Nghiên cứu sự lan truyền của sóng nổ trong nước và tương tác của sóng nổ đối với chướng ngại công trình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÕNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

TÔ ĐỨC THỌ

NGHIÊN CỨU SỰ LAN TRUYỀN CỦA SÓNG NỔ TRONG
NƢỚC VÀ TƢƠNG TÁC CỦA SÓNG NỔ ĐỐI VỚI
CHƢỚNG NGẠI CÔNG TRÌNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÕNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

TÔ ĐỨC THỌ

NGHIÊN CỨU SỰ LAN TRUYỀN CỦA SÓNG NỔ TRONG
NƢỚC VÀ TƢƠNG TÁC CỦA SÓNG NỔ ĐỐI VỚI
CHƢỚNG NGẠI CÔNG TRÌNH

Chuyên ngành
Mã số

: Cơ kỹ thuật
: 62.52.01.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
1. GS.TS Vũ Đình Lợi
2. PGS.TS Đàm Trọng Thắng

Hà Nội - 2016


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chƣa từng
đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án

Tô Đức Thọ


ii

LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc đối với
GS.TS Vũ Đình Lợi và PGS.TS Đàm Trọng Thắng đã tận tình hƣớng dẫn,
giúp đỡ đã có nhiều chỉ dẫn và định hƣớng khoa học có giá trị giúp cho tác

giả hoàn thành luận án này. Tác giả trận trọng cảm ơn sự động viên, khuyến
khích và những kiến thức khoa học mà tập thể hƣớng dẫn đã chia sẻ cho tác
giả trong thời gian thực hiện luận án, giúp cho tác giả nâng cao năng lực và
phƣơng pháp nghiên cứu khoa học.
Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể Bộ môn Xây dựng công trình Quốc
phòng, Trung tâm nghiên cứu ứng dụng và kiểm định chất lƣợng công trình,
Viện Kỹ thuật Công trình Đặc biệt, Phòng sau đại học, Học viện Kỹ thuật
quân sự, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình nghiên cứu. Tác giả
xin trân trọng cảm ơn TS Lê Văn Trung (nguyên Trƣởng phòng Nổ-Vật cản,
Viện Kỹ thuật Công binh), các Giáo sƣ, Phó Giáo sƣ, cùng các nhà khoa học
và bạn bè đồng nghiệp đã cung cấp cho tác giả nhiều tài liệu quí hiếm, các
kiến thức khoa học hiện đại và nhiều lời khuyên bổ ích có giá trị.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn đối với những ngƣời thân
trong gia đình đã thông cảm, động viên và chia sẻ những khó khăn với tác giả
trong suốt thời gian làm luận án.
Tác giả

Tô Đức Thọ


iii

MỤC LỤC
Trang

Trang phụ bìa ...........................................................................................................
Lời cam đoan ...........................................................................................................

i

Lời cảm ơn ............................................................................................................... ii
Mục lục..................................................................................................................... iii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .................................................................. ix
Danh mục các bảng ................................................................................................. xiii
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ................................................................................ xvi
MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN CÔNG TÁC NỔ DƢỚI NƢỚC

6

1.1. Phân loại các dạng nổ dƣới nƣớc ................................................................... 6
1.2. Phân loại các đối tƣợng chƣớng ngại, công trình dƣới nƣớc ................... 8
1.3. Tình hình nghiên cứu về nổ dƣới nƣớc trên thế giới ............................... 9
1.3.1 Quá trình vật lý cơ học xảy ra khi nổ trong trong môi trƣờng nƣớc

10

1.3.2 Nghiên cứu các quá trình cơ học xuất hiện khi phá hủy đất đá
dƣới đáy nƣớc .................................................................................................. 13
1.3.3 Nghiên cứu tƣơng tác của sóng xung kích với chƣớng ngại
dƣới nƣớc ......................................................................................................... 18
1.3.4. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả nổ dƣới nƣớc và nghiên cứu
các giải pháp làm suy giảm sóng xung kích trong nƣớc ................................. 20
1.4. Tình hình nghiên cứu nổ dƣới nƣớc ở Việt Nam ..................................... 21
1.5. Những tồn tại và hƣớng giải quyết của nghiên cứu nổ dƣới nƣớc ........... 26
1.5.1 Tồn tại trong nghiên cứu nổ dƣới nƣớc ........................................... 26
1.5.2 Hƣớng nghiên cứu giải quyết các vấn đề tồn tại ............................. 26
1.6. Kết luận ..................................................................................................... 27
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NỔ TRONG MÔI TRƢỜNG

iv

NƢỚC VÀ TƢƠNG TÁC CỦA SÓNG NỔ VỚI CHƢỚNG NGẠI

28

2.1. Cơ sở lý thuyết truyền sóng nổ trong môi trƣờng nƣớc ........................... 28
2.1.1. Quá trình hình thành phát triển bóng khí và sóng xung kích khi
nổ dƣới nƣớc ............................................................................................................ 28
2.1.2. Qui luật về sự phát triển của bóng khí nổ trong môi trƣờng
nƣớc ................................................................................................................. 30
2.1.3. Quá trình truyền sóng xung kích trong môi trƣờng nƣớc và
các tham số trên mặt sóng xung kích trong nƣớc ............................................ 32
2.2. Ảnh hƣởng của mặt thoáng và mặt đáy đến sóng xung kích trong
môi trƣờng nƣớc .............................................................................................. 36
2.2.1. Ảnh hƣởng của mặt thoáng đến sóng xung kích .......................... 36
2.2.2. Ảnh hƣởng của mặt đáy đến sóng xung kích ............................... 38
2.3. Nghiên cứu tƣơng tác của sóng nổ với chƣớng ngại có kích thƣớc vô
hạn trong môi trƣờng nƣớc .................................................................................
42
2.3.1. Nghiên cứu, tính toán tác dụng cơ học gián tiếp của lƣợng nổ
lên chƣớng ngại đáy nƣớc ...................................................................................
43
2.3.2. Nghiên cứu tƣơng tác của sóng xung kích dƣới nƣớc tác dụng

