CC BY
159
УДК 614.84:614.0.06
МЕТОДИКА РАСЧЕТА КОНТАКТНЫХ СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ЗАРЯДОВ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА НА ЗАТОРООПАСНЫХ УЧАСТКАХ РЕК
С. С. Раднер
Представлены результаты теоретического и экспериментального исследования по изучению действия взрыва в ледяном покрове с целью восполнения имеющихся пробелов в теории и практике ледокольных взрывных работ. На основе анализа существующих методов исследования различных процессов и явлений, а также применения вычислительной техники разработана методика расчета контактных сосредоточенных зарядов конденсированных взрывчатых веществ для разрушения ледяного покрова на затороопасных участках рек. Выработаны практические рекомендации по разрушению ледяного покрова контактными сосредоточенными зарядами взрывчатых веществ.
Ключевые слова: затороопасные участки, ледокольные взрывные работы, контактные сосредоточенные заряды взрывчатых веществ.
Среди всех природных чрезвычайных ситуаций наиболее повторяемыми и разрушительными являются наводнения. Особенно опасны наводнения, представляющие сочетание паводковых вод с ледоходом, образованием заторов, которые, в свою очередь, вызывают затопление территорий.
Результаты исследований показывают, что все применяемые и рассматриваемые в настоящее время способы борьбы с заторами имеют низкую эффективность, кроме взрывных работ по предварительному рыхлению ледяного покрова в комплексе противозаторных мероприятий на реках. В то же время расчеты на проведение взрывных работ ведутся по эмпирическим зависимостям, не учитывающим реальное состояние физико-механических свойств различных типов льдов, а для расчета контактных сосредоточенных зарядов взрывчатых веществ при разрушении ледяного покрова применяются математические зависимости и табличные данные, принятые для грунтов [1].
Члены коллектива молодых ученых и специалистов МЧС России Академии гражданской защиты МЧС России организовали проведение теоретического и экспериментального исследования по изучению действия взрыва в ледяном покрове с целью восполнения имеющихся пробелов в теории и практике ледокольных взрывных работ.
Раднер Сергей Сергеевич, преп. кафедры тактики и общевоенных дисциплин,
Академия гражданской защиты МЧС России; Россия, Московская обл, г. Химки, e-mail: radner_sergey@list.ru
© Раднер С. С., 2013
На основе анализа существующих методов исследования различных процессов и явлений, а также применения вычислительной техники разработана методика расчета контактных сосредоточенных зарядов конденсированных взрывчатых веществ для разрушения ледяного покрова на затороопасных участках рек. Для достижения поставленной цели нами была выработана структурно-логическая схема исследования, представленная на рис. 1.
Задачами исследования являлись:
1) определение массы сосредоточенного контактного заряда, необходимого для разрушения ледяного покрова заданной толщины и площади;
2) определение вариантов размещения сосредоточенных зарядов в ледяном покрове, обеспечивающих максимальную площадь его разрушения.
Поставленные задачи решались в ходе теоретического и экспериментального исследований. Результаты исследований явились исходными данными для определения массы контактных сосредоточенных зарядов конденсированных взрывчатых веществ и вариантов их размещения, обеспечивающих максимальную площадь разрушения ледяного покрова на затороопасном участке.
На основании оценки эффективности разрушения ледяного покрова взрывами контактных сосредоточенных зарядов обоснованы и разработаны практические рекомендации по их использованию при проведении превентивных мероприятий.
Методика предназначена для расчета массы контактных сосредоточенных зарядов конденсированных взрывчатых веществ для разрушения ледяного покрова на затороопасных участках рек в весенний период для предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций, связанных с заторными явлениями.
Методика разработана с учетом физикомеханических свойств льда (типа, температуры, прочностных характеристик, плотности); удельного расхода взрывчатых веществ для разрушения ледяного покрова, зависящего от типа льда и его физико-механических свойств; глубины заложения зарядов (линии наименьшего сопротивления); задан-
ной площади разрушения ледяного покрова; коэффициента однородности на гарантированное разрушение льда; коэффициента энергетического подобия для различных конденсированных взрывчатых веществ; влияния короткозамедленного взрывания на ихтиофауну.
