城市地下綜合管廊常規武器內爆效應仿真分析

湯曉瑜 瞿興文

(1.來賓市人民防空工程質量監督站, 廣西 來賓 546100； 2.廣西人防設計研究院，廣西 南寧 530000)

1 概述

城市地下綜合管廊是支撐城市運行的重要生命線和關鍵基礎設施。到2020年，我國將建成一批具有國際先進水平的地下綜合管廊并投入運營。到那時，城市地下綜合管廊連同其納入的地下管線，將真正意義上融入城市賴以生存和發展的生命線體系[1]。但是，正因為綜合管廊同時綜合了多種地下生命線，導致其功能也相應增加，使得綜合管廊在平時和戰時的安全性變得尤為重要。

現代戰爭一般通過襲擊破壞和摧毀敵方生命線體系等目標，給敵方居民生活和作戰行動、聯絡、補給與保障等造成困難，剝奪敵方賴以繼續進行戰爭的能力，進而奪取戰爭的勝利[2]。因此，作為城市運轉的重要樞紐，城市生命線在戰爭期間一旦遭到破壞，可能導致城市運行癱瘓，且某些生命線體系破壞還會產生次生災害，造成難以估計的財產損失。因而，綜合管廊作為城市地下生命線系統的基本組成部分，關乎城市運行命脈以及戰后的恢復和發展，關乎國家戰爭潛力的激發，對其展開落實防護要求的防護工作，是城市重要經濟目標綜合防護體系的重要內容。因此，本文針對綜合管廊遭受未來戰爭常規武器打擊情境，對綜合管廊常規武器內爆效應進行分析[3,4]，為綜合管廊防護單元和抗爆單元劃分提供依據。

2 常規武器爆炸沖擊波空氣傳播效應

Brode公式得到：

(1)

國防工程設計規范中的公式：

(2)

Henrych公式：

(3)

caдoьcкнй公式：

(4)

以上公式是針對球形TNT裝藥在無限空氣介質中的爆炸情況，當傳播距離大于裝藥特征尺寸時，在無限空氣介質中可按照上式進行計算。

在本研究中，為了取最不利情況，以綜合管廊遭受一枚戰斧巡航導彈直接命中內爆為情境進行分析，導彈內裝454 kg高爆炸藥。轉換為等效TNT，Ge=601 kg，TNT密度為1 630 kg/m3，TNT半徑為0.45 m。

空氣沖擊波對各種目標和殺傷作用的超壓值，可通過試驗得到，峰值壓力對各種建筑物和設施破壞的程度描述如表1,圖1所示。

表1 峰值壓力對建筑物和設施的破壞程度

如圖1，表1所示，454 kg高爆炸藥爆炸后，在無限空氣介質中，距離爆心50 m處已僅存能夠導致玻璃安裝物破壞的沖擊波峰值壓力0.02 MPa。

3 綜合管廊內常規武器爆炸沖擊效應仿真

在實際綜合管廊內，武器內爆情況與無限空氣中傳播并不完全相同。因而對武器在綜合管廊內爆毀傷情況進行模擬仿真，以得到武器管廊內爆毀傷情況[6]，為抗爆單元劃分提供依據。考慮到網格和計算效率的影響，選用一維計算結果并映射到二維模型中，模型為平面對稱模型。

同時由于沖擊波在管廊模型邊界處會發生發射，所以在模型的邊界處添加流出邊界Flow-Out，使得沖擊波傳播到模型的邊界處能夠流出，而不是反射。對于混凝土采用拉格朗日網格，炸藥和空氣采用歐拉網格，使用流固耦合接觸。仿真場景如圖2,圖3所示。

4 仿真結論與建議

本研究中以綜合管廊遭受一枚戰斧巡航導彈直接命中內爆為情境進行分析，導彈內裝454 kg高爆炸藥。轉換為等效TNT，Ge=601 kg，TNT密度為1 630 kg/m3，TNT半徑為0.45 m，采用ANSYS軟件進行仿真，仿真結果如圖4～圖6所示。

如圖4～圖7所示，454 kg高爆炸藥的戰斧巡航導彈在管廊內爆炸，對爆心處混凝土損傷嚴重。從縱斷面上來看，至爆心左右70 m處，主要沖擊波的傳播已趨近于0，但是在某些部位仍可出現高應力集中區，有可能造成纜線和管道毀傷。因而結合無限空氣傳播情境，一枚常規武器內爆對管廊及其內部設備破壞范圍區間長度應為100 m～140 m左右。結合防火門設置，管廊防護單元或抗爆單元長度200 m，對管廊內爆進行防護較為適宜。