lên chƣớng ngại khi không xem xét đến yếu tố nhiễu xạ sóng ...................... hịu
49 tải trọng t
2.4. Kết luận ............................................................................................................. 54
Chƣơng 3 NGHIÊN CỨU NHIỄU XẠ SÓNG VÀ TẢI TRỌNG DO

SÓNG XUNG KÍCH TRONG NƢỚC TÁC ĐỘNG LÊN CHƢỚNG
NGẠI

55

3.1. Tƣơng tác của sóng nổ với chƣớng ngại trong môi trƣờng nƣớc ............. 55
3.1.1. Tƣơng tác của sóng nổ với chƣớng ngại cứng bất động, kích
thƣớc hữu hạn và hình dạng bất kỳ ................................................................. 56
3.1.2. Tƣơng tác của sóng nổ với chƣớng ngại hình cầu.......................... 59
3.1.3. Tƣơng tác của sóng nổ với chƣớng ngại hình trụ dài vô hạn ......... 60


v

3.1.4. Tƣơng tác của sóng nổ với chƣớng ngại hình ellip tròn xoay ........ 62
3.2. Tƣơng tác của sóng nổ với chƣớng ngại phẳng hình nêm ....................... 64
3.2.1. Sóng nổ trƣợt trên một mặt của chƣớng ngại hình nêm ................. 64
3.2.2. Sóng nổ tƣơng tác theo phƣơng pháp tuyến đến một góc của
chƣớng ngại dạng nêm (tƣơng tác pháp tuyến một mặt) ................................. 66
3.2.3. Sóng nổ tƣơng tác theo một góc bất kỳ lên các mặt của

chƣớng ngại nêm ............................................................................................ hƣớng
67
ngại d
3.3. Tƣơng tác của sóng nổ với chƣớng ngại, công trình quân sự .................. 70
3.3.1. Tƣơng tác của sóng nổ dƣới nƣớc với góc chƣớng ngại chịu

tải trọng trực tiếp và trƣợt ................................................................................ hịu
72 tải trọng t
3.3.2. Tƣơng tác của sóng nổ dƣới nƣớc với góc chƣớng ngại chịu

tải trọng trƣợt và khuất .................................................................................... 74
3.4. Thiết lập chƣơng trình và khảo sát số về tƣơng tác sóng xung kích
phẳng trong môi trƣờng nƣớc tác dụng lên chƣớng ngại, công trình có kể
đến nhiễu xạ sóng ................................................................................................
76
3.4.1 Chƣơng trình tính .......................................................................... 76
3.4.2 Thử nghiệm số với chƣớng ngại tấm phẳng......................................... 79
3.4.3. Thử nghiệm số với chƣớng ngại có hình dạng đặc biệt ....................
92
3.5 Kết luận ......................................................................................................100
Chƣơng 4. NỔ THỰC NGHIỆM TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC BIỂN 101
4.1. Mô tả thí nghiệm......................................................................................101
4.1.1. Phân tích lựa chọn mô hình thí nghiệm ........................................101
4.1.2.Thiết bị thí nghiệm ..........................................................................104
4.1.3.Trình tự tiến hành thí nghiệm ..........................................................107


vi

4.2. Phân tích kết quả thí nghiệm ....................................................................111
4.2.1. Xác định các tham số đặc trƣng của sóng xung kích lan truyền
trong nƣớc ........................................................................................................111
4.2.2. Xác định cƣờng độ sóng phản xạ lên chƣớng ngại trong môi
trƣờng nƣớc......................................................................................................118
4.2.3. Nghiên cứu đánh giá giải pháp giảm thiểu sóng xung kích
trong nƣớc bằng việc sử dụng vật liệu đặc biệt gắn trên chƣớng ngại ............120
4.3. Phân tích, so sánh sự tƣơng tác của sóng xung kích với chƣớng ngại
từ thử nghiệm thực tế với các phƣơng pháp tính toán khác nhau ...................123
4.3.1. So sánh phƣơng pháp tính toán theo chƣơng trình
UNDEXLOAD luận án lập có xem xét đến lý thuyết nhiễu xạ với thử

nghiệm thực tế .................................................................................................123
4.3.2. So sánh phƣơng pháp tính toán theo phần mềm ANSYSAUTODYN với thử nghiệm thực tế ................................................................127
4.3.3. So sánh tổng hợp các phƣơng pháp ................................................133
4.4. Kết luận .....................................................................................................133
KẾT LUẬN .....................................................................................................135
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ...............................................139
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................141
PHỤ LỤC ........................................................................................................147


vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1. Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu

Diễn giải tên các ký hiệu

A
A0
Aj
AM
a
a0
a2
Bj
D
Dm
E
Е

f(ny)
f(t)

hệ số phản xạ
hệ số, đối với thuốc nổ amonit số 6JV bằng 66
hằng số đƣợc xác định từ nổ thí nghiệm
công riêng phá hoại
tốc độ âm trong nƣớc
tốc độ truyền sóng trong môi trƣờng thí nghiệm
tốc độ sóng dọc lan truyền trong đáy
hằng số đƣợc xác định từ nổ thí nghiệm
tốc độ sóng xung kích
đƣờng kính (bề dày) cây gỗ lớn nhất
năng lƣợng riêng
trị số năng lƣợng riêng an toàn tính toán
hàm chỉ số tác dụng nổ của lƣợng nổ dài
hàm thời gian
hàm số đặc trƣng cho sự ảnh hƣởng của chiều dài
tƣơng đối lƣợng nổ đến hiệu quả phá huỷ
hệ số phụ thuộc vào hình dạng của vật thể
tải trọng gây ra do sóng phản xạ và nhiễu xạ
tải trọng sóng tới
chiều sâu đặt lƣợng nổ trong nƣớc
chiều sâu nƣớc
xung riêng
hệ số đặc trƣng cho tiêu tốn năng lƣợng nổ để phá
hủy một đơn vị thể tích đất đá tƣơng ứng của
lƣợng nổ tập trung
hệ số phụ thuộc vào loại đất đá và thuốc nổ
hệ số ảnh hƣởng của mặt đáy

hệ số phụ thuộc vào độ bền và độ ẩm của gỗ
hệ đặc trƣng cho sự ảnh hƣởng của nƣớc
hệ số ảnh hƣởng của mặt nƣớc
hệ số xét đến ảnh hƣởng của nƣớc tƣơng ứng của
lƣợng nổ tập trung.
hệ số xét đến ảnh hƣởng của nƣớc tƣơng ứng của
lƣợng nổ dài
hệ số đặc trƣng cho tiêu tốn năng lƣợng nổ để phá

f(μ)
F0
( )
( )
H
h
i
K
k
kd
Kg
Kh
km
kn
Kny
Ky

Đơn vị

m/s
m/s

m/s
m/s
m
J/m2
J/m2

m
m
Pa.s

kg/m3


viii

rspn
r0
T1
t
uф
uth
w
w1
µ
ρ
ρ0
2

hủy một đơn vị thể tích đất đá tƣơng ứng của
lƣợng nổ dài

hệ số phụ thuộc vào hình dạng của vật thể
áp lực của riêng thành phần sóng nhiễu xạ và phản
xạ
chiều dày lớp đất đá cần phá hủy
áp suất không khí trên mặt nƣớc
áp suất trên mặt sóng xung kích
áp suất cực đại trong sóng xung kích
áp suất sóng phản xạ
áp suất ban đầu trong nƣớc
áp suất hạt trên mặt sóng xung kích
khối lƣợng lƣợng nổ
khối lƣợng thuốc nổ tính trên một mét dài
năng lƣợng riêng của chất nổ
chỉ tiêu thuốc nổ
bán kính từ tâm nổ đến điểm khảo sát
bán kính vùng nguy hiểm gây mất an toàn cho đối
tƣợng
bán kính phễu phá hủy
bán kính ranh giới, mà khi lớn hơn nó sẽ xuất hiện
sóng dãn phản xạ.
khoảng cách từ tâm lƣợng nổ đến cây gỗ xa nhất
bán kính giãn nở sản phẩm nổ
bán kính lƣợng nổ hình cầu của thuốc nổ TNT
chu kỳ dao động của bóng khí
thời gian xét
tốc độ hạt trên mặt sóng xung kích
tốc độ tới hạn phá hủy của hạt vật liệu
chiều sâu phễu phá hủy
chiều sâu chôn thuốc
hệ số hấp thụ năng lƣợng của đáy nƣớc

mật độ nƣớc
mật độ chất nổ
mật độ vật liệu đáy

ρф

mật độ hạt trên mặt sóng xung kích

τ
µ

thời gian tác dụng của sóng
hệ số phụ thuộc vào loại đất đá và thuốc nổ

Mst

Pp
P1
p
pm
ppx
p0
pф
Q
Qy
Q0
qtt
R
Rn.h
Rp

R1
r

Mst
KPa
m
Pa
Pa
Pa
Pa
Pa
Pa
kg
kg/m
J/kg
m
m
m
m
m
m
m
s
s
m/s
m/s
m
m
kg/m3
kg/m3

kg/m3
kg/m3
s


ix

λ
η1
η2


υ
( )

hệ số năng lƣợng nổ truyền vào môi trƣờng nƣớc
hệ số sử dụng năng lƣợng nổ hữu ích để phá đá
hệ số năng lƣợng nổ chuyển thành sóng xung kích
trong không khí
hằng số thời gian, phụ thuộc vào khoảng cách từ
tâm nổ đến mặt xung kích và khối lƣợng
thế năng vận tốc
hàm số kể đến ảnh hƣởng của nhiễu xạ

2. Danh mục các chữ viết tắt
PTHH
Phần tử hữu hạn
SXK
Sóng xung kích
TN

thí nghiệm
VBA
Visual Basic for Application

s


x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên các bảng
Bảng 2.1 Mật độ môi trƣờng và tốc độ lan truyền của sóng dọc.
Bảng 2.2 Các tham số phễu phá hủy
Bảng 2.3 Kết quả tính áp suất sóng tới và sóng phản xạ tác dụng lên
chƣớng ngại

Trang
40
48
53

Bảng 2.4 Giá trị lớn nhất của sóng phản xạ qua các thí nghiệm

53

Bảng 3.1 Tọa độ các điểm khảo sát

80

Bảng 3.2 Kết quả áp lực tổng hợp tại các điểm xét đối với sóng đơn

vị.
Bảng 3.3 Kết quả áp lực tổng hợp tại các điểm xét đối với sóng xung
kích có pmax= 1531 Kpa, τ= 0,0001 s.
Bảng 3.4 Tọa độ các điểm khảo sát.
Bảng 3.5 Kết quả áp lực tổng hợp tại các điểm xét đối với sóng đơn