Постановка задач исследования
Разработка методики расчета контактных сосредоточенных зарядов конденсированных взрывчатых веществ для разрушения ледяного покрова на затороопасных участках рек
Проведение теоретических исследований
Математическое моделирование взрыва контактного сосредоточенного заряда в ледяном покрове
Определение оптимальной глубины заложения зарядов в лед и удельного расхода взрывчатого вещества в зависимости от физико-механических свойств льда
Проведение экспериментальных исследований
Проведение натурного эксперимента по определению прочностных характеристик льда
Проведение натурного эксперимента по разрушению ледяного покрова взрывом контактных сосредоточенных зарядов конденсированных взрывчатых веществ
Обработка результатов экспериментальных исследований
Вывод расчетной зависимости для определения массы заряда; определение показателя действия взрыва; определение удельного расхода взрывчатых веществ
Определение условий и вариантов размещения зарядов взрывчатых веществ, обеспечивающих максимальную эффективность разрушения льда взрывом контактных сосредоточенных зарядов
Выработка практических рекомендаций
Рис. 1. Структурно-логическая схема исследований
Структурно методика состоит из блока исходных данных и двух расчетных блоков (определения массы зарядов и определения положения зарядов в ледяном покрове) (рис. 2). Ряд исходных данных определяется с учетом исследований, проведенных П. Н. Белоконь, Р. А. Нежиховского, Г. К. Лоттера, М. Ф. Срибного. Рассмотрим последовательность расчетов согласно представленной методике.
Средняя температура ледяного покрова определяется по эмпирическим зависимостям Г. Я. Кузуба. Нормативное сопротивление льда сжатию при его температуре от 0 до -5 0С опреде-
ляется по графикам (рис. 3) или зависимостям (табл. 1), разработанными, на основе данных
Н. В. Черепанова.
После нахождения нормативного сопротивления льда сжатию определяется предел прочности льда на сжатие:
= № &
(1)
где ас — предел прочности среды на сжатие, Па; кро — коэффициент однородности на гарантированное разрушение; аяс — нормативное сопротивление льда сжатию, Па.
Исходные данные
Средняя температура воздуха при наличии снега на льду за предыдущие двое суток 42, а при отсутствии его за сутки 4;
средняя температура льда Л толщина снежного покрова hс; толщина ледяного покрова ^; тип льда преобладающий в покрове; коэффициент однородности на гарантированное разрушение льда к0;
необходимый радиус разрушения ледяного покрова гр;
глубина установки заряда от верхней поверхности ледяного покрова до центра заряда (линия наименьшего сопротивления)к;
показатель действия взрыва п;
коэффициент М, зависящий от показателя действия взрыва;
глубина водоема Нв;
тип применяемого взрывчатого вещества
Методика расчета контактных сосредоточенных зарядов конденсированных взрывчатых веществ для разрушения ледяного покрова на затороопасных участках рек
Определение удельного расхода взрывчатых веществ для разрушения льда
Определение массы сосредоточенного контактного заряда
Определение значения функции показателя действия взрыва в ледяном покрове
Определение предела прочности льда на сжатие
Определение средней температуры ледяного покрова
Определение массы зарядов для разрушения ледяного покрова на реках
Определение количества рядов зарядов взрывчатых веществ на участке рыхления льда
