或者乘坐氣墊船靠近冰塞冰壩，采取近距離爆破措施。

理論分析上，在冰面上及冰平面內(nèi)爆破施力，冰在其平面內(nèi)受環(huán)向、徑向力撕裂、壓碎（甚至化成水），顯然計(jì)算的爆破能耗較大，效率低，因此提出了冰下水中爆破的新理念，改變了傳統(tǒng)的破冰理論分析方法中認(rèn)為水體不可壓縮的模式，考慮流固耦合系統(tǒng)的特性問題，研究冰體結(jié)構(gòu)的頻率及振型，考慮水中爆炸產(chǎn)生的沖擊波、氣泡和二次壓力波等有關(guān)因素，達(dá)到冰體與水體波產(chǎn)生相互作用或共振，利用冰體材料受拉易裂的特性，實(shí)現(xiàn)大面積破冰。

二、冰凌爆破數(shù)值模擬[3]

通過進(jìn)行冰凌爆破數(shù)值模擬，為破冰器材和破冰方案的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。采用廣泛用于沖擊、碰撞及爆破分析等問題分析的有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，單元類型選用LS-DYNA Explicit 3D Solid 164三維實(shí)體單元，冰體采用各向同性彈性斷裂模型*MAT_ISOTROPIC_ELASTIC_FAILURE，炸藥采用Mat_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸藥模型。

所建立的模型由冰、水和炸藥三部分組成，總體模型尺寸為100 cm×100 cm×100 cm，水域尺寸為80 cm×100 cm×100 cm，冰體尺寸為20 cm×100 cm×100 cm，炸藥尺寸為10 cm×10 cm×10 cm，組合炸藥間距為70 cm。經(jīng)過多次數(shù)值模擬研究，此種爆破情況下，炸藥在冰蓋下10cm處爆炸效果最佳。故數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)都在相同條件下進(jìn)行。組合冰凌爆破模型如圖1所示，炸點(diǎn)位于圖1的對(duì)角面上，如圖2所示。

組合炸藥在冰下10 cm處發(fā)生爆炸，產(chǎn)生沖擊波和氣泡，致使目標(biāo)冰體發(fā)生破壞，沖擊波起到了決定性作用，通過數(shù)值模擬，清晰的顯示了冰體材料在水下非接觸爆炸荷載作用下的破壞過程。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，冰體迎爆面受壓，背爆面受拉，整體表現(xiàn)為劈裂破壞。組合TNT爆破荷載加載于冰體材料以后，冰體材料表現(xiàn)出脆性特征，整個(gè)冰體在炸點(diǎn)周圍完全被炸碎，未被炸碎的冰體也產(chǎn)生了徑向及環(huán)向裂紋，受到了巨大的沖擊，很容易破碎，這在黃河冰凌防災(zāi)減災(zāi)新技術(shù)的研究中具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

還進(jìn)行了單點(diǎn)爆破數(shù)值模擬，得出了在一定水深，一定冰厚，一定炸藥量情況下，爆破最佳效果的炸藥埋置深度，為實(shí)際破冰防凌提供有力參考。如在水深70cm，1.2kg裝藥量，冰厚30cm時(shí)，裝藥深度為冰下30cm時(shí)效果最佳。

三、破冰器材設(shè)計(jì)研發(fā)[4]

項(xiàng)目組研發(fā)了適用于不同冰凌災(zāi)害的專用破冰器材，包括聚能隨進(jìn)破冰器和火箭聚能破冰器，其示意圖如圖3、圖4所示.

