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(guò)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(wú)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(guò)渡為一維平面波的三段式振蕩變化過(guò)程[4-5]。近年來(lái)，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(guò)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(kāi)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(kāi)展了數(shù)值計(jì)算研究，指出爆心到坑道口距離超過(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(wú)關(guān)。汪泉等[19] 在柱形爆炸罐內(nèi)開(kāi)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(kāi)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。基于此，本文中，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。