81

81
83
84

vị.
Bảng 3.6 Kết quả áp lực tổng hợp tại các điểm xét đối với sóng xung
kích có pmax= 1531 Kpa, τ= 0,0001s.
Bảng 3.7 Tọa độ các điểm khảo sát.
Bảng 3.8 Kết quả áp lực tổng hợp tại các điểm xét đối với sóng đơn
vị.
Bảng 3.9 Kết quả áp lực tổng hợp tại các điểm xét đối với sóng xung
kích có pmax= 1531 Kpa, τ= 0,0001s.

84
87
87

87

Bảng 3.10 Phân bố áp suất ở bề mặt phía sau tấm (đến khi không còn
xuất hiện chảy bao sóng)
Bảng 3.11 Kết quả áp lực tổng hợp tại các điểm xét đối với sóng đơn

89
93


xi

vị.
Bảng 3.12 Kết quả áp lực tổng hợp tại các điểm xét đối với sóng

93

xung kích xét.
Bảng 3.13 Kết quả áp lực tổng hợp tại các điểm xét đối với sóng đơn
vị.
Bảng 3.14 Kết quả áp lực tổng hợp tại các điểm xét đối với sóng

95

95

xung kích xét.
Bảng 3.15 Kết quả áp lực tổng hợp tại các điểm xét đối với sóng đơn
vị.
Bảng 3.16 Kết quả áp lực tổng hợp tại các điểm xét đối với sóng

97

97

xung kích xét.
Bảng 4.1 Các thông số chính.
Bảng 4.2 Tổng hợp kết quả áp lực lớn nhất ở các lần thí nghiệm và
thời gian đo tƣơng ứng.
Bảng 4.3 Tốc độ truyền sóng trong nƣớc.
Bảng 4.4 Số liệu thời gian duy trì pha nén thứ nhất.
Bảng 4.5 Số liệu thời gian duy trì pha nén thứ hai.
Bảng 4.6 Tổng hợp kết quả áp lực phản xạ ở các thí nghiệm 1, 2, 3, 4
và thời gian đo tƣơng ứng.
Bảng 4.7 Đặc tính vật liệu sợi khô
Bảng 4.8 Đặc tính vật liệu keo.
Bảng 4.9 Đặc tính tẩm sợi Composite
Bảng 4.10 Giá trị lớn nhất của sóng phản xạ thu đƣợc trên đầu đo thí
nghiệm.
Bảng 4.11 Hiệu quả lớp giảm chấn.
Bảng 4.12 Kết quả và sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm hàm p 1(t)
(thí nghiệm 3)

106
111
111
112
112
118
121
121
121
122
123
126

xii

Bảng 4.13 Kết quả và sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm hàm p2(t)
(thí nghiệm 4)
Bảng 4.14 Kết quả áp suất tại các đầu đo trên bề mặt mô hình
chƣớng ngại
Bảng 4.15 Giá trị áp suất tại điểm đo giữa tấm theo thời gian

127
130
131

Bảng 4.16 Kết quả và sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm hàm sóng
p1(t)

132


xiii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Tên hình vẽ và tên đồ thị
Hình 1.1 Phân loại nổ dƣới nƣớc theo vị trí đặt lƣợng nổ
Hình 1.2 Sơ đồ dạng tác động cơ học của nổ nên nền đáy nƣớc, khi
lƣợng nổ đặt gần mặt đáy nƣớc
Hình 1.3 Lƣợng nổ đặt trong lỗ khoan dƣới nƣớc
Hình 1.4 Giải pháp giảm sức kháng của nƣớc bằng nhóm lƣợc nổ

phụ đặt trên đáy nƣớc
Hình 1.5 Giải pháp sử dụng màn khí để làm suy giảm cƣờng độ
sóng xung kích lan truyền trong nƣớc
Hình 1.6 Nổ mở luồng vào Đảo Đá Lớn 1989. Lƣợng nổ 120 tấn
TNT
Hình 1.7 Vụ nổ trong ngày khởi công xây dựng Cảng Hài Hà Quảng Ninh 2007
Hình 2.1 Biểu đồ biến thiên áp suất tại một điểm cố định trong không
gian khi mặt sóng xung kích đi qua
Hình 2.2 Ảnh chụp quá trình giãn nở bóng khí trong môi trƣờng nƣớc
Hình 2.3 Biểu đồ mô phỏng biến thiên áp suất tại một điểm cố định
trong không gian khi mặt sóng xung kích đi qua

Trang
6
14
17
20

21

25

25

29
29
29

Hình 2.4 Mối quan hệ giữa chu kỳ dao động và bán kính bóng khí

31

Hình 2.5 Sơ đồ xác định sự ảnh hƣởng của mặt thoáng

36

Hình 2.6 Biều đồ áp suất tại một điểm trong nƣớc ở gần bề mặt
thoáng

37

Hình 2.7 Sơ đồ giải thích sóng phản xạ từ đáy nƣớc

39

Hình 2.8 Biểu đồ xác định hệ số phản xạ đối với đá cứng

41

Hình 2.9 Biểu đồ xác định hệ số phản xạ đối với đất cát

42


xiv

Hình 2.10 Biểu đồ xác định hệ số phản xạ đối với đất sét

42

Hình 2.11 Mô hình lƣợng nổ dƣới nƣớc tạo phễu

43

Hình 2.12 Quy luật phân bố xung riêng lên nền

45

Hình 2.13 Biểu đồ xung riêng tác dụng lên nền đáy san hô

48

Hình 2.14 Sự phản xạ thẳng góc dƣới nƣớc.

