基于LS-DYNA的水下鉆孔爆破研究

周泰安，曾良，唐春海，陳宏濤，程貴海， 王爽，蘇宇，張文龍

(1.廣西大學，廣西 南寧 530004；2.廣西工業(yè)設(shè)計研究院有限公司， 廣西 南寧 530022)

0 引言

1962年7月，水利部門聯(lián)合部隊在山西長治漳澤水庫應(yīng)急搶險過程中，首次采用了水下爆破拆除技術(shù)，從此拉開了我國水下爆破技術(shù)發(fā)展的序幕[1]。現(xiàn)今，國家對于航運事業(yè)的發(fā)展日趨重視，開始著重建設(shè)和發(fā)展水道，因而水下爆破的應(yīng)用在港口碼頭建設(shè)、航道疏浚等工程中越來越廣泛。目前，水下鉆孔爆破是水下工程爆破運用最多的方法。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和各類軟件的不斷涌現(xiàn)，數(shù)值模擬分析在工程中的應(yīng)用愈發(fā)成熟，為水下爆破的研究提供了新的研發(fā)平臺。LS-DYNA作為國內(nèi)外比較成功的非線性動力分析軟件，擁有健全的材料模型和求解算法，能清晰地模擬出爆破動態(tài)全過程，如胡冬冬等[2]對水下鉆孔爆破進行數(shù)值模擬，得出對于不耦合裝藥結(jié)構(gòu)的爆破效果水介質(zhì)優(yōu)于空氣介質(zhì)，且前者能量利用率高于后者，同時通過模擬對比得出了水下鉆孔爆破的最優(yōu)裝藥結(jié)構(gòu)；孫西濛等[3]對巖石爆破過程進行模擬，分析得出了爆破時的畸變能云圖以及孔徑、孔深對爆破效果的影響；郭強[4]對巖石陸地爆破和水下爆破的單耗關(guān)系的推導(dǎo)以及殷秀紅[5]對水下鉆孔爆破的孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化研究均是基于LS-DYNA軟件展開研究的。本文基于LS-DYNA軟件對西江航運干線的炸礁工程進行數(shù)值模擬分析，以此判斷爆破設(shè)計的合理性，保證爆破作業(yè)的效果和安全，并將水下爆破應(yīng)力波壓力峰值數(shù)據(jù)進行非線性回歸擬合，得到不同水深下應(yīng)力波的衰減規(guī)律。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本工程屬西江航運干線（貴港至梧州二期工程）1標段K0+000—K3+245，灘點為龍圩水道，從長洲船閘航道起點至西江大橋上游，包括疏浚、炸礁工程，為龍圩水道灘險疏浚覆蓋層清挖和水下普通炸礁及水下液壓破碎。

航道內(nèi)巖石層從長洲樞紐壩下往下游逐漸由深變淺，施工土質(zhì)主要為圓礫土、卵石土，少量為中砂、礫砂；礙航礁石分布較為分散。整個炸礁區(qū)的礁石主要為中風化花崗巖，其余為風化砂巖和全風化花崗巖。

1.2 爆破方案設(shè)計

水下爆破中鉆孔布置方式為正方形，每排6個孔，炮孔間距和炮孔排距均設(shè)定為2 m，鉆孔直徑取D=110 mm，藥卷直徑為d=90 mm，鉆孔深度為2.0～4.5 m，由于工程周圍的環(huán)境復(fù)雜且在水下進 行爆破作業(yè)，所以需采用具有高精度延時、高安全性能且防水效果較好的數(shù)碼電子雷管。因爆破點至左岸的居民房較近，采用分段毫秒延時控制爆破，孔間微差時間為50 ms，排間微差時間為120 ms，每鉆好4～5排起爆一次，單孔藥量見表1。

表1 單孔藥量

2 水下爆破應(yīng)力數(shù)值分析

2.1 軟件的選取

LS-DYNA非線性顯性幾何分析軟件功能豐富，適應(yīng)性強，通常用于解決動態(tài)響應(yīng)分析，非常適合于水下鉆孔爆破模擬，可得到爆炸瞬間和爆炸之后的炸藥狀態(tài)，以及巖石在爆炸載荷作用下的整個響應(yīng)過程。結(jié)合LS-PrePost后處理軟件用于分析和顯示爆炸荷載作用范圍內(nèi)的顆粒峰值振動速度的變化和沖擊應(yīng)力的變化，是分析爆破相關(guān)變化與預(yù)測爆破效果的有力工具。所以本文選取LS-DYNA軟件進行水下鉆孔爆破數(shù)值模擬分析。

