水下炮孔爆破水中冲击波传播特性

摘要

当前资源已成为制约人类发展的三大因素之一，而在陆地资源日趋减少的形势下，世界各国纷纷把目光投向海洋、湖泊、港湾等水下可利用资源。水下爆破技术是开采水下资源和水下施工的一个重要手段，水下爆破技术二战前主要用于军事目的以及零星的水下炸礁工程逐渐扩展到民用行业，如航道疏浚，海港开发，河口、港口整治，沉船解体，交通和水电工程建设，以及科学研究试验等方面。随着安全环保意识增强和钻孔机械设备的改进，水下炮孔爆破逐渐取代水中爆炸和水下裸露爆破成为水下爆破的主要施工方法。水下炮孔爆破的炸药埋藏在岩石或水工结构中，炸药爆炸时的能量分布、冲击波的传播特性以及边界条件的影响都与炸药直接在水介质中爆炸产生的水中冲击波特性有所不同。 文章在探讨水中爆炸的基本理论和水中爆炸产生的水中冲击波传播特性及衰减规律的基础上，采用数值模拟方法，对水下炮孔爆破在单自由面、两个自由面的情况下，炸药在岩石中爆炸后产生的应力冲击波在水介质中的传播特性和衰减规律问题展开研究，并取得了以下研究成果： 1）对一个炮孔在单自由面、水介质堵塞时炸药产生的水中冲击波进行数值计算发现，炮孔附近的水中冲击波压力峰值是动水运动和气泡脉动的压力的叠加，动水运动和气泡脉动的影响主要是垂直向上；远离爆源时，由孔口局部炸药产生的水中直达波成为水中冲击波的主导波，水中直达波以孔口中心为球心向四周传播。在距炮孔轴线11m后的水中冲击波衰减规律与现场试验数据所回归的衰减规律比较吻合。在其它因素不变的情况下，将不同水深时水中冲击波传播的衰减规律相比较，随着水深的增加，水中冲击波压力峰值在竖直方向上衰减变得更快；而水平方向上，水中冲击波压力峰值在爆源附近区域衰减变快；距炮孔轴线11m后，水深使得水中冲击波衰减变慢，水中冲击波的影响范围变大。 2）在两个自由面的水下台阶爆破，水中冲击波的产生机理与单自由面时有所不同。通过对水下台阶爆破最小抵抗线方向、平行台阶坡顶线方向和垂直水底三个方向的水中冲击波传播特性的研究，结果表明：水下台阶爆破的水中冲击波的压力由炮孔中所有药量来决定的，水中冲击波压力在垂直水底方向衰减最快，其次是平行于坡顶线方向，最小抵抗线方向的衰减是最慢的。在其它影响因素不变的情况下，水深5m、10m、15m时水深变化对水中冲击波的传播特性和衰减规律基本没有影响。 3）堰内充水爆破拆除围堰时，混凝土围堰内侧中的水平炮孔爆炸产生的水中冲击波有方向性的，炮孔轴线上的水中冲击波压力最大，随着测点偏离炮孔轴线，水中冲击波压力逐渐变小。水中冲击波压力峰值在炮孔轴线上衰减比垂直于炮孔轴线向上衰减慢。某水利工程碾压混凝土围堰爆破拆除的水中冲击波实测数据和水中冲击波波形，验证了围堰水平炮孔产生的水中冲击波具有方向性，炮孔轴线方向上的水中冲击波强度最大，偏离炮孔轴线，水中冲击波压力逐渐衰减。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1问题的提出

1.2国内外研究现状

1.2.1水下爆炸的理论研究

1.2.2水下爆炸的实验研究

1.2.3水下爆炸的数值计算研究现状

1.3目前研究存在的不足

1.4研究的内容与方法

第2章 水中冲击波理论

2.1水中冲击波基本理论

2.1.1流体动力学基本方程

2.1.2相似定律

2.1.3水中冲击波参数

2.1.4水中冲击波的基本方程

2.2水中冲击波的基本传播理论

2.2.1 Kirkwood-Bethe理论

2.2.2 Penney-Dasgupta理论

2.2.3 Kirkwood-Brinkley理论

第3章 单自由面水中冲击波传播特性

3.1.ANSYS／LS-DYNA程序及计算参数控制

3.1.1 ANSYS／LS-DYNA程序介绍

3.1.2流固耦合算法

3.1.3流固耦合控制方程

3.1.4材料计算模型

3.1.5无反射边界条件

3.2单自由面爆破水中冲击波特征

3.3计算模型

3.4计算参数

3.5计算结果

3.5.1水深4m时水中冲击波传播特性

3.5.2水深8m时水中冲击波传播特性

3.5.3水深12m时水中冲击波传播特性

3.6不同水深计算结果的比较

3.6.1孔口轴线方向的计算结果比较

3.6.2水平方向的计算结果比较

3.7本章小结

第4章 水下台阶爆破水中冲击波传播特性

4.1计算模型

4.2计算结果

4.2.1水深5m时水中冲击波传播特性

4.2.2水深10m时水中冲击波传播特性

4.2.3水深15m时水中冲击波传播特性

4.3本章小结

第5章 围堰拆除爆破水中冲击波传播特性

5.1计算模型

5.2计算参数

5.3计算结果分析

5.3.1炮孔轴线水平传播特性

5.3.2孔口上方5m、平行于炮孔轴线的传播特性

5.3.3围堰前1m垂直向上的传播特性

5.3.4围堰前5m垂直向上的传播特性

5.3.5平行与垂直炮孔轴线方向的水中冲击波特性

5.4围堰拆除爆破水中冲击波的监测结果

5.4.1工程概述

5.4.2监测设备

5.4.3测点布置

5.4.4监测结果

5.5本章小结

第6章结论与展望

6.1结论

6.2主要创新点

6.3论文中的不足与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致 谢