海拔高度對(duì)長(zhǎng)直坑道內(nèi)爆炸沖擊波傳播的影響

摘要： 為有效表征不同海拔坑道內(nèi)爆炸沖擊波的傳播特征，利用非線性顯式動(dòng)力學(xué)有限元軟件AUTODYN，研究了海拔高度對(duì)長(zhǎng)直坑道內(nèi)爆炸沖擊波傳播的影響規(guī)律，探討了高海拔環(huán)境對(duì)坑道內(nèi)沖擊波傳播的影響，基于量綱分析，建立了適用于不同海拔高度典型坑道內(nèi)沖擊波峰值超壓的計(jì)算模型，并通過數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：隨著海拔高度升高，坑道內(nèi)爆炸沖擊波波陣面?zhèn)鞑ニ俣扰c徑向的沖擊波參數(shù)偏差增大，平面波形成距離增加，沖擊波峰值超壓降低；在0～4 000 m 范圍內(nèi)，海拔高度每升高1 000 m，沖擊波沖量降低約0.91%。結(jié)合Sachs 無量綱修正方法和量綱分析，推導(dǎo)出不同海拔高度沖擊波峰值超壓的理論分析模型，模型計(jì)算結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的相對(duì)偏差不大于10%，能夠?yàn)楦吆０苇h(huán)境下坑道內(nèi)爆炸沖擊波的傳播提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 海拔高度；坑道；爆炸沖擊波；量綱分析；傳播特性

中圖分類號(hào)： O382.1 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13035 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高海拔地區(qū)的橋梁、隧道等基礎(chǔ)建設(shè)日益增多，工程實(shí)踐中常常會(huì)在有限空間內(nèi)對(duì)高海拔環(huán)境下的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行爆破作業(yè)，而炸藥在該種情況下的效果評(píng)估亟需理論指導(dǎo)[1]。沖擊波作為爆炸效果評(píng)估的重要因素[2]，其參數(shù)受到氣壓、溫度、密度等大氣參數(shù)的影響，在高海拔地區(qū)呈現(xiàn)出不同于平原的傳播特性[3]。為了更好地了解高海拔坑道內(nèi)爆炸沖擊波的傳播特性，為高海拔有限空間內(nèi)工程爆破效果評(píng)估提供理論指導(dǎo)，有必要深入研究高海拔坑道內(nèi)爆炸沖擊波的傳播規(guī)律。

與空中爆炸沖擊波形成的規(guī)則球面形狀不同，坑道內(nèi)爆炸沖擊波的形狀具有從初始三維球面波過渡為一維平面波的三段式振蕩變化過程[4-5]。近年來，坑道內(nèi)爆炸沖擊波的傳播規(guī)律引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，取得了一系列有價(jià)值的研究成果。Benselama 等[4] 和Uystepruyst 等[5] 對(duì)不同截面長(zhǎng)直坑道內(nèi)的爆炸進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，給出了用裝藥量與坑道等效直徑表征的平面波形成距離模型。楊科之等[6] 對(duì)長(zhǎng)坑道中的化爆流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，歸納出沖擊波超壓與作用時(shí)間的計(jì)算公式，并結(jié)合量綱分析得到了一般情況下的沖擊波沖量計(jì)算公式。李秀地等[7] 利用LS-DYNA 有限元軟件，基于Hopkinson 比例定律[8]建立了按一定比例縮小的全比例模型，模擬了長(zhǎng)坑道中沖擊波的傳播規(guī)律。劉晶波等[9] 根據(jù)量綱分析理論確定了影響坑道內(nèi)爆炸沖擊波峰值超壓的主要因素，擬合得到了距離爆炸中心點(diǎn)一定距離處空氣沖擊波峰值超壓的計(jì)算公式。耿振剛等[10] 利用AUTODYN 軟件建立了溫壓炸藥與TNT 坑道內(nèi)爆炸的二維軸對(duì)稱數(shù)值模型，通過TNT 爆炸實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)溫壓炸藥爆炸沖擊波在坑道內(nèi)的超壓與沖量高于空曠地面數(shù)倍。張玉磊等[11] 開展了不同裝藥量的方形坑道內(nèi)爆炸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)雖然臨近爆心區(qū)域的沖擊波峰值超壓滿足立方根比例定律，但沖量不滿足立方根比例定律。胡濤等[12] 利用AUTODYN 軟件對(duì)爆心位置與裝藥量對(duì)平面波形成位置的影響開展了數(shù)值計(jì)算研究，指出爆心到坑道口距離超過1/3 坑道直徑后平面波的形成位置不受爆心與坑道口距離的影響，平面波形成位置到爆心的比例爆距與坑道半徑相對(duì)爆心的比例爆距成對(duì)數(shù)關(guān)系。