2.2 LS-DYNA算法選取

LS-DYNA為使用者提供3種單元算法，分別為拉格朗日、歐拉和 ALE算法。由于模擬爆破過程中會使材料劇烈變形，導(dǎo)致在材料中劃分的網(wǎng)格也隨之劇烈變形，使用拉格朗日算法無法正常計算，最終會終止計算程序。ALE算法和歐拉算法可以解決上述問題，從而進行流體-固體耦合的動態(tài)分析。所以在此模型中：巖石采用拉格朗日算法，炸藥與水單元均采用ALE算法。

2.3 數(shù)值模型建立與網(wǎng)格劃分

爆破是個極其復(fù)雜的過程，其爆破效果也會受各種因素的影響，但為了方便模擬，只考慮一些主要因素，而忽略一些次要因素。此次模擬做了以下取值。

（1）設(shè)置3個模型，它們的長寬均取2 m，水深均取3.5 m，炮孔直徑均為110 mm，孔深分別為1號模型2 m，2號模型3 m和3號模型4.5 m，孔底均預(yù)留0.5 m保護層；

（2）現(xiàn)場采用單孔單段的水下爆破方式，其產(chǎn)生的地震波、沖擊波主要取決于最大單段裝藥量。因此模型結(jié)合實際情況，建立單個炮孔模型。這樣既提高了計算效率，又能確保其準確性；

（3）將模型的巖體設(shè)為連續(xù)的彈塑性體，以水為堵塞介質(zhì)，且模型只考慮巖石與水的重力作用，其余因素均不考慮；

（4）數(shù)值模擬單位為cm-g-μs。模型網(wǎng)格劃分時，用SOLID164實體單元進行劃分，并定義為3個PART。PART1為水介質(zhì)，PART2為花崗巖，PART3為爆炸物。

2.4 無反射邊界條件與流固耦合設(shè)定

模型采用單個炮孔進行模擬，研究對象從無限體轉(zhuǎn)變成了有限體，減少了計算量。但其邊界節(jié)點固定，會導(dǎo)致應(yīng)力波在邊界處反射，入射波和反射波相互疊加[2]，分析出現(xiàn)偏差，所以，在建立有限的模型時，需要添加無反射邊界條件。

對于模型中炸藥、水與巖體之間的耦合問題，模型采用流固耦合方式來解決。

2.5 計算模型中材料模型及參數(shù)

模型主要用到3種材料: 花崗巖、炸藥和水。巖體的本構(gòu)模型采用*MAT_PLASTIC_KINEMA- TIC相應(yīng)材料[4]，巖石材料模型參數(shù)見表2。

表2 巖石材料參數(shù)

爆炸介質(zhì)采用炸藥燃燒材料模型*MAT_ HIGH_EXPLOSIVE_BUR，以JWL狀態(tài)方程進行描述，其材料參數(shù)見表3。JWL狀態(tài)方程的表達式為[1]：

式中，ρ為介質(zhì)壓力；參數(shù)A、B、R1、R2、ω為JWL特征參數(shù)；E0為炸藥蘊含內(nèi)能；V為相對體積。

表3 炸藥及其狀態(tài)方程參數(shù)

LS-DYNA中經(jīng)常利用*MAT_NULL材料模型模擬空氣或者水一類的流體，采用*EOS_ GRUNEISEN狀態(tài)方程模擬水體[5]：

式中，P為水體介質(zhì)壓力；E0為比內(nèi)能；ρ、ρ0為水體介質(zhì)的密度以及初始密度；c為水體介質(zhì)中的聲速；γ0、S1、S2、S3均為常數(shù)；α為對γ0的一階體積修正系數(shù)。

水材料及其狀態(tài)方程參數(shù)見表4。

表4 水材料狀態(tài)方程參數(shù)

2.6 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

LS-DYNA對模型進行計算后，采用LS-PrePost軟件對其做后處理，可以得到3種裝藥形式下的應(yīng)力時程曲線，如圖1、圖2、圖3所示。此次結(jié)果分析只針對模型邊緣單元，花崗巖動態(tài)抗拉強度取10 MPa。

圖1 1號模型及應(yīng)力時程曲線

圖2 2號模型及應(yīng)力時程曲線

為探究其爆破效果，應(yīng)著重分析模型中巖石部分最邊緣處是否能夠破壞。因此，從1號模型中選取孔底及孔口處最邊緣的單元體42341和單元體156070，同理取2號模型的單元體156191和單元體533052以及3號模型的單元體537891和單元體756272。

圖3 3號模型及應(yīng)力時程曲線

從3個模型模擬結(jié)果可以看出，單元體42341，156070，156191，533052，756272受到的最大拉應(yīng)力均大于10 MPa，僅單元體537891顯示最大拉應(yīng)力小于10 MPa，但其位于孔深最大的3號模型的孔口最邊緣處。這表明3種裝藥結(jié)構(gòu)形式下的巖體均遭到了破壞，爆破參數(shù)設(shè)計合理。