Определение количества зарядов взрывчатых веществ в ряду
Определение необходимого радиуса разрушения ледяного покрова одним зарядом взрывчатых веществ
Определение глубины установки зарядов взрывчатых веществ
Определение расстояния между зарядами взрывчатых веществ в ледяном покрове
Определение положения зарядов в ледяном покрове
Рис. 2. Структурно-логическая схема методики
Таблица 1
Зависимости прочности льда от его температуры
Типы льдов пресных водоемов по классификации Н. В. Черепанова Зависимость прочности льда на сжатие от его температуры, МПа Коэффициент однородности на гарантированное разрушение льда, к^
А1 ст“ =4/3(2,9-0,124) 1,6
А2 анс =4/3(21,5-0,164) 1,9
А3 анс =4/3(0,7-0,164) 2
А4 анс =4/3(0,2-0,224) 1,5
А5 анс =4/3(1-0,084) 1,5
А6 анс =4/3(0,6-0,044) 1,8
А7 анс =4/3(0,17-0,1464) 1,7
А8 анс =4/3(0,2-0,14) 1,6
б1
О -I----------,---------,---------,---------,--------,---------,---------,---------,--------т---------,---------,---------,--------,---------,---------,---------.--------,---------.---------,--------------т—
О -0,25 -0,5 -0,75 -1 -1,25 -1,5 -1,75 -2 -2,25 -2,5 -2,75 -3 -3,25 -3,5 -3,75 А А,25 -4,5 -4,75 -5
°С льда А1 А2 А3 А4 А5 А6 А7 А8
о 3,9 2 о,9 о,2 1,3 о,8 о,2 о,3
-о,25 3,9о5 2,о5 о,98 о,34 1,35 о,81 о,26 о,3о6
-о,5 3,94 2,1 1,о3 о,41 1,38 о,82 о,31 о,33
-о,75 3,98 2,15 1,о9 о,49 1,41 о,84 о,37 о,37
-1 4,о2 2,21 1,15 о,56 1,44 о,85 о,43 о,39
-1,25 4,об 2,27 1,19 о,63 1,47 о,87 о,47 о,44
-1,5 4,1 2,3 1,25 о,7 1,49 о,88 о,52 о,47
-1,75 4,14 2,37 1,3 о,79 1,5 о,89 о,57 о,5
-2 4,18 2,43 1,36 о,85 1,55 о,9 о,61 о,53
-2,25 4,22 2,48 1,41 о,93 1,57 о,92 о,67 о,57
-2,5 4,26 2,53 1,47 о,99 1,59 о,93 о,72 о,59
-2,75 4,3 2,59 1,52 1,1 1,63 о,95 о,76 о,64
-3 4,35 2,64 1,57 1,15 1,65 о,96 о,81 о,67
-3,25 4,39 2,69 1,63 1,23 1,68 о,97 о,87 о,7
-3,5 4,43 2,75 1,68 1,29 1,7 о,99 о,9 о,73
-3,75 4,47 2,79 1,73 1,37 1,73 1 о,96 о,77
-4 4,5 2,85 1,79 1,44 1,76 1,о1 о,99 о,79
-4,25 4,54 2,9 1,83 1,52 1,79 1,о3 1,о5 о,84
-4,5 4,59 2,96 1,89 1,59 1,81 1,о4 1,1 о,87
-4,75 4,63 3,о1 1,95 1,67 1,84 1,о5 1,15 о,9
-5 4,67 3,о6 1,99 1,73 1,87 1,о6 1,19 о,93
Рис. 3. Графики зависимости прочности льда от его температуры
Удельный расход взрывчатых веществ К для разрушения ледяного покрова рассчитывается по формуле (2) или определяется по табл. 2:
4
К = 3 лРо Я
3а
2 V
2РобоЕ у
(2)
где ро — плотность заряда взрывчатых веществ, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с2; ас — предел прочности льда на сжатие, Па; Q0 — удельная энергия взрывного превращения, Дж/кг; Е — модуль Юнга, Па.
Показатель действия взрыва п:
г
п = —, h
(3)
где гв — радиус разрушения льда (воронки выброса), м; h — линия наименьшего сопротивления, м.
Коэффициент М, зависящий от показателя действия взрыва контактного заряда п, определяется по формуле (4) или по табл. 3:
М = (п2+1)3/2
(4)
Масса контактного сосредоточенного заряда тротила Сс, кг, рассчитывается по формуле
С = КМИЪ =
' 3а/ ^
V 2Робо Е у
(П +1)2/3 нъ
(5)
где Сс — масса сферического заряда, кг; К — удельный расход взрывчатых веществ, кг/м3; М — коэффициент, зависящий от показателя действия взрыва; h — линия наименьшего сопротивления, м; р0 — плотность заряда взрывчатых веществ, кг/м3;
g — ускорение свободного падения, м/с2; ас — предел прочности льда на сжатие, Па; Q0 — удельная энергия взрывного превращения, Дж/кг; Е — модуль Юнга, Па; п — показатель действия взрыва.
