论文部分内容阅读
摘要：运用ANSYS/LS-DYNA有限元程序模拟了冰体水下爆破过程，开发了一系列专用于破冰防凌的器材，对器材装药量、引信及水下埋深等指标进行了设计，成功进行了水下爆破试验，能量利用率比冰面爆破提高近20倍，实现了“快、准、大、省；机动、高效、简便”的目标，形成了一套安全、高效、低耗、系统和易操作的防凌减灾新技术，为我国北方江河冰凌灾害防治提供了有利参考。
关键词：防凌减灾；破冰器材；新技术
致灾的冰凌按其形态分为冰盖、流凌、冰塞、冰坝。目前傳统的冰凌防治技术以被动减灾为主要特征，在技术上存在着局限性，如：①从爆破技术上，冰面爆破属于无控爆破，能量利用率低；②从防灾组织上，调用部队的装备和制式弹药实施定点爆炸，需要调用时间周期，有时以误防凌时机；③从破冰器材方面，现有的爆破方法，机动性差、效率低、无成型的系列专用器材。一改传统的思路，提出了一套切实可行、方便高效的冰凌防治新技术。
一、冰的物理力学特征研究及防凌减灾新思路
（一）冰的物理力学特征
率先采用“微机伺服岩石高低温三轴试验机”进行冰样三轴压缩试验，测定不同水样、不同温度、不同加载速度情况下冰的物理力学参数，得出一些有效数据，为数值模拟提供参考依据。
冰是具有晶体结构的固态物质，其强度和变形性质具有明显的方向性。冰的强度和冰温、冰密度、含盐量等有关。
冰的力学性质主要受其分子中氢键特性的影响，在不同压力作用下会呈现出弹性、塑性及脆性状态。冰温度随着温度的降低，冰晶空间格子中的原子变位会更困难，因此冰就越坚固，冰的弹性及脆性性能也表现的更突出，反之，随着温度的升高，冰的塑性性能更加显著[1]。
（二）防凌减灾新思路[2]
为有效解决长期困扰黄河地区河流上的冰凌灾害问题，特提出变被动减灾为主动防御，变传统模式为现代技术，变军队应急抢险为军民合作专用器材预控的原则。提出应用先进的聚能随进及预控自动爆破新技术研究，以期达到以下目标：①变传统的人工爆破为常备器材随进自动爆破；②变传统的单点爆破为规模化阵列爆破；③变冰面无控爆破为冰内或冰下预控爆破；④变有破片军用弹丸爆破为无弹片民用弹丸爆破；⑤变近距离人工装药为远程自动随进爆破。
按照“预防为主”、“减灾为辅”的原则采取防凌减灾措施：①在可能形成冰塞、冰坝的区域切割破碎冰盖，让小型冰块漂流到下游，开辟流凌通道；②对可能形成冰塞、冰坝的大块流凌，预先破碎成小块流凌、避免卡塞成灾；③一旦形成冰塞、冰坝，在人员能进入的地方，根据需要布设一组聚能随进破冰器，可一次性地开设一条或多条有一定宽度的裂缝，消除冰盖的膨胀作用或开辟河道泄流通道；④人员不能进入的地方，用火箭拖带破冰器和随进型火箭破冰弹摧毁，或者乘坐气垫船靠近冰塞冰坝，采取近距离爆破措施。
理论分析上，在冰面上及冰平面内爆破施力，冰在其平面内受环向、径向力撕裂、压碎（甚至化成水），显然计算的爆破能耗较大，效率低，因此提出了冰下水中爆破的新理念，改变了传统的破冰理论分析方法中认为水体不可压缩的模式，考虑流固耦合系统的特性问题，研究冰体结构的频率及振型，考虑水中爆炸产生的冲击波、气泡和二次压力波等有关因素，达到冰体与水体波产生相互作用或共振，利用冰体材料受拉易裂的特性，实现大面积破冰。
二、冰凌爆破数值模拟[3]
通过进行冰凌爆破数值模拟，为破冰器材和破冰方案的设计提供参考依据。采用广泛用于冲击、碰撞及爆破分析等问题分析的有限元软件ANSYS/LS-DYNA，单元类型选用LS-DYNA Explicit 3D Solid 164三维实体单元，冰体采用各向同性弹性断裂模型*MAT_ISOTROPIC_ELASTIC_FAILURE，炸药采用Mat_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸药模型。
所建立的模型由冰、水和炸药三部分组成，总体模型尺寸为100 cm×100 cm×100 cm，水域尺寸为80 cm×100 cm×100 cm，冰体尺寸为20 cm×100 cm×100 cm，炸药尺寸为10 cm×10 cm×10 cm，组合炸药间距为70 cm。经过多次数值模拟研究，此种爆破情况下，炸药在冰盖下10cm处爆炸效果最佳。故数值模拟及实验都在相同条件下进行。组合冰凌爆破模型如图1所示，炸点位于图1的对角面上，如图2所示。
组合炸药在冰下10 cm处发生爆炸，产生冲击波和气泡，致使目标冰体发生破坏，冲击波起到了决定性作用，通过数值模拟，清晰的显示了冰体材料在水下非接触爆炸荷载作用下的破坏过程。
由实验结果可知，冰体迎爆面受压，背爆面受拉，整体表现为劈裂破坏。组合TNT爆破荷载加载于冰体材料以后，冰体材料表现出脆性特征，整个冰体在炸点周围完全被炸碎，未被炸碎的冰体也产生了径向及环向裂纹，受到了巨大的冲击，很容易破碎，这在黄河冰凌防灾减灾新技术的研究中具有很强的指导意义。
还进行了单点爆破数值模拟，得出了在一定水深，一定冰厚，一定炸药量情况下，爆破最佳效果的炸药埋置深度，为实际破冰防凌提供有力参考。如在水深70cm，1.2kg装药量，冰厚30cm时，装药深度为冰下30cm时效果最佳。
三、破冰器材设计研发[4]
项目组研发了适用于不同冰凌灾害的专用破冰器材，包括聚能随进破冰器和火箭聚能破冰器，其示意图如图3、图4所示.
