聚能切割在水庫放空應急搶險中的應用*

曹 昂，趙 根，黎衛(wèi)超，姚二雷

(長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010)

近年來聚能爆破在軍工、航空航天、搶險救災和民用領域有著廣泛的應用，很多人對此進行過相應研究[1]。聚能切割的研究主要集中在射流和穿透深度方面，1952年Pugh等人研究了射流形成過程的準定常理論，即PER理論，Chou P C研究了射流的形成、射流飛行過程中的不穩(wěn)定性和射流對靶板的侵蝕作用等[2]。Lampson M L研究了藥形罩壓垮過程中壓垮速度沿藥形罩壁厚方向的變化及對射流形成的影響，F(xiàn)rankel研究了粘性對拉伸射流不穩(wěn)定的影響[3]。謝興博借助ANSYS/LS-DYNA程序[4],對線型聚能切割器在水下切割鋼板的性能進行了數(shù)值模擬研究,并通過試驗對數(shù)值模擬仿真結(jié)果進行了驗證。寧強等運用流體動力學原理[5]，研究了斜入射沖擊波和藥形罩不對稱兩個主要因素對射流的影響程度。同時，聚能切割技術在國內(nèi)外已有眾多成功案例。南非Jet Demolition Ltd利用聚能切割器成功拆除了多種大型鋼結(jié)構(gòu)建筑物，1992年美國利用線型聚能裝藥拆除了Tallawarra發(fā)電站的設備[6]。美國Dykon公司應用聚能爆破切割技術成功拆除了一座煉油廠的鋼結(jié)構(gòu)反應塔[7]。呂小師克服地壓和水壓的影響將聚能爆破切割技術應用于煤礦凍結(jié)管處理[8]。林加劍等為切割拆除某橋梁鋼索[9]，開展了線性聚能切割器切割鋼索的數(shù)值模擬和對比試驗研究。遼寧工程科技大學使用聚能切割器拆除了清河門大橋[10]。西安中國兵器工業(yè)所對勝利油田的海上油井進行了水下爆破切割等[11]。聚能爆破憑借其切割效率高、操作簡便等優(yōu)勢成為近年來切割鋼結(jié)構(gòu)的最優(yōu)選擇[12]。同時，爆破切割所用藥量小、安全性高、不會對附近的建(構(gòu))筑物造成破壞影響。

湖北省某水庫由于導流洞放空鋼管暗桿楔式閘閥出現(xiàn)故障，無法正常開啟，而一旦遭遇大汛，水庫水位如不能通過放空管得到及時降低，將會出現(xiàn)水庫高水位運行、漫頂，甚至潰壩的危險。為趕在汛前消除此安全隱患，需對該閘閥進行搶修，但前提是必須將水庫放空。經(jīng)科學論證和現(xiàn)場勘查，決定采用聚能爆破技術對放空鋼管進行切割，實現(xiàn)水庫放空。

1 工程概況

水庫電站工程樞紐主要由混凝土面板堆石壩、左岸溢洪道、左岸導流洞、左岸引水系統(tǒng)、岸邊地面廠房及開敞式升壓站等組成。本次需處理的放空鋼管位于左岸導流洞內(nèi)。

當時水庫水位1107 m，發(fā)電洞進口水位1094 m，放空洞進口高程1058 m，放空鋼管中心高程約1057 m。放空鋼管直徑1.0 m，管壁厚度14 mm，閘閥距離混凝土堵頭約3.27 m(圖1)。

圖 1 放空鋼管及暗桿楔式閘閥結(jié)構(gòu)布置圖(單位：mm)Fig. 1 Vent steel pipe and dark rod wedge gate valve structure layout drawing(unit:mm)

2 切割方案選擇

根據(jù)暗桿楔式閘閥、放空鋼管的基礎數(shù)據(jù)及周圍環(huán)境，擬定了對放空鋼管進行環(huán)形整體切割(以下簡稱方案a)及對放空鋼管進行側(cè)面局部開孔(以下簡稱方案b)兩種方案，如圖2所示。

圖 2 兩種方案線型聚能切割索敷設示意圖Fig. 2 Schematic diagram of two linear shaped charge cutting

方案(a)易于敷設線型聚能切割索，可實現(xiàn)完全切斷，但切口斷面略有縮小，放空鋼管有效長度將減少約500 mm，暗桿楔式閘閥整體落地可能產(chǎn)生損壞，亦可能被高速水流沖走；方案(b)敷設線型聚能切割索相對困難，當開口過小時，四個角接觸的位置易受到爆轟波相互干擾的影響，減弱四個角的切割效果(切割深度小)，但該方案對暗桿楔式閘閥影響較小，后期可對放空鋼管的切口進行焊接修補后繼續(xù)使用，同時不會減少放空鋼管的有效長度。因此，為避免造成暗桿楔式閘閥的損壞或被高速水流沖走，設計采用對放空鋼管進行側(cè)面局部開孔的方案(b)。