Расчетная схема разрушения ледяного покрова взрывом контактного сосредоточенного заряда представлена на рис. 4.
Эффективность разрушения ледяного покрова характеризуется тремя основными показателями:
достигнутым результатом (площадь разрушения от взрыва серии зарядов, установленных в ледяном покрове), стоимостью зарядов в одной серии и уменьшением негативного действия взрыва на ихтиофауну.
Названные показатели являются частными критериями эффективности разрушения ледяного покрова взрывом.
Таблица 2
Удельный расход взрывчатых веществ для разрушения ледяного покрова, учитывающий коэффициент на гарантированное разрушение, кг/м3
°С льда А1 А2 А3 А4 А5 А6 А7 А8
G 2,G41 G,97G G,316 G,G22 G,357 G,226 G,G26 G,G44
-G,25 2,G45 1,GG7 G,359 G,G48 G,377 G,231 G,G38 G,G45
-G,5 2,G73 1,G44 G,387 G,G63 G,39G G,236 G,G5G G,G5G
-G,75 2,1G4 1,G81 G,421 G,83 G,4G2 G,243 G,65 G,G6G
-1 2,136 1,127 G,457 G,1G1 G,416 G,248 G,G82 G,G65
-1,25 2,168 1,173 G,481 G,12G G,429 G,257 G,G94 G,G77
-1,5 2,2GG 1,196 G,518 G, 141 G,438 G,261 G,1G9 G,G85
-1,75 2,232 1,251 G,549 G,169 G,442 G,266 G,125 G,G94
-2 2,265 1,3GG G,587 G,189 G,464 G,27G G,138 G,1G2
-2,25 2,297 1,339 G,62G G,216 G,473 G,279 G,159 G,114
-2,5 2,33G 1,38G G,66G G,237 G,482 G,284 G,177 G,12G
-2,75 2,363 1,43G G,694 G,278 G,5GG G,293 G,192 G,136
-3 2,4G4 1,471 G,729 G,297 G,5G9 G,297 G,212 G,145
-3,25 2,438 1,513 G,771 G,328 G,524 G,3G2 G,236 G,155
-3,5 2,471 1,564 G,8G6 G,352 G,533 G,311 G,249 G,165
-3,75 2,5G4 1,598 G,843 G,386 G,547 G,316 G,273 G,179
-4 2,53G 1,65G G,887 G,416 G,562 G,321 G,286 G,186
-4,25 2,564 1,694 G,917 G,451 G,576 G,33G G,312 G,2G4
-4,5 2,6G6 1,746 G,962 G,482 G,586 G,335 G,335 G,215
-4,75 2,64G 1,791 1,GG8 G,519 G,6GG G,34G G,358 G,226
-5 2,674 1,836 1,G4G G,547 G,615 G,345 G,377 G,237
Таблица 3
Значения функции показателя действия взрыва для разрушения ледяного покрова
п М = f (n) п М = f (n) п М = f (n)
G 1 G,7G 1,818777 1,4G 5,G92577
G,G5 1,GG3752 G,75 1,953125 1,45 5,464717
G,1G 1,G15G37 G,8G 2,1GG225 1,5G 5,859G21
G,15 1,G33939 G,85 2,26G679 1,55 6,2762G6
G,2G 1,G6G596 G,9G 2,4351G6 1,6G 6,716995
G,25 1,G952 G,95 2,62414 1,65 7,18211
G,3G 1,137993 1,GG 2,828427 1,7G 7,672279
G,35 1,189267 1,G5 3,G48625 1,75 8,188231
G,4G 1,249358 1,1G 3,2854G1 1,8G 8,73G694
G,45 1,318644 1,15 3,539432 1,85 9,3GG4G3
G,5G 1,397542 1,2G 3,8114G2 1,9G 9,898G9
G,55 1,4865G6 1,25 4,1G2GG1 1,95 1G,52449
G,6G 1,586G19 1,3G 4,411928 2,GG 11,18G34
G,65 1,696596 1,35 4,741884
Наиболее распространенным методом преобразования подобных многокритериальных задач в однокритериальные задачи, является метод главного (основного) критерия.