聚能随进破冰器能迅速设置在冰盖、冰塞、冰坝上，利用爆炸能量快速消除冰盖膨胀作用、摧毁冰塞、冰坝的专用爆破器材，将传统人工爆破方法的造孔、布药、水下装药、联线起爆等工序合并为一道工序；火箭聚能破冰器具有机动快速、高效安全、可靠、省力、廉价、危害小、后患少、携带方便的特点，能够快速、安全、高效地破除冰塞及冰坝，达到破冰排凌之目的，对于较大尺寸流凌，可以提前摧毁。 四、现场试验
2012年3月，由华北水利水电大学与工程兵总参三所组成破冰试验小组及相关研究人员到达内蒙古包头市蹬口河段，对静态和动态破冰器材的效果进行了试验。
聚能随进破冰器的延时起爆装置延时时间250 ms，2發聚能随进破冰器爆炸后破碎冰层直径分别为10.5 m×9.2 m（水深2.2 m）和9.7m×9.6 m（水深1.8 m），测量冰层厚度约为700 mm，破冰效果如图5所示。
单发火箭聚能破冰器共进行了3组试验，每组1发，发射架的发射仰角分别为55°、60°、65°。3发火箭聚能破冰器均落于预定区域，并可靠爆炸，其弹着点距离发射点距离分别为505 m、438 m和366 m，在冰层中的破碎直径分别为8.2 m×7.2 m、8.2 m×7.7 m和8.0 m×7.3 m，破冰效果如图6所示。
试验表明，冰下爆破能量利用率几近100%，可实现水下高效爆炸导致大面积的冰体破碎致裂，其冰体破碎机理为水中爆破冲击波造成的冰体压弯折裂破碎。主装药在5kg到8kg的TNT集团装药在水下一定深度爆炸可炸出直径不小于7 m的破碎冰洞。多个按7 m间距呈阵列布置的TNT集团装药可一次性开设一定宽度和长度的破碎带。
五、结语
（一）各种爆破器材在破冰过程中，冰体材料被炸得非常粉碎，这说明冰体材料的抗拉（抗折裂）强度低，器材破冰效果好，同时均具有价格低廉、性能优越的特点。
（二）聚能射流破冰器材爆破后，弹坑上半部分形成漏斗型，下半部分形成反向漏斗型，中间孔径窄，呈瓶颈型。这种瓶颈型弹坑的形成是由于聚能射流爆破冲击波而引起，这一点与传统爆破现象是一致的。而呈瓶颈型弹坑的下半部分形成反向漏斗，是由爆炸冲切形成的，有时爆炸冲切形成的反向漏斗口径更大，这一点说明传统的断裂力学中所提出的“水不可压缩”基本假定是不恰当的。
（三）两种破冰器爆破效果好，操作简单，机动灵活，价格低，能有效预防和控制冰凌灾害现象。
（四）冰下水中爆破能量利用率高，且规模化阵列爆破比单点爆破效果好很多。
参考文献：
[1]郭颍奎. 流冰碰撞下桥墩破坏有限元仿真分析研究[D].华北水利水电大学，2011.
[2]刘东常，盂闻远，谢巍等. 黄河冰塞冰坝防治研究新思路[J].华北水利水电大学学报，2011（2）：1-4.
[3]胡俊强.冰凌爆破的阵列优化[D].华北水利水电大学，2013.
[4]华北水利水电学院，总参工程兵科研三所.防凌减灾爆破试验分析报告[R].郑州：华北水利水电学院，2010.