聚能隨進(jìn)破冰器能迅速設(shè)置在冰蓋、冰塞、冰壩上，利用爆炸能量快速消除冰蓋膨脹作用、摧毀冰塞、冰壩的專用爆破器材，將傳統(tǒng)人工爆破方法的造孔、布藥、水下裝藥、聯(lián)線起爆等工序合并為一道工序；火箭聚能破冰器具有機(jī)動(dòng)快速、高效安全、可靠、省力、廉價(jià)、危害小、后患少、攜帶方便的特點(diǎn)，能夠快速、安全、高效地破除冰塞及冰壩，達(dá)到破冰排凌之目的，對(duì)于較大尺寸流凌，可以提前摧毀。

四、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2012年3月，由華北水利水電大學(xué)與工程兵總參三所組成破冰試驗(yàn)小組及相關(guān)研究人員到達(dá)內(nèi)蒙古包頭市蹬口河段，對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)破冰器材的效果進(jìn)行了試驗(yàn)。

聚能隨進(jìn)破冰器的延時(shí)起爆裝置延時(shí)時(shí)間250 ms，2發(fā)聚能隨進(jìn)破冰器爆炸后破碎冰層直徑分別為10.5 m×9.2 m（水深2.2 m）和9.7m×9.6 m（水深1.8 m），測(cè)量冰層厚度約為700 mm，破冰效果如圖5所示。

單發(fā)火箭聚能破冰器共進(jìn)行了3組試驗(yàn)，每組1發(fā)，發(fā)射架的發(fā)射仰角分別為55°、60°、65°。3發(fā)火箭聚能破冰器均落于預(yù)定區(qū)域，并可靠爆炸，其彈著點(diǎn)距離發(fā)射點(diǎn)距離分別為505 m、438 m和366 m，在冰層中的破碎直徑分別為8.2 m×7.2 m、8.2 m×7.7 m和8.0 m×7.3 m，破冰效果如圖6所示。

試驗(yàn)表明，冰下爆破能量利用率幾近100%，可實(shí)現(xiàn)水下高效爆炸導(dǎo)致大面積的冰體破碎致裂，其冰體破碎機(jī)理為水中爆破沖擊波造成的冰體壓彎折裂破碎。主裝藥在5kg到8kg的TNT集團(tuán)裝藥在水下一定深度爆炸可炸出直徑不小于7 m的破碎冰洞。多個(gè)按7 m間距呈陣列布置的TNT集團(tuán)裝藥可一次性開設(shè)一定寬度和長(zhǎng)度的破碎帶。

五、結(jié)語(yǔ)

（一）各種爆破器材在破冰過程中，冰體材料被炸得非常粉碎，這說明冰體材料的抗拉（抗折裂）強(qiáng)度低，器材破冰效果好，同時(shí)均具有價(jià)格低廉、性能優(yōu)越的特點(diǎn)。

（二）聚能射流破冰器材爆破后，彈坑上半部分形成漏斗型，下半部分形成反向漏斗型，中間孔徑窄，呈瓶頸型。這種瓶頸型彈坑的形成是由于聚能射流爆破沖擊波而引起，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)爆破現(xiàn)象是一致的。而呈瓶頸型彈坑的下半部分形成反向漏斗，是由爆炸沖切形成的，有時(shí)爆炸沖切形成的反向漏斗口徑更大，這一點(diǎn)說明傳統(tǒng)的斷裂力學(xué)中所提出的“水不可壓縮”基本假定是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

（三）兩種破冰器爆破效果好，操作簡(jiǎn)單，機(jī)動(dòng)靈活，價(jià)格低，能有效預(yù)防和控制冰凌災(zāi)害現(xiàn)象。

（四）冰下水中爆破能量利用率高，且規(guī)?；嚵斜票葐吸c(diǎn)爆破效果好很多。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭潁奎. 流冰碰撞下橋墩破壞有限元仿真分析研究[D].華北水利水電大學(xué)，2011.

[2]劉東常，盂聞遠(yuǎn)，謝巍等. 黃河冰塞冰壩防治研究新思路[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（2）：1-4.

[3]胡俊強(qiáng).冰凌爆破的陣列優(yōu)化[D].華北水利水電大學(xué)，2013.

[4]華北水利水電學(xué)院，總參工程兵科研三所.防凌減災(zāi)爆破試驗(yàn)分析報(bào)告[R].鄭州：華北水利水電學(xué)院，2010.

作者介紹：

郭潁奎（1986-），男，河南漯河人，助教，碩士，華北水利水電大學(xué)，主要從事土木工程、防凌減災(zāi)方面的研究。

基金項(xiàng)目：水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201201080）