裝藥對防波堤爆破毀傷效果影響的數值模擬研究

Numerical Simulation of the Effects of Charging on the Blasting Damage Outcomes of Breakwater

ZHONG Mingshou，XIE Xingbo，MAO Wensheng， ZHANG Lei， YANG Guili，MA Huayuan College of Field Engineering，Army Engineering University of PLA （Jiangsu Nanjing， 210007）

[ABSTRACT]Acombination of experimentsandnumerical simulations was used to investigatethe damage of breakwaters built with rock pilesunderdiferent chargesand burialdepths.Theresearchresults indicatethat increasing the charge amount and burial depth can enhance the blasting damage on breakwaters. When the charge amount is 1kg ，the diameter of the explosion pit，thedepthof the explosionpit，and thediameterof thecrack zone increaseby1.11，O.41times and0.95 times respectively withaburied depth of 10cmcompared to those without burial depth.The diameterof theexplosion pit， thedepth of heexplosion pit，andthediameterofthecrack zone increase by2.O8，2.18 timesand1.97times respectively withaburied depth of2Ocmcompared tothose without burial depth.Whenthe burieddepthof thechargeis 2O cm，the diameteroftheexplosion pit，thedepthof the explosion pit，and thediameterof thecrack zone increase byO.57，0.28 times ad O.21 times respectively with a charge amount of2kgcompared to those with a charge amountof1kg.The diameterof theexplosion pit，thedepth oftheexplosionpit，andthediameterofthecrack zone increasedbyO.63，0.35 times and O.51 times respectively with a charge amount of 3kg compared to those with a charge amount of1 kg. It can provide references for practical blasting engineering and military operations.

[KEYWORDS]powder charge；breakwater；smoothed partide hydrodynamics（SPH）；throwing outcome；blasting damage

0 引言

防波堤是為了保護海岸線和港口免受海浪的影響而建造的結構，可能會阻礙海軍艦艇進入某些區域。隨著現代戰爭的發展，特別是在海戰和兩棲攻擊中，防波堤的毀傷破壞可以在軍事行動中發揮戰略作用。通過破壞或摧毀敵方防波堤，我方軍事力量可以通過敵方的防線，使軍事力量從海上過渡到陸地，完成登陸戰，并對地方建筑設備進行打擊。故軍事行動中，對防波堤毀傷的必要性可以作為海戰和兩棲攻擊的關鍵因素，使軍事力量能夠實現目標，并獲得對敵人的決定性優勢。因此，裝藥對防波堤的爆破毀傷作用具有重要的研究意義。

巖石在爆破載荷等高速沖擊作用下，通常會出現損傷、破碎、失效、裂紋等現象，這類問題主要涉及流體力學、計算力學、損傷力學等專業學科[1-2]。近幾十年來，國內外學者從理論研究[34]、試驗[5]和數值模擬[6-8]等方面對巖石建筑工程的爆破毀傷問題進行了大量的研究。

劉陽等[9]采用數值模擬的方法對不同角度掏槽孔條件下的巖石爆破進行研究。結果表明，掏槽孔與自由面斜交時，會造成內部巖石的壓縮損傷，最終形成有效的爆破槽腔，在炮孔遠端形成少量的裂紋與拉伸損傷。陳一曦等[1°采用平滑粒子流體動力學算法（SPH）-有限元建模（FEM）耦合算法研究了在平行掏槽孔內的延期時間對巖石毀傷效果的影響。結果表明，分段延時起爆對爆破毀傷效果的影響顯著。王衛華等[1]運用LS-DYNA軟件進行數值模擬仿真，探究了雙孔爆破時裝藥間距對爆破毀傷效果和巖石有效損傷率的影響。劉一帆等[12采用LS-DYNA軟件建立數值模型，研究了不同節理長度對巖石裂紋萌生和擴展的影響，并分析了地應力的作用機理。范勇等[13]采用理論、試驗與數值模擬相結合的方法，研究了巖石爆破破壞范圍變化以及破碎塊度的分布規律。劉杰等[14]對混凝土重力壩進行了頂部侵徹爆炸毀傷的數值模擬研究。研究發現，較大炸藥當量時，壩頂毀傷形態呈現多面爆破漏斗狀，爆炸應力波和爆炸氣體會造成大壩部分坍塌，并形成相互貫通的爆坑。謝興博等[15]采用Johnson-Cook（JC）和Riedel-Hiermaier-Thoma（RHT）模型，對聚能裝藥侵徹混凝土基座的毀傷效應進行了數值仿真研究，發現不同侵徹方式對混凝土的毀傷效果不同。錢明淵等[16]對大斷面超深溜井爆破進行了仿真分析，研究發現，最小抵抗線為 0.9～1.0m 輔助孔距為 0.94～1.07m 時，輔助孔之間裂縫基本貫通，可有效保障巖石破碎均勻。

目前，國內外學者對巖石在爆炸載荷作用下的毀傷作用進行了大量研究。但對于影響爆破毀傷效果的主要因素的分析研究較少，包括裝藥量和裝藥埋深。這些不足限制了對于防波堤爆破毀傷規律的探究。