51

Hình 2.15 Sự phản xạ nghiêng dƣới nƣớc

51

Hình 3.1 Phân tố sóng xung kích ở điểm cách xa tâm nổ

55

Hình 3.2 Sóng nổ dƣới nƣớc tƣơng tác với chƣớng ngại có hình dạng
bất kỳ

57

Hình 3.3 Tải trọng đơn vị

57

Hình 3.4 Sóng nổ dƣới nƣớc tƣơng tác với chƣớng ngại hình cầu

59

Hình 3.5 Sóng nổ tƣơng tác với chƣớng ngại hình trụ

61

Hình 3.6 Sóng nổ dƣới nƣớc tƣơng tác với chƣớng ngại hình ellip
tròn xoay
Hình 3.7 Sự nhiễu xạ của sóng nổ trƣợt dọc trên cạnh của chƣớng
ngại nêm

62

64

Hình 3.8 Sóng tới tƣơng tác theo phƣơng pháp tuyến lên góc nêm: a.
; b.
Hình 3.9 Sóng nổ tƣơng tác theo một góc bất kỳ lên các mặt của
nêm: Phản xạ lên một mặt; b. Phản xạ lên hai mặt.
Hình 3.10 Mô hình chƣớng ngại, công trình dƣới nƣớc
Hình 3.11 Sơ đồ tƣơng tác sóng nổ tác dụng lên mô hình chƣớng
ngại, công trình dƣới nƣớc.
Hình 3.12. Nhiễu xạ của sóng nổ với góc chƣớng ngại theo phƣơng
pháp tuyến (trƣờng hợp 1)
Hình 3.13 Nhiễu xạ của sóng nổ với góc chƣớng ngại theo phƣơng

66

68
71
71

72
74


xv

pháp tuyến (trƣờng hợp 2)
Hình 3.14 Sơ đồ khối thuật toán chƣơng trình tính áp suất tổng hợp
do quá trình nhiễu xạ tạo ra khi sóng tới là sóng dạng tam giác

78

Hình 3.15 Sơ đồ khối thuật toán chƣơng trình tính áp suất tổng hợp
do quá trình nhiễu xạ tạo ra khi sóng tới là sóng dạng tam giác đối

78

với các chƣớng ngại có hình dạng đặc biệt
Hình 3.16 Mô hình và các điểm khảo sát mặt trƣớc của tấm
Hình 3.17 Phân bố áp lực tổng hợp tại một số thời điểm trên tấm
phẳng

80

82

Hình 3.18 Phân bố áp lực tổng hợp tại một số điểm trên tấm phẳng

82

Hình 3.19 Mô hình và các điểm khảo sát mặt trên của tấm

83

Hình 3.20 Phân bố áp lực tại các thời điểm của bề mặt phía trên
chƣớng ngại
Hình 3.21 Phân bố áp lực tại các vị trí (điểm) ở bề mặt phía trên
chƣớng ngại

85

85

Hình 3.22 Mô hình và các điểm khảo sát mặt trên của tấm

86

Hình 3.23 Phân bố áp lực điểm trên bề mặt khuất

88

Hình 3.24 Áp suất chảy bao phía sau bề mặt tấm

90

Hình 3.25 Phân bố vùng chịu tải trọng sóng xung kích dƣới nƣớc
lên tấm bê tông
Hình 3.26 Sơ đồ bài toán và các điểm xét của trụ dài (theo thời gian)
Hình 3.27 Đồ thị phân bố áp suất đối với sóng đơn vị lên chƣớng
ngại trụ dài
Hình 3.28 Đồ thị phân bố áp suất đối với sóng ( )
(
)
lên chƣớng ngại trụ dài
Hình 3.29. Sơ đồ bài toán và các điểm xét của cầu (theo thời gian)
Hình 3.30 Đồ thị phân bố áp suất đối với sóng đơn vị lên chƣớng

91
93
94
94
95
96


xvi

ngại cầu
Hình 3.31 Đồ thị phân bố áp suất đối với sóng ( )

(

)

96

lên chƣớng ngại cầu
Hình 3.32. Sơ đồ bài toán và các điểm xét ellipsoid (theo thời gian)

97

Hình 3.33 Đồ thị phân bố áp suất đối với sóng đơn vị lên chƣớng
ngại elip tròn xoay

99

Hình 3.34 Đồ thị phân bố áp suất đối với sóng xung kích xét lên
chƣớng ngại elip tròn xoay
Hình 4.1 Mặt bằng bố trí thí nghiệm

99
102

Hình 4.2 Sơ đồ thí nghiệm 1 và 2

102

Hình 4.3 Sơ đồ thí nghiệm 3

103

Hình 4.4 Sơ đồ thí nghiệm 4

103

Hình 4.5 Sơ đồ thí nghiệm 5

103

Hình 4.6 Sơ đồ thí nghiệm 6 và 7

103

Hình 4.7 Sơ đồ thí nghiệm 8

104

Hình 4.8 Sơ đồ thí nghiệm 9 và 10

104

Hình 4.9 Máy đo động đa kênh NI SCXI-1000DC

105

Hình 4.10 Đầu đo áp lực áp điện PCB 138A01

106

Hình 4.11 Chuẩn bị tại khu vực thí nghiệm

107

Hình 4.12 Cảnh giới tại khu vực thí nghiệm

108

Hình 4.13 Đầu đo đƣợc gắn chặt vào tấm thí nghiệm đƣợc đƣa xuống
vị trí thí nghiệm