Сущность этого метода заключается в выборе одного критерия, К1, который объявляется главным (основным), при условии, что значения остальных критериев К, должны быть не меньше некоторых установленных величин Ь,:
КЭ = max K (и),
и eU , (6)
Ki (и bi,
где и eU — множество допустимых стратегий выполнения метода разрушения ледяного покрова взрывом; Ki (u) > bi — исследуемая стратегия.
воздух гв
Рис. 4. Расчетная схема параметров взрыва контактного сосредоточенного заряда при разрушения ледяного покрова на затороопасном участке реки (внутренний заряд):
Ил — толщина ледяного покрова; Ис — толщина снежного покрова;
Ие — глубина водоема; СС — масса сосредоточенного заряда;
Го — радиус сосредоточенного заряда; И — линия наименьшего сопротивления; йе — диаметр воронки выброса; г — расстояния от центра сосредоточенного заряда до точки наблюдения В\;
И — глубина заложения заряда в ледяной покров; И2 — глубина воронки выброса;
Гзр — радиус зоны разрушения ледяного покрова; ДРф — избыточное давление на фронте воздушной ударной волны; Ос — прочность ледяного покрова на сжатие; рж — плотность льда; сж — скорость звука в ледяном покрове; и — средняя температура ледяного покрова; — средняя температура воздуха;
ре — плотность воды; се — скорость звука в воде;
1 — сосредоточенный заряд; 2 — воронка выброса; 3 — направление выброса льда; В, В1 — точки наблюдения
В случае оценки эффективности разрушения ледяного покрова взрывом таким критерием будет площадь разрушения от взрыва одной серии зарядов. Из двух оставшихся критериев — стоимость зарядов в серии и уменьшение негативного действия взрыва на ихтиофауну — главным будет стоимость зарядов, так как это значение во многом определяет приоритеты выбора способа ведения взрывных работ и воздействия взрыва на ихтиофауну соответственно.
Принятый нами критерий К1 в качестве основного и назначение пороговых величин Ь, для остальных критериев фактически означает, что все стратегии разбиваются на два класса. К одному относятся стратегии, которые удовлетворяют всем т - 1 ограничениям К, (и) > Ь,. Такие стратегии называются приемлемыми.
К другому классу относятся стратегии, которые не удовлетворяют хотя бы одному из т - 1 неравенств. Наконец, среди приемлемых стратегий предпочтительнее считается та, для которой значение критерия К1 больше.
Главной целью разрушения ледяного покрова взрывом является максимальное увеличение площади разрушения льда. Степень разрушения ледяного покрова взрывом может быть оценена посредством коэффициента удельной площади разрушения взрывчатыми материалами SУp , м2/кг.
Следующим наиболее важным показателем эффективности является стоимость зарядов, которая может быть оценена посредством коэффициента удельной стоимости зарядов на единицу площади разрушения Зу, руб/м2. Уменьшение
негативного действия взрыва на ихтиофауну может быть оценено с помощью коэффициента удельной массы сосредоточенного заряда на величину избыточного давления на фронте взрывной ударной волны S1u, кг/МПа.
Данные расчетов критериев эффективности разрушения ледяного покрова сведены в табл. 4. На их основании построен график оценки эффективности разрушения ледяного покрова взрывом
Расчетные значения
одиночного подводного заряда (точка 1) и серией контактных сосредоточенных зарядов (точка 2) (рис. 5). Как видим, точка 2 является оценкой наиболее эффективной стратегии выполнения разрушения ледяного покрова взрывом. На гистограмме (рис. 6) представлены соотношения критериев эффективности исследуемых способов ведения взрывных работ.