為確保線型聚能切割索穩(wěn)定爆轟，減弱四個角接觸點受爆轟波相互干擾的影響，同時考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及過流的要求，在放空鋼管一側(cè)開矩形孔，開口尺寸軸向長度為500 mm，環(huán)向為311 mm(1/10圓弧)。為避免爆破對暗桿楔式閘閥造成破壞，同時盡量保留放空鋼管的有效長度，將線型聚能切割索敷設在距離閘閥連接處2 m的位置，如圖3所示。

圖 3 線型聚能切割索敷設位置示意圖(單位：mm)Fig. 3 Schematic diagram of the laying position of the linear shaped cutting cable(unit:mm)

3 數(shù)值模擬和切割試驗

3.1 聚能切割索材料和幾何形狀

聚能切割索由炸藥、藥型罩組成。炸藥是聚能切割的動力來源，為提髙切割能力，應選擇高爆轟壓力的烈性炸藥，同時盡量提高裝藥密度以增強聚能效果，故切割索選用R852炸藥，裝藥密度為1.73 g/cm3時炸藥爆速為8390 m/s；藥形罩要求材料密度大、塑性好且在形成射流過程中不氣化[13]，較常用的藥型罩材料為紫銅合金和鉛銻合金，此次藥型罩選擇鉛銻合金，外部壁厚2 mm，射流部位壁厚1.5 mm，藥形罩夾角設計為90°；切割索橫截面尺寸為30 mm×25 mm，如圖4所示。

圖 4 線型聚能切割索截面示意圖(單位：mm)Fig. 4 Schematic diagram of cross-section of linear shaped charge cutting(unit：mm)

3.2 模型選擇

根據(jù)線性聚能切割的特點，數(shù)值模型由炸藥、藥型罩、空氣域和鋼板四部分組成，其中炸藥、藥型罩和空氣域三種材料采用Euler網(wǎng)格建模，單元使用多物質(zhì)ALE算法；鋼板采用Lagrange網(wǎng)格建模，藥型罩、空氣域和鋼板間采用流固耦合算法。建模時各結(jié)構(gòu)參數(shù)參照圖4，數(shù)值模擬中涉及到的材料本構(gòu)模型及狀態(tài)方程見表1，數(shù)值模擬中炸藥的計算參數(shù)見表2。

表1 材料本構(gòu)模型及狀態(tài)方程Table 1 The constitutive models and state equations of materials

表2 炸藥的計算參數(shù)Table 2 Explosive calculation parameters

3.3 炸高參數(shù)優(yōu)化

聚能裝藥的炸高是指聚能藥型罩底面與切割靶板間的最短距離，炸高對聚能藥包的切割威力與切割效果影響較大。金屬聚能罩在炸藥爆轟波作用下向軸線方向壓合、碰撞，隨后聚焦、延伸，產(chǎn)生高速射流，但這一過程需要一定的空間距離，如距離太小將形成不了高速射流，而距離太大則會發(fā)生射流徑向分散、擺動、間斷等現(xiàn)象，影響金屬射流的切割效果。理想的炸高曲線應具有上升迅速、下降緩慢、覆蓋面積大等特點，在其它參數(shù)不易改變的情況下，理想炸高的選擇非常重要，故采用數(shù)值模擬方法對0～30 mm炸高的切割效果進行模擬，以便選擇理想的炸高。

根據(jù)不同炸高的切割效果的模擬結(jié)果，由圖5可知，炸高Z=0時未能穿透鋼板，炸高Z=10 mm、Z=13 mm、Z=17 mm、Z=20 mm、Z=30 mm時，均能穿透鋼板。但如何評價聚能切割效果呢？數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)穿透鋼板后的射流速度存在一定差異，以穿透鋼板后的射流速度作為切割效果的評價指標。數(shù)值模擬計算得出的不同炸高在穿透鋼板后的射流速度見表3。

圖 5 不同炸高的切割效果Fig. 5 Cutting effect under different explosion heights

表3 不同炸高穿透鋼板后的射流速度Table 3 Jet velocity after penetration with different blasting heights

由表3可知，炸高在13 mm、17 mm時，穿透鋼板后的射流速度相對較高，說明該結(jié)構(gòu)尺寸的聚能切割素的最佳炸高范圍為13～17 mm，綜合其他因素，實際施工時炸高選擇為13 mm。