108

Hình 4.14 Thiết bị đo nối với máy tính tại hiện trƣờng thí nghiệm

109

Hình 4.15 Chuẩn bị lƣợng nổ theo yêu cầu

109

Hình 4.16 Tác giả đặt lƣợng nổ vào vị trí thí nghiệm dƣới nƣớc

110

Hình 4.17 Hình ảnh của một vụ nổ dƣới nƣớc

110

Hình 4.18 Kết quả thí nghiệm lần 1, lƣợng nổ 200g

113


xvii

Hình 4.19 Kết quả thí nghiệm lần 2, lƣợng nổ 200g

113

Hình 4.20 Kết quả thí nghiệm lần 3, lƣợng nổ 400g

113

Hình 4.21 Kết quả thí nghiệm lần 4, lƣợng nổ 400g

114

Hình 4.22 Kết quả thí nghiệm lần 5, lƣợng nổ 600g

114

Hình 4.23 Kết quả thí nghiệm lần 6, lƣợng nổ 200g

114

Hình 4.24 Kết quả thí nghiệm lần 7, lƣợng nổ 200g

115

Hình 4.25 Kết quả thí nghiệm lần 8, lƣợng nổ 400g

115

Hình 4.26 Kết quả thí nghiệm lần 9, lƣợng nổ 600g

115

Hình 4.27 Kết quả thí nghiệm lần 10, lƣợng nổ 600g

116

Hình 4.28 Mối quan hệ giữa

117

và

Hình 4.29 Biểu đồ mối quan hệ thời gian pha nén và

√

117

Hình 4.30 Kết quả theo thí nghiệm lần 1, lƣợng nổ 200g

118

Hình 4.31 Kết quả theo thí nghiệm lần 2, lƣợng nổ 200g

119

Hình 4.32 Kết quả theo thí nghiệm lần 3, lƣợng nổ 400g

119

Hình 4.33 Kết quả theo thí nghiệm lần 4, lƣợng nổ 400g

119

Hình 4.34 Sơ đồ thí nghiệm 6 và 7 với tấm bê tông có lớp giảm chấn

120

Hình 4.35 Kết quả theo thí nghiệm lần 6

122

Hình 4.36 Kết quả theo thí nghiệm lần 7

122

Hình 4.37 Sự phụ thuộc thực tế của áp suất theo thời gian của sóng
nổ trên bề mặt chƣớng ngại tấm bê tông dạng phẳng (thí nghiệm 3

124

với lƣợng nổ 400g ở khoảng cách 8m)
Hình 4.38 Sự phụ thuộc thực tế của áp suất theo thời gian của sóng
nổ trên bề mặt chƣớng ngại tấm bê tông dạng phẳng (thí nghiệm 4,

124

với lƣợng nổ 400g ở khoảng cách 10m)
Hình 4.39 Kết quả phân bố áp lực tại một điểm theo thí nghiệm và

chƣơng trình UNDEX với hàm p1(t) (thí nghiệm 3)

125


xviii

Hình 4.40 Kết quả phân bố áp lực tại một điểm theo thí nghiệm và
chƣơng trình UNDEX với hàm p2(t) (thí nghiệm 4)
Hình 4.41 Mô hình tƣơng tác giữa lƣợng nổ với tấm bê tông có gắn
đầu đo trong môi trƣờng nƣớc
Hình 4.42 Mô hình tƣơng tác giữa lƣợng nổ và tấm bê tông dƣới
nƣớc

126

129

130

Hình 4.43 Tƣơng tác của sóng nổ với tấm tại đầu đo 1

130

Hình 4.44 Phân bố áp suất tại điểm giữa tấm bê tông

131

Hình 4.45 Kết quả phân bố áp lực tại một điểm theo thí nghiệm và
phần mềm AUTODYN

Hình 4.46 Phân bố áp suất tại điểm đặt đầu đo của tấm bê tông mô
hình theo thí nghiệm và các phƣơng pháp tính khác nhau.

132

133


1

MỞ ĐẦU
Nƣớc ta là nƣớc bán đảo với khoảng 3260 km bờ biển, 54000 km
đƣờng sông. Trong những năm chiến tranh ở thế kỷ XX, Mỹ đã thả xuống
biển và sông hàng chục ngàn tấn bom đạn, thủy lôi đã gây phá hủy nhiều công
trình, phƣơng tiện dƣới nƣớc. Ở góc độ kinh tế - an ninh - quốc phòng, sau
ngày giải phóng đến nay, chúng ta đã sử dụng hàng ngàn tấn thuốc nổ để phá
đất đá, chƣớng ngại dƣới nƣớc phục vụ xây dựng các công trình quốc phòng,
hảng hải, công nghiệp... Nhiều công trình nổ dƣới nƣớc đã gây tranh cãi trong
quyết định tầm nhà nƣớc về tính khả thi, vấn đề đảm bảo an toàn và môi
trƣờng sinh thái khi nổ. Hiện nay vấn đề biển Đông và vùng biển của chúng ta
đang trong một giai đoạn vô cùng nóng bỏng về sự tranh chấp chủ quyền. Tất
cả các sự kiện liên tiếp xảy ra ở biển Đông trong vài năm trở lại đây cho thấy
chúng ta phải quyết tâm bảo vệ chủ quyền, tích cực khai thác và phát triển
hiệu quả vùng biển của mình. Nhiều công trình kinh tế, quốc phòng phục vụ
việc khai thác phát triển biển đảo đã, đang và sẽ đƣợc xây dựng. Trong đó có
nhiều công trình đòi hỏi phải sử dụng năng lƣợng nổ dƣới nƣớc. Trƣớc thực
tiễn về vấn đề phát triển kinh tế và an ninh trên biển, đã đặt ra các yêu cầu về
phải khai thác hiệu quả phƣơng pháp nổ dƣới nƣớc, giải quyết tốt vấn đề an
toàn đối với công trình khi thi công nổ, đặc biệt phải xây dựng đƣợc các công
trình biển, công trình thủy đủ tiêu chuẩn kháng lại tác dụng của nổ dƣới nƣớc