目前，對(duì)高海拔環(huán)境下坑道內(nèi)爆炸沖擊波傳播規(guī)律的研究較少，僅見一些關(guān)于高海拔環(huán)境中空爆沖擊波傳播規(guī)律研究的報(bào)道。Izadifard 等[13] 利用AUTODYN 一維楔形模型模擬研究了高海拔低壓環(huán)境對(duì)爆炸沖擊波的影響，擬合得到了不同比例距離下海拔高度的超壓與沖量修正因子。李科斌等[14] 通過改變AUTODYN 中的空氣密度模擬了低壓環(huán)境下ANFO（ammonium nitrate/fuel oil）炸藥的空爆過程，發(fā)現(xiàn)可以用同一方程描述不同氣壓下的空爆近場(chǎng)峰值超壓。李志敏等[15] 在可調(diào)真空度的小型密閉容器中進(jìn)行了不同氣壓的爆炸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)量與爆心距不變的條件下，峰值超壓隨氣壓的降低而降低，且環(huán)境氣壓越低，沖擊波傳播越快。陳龍明等[16] 基于低壓密封罐體進(jìn)行了模擬多種海拔的爆炸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沖擊波到達(dá)時(shí)間隨氣壓的降低而減小，基于Sachs 比例因子[17] 的修正方法能夠較好地預(yù)測(cè)高海拔環(huán)境下的沖擊波參數(shù)。Wang 等[18] 在小型密閉容器中進(jìn)行了不同氣壓的爆炸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沖擊波傳播速度隨氣壓的降低而增大，爆炸氣體產(chǎn)物總量與氣壓無關(guān)。汪泉等[19] 在柱形爆炸罐內(nèi)開展了不同真空度的內(nèi)爆試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)罐體內(nèi)的真空度增加時(shí)，沖擊波超壓與比沖量均有所降低，而初始環(huán)境壓力越低，沖擊波傳播越快。李孝臣等[20] 在球形爆炸容器中開展了不同負(fù)壓和裝藥量條件下的乳化炸藥內(nèi)爆試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)環(huán)境壓力每降低20 kPa，峰值超壓平均下降8.66%，且在常壓下擬合的峰值超壓-比沖量經(jīng)驗(yàn)公式較傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式的誤差明顯降低。張廣華等[21] 在爆炸罐內(nèi)進(jìn)行了常壓和真空狀態(tài)下的爆炸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)真空條件下正對(duì)爆炸產(chǎn)物傳播方向所測(cè)的壁面反射壓峰值和準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值分別是側(cè)向的1.12 和1.67 倍，具有明顯的方向性，而常壓下所測(cè)壁面反射壓峰值和準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值分別是真空條件下的1.74 和5.17 倍。吳勇[22]在球型爆炸罐中進(jìn)行了不同真空度環(huán)境下的乳化炸藥爆炸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)乳化炸藥的超壓、沖量、正壓作用時(shí)間等空爆參數(shù)均隨真空度的升高而減小。

綜上所述，對(duì)平原環(huán)境下坑道內(nèi)部爆炸沖擊波傳播規(guī)律已有廣泛研究，關(guān)于高海拔環(huán)境下爆炸沖擊波的傳播規(guī)律也獲得了豐富的認(rèn)識(shí)。然而，針對(duì)高海拔坑道內(nèi)部環(huán)境中爆炸沖擊波傳播規(guī)律的研究工作較少，尚不足以支撐高海拔有限空間內(nèi)工程爆破的爆炸作用研究?；诖耍疚闹?，對(duì)不同海拔高度下坑道內(nèi)爆炸沖擊波傳播特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，研究海拔環(huán)境對(duì)坑道內(nèi)爆炸沖擊波傳播的影響規(guī)律，結(jié)合量綱分析建立海拔高度與沖擊波傳播的關(guān)聯(lián)模型。