Таблица 4
эффективности
№ п /п Площадь разрушения льда взрывом, м2 Масса зарядов, кг Удельный расход ВМ, кг/м3 Критерии эффективности
Sp,, м2/кг ЗУ, руб./м2 Sy Sdu , кг/МПа
Подводный одиночный сосредоточенный заряд
і і59 Зі 0,і50 5,і 3 0,і3
Серия сосредоточенных контактных зарядов
2 і59 6,2 0,і24 25,7 2,4 0,0042
Рис. 5. График оценки эффективности разрушения ледяного покрова
Рис. 6. Сравнение критериев эффективности исследуемых зарядов
Проведенный анализ критериев эффективности позволяет сделать вывод, что применение серий контактных сосредоточенных зарядов взрывчатых веществ по сравнению со взрывом одиночных подводных сосредоточенных зарядов при разрушении ледяного покрова одинаковой площади позволит уменьшить негативное воздействие взрыва на ихтиофауну до 97 % и снизить расходы на взрывчатые вещества до 20 % [2, 3].
На основе экспериментальных и теоретических исследований выработаны практические рекомендации по разрушению ледяного покрова контактными сосредоточенными зарядами взрывчатых веществ.
Практическими рекомендациями определены:
- место проведения взрывных работ;
- порядок сбора данных инженерной разведки и обработки информации;
- параметры взрыва контактного сосредоточенного заряда, обеспечивающие разрушение ледяного покрова заданной площади;
- требования, предъявляемые к размещению зарядов и их инициированию.
Разработанная методика и рекомендации по ее использованию могут найти практическое применение:
1) при проведении превентивных мероприятий по разрушению ледяного покрова для защиты зданий, сооружений и населения, а также повышения безопасности конструкций мостов и других гидротехнических сооружений в период ледохода;
2) предупреждении заторообразований вследствие заклинивания русла реки ледяными полями в местах промерзания воды до основания русла, образования ледяных пятр (ледяных островов), наледей (сплошных ледяных дамб) и т. д.;
3) подготовке специалистов взрывного дела в учебных заведениях МЧС России.
Библиографический список
1. Разрушение ледяного покрова рек для предупреждения заторов: заключит. отчёт о НИР. — Химки: АГЗ МЧС России, 2010. — 250 с.
2. Разрушение ледяного покрова на реках сосредоточенными контактными зарядами конденсированных взрывчатых веществ: заключит. отчёт о НИР. — Химки: ФГОУ ВПО АГЗ МЧС России, 2011. — 320 с.
3. Обоснование методов эффективного разрушения ледяного покрова рек на затороопасных участках: заключит. отчёт о НИР) — Химки: ФГБОУ ВПО АГЗ МЧС России, 2012. — 300 с.
References
1. Razrushenie ledyanogo pokrova rek dlya preduprezhdeniya zatorov: zaklyuchit. otchyot o NIR. — Ximki: AGZ MChS Rossii, 2010. — 250 s.
2. Razrushenie ledyanogo pokrova na rekax sosredotochennymi kontaktnymi zaryadami konden-sirovannyx vzryvchatyx veshhestv: zaklyuchit. otchyot o NIR. — Ximki: FGOU VPO AGZ MChS Rossii, 2011. — 320 s.
3. Obosnovanie metodov e'ffektivnogo razrusheniya ledyanogo pokrova rek na zatoroopasnyx uchastkax: zaklyuchit. otchyot o NIR) — Ximki: FgbOu VPO AGZ MChS Rossii, 2012. — 300 s.
METHOD OF CALCULATION OF CONTACT CONCENTRATED CHARGES OF CONDENSED EXPLOSIVES FOR THE DECAY OF THE ICE COVER ON RIVERS-HAZARDOUS AREAS
Radner S. S.,
Lecturer,
Civil Defence Academy EMERCOM of Russia; Russia, Khimki, e-mail: radner_sergey@list.ru
Presents the results of theoretical and experimental studies of effects of the explosion in the ice cover in order to bridge the existing gaps in the theory and practice of the ice blasting. Based on the analysis of existing methods of research of various processes and phenomena, as well as the application of computational techniques developed a methodology of calculation of contact concentrated charges of condensed explosives for the decay of the ice cover-hazardous areas of the rivers. Developed practical recommendations on the destruction of the ice cover contact concentrated charges of explosives.
Keywords: rivers-hazardous areas, icebreaking blasting, contact concentrated charges of explosive substances.