do bom đạn khi chiến tranh xảy ra… Các vấn đề liên quan đến về nổ dƣới
nƣớc ở trên đang là những vấn đề cấp bách đặt ra từ nhiều năm nay và đặc
biệt là những năm gần đây.
Để giải quyết đƣợc các vấn đề này cần phải nghiên cứu và hiểu sâu sắc
về các quá trình cơ học xảy ra khi nổ dƣới nƣớc và tƣơng tác của sóng nổ với
chƣớng ngại công trình. Về phƣơng diện hệ thống lý luận chung về nổ dƣới
nƣớc đã có rất nhiều công trình nghiên cứu theo các hƣớng nhƣ: sự lan truyền


2

sóng nổ trong môi trƣờng nƣớc; các hiệu ứng xảy ra khi sóng nổ gặp mặt
nƣớc và đáy nƣớc; tác dụng cơ học bằng lƣợng nổ đặt trực tiếp trong và trên
bề mặt đáy nƣớc, tƣơng tác của sóng nổ lên công trình dƣới nƣớc… Tuy
nhiên điểm tồn tại chính của hệ thống lý luận này là khi nghiên cứu sự lan
truyền sóng nổ trong nƣớc vẫn chƣa xem xét ảnh hƣởng của các điều kiện địa
chất nền đáy khác nhau đến các thông số trên mặt sóng, điển hình nhƣ nền
đáy là trầm tích san hô; môi trƣờng nƣớc chƣa đƣợc thử nghiệm trên mô hình
nƣớc mặn; trong việc tính toán tác động nổ dƣới nƣớc lên công trình, chƣa
xem xét sự ảnh hƣởng của hình dạng chƣớng ngại, công trình, đặc biệt chƣa
xem xét qui luật nhiễu xạ sóng khi sóng tới gặp chƣớng ngại trong các tính
toán, chƣa có giải pháp bảo vệ lâu dài các công trình biển dƣới tác dụng của
sóng nổ dƣới nƣớc. Chính vì vậy rất cần các nghiên cứu đề cập sâu sắc các
vấn đề trên. Từ các lý do đó việc lựa chọn luận án “Nghiên cứu sự lan
truyền của sóng nổ trong nước và tương tác của sóng nổ đối với chướng
ngại công trình” có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong giải
quyết các vấn đề trên.
Mục đích của luận án
- Nghiên cứu khai thác cơ sở lý thuyết chung của quá trình lan truyền
sóng nổ trong môi trƣờng nƣớc và tƣơng tác của sóng nổ với chƣớng ngại có

một số hình dạng khác nhau;
- Trên cơ sở lý thuyết đƣa ra, tiến hành xây dựng chƣơng trình tính
toán, khảo sát số và tìm ra qui luật của quá trình tƣơng tác của sóng xung kích
nhiễu xạ tổng hợp tác dụng lên các dạng chƣớng ngại công trình dƣới nƣớc;
- Đề xuất giải pháp làm suy giảm sóng xung kích tác dụng vào chƣớng
ngại công trình, nhằm nâng cao khả năng chịu tải trọng nổ dƣới nƣớc cho
chƣớng ngại công trình.


3

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Trong luận án tập trung nghiên cứu quá trình lan truyền sóng nổ dƣới
nƣớc và tƣơng tác của sóng nổ nhiễu xạ tổng hợp lên chƣớng ngại dƣới nƣớc
với một số hình dạng khác nhau.
Phương pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm số trên máy tính và thử
nghiệm ngoài thực địa. Về lý thuyết sử dụng các phƣơng pháp giải tích, phân
tích, tổng hợp và phƣơng pháp số. Phƣơng pháp số sử dụng trong luận án là
giải tích phân số dựa trên lý thuyết thủy động lực học nổ, kết hợp với phƣơng
pháp PTHH nhờ sử dụng phần mềm Autodyn. Về thực nghiệm sử dụng
phƣơng pháp mô hình, tƣơng đƣơng, thống kê.
Luận điểm bảo vệ
- Luận điểm 1: Các bài toán tác dụng của sóng nổ lên các dạng chƣớng ngại
tiêu biểu đều có thể giải đƣợc bằng việc sử dụng lý thuyết nhiễu xạ sóng nổ.
- Luận điểm 2: Trên các dạng chƣớng ngại, sự phân bố tải trọng, các điểm
nguy hiểm chịu tải trọng lớn và vùng bề mặt khuất do sóng nổ tác dụng lên
chƣớng ngại hoàn toàn có thể xác định đƣợc.
- Luận điểm 3: Trong điều kiện địa chất, môi trƣờng nƣớc ở một số đảo thuộc
quần đảo Trƣờng Sa, có thể xây dựng đƣợc hệ thống công thức thực nghiệm