3 水下爆破應(yīng)力波數(shù)值模擬分析

3.1 應(yīng)力波壓力監(jiān)測模型

為探究不同水深條件下爆破應(yīng)力波衰減規(guī)律，建立3個不同水深的單孔爆破模型，由巖石層與水介質(zhì)層組成，巖層頂面被水層覆蓋，炮孔直徑110 mm，孔深均設(shè)置為3 m，孔底均預(yù)留0.5 m保護層。采用耦合裝藥，裝藥長度2 m，裝藥量18 kg。利用水堵塞，堵塞長度1 m。需要模擬的工況為：水深為2 m、4 m、8 m的水下單孔爆破模型。模型示意見圖4。

圖4 水下爆破應(yīng)力波監(jiān)測模型

為了研究水下爆破應(yīng)力波及其衰減規(guī)律，在巖石層表面分別取距爆源5 m、7 m、10 m、12 m、15 m、17 m、20 m的七個節(jié)點作為水下爆破應(yīng)力波的測點，各不同水深條件下的壓力時程曲線如圖5至圖7所示。

圖5 2 m水深各監(jiān)測點水下爆破應(yīng)力波壓力時程曲線

圖6 4 m水深各監(jiān)測點水下爆破應(yīng)力波壓力時程曲線

統(tǒng)計各個監(jiān)測點峰值壓力及相應(yīng)距離，見表5。 由圖5至圖7以及表5中的數(shù)據(jù)可知，距離炮孔最近的監(jiān)測點，其壓力峰值最大，隨著距離的增加，監(jiān)測點的壓力峰值呈指數(shù)衰減，在距離炮孔15 m之外監(jiān)測點的壓力峰值趨于平緩。觀察圖8就會發(fā) 現(xiàn)，水下爆破應(yīng)力波壓力峰值總體與爆心距呈指數(shù)衰減。2 m水深和4 m水深下的應(yīng)力波壓力峰值下降較快且它們的壓力峰值曲線基本一致，當水深達到8 m時應(yīng)力波壓力峰值下降較為緩慢。對比距炮孔10 m以內(nèi)的壓力峰值，8 m水深各測點壓力峰值明顯小于前兩者，表明水深對近炮孔區(qū)有削弱 作用。

圖7 8 m水深各監(jiān)測點水下爆破應(yīng)力波壓力時程曲線

圖8 各水深應(yīng)力波壓力峰值衰減曲線

3.2 水下爆破應(yīng)力波壓力峰值衰減規(guī)律

根據(jù)水中壓力峰值模擬結(jié)果，將水下爆破應(yīng)力波壓力峰值進行非線性回歸擬合處理，得出其衰減規(guī)律。

（1）2 m水深條件下回歸擬合公式為：

（2）4 m水深條件下回歸擬合公式為：

（3）8 m水深條件下回歸擬合公式為：

3種水深下的各測點壓力峰值的擬合R2都大于0.98，表明擬合效果好，擬合結(jié)果具有很好的相關(guān)性。

表5 各單元節(jié)點應(yīng)力波壓力峰值

4 結(jié)論

在鉆孔爆破完成后，采用6 m3型抓斗機挖泥船進行清渣。水下清挖出的碎石渣塊度較為均勻，高程均到達設(shè)計要求，少有超挖點，說明爆破參數(shù)設(shè)計合理，起到了良好的效果。

（1）運用 LS-DYNA 有限元軟件，建立與方案一致的爆破模型，對模擬數(shù)值進行分析，可在爆破施工前預(yù)測到爆破效果，判斷爆破設(shè)計的合理性，保證了爆破作業(yè)的效果和安全。

（2）水下爆破應(yīng)力波壓力峰值模擬中，距離炮孔最近的監(jiān)測點，其壓力峰值最大，隨著距離的增加，監(jiān)測點的壓力峰值呈指數(shù)衰減，在距離炮孔15 m之外監(jiān)測點的壓力峰值趨于平緩。

（3）將模擬監(jiān)測到的水下爆破應(yīng)力波壓力峰值數(shù)據(jù)進行非線性回歸擬合，得出各水深下的壓力峰值衰減公式，3種水深條件下的節(jié)點單元壓力峰值的擬合R2都大于0.98，擬合效果好。

（4）本文所采用的研究方法和研究成果可為類似航道項目的開發(fā)以及在整治建設(shè)中所涉及到的水下炸礁爆破作業(yè)提供一定的參考。