作者介绍：
郭颍奎（1986-），男，河南漯河人，助教，硕士，华北水利水电大学，主要从事土木工程、防凌减灾方面的研究。
基金项目：水利部公益性行业科研专项经费项目（201201080）
关键词：防凌减灾；破冰器材；新技术
致灾的冰凌按其形态分为冰盖、流凌、冰塞、冰坝。目前傳统的冰凌防治技术以被动减灾为主要特征，在技术上存在着局限性，如：①从爆破技术上，冰面爆破属于无控爆破，能量利用率低；②从防灾组织上，调用部队的装备和制式弹药实施定点爆炸，需要调用时间周期，有时以误防凌时机；③从破冰器材方面，现有的爆破方法，机动性差、效率低、无成型的系列专用器材。一改传统的思路，提出了一套切实可行、方便高效的冰凌防治新技术。
一、冰的物理力学特征研究及防凌减灾新思路
（一）冰的物理力学特征
率先采用“微机伺服岩石高低温三轴试验机”进行冰样三轴压缩试验，测定不同水样、不同温度、不同加载速度情况下冰的物理力学参数，得出一些有效数据，为数值模拟提供参考依据。
冰是具有晶体结构的固态物质，其强度和变形性质具有明显的方向性。冰的强度和冰温、冰密度、含盐量等有关。
冰的力学性质主要受其分子中氢键特性的影响，在不同压力作用下会呈现出弹性、塑性及脆性状态。冰温度随着温度的降低，冰晶空间格子中的原子变位会更困难，因此冰就越坚固，冰的弹性及脆性性能也表现的更突出，反之，随着温度的升高，冰的塑性性能更加显著[1]。
（二）防凌减灾新思路[2]
为有效解决长期困扰黄河地区河流上的冰凌灾害问题，特提出变被动减灾为主动防御，变传统模式为现代技术，变军队应急抢险为军民合作专用器材预控的原则。提出应用先进的聚能随进及预控自动爆破新技术研究，以期达到以下目标：①变传统的人工爆破为常备器材随进自动爆破；②变传统的单点爆破为规模化阵列爆破；③变冰面无控爆破为冰内或冰下预控爆破；④变有破片军用弹丸爆破为无弹片民用弹丸爆破；⑤变近距离人工装药为远程自动随进爆破。
按照“预防为主”、“减灾为辅”的原则采取防凌减灾措施：①在可能形成冰塞、冰坝的区域切割破碎冰盖，让小型冰块漂流到下游，开辟流凌通道；②对可能形成冰塞、冰坝的大块流凌，预先破碎成小块流凌、避免卡塞成灾；③一旦形成冰塞、冰坝，在人员能进入的地方，根据需要布设一组聚能随进破冰器，可一次性地开设一条或多条有一定宽度的裂缝，消除冰盖的膨胀作用或开辟河道泄流通道；④人员不能进入的地方，用火箭拖带破冰器和随进型火箭破冰弹摧毁，或者乘坐气垫船靠近冰塞冰坝，采取近距离爆破措施。
理论分析上，在冰面上及冰平面内爆破施力，冰在其平面内受环向、径向力撕裂、压碎（甚至化成水），显然计算的爆破能耗较大，效率低，因此提出了冰下水中爆破的新理念，改变了传统的破冰理论分析方法中认为水体不可压缩的模式，考虑流固耦合系统的特性问题，研究冰体结构的频率及振型，考虑水中爆炸产生的冲击波、气泡和二次压力波等有关因素，达到冰体与水体波产生相互作用或共振，利用冰体材料受拉易裂的特性，实现大面积破冰。
二、冰凌爆破数值模拟[3]
通过进行冰凌爆破数值模拟，为破冰器材和破冰方案的设计提供参考依据。采用广泛用于冲击、碰撞及爆破分析等问题分析的有限元软件ANSYS/LS-DYNA，单元类型选用LS-DYNA Explicit 3D Solid 164三维实体单元，冰体采用各向同性弹性断裂模型*MAT_ISOTROPIC_ELASTIC_FAILURE，炸药采用Mat_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸药模型。
所建立的模型由冰、水和炸药三部分组成，总体模型尺寸为100 cm×100 cm×100 cm，水域尺寸为80 cm×100 cm×100 cm，冰体尺寸为20 cm×100 cm×100 cm，炸药尺寸为10 cm×10 cm×10 cm，组合炸药间距为70 cm。经过多次数值模拟研究，此种爆破情况下，炸药在冰盖下10cm处爆炸效果最佳。故数值模拟及实验都在相同条件下进行。组合冰凌爆破模型如图1所示，炸点位于图1的对角面上，如图2所示。
组合炸药在冰下10 cm处发生爆炸，产生冲击波和气泡，致使目标冰体发生破坏，冲击波起到了决定性作用，通过数值模拟，清晰的显示了冰体材料在水下非接触爆炸荷载作用下的破坏过程。
由实验结果可知，冰体迎爆面受压，背爆面受拉，整体表现为劈裂破坏。组合TNT爆破荷载加载于冰体材料以后，冰体材料表现出脆性特征，整个冰体在炸点周围完全被炸碎，未被炸碎的冰体也产生了径向及环向裂纹，受到了巨大的冲击，很容易破碎，这在黄河冰凌防灾减灾新技术的研究中具有很强的指导意义。
还进行了单点爆破数值模拟，得出了在一定水深，一定冰厚，一定炸药量情况下，爆破最佳效果的炸药埋置深度，为实际破冰防凌提供有力参考。如在水深70cm，1.2kg装药量，冰厚30cm时，装药深度为冰下30cm时效果最佳。
三、破冰器材设计研发[4]
项目组研发了适用于不同冰凌灾害的专用破冰器材，包括聚能随进破冰器和火箭聚能破冰器，其示意图如图3、图4所示.