本文中，將試驗與數值模擬相結合，對典型巖石堆砌的防波堤結構在爆炸載荷作用下的毀傷效果進行研究。首先，建立防波堤三維仿真模型，并進行數值模擬計算，將仿真計算結果與試驗數據進行相對誤差分析，確定仿真參數的準確性；分析不同裝藥量、不同裝藥埋深對爆破漏斗形成的影響，巖石損傷程度的演化規律；以及防波堤巖石粒子在爆炸沖擊波作用下的拋擲規律。可以為實際爆破工程和軍事作戰提供參考。

1防波堤模型構建及準確性驗證

1. 1 防波堤模型構建

運用SolidWorks三維建模軟件進行模型構建。為節約計算成本和提高計算效率，沿垂直于斷面方向進行1/2建模，如圖1所示。模型分為堤心石和塊石兩部分，運用SolidWorks軟件裝配體模塊對模型進行裝配，組成防波堤模型。防波堤模型尺寸如圖1（c）所示，斷面上、下邊長分別為 2.0m 和4.0m ，高度為 2.0m ，長度為 2.5m 。

1.2 網格劃分

將SolidWorks軟件導出的裝配體Step格式文件導入HyperMesh軟件中，并進行網格劃分。網格選用六面體實體網格，考慮計算準確性與計算效率，防波堤模型網格尺寸設為 3cm ，并在Ls-PrePost軟件中進行SPH粒子的生成和模擬計算，防波堤模型網格如圖2所示。

1.3 材料參數選取

仿真模型共包含3種材料，分別為TNT、堤心石和塊石，采用 cm-g-μs 單位制。

TNT采用的是 * Mat_High_Explosive_Burn 材料模型，用JWL狀態方程描述：

式中： p 是壓力； V，E 分別是相對體積和內能； A，B 、R₁、R₂、ω 為JWL狀態方程參數。

TNT 模型參數[17]見表1。

塊石采用 * Mat_Johnson_Holmquist_Concrete材料模型進行描述，模型參數[18]見表2。表2中： G 為剪切模量； p_c 為單軸抗壓強度； T 為靜水抗拉強度；A，B，N，S_max 為極限面參數； C 為應變率參數； U_c 為開裂體應變。

堤心石采用 * Mat_Johnson_Holmquist_Concrete材料模型進行描述。模型參數[18]見表3。

1.4 模型準確性驗證

為進行防波堤仿真模型準確性驗證，開展全尺寸防波堤爆破毀傷試驗。選擇在某環山試驗場地進行試驗。澆筑全尺寸防波堤模型，進行裝藥對防波堤的毀傷爆炸試驗，如圖1（d）所示。防波堤試驗工況設置如下：防波堤高度為 2m ，斷面為等腰梯形，上底邊為 2m ，下底邊為 4m ，防波堤長度為 5m 。在防波堤側面中心位置設置集團藥包，藥量 1kg ，進行接觸爆炸。爆炸后，防波堤表面形成明顯爆坑，對爆坑尺寸進行測量，測量結果見表4。

模擬爆炸對防波堤的毀傷作用，將模擬結果與試驗結果進行對比，以驗證數值模擬結果準確性。防波堤模型與炸藥布設示意情況如圖3所示。

防波堤仿真模型計算結果如圖4＼～圖6所示。圖4展示了防波堤側面裝藥引爆時石塊的拋擲效果與損傷區域剖面圖，防波堤粉碎區直徑為 0.48m 裂紋區直徑為 0.96m ，裂紋區深度為 0.59m 。圖5和圖6為數值模擬結果與試驗結果中損傷區域尺寸的對比情況，相對誤差在 20% 以內，見表4。可見所用材料模型參數合理，故可用此參數進行后續模型的仿真計算。

1.5 計算工況選取

設置5種不同的計算工況，如表5所示。通過設置裝藥埋深為 0，10，20cm ，以及設置裝藥量為1，2，3kg ，探究裝藥量、裝藥埋深對爆破毀傷作用的影響。

2 數值模擬計算結果分析

2.1 防波堤巖石拋擲過程

圖7給出了爆炸作用下防波堤拋擲損傷的演化過程。圖7中，顏色由藍到紅，代表損傷程度由淺到深；紅色代表完全損傷，即粉碎性損傷。工況 1^#～5^# 分別為頂部中心 1kg 裝藥、埋深 10cm 的 1kg 裝藥、埋深 20cm 的 1kg 裝藥、埋深 20cm 的 2kg 裝藥、埋深 20cm 的 3kg 裝藥。損傷范圍大致形成時間分別為 1947?1697?1646?1145μs 與 1899μs ，范圍主要集中于防波堤上方的塊石區域。從圖7可以看出，內部炸藥埋深較大時損傷區域明顯增大，破壞區域由放置炸藥下方的一小塊區域擴展到防波堤塊石的整個上方區域，巖石拋擲效果更為明顯。增加炸藥藥量，防波堤塊石上方左、右兩側邊緣處均有粉碎性損傷區域， 2kg 藥量的爆坑較 1kg 更大，致使有大范圍的石塊向外拋擲。