xác định tham số sóng nổ dƣới nƣớc phù hợp với các yếu tố với môi trƣờng,
địa chất…của đảo.
- Luận điểm 4: Khi sử dụng các vật liệu có tác dụng giảm chấn, hấp thụ sóng
cho phép giảm 26,23 ÷ 34,55 % giá trị sóng xung kích tác dụng lên chƣớng
ngại.
Các điểm mới của luận án
Khảo sát, tính toán làm rõ tác dụng cơ học gián tiếp lên chƣớng ngại
đáy nƣớc và chƣớng ngại khác trong trƣờng hợp không nhiễu xạ sóng.
Tính toán đƣợc các tải trọng sóng nổ tác dụng lên một số loại chƣớng
ngại thông qua các mô đun chƣơng trình UNDEXLOAD, UNDEXLOAD-1.


4

Tìm đƣợc phân bố tải trọng trên bề mặt chƣớng ngại của một số loại
hình dạng khác nhau có xét đến yếu tố nhiễu xạ sóng, đặc biệt là tải trọng phân
bố ở vùng khuất của chƣớng ngại.
Thiết lập công thức thực nghiệm xác định các thông số sóng xung kích
dƣới nƣớc trong điều kiện vùng biển Trƣờng Sa.
Giải pháp giảm thiểu tác dụng của tải trọng nổ lên công trình bằng việc
sử dụng vật liệu có tác dụng giảm chấn, hấp thụ sóng.
Nội dung và cấu trúc của luận án
Luận án gồm có phần mở đầu, 4 chƣơng và phần kết luận, danh mục các
tài liệu tham khảo và phụ lục.
Phần mở đầu: Nêu lên tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu, mục đích,
phạm vi, phƣơng pháp nghiên cứu, nội dung và cấu trúc của luận án.
Chương 1- Tổng quan. Chƣơng này trình bày vấn đề nghiên cứu nổ
dƣới nƣớc hiện nay ở nƣớc ta và trên thế giới. Nêu ra đƣợc các vấn đề còn tồn
tại trong nghiên cứu nổ dƣới nƣớc hiện còn chƣa giải quyết đƣợc. Từ đó đề
xuất ra mục tiêu, nội dung, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu của luận án.

Chương 2- Cơ sở lý thuyết về nổ trong môi trƣờng nƣớc và tƣơng tác
của sóng nổ với chƣớng ngại. Trình bày nghiên cứu về nổ dƣới nƣớc. Cụ thể
là làm rõ quá trình truyền sóng nổ trong môi trƣờng nƣớc từ đặc tính đến quá
trình hình thành và lan truyền sóng xung kích khi nổ trong nƣớc. Làm rõ ảnh
hƣởng của đáy và mặt thoáng đến sóng xung kích và chỉ ra đƣợc các trƣờng hợp
tƣơng tác sóng nổ với chƣớng ngại công trình. Trình bày bài toán tác dụng sóng
nổ dƣới nƣớc khi lƣợng nổ đặt gián tiếp lên chƣớng ngại có hình dạng, kích
thƣớc vô hạn.
Chương 3- Nghiên cứu nhiễu xạ sóng và tải trọng do sóng xung kích
trong nƣớc tác động lên chƣớng ngại. Nghiên cứu lý thuyết nhiễu xạ sóng
xung kích khi sóng nổ dƣới nƣớc tác dụng lên các chƣớng ngại có kích thƣớc
hữu hạn và hình dạng xác định. Trên cơ sở phƣơng pháp số, kết hợp với lý


5

thuyết thủy động lực nổ, thiết lập các phƣơng trình tƣơng tác giữa sóng nổ
dƣới nƣớc với các chƣớng ngại dƣới nƣớc có kích thƣớc hữu hạn và hình
dạng khác nhau. Thiết lập và giải bài toán tƣơng tác sóng nổ với mô hình
chƣớng ngại để kiểm chứng với lý thuyết. Xây dựng chƣơng trình
UNDEXLOAD, UNDEXLOAD-1 bằng ngôn ngữ Visual Basic for
Application có khả năng giải đƣợc các bài toán tƣơng tác sóng nổ với các bề
mặt khác nhau của mô hình chƣớng ngại công trình và tƣơng tác của sóng nổ
với các chƣớng ngại có hình dạng đặc biệt. Kết quả chƣơng trình đã lập là sự
phân bố áp suất, áp lực lên chƣớng ngại.
Chương 4- Nổ thực nghiệm trong môi trƣờng nƣớc biển. Thử nghiệm
nổ dƣới nƣớc để xác định các tham số sóng nổ trong điều kiện thực tế. Xây
dựng các công thức thực nghiệm xác định các tham số này trong điều kiện thực
tế ở vùng biển Trƣờng Sa. Thử nghiệm tƣơng tác của sóng nổ với mô hình
chƣớng ngại trong các trƣờng hợp có và không có lớp vật liệu giảm chấn gắn

trên bề mặt mô hình. Kiểm chứng độ tin cậy của các thuật toán và chƣơng
trình đã lập với thử nghiệm. So sánh các kết quả tính toán thực tiễn thử
nghiệm và lý thuyết.
Phần kết luận nêu các kết quả chính và mới của luận án, các hƣớng
phát triển nghiên cứu tiếp theo.
Phần phụ lục giới thiệu các văn bản mã nguồn của các chƣơng trình đã
lập trong luận án.
Phần tài liệu tham khảo giới thiệu các tài liệu đã đƣợc sử dụng tham
khảo chính trong luận án.