聚能随进破冰器能迅速设置在冰盖、冰塞、冰坝上，利用爆炸能量快速消除冰盖膨胀作用、摧毁冰塞、冰坝的专用爆破器材，将传统人工爆破方法的造孔、布药、水下装药、联线起爆等工序合并为一道工序；火箭聚能破冰器具有机动快速、高效安全、可靠、省力、廉价、危害小、后患少、携带方便的特点，能够快速、安全、高效地破除冰塞及冰坝，达到破冰排凌之目的，对于较大尺寸流凌，可以提前摧毁。 四、现场试验
2012年3月，由华北水利水电大学与工程兵总参三所组成破冰试验小组及相关研究人员到达内蒙古包头市蹬口河段，对静态和动态破冰器材的效果进行了试验。
聚能随进破冰器的延时起爆装置延时时间250 ms，2發聚能随进破冰器爆炸后破碎冰层直径分别为10.5 m×9.2 m（水深2.2 m）和9.7m×9.6 m（水深1.8 m），测量冰层厚度约为700 mm，破冰效果如图5所示。
单发火箭聚能破冰器共进行了3组试验，每组1发，发射架的发射仰角分别为55°、60°、65°。3发火箭聚能破冰器均落于预定区域，并可靠爆炸，其弹着点距离发射点距离分别为505 m、438 m和366 m，在冰层中的破碎直径分别为8.2 m×7.2 m、8.2 m×7.7 m和8.0 m×7.3 m，破冰效果如图6所示。
试验表明，冰下爆破能量利用率几近100%，可实现水下高效爆炸导致大面积的冰体破碎致裂，其冰体破碎机理为水中爆破冲击波造成的冰体压弯折裂破碎。主装药在5kg到8kg的TNT集团装药在水下一定深度爆炸可炸出直径不小于7 m的破碎冰洞。多个按7 m间距呈阵列布置的TNT集团装药可一次性开设一定宽度和长度的破碎带。
五、结语
（一）各种爆破器材在破冰过程中，冰体材料被炸得非常粉碎，这说明冰体材料的抗拉（抗折裂）强度低，器材破冰效果好，同时均具有价格低廉、性能优越的特点。
（二）聚能射流破冰器材爆破后，弹坑上半部分形成漏斗型，下半部分形成反向漏斗型，中间孔径窄，呈瓶颈型。这种瓶颈型弹坑的形成是由于聚能射流爆破冲击波而引起，这一点与传统爆破现象是一致的。而呈瓶颈型弹坑的下半部分形成反向漏斗，是由爆炸冲切形成的，有时爆炸冲切形成的反向漏斗口径更大，这一点说明传统的断裂力学中所提出的“水不可压缩”基本假定是不恰当的。
（三）两种破冰器爆破效果好，操作简单，机动灵活，价格低，能有效预防和控制冰凌灾害现象。
（四）冰下水中爆破能量利用率高，且规模化阵列爆破比单点爆破效果好很多。
参考文献：
[1]郭颍奎. 流冰碰撞下桥墩破坏有限元仿真分析研究[D].华北水利水电大学，2011.
[2]刘东常，盂闻远，谢巍等. 黄河冰塞冰坝防治研究新思路[J].华北水利水电大学学报，2011（2）：1-4.
[3]胡俊强.冰凌爆破的阵列优化[D].华北水利水电大学，2013.
[4]华北水利水电学院，总参工程兵科研三所.防凌减灾爆破试验分析报告[R].郑州：华北水利水电学院，2010.
作者介绍：
郭颍奎（1986-），男，河南漯河人，助教，硕士，华北水利水电大学，主要从事土木工程、防凌减灾方面的研究。
基金项目：水利部公益性行业科研专项经费项目（201201080）