2.2 防波堤巖石粒子運動

2.2.1 巖石粒子速度

為探究爆炸沖擊波作用下防波堤破碎石塊的拋擲規律，在模擬計算結果中提取緊靠爆炸中心石塊區域單元的速度時程曲線。速度隨時間的增加呈現先升、后降的趨勢

如圖8所示，裝藥量為 1kg 時，設置裝藥埋深分別為 0，10，20cm ，峰值速度分別為183、391、632m/s 。總體來看，隨著裝藥埋深的增加，巖石粒子峰值速度呈上升趨勢。裝藥埋深由 0cm 增加到10cm ，峰值速度增加 114% ；裝藥埋深由 0cm 增加到 20cm ，峰值速度增加 245% 。由此可得，可通過增加裝藥埋深來提高巖石粒子的峰值速度。

如圖9所示，當裝藥埋深為 20cm 時，設置裝藥量分別為 1，2，3kg ，峰值速度分別為632、789、823m/s 。總體來看，隨著裝藥量的增加，巖石粒子的峰值速度呈上升趨勢。裝藥量由 1kg 增加到2kg ，峰值速度增加 24.8% ;裝藥量從 1kg 增加到3kg ，峰值速度增加 30.2% 。由此可得，可通過增加裝藥量有效提高巖石粒子的峰值速度。

2.2.2 巖石粒子位移

圖10為炸藥起爆后 6000μs 內，石塊目標單元的位移-時間曲線。裝藥量為 1kg 時，設置裝藥埋深為 0，10，20cm ，巖石粒子的峰值位移分別為3.6、5.5，8.9cm 。總體來看，裝藥量相同時，隨著裝藥埋深的增加，巖石粒子的峰值位移呈增加趨勢。裝藥埋深由 0cm 增加到 10cm 時，巖石粒子位移增大52.7% ；裝藥埋深由 0cm 增加到 20cm 時，巖石粒子位移增大 147.2% 。由此可得，增加裝藥埋深可以有效增加峰值位移。

圖11為裝藥埋深為 20cm 時，裝藥量分別為1、2，3kg 時的巖石粒子位移-時間曲線。總體來看，裝藥埋深相同時，隨著裝藥量的增加，巖石粒子的峰值位移呈增加趨勢。裝藥量為 1kg 時，峰值位移為8.9cm ;裝藥量為 2kg 時，峰值位移為 18.0cm ；裝藥量為 3kg 時，峰值位移為 23.5cm 。裝藥量由1kg 增加到 2kg 時，峰值位移增加 102% ；裝藥量由1kg 增加到 3kg 時，峰值位移增加 164% 。由此可得，增加裝藥量可以有效增加峰值位移。此外，對比裝藥埋深和裝藥量對位移變化的影響可得，增加裝藥量可以更有效地增加巖石粒子的峰值位移。

2.3 防波堤爆破毀傷效果

由爆炸沖擊波的作用可以由此得出防波堤毀傷效果的剖面圖與俯視圖，如圖12＼～圖13所示。測量得出爆坑的直徑與深度、裂紋區直徑，如表6＼～表7所示。

裝藥量為 1kg 時，設置裝藥埋深分別為0、10、20cm 。由圖12和表6可知：埋深 10cm 比無埋深的爆坑直徑、爆坑深度與裂紋區直徑分別增加了1.11，0.41，0.95 倍；埋深 20cm 比無埋深的爆坑直徑、爆坑深度與裂紋區直徑分別增加了2.08、2.18、1.97倍。

裝藥埋深為 20cm 時，設置裝藥量分別為1、2、3kg 。由圖13和表7可知：設置裝藥量 2kg 比裝藥量 1kg 的爆坑直徑、爆坑深度與裂紋區直徑分別增加了0.57、0.28、0.21倍；設置裝藥量 3kg 比裝藥量 1kg 的爆坑直徑、爆坑深度與裂紋區直徑分別增加了0.63、0.35、0.51倍。

3結論

通過對比分析不同裝藥量和裝藥埋深對防波堤毀傷的影響，得到以下結論：

1）裝藥量為 1kg 時，裝藥埋深由 0cm 增加到10cm ，峰值速度增加 114% ；裝藥埋深由 0cm 增加到 20cm ，峰值速度增加 245% 。裝藥埋深為 20cm 時，裝藥量由 1kg 增加到 2kg ，峰值位移增加102% ；裝藥量由 1kg 增加到 3kg ，峰值位移增加164% 。

2）裝藥量 1kg 時，埋深 10cm 比無埋深的爆坑直徑、爆坑深度與裂紋區直徑分別增加了1.11、0.41、0.95倍;埋深 20cm 比無埋深的爆坑直徑、爆坑深度與裂紋區直徑分別增加了2.08、2.18、1.97倍。裝藥埋深 20cm 時，裝藥量 2kg 比裝藥 1kg 的爆坑直徑、爆坑深度與裂紋區直徑分別增加了0.57、0.28、0.21倍;裝藥量 3kg 比裝藥量 1kg 的爆坑直徑、爆坑深度與裂紋區直徑分別增加了0.63、0.35、0.51倍。

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