3.4 聚能切割模擬試驗

為保證工程現(xiàn)場的爆破切割效果，在爆破之前模擬實際情況進行了爆破試驗?；诟咚^壓力鋼管切割爆破，提出了無水條件下適當增加鋼板厚度進行聚能藥包切割模擬試驗方案。

根據(jù)實際鋼管需切割的開口尺寸，試驗用的線型聚能切割索的結(jié)構(gòu)尺寸與實際使用的一致，進行了16 mm厚鋼板切割爆破試驗，起爆后順利將鋼板切透，切口規(guī)整，具體試驗情況如圖6所示。

圖 6 線型聚能切割索敷設情況及炸后效果Fig. 6 Laying situation of the linear shaped charge cutting and cutting effect after blasting

4 現(xiàn)場施工

根據(jù)數(shù)值模擬和試驗成果，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，切割器由4根切割索組成長500 mm、寬313 mm的矩形框，每根切割索的橫截面尺寸為30 mm×25 mm，切割索裝藥選用R852炸藥，炸藥密度為1.73 g/cm3，藥型罩為鉛銻合金，外部壁厚2 mm，射流部分壁厚1.5 mm，90°夾角，炸高設為13 mm。切割器外周長為162.2 cm，線裝藥量為380 g/m，單個切割器的炸藥量為616.4 g。為保證切割器結(jié)構(gòu)的精確度，與炸藥生產(chǎn)廠商合作，采用3D打印技術加工線性聚能切割索。

為保證切割的可靠性，在切割索上共設置6個起爆點。由于矩形切割器兩側(cè)爆轟波在直角處可能存在相互干擾，影響射流形成，為保證設計切口的成型效果，兩側(cè)炸藥需同時起爆，而此次切割索選擇的炸藥爆速高，傳爆速度快，6個起爆點的起爆時間誤差需控制在極小的范圍內(nèi)，目前高精度雷管甚至電子雷管的起爆誤差均不能達到要求，所以采用6根等長的導爆索進行起爆。

為確保聚能切割索的炸高和現(xiàn)場安裝方便，實際使用的爆破器材包括：(1)切割裝置一組，包含內(nèi)嵌切割索(含4根切割索組成矩形框)及塑料矩形框體外殼(與放空管結(jié)合一側(cè)含粘膠)，塑料外殼上預留6個圓孔以便導爆索插入并激發(fā)切割索；(2)傳爆導爆索一束(含6根等長導爆索)，每根導爆索的一端將固定于切割裝置，用于傳遞能量并同時激發(fā)框體內(nèi)的4根切割索。導爆索經(jīng)雷管激發(fā)后同時傳遞于切割索，最終實現(xiàn)所有切割索同時起爆。切割器安裝示意圖見圖7。

圖 7 切割器安裝示意圖Fig. 7 Cutter installation diagram

切割作業(yè)前首先對放空鋼管敷設線型聚能切割索部位進行清理，沿放空鋼管開口部位周長方向清理出寬度為5 cm的矩形框，以確保切割索裝置能夠順利安裝到位?？紤]到塑料外殼貼合面處粘膠有可能不足以提供可靠粘結(jié)，設置三道鋼絲環(huán)箍將塑料外殼固定于放空管表面，并增設沙袋、木支撐以防脫落，實際現(xiàn)場安裝如圖8所示。

圖 8 現(xiàn)場爆破器材安裝Fig. 8 On-site blasting equipment installation

為防止切口形成后，高速水流對導流洞洞壁產(chǎn)生沖刷破壞，在與放空鋼管開口對應的放空洞側(cè)壁上植入錨桿并焊接厚度為8 mm鋼板，同時鋼管底部采用沙袋充填。

在爆破8 d后，隧洞內(nèi)水流減小，滿足入內(nèi)查看的條件。爆破后鋼管切口整齊，矩形切口形狀、大小與設計一致，暗楔式閘閥未見損壞，對混凝土堵頭、隧道等周圍結(jié)構(gòu)物沒有影響，實際爆后效果如圖9所示。

圖 9 聚能切割后的鋼管切口Fig. 9 Steel pipe incision after shaped energy cutting

5 結(jié)論

通過聚能切割效果的數(shù)值模擬和聚能切割器在實際工程中的成功應用，可得出以下結(jié)論：

(1)聚能切割技術可用于類似應急搶險、除險的鋼管爆破切割工程中，可達到安全、快速、可控的目的。

(2)采用數(shù)值模擬方法，以穿透鋼板后的射流速度作為聚能切割效果的評價指標，可對聚能切割器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。

(3)為保證矩形切割器的切割效果，應采用等長導爆索多點起爆，線裝藥密度為380 g/m的聚能結(jié)構(gòu)切割器可成功切割壁厚14～16 mm的鋼管。