本发明属于地下防护工程建设及防护技术和工程爆破研究领域，特别涉及一种大当量地下浅埋爆炸效应模拟装置。
背景技术
随着各种爆破技术在交通、水利水电工程建设、能源和矿产资源的勘察与开发，地质灾害的防灾与减灾等领域的成功应用，工程爆破的规模不断扩大。当前很多的工程爆破方案，特别是复杂的装药配置方案拟定大多是基于几何相似的经验公式，而大量的爆破实践表明，在增大地下爆炸规模时，必须考虑重力在抛掷弹坑形成过程中的作用，研制一种大当量工程爆破的模拟优化装置，不仅可以对爆破参数优化设计，提高爆破效率，而且可以对工程爆破的效果和效应进行科学的预测预报，具有重要的科学意义和工程应用价值。
对于地下爆炸研究的天然岩体而言，由于其复杂的结构和构造特征，在爆炸作用下岩石的运动、变形和破坏具有非协调非相容特性，物理过程复杂，影响因素众多。目前在理论分析上还存在很大困难，数值模拟也难以准确进行。现场实地试验虽然可针对特定条件进行研究，但研究周期长，且耗费大量人力物力，试验风险巨大，可重复性差，难以开展系统研究。
采用相似物理模拟试验的方法可以真实、直观地反映地质构造和装药配置的空间关系，能够准确地模拟大当量地下浅埋爆炸过程中各种影响因素对弹坑和鼓包形成的影响，使人们更容易全面把握爆破过程中岩体的运动、变形及破坏特性，是研究地下爆破问题，特别是地下核爆炸问题的一种有效的方法。
当前，国内外主要的地下爆炸物理模型试验装置主要有离心机爆炸模拟装置和真空室爆炸模拟装置。岳松林等在文献(岳松林，邱艳宇，王德荣等.岩石中爆炸成坑效应的模型试验方法及对比分析(j).岩石力学与工程学报，2014，33(9)：1925-1932)中指出，由于受到离心机加速度和吊篮模型箱尺寸的限制，土工爆炸离心机模拟比尺有限，只适用于小当量和小比例埋深的抛掷爆炸，真空室爆炸模型试验装置可控性强，模拟适用范围广，在大当量大埋深地下爆炸成坑现象模拟时具有明显的优势。国外最早的爆炸真空模拟装置是由前苏联地球物理研究所的m.a.sadovskii和v.v.adushkin等学者报道，20世纪70年代，前苏联为了大型工程爆破的应用需求，制造出了真空室地下爆炸模拟装置，该装置直径2.3m，高3m，体积12m3，模拟比尺从1:100到1:1000，真空室内可放置一到十个爆炸源，可同时引爆或实施必要的延迟爆炸，爆源装置采用球形镍铬丝金属栅格内置薄壁橡胶气囊做成的，通过低压电流加热镍铬丝来烧裂橡胶球达到释放压缩气体的目的。但是，该装置的起爆方式不仅镍铬丝的加热时间不可控，对于多组爆源的延期起爆无法做到精确的起爆控制，而且橡胶气囊很可能随机地从某处开一裂口造成气体喷出的不均匀，与地下抛掷爆炸成坑物理过程不相符，对试验模拟结果造成影响。
综上，国内尚未有大当量地下爆炸效应真空室模型试验装置的相关报道，已有的土工爆炸离心机，尽管在小当量、浅埋深爆炸模拟方面具有明显的优势，但是造价昂贵，试验成本高，也不适用于大规模工程爆破模拟。尽管国外真空室爆炸模拟装置起步早，但是整套装置配置陈旧，自动化程度和量测技术落后，爆源装置的精确起爆控制也有待升级改进。大当量(0.1～100千吨)地下爆炸效应模拟试验装置可填补国内此类装置的空白。
技术实现要素：
本发明所解决的技术问题在于提供一种大当量地下浅埋爆炸效应模拟装置，以解决当前国内土工爆炸离心机无法模拟大当量地下抛掷爆炸现象的难题。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种大当量地下浅埋爆炸效应模拟装置，包括底座、容器罐、第一抽真空装置、爆源装置，所述爆源装置包括玻璃罩、导爆索、钢管、密封塞、电雷管、起爆器、空气压力调节装置；
所述底座作为整个模拟装置的支撑部件，安装在整个装置的最底端；所述容器罐安装在底座的一端；所述第一抽真空装置通过管道与容器罐相连；所述玻璃罩、电雷管均位于容器罐内，玻璃罩的底端通过密封塞进行密封，所述导爆索位于玻璃罩内，导爆索通过钢管穿出密封塞，且钢管底端密封；导爆索通过第一连接件与电雷管的锥形端相接；所述电雷管的另一端与容气罐外部的起爆器相连；所述玻璃罩底端与空气压力调节装置相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)采用楔块式卡箍连接结构实现了法兰盘和容器罐的开启和密闭连接，不仅承压密闭性能好，而且操作方便、自动化程度高。
(2)采用柔性导爆索传爆震碎玻璃罩壳的方式实现了爆源的精确起爆，不仅爆破效果好，而且安全可控，提高了模拟爆源的真实性和应用性。
(3)装置的试验参数如真空度、玻璃罩压力值、可调可控，模拟范围广，无需像土工离心机提供额外的加速度，在模拟大规模地下浅埋爆炸成坑现象时具有明显的优势。
(4)通用性强：能够模拟球形装药和柱形装药条件下地下浅埋化学爆炸抛掷现象，能够模拟不同地质地形条件、多层介质中抛掷爆炸现象，并具备量测功能。
(5)相比于现有模拟装置采用离心机动辄几千万甚至上亿的制造成本，本发明装置造价成本低廉，相关的试验成果可广泛应用于钻地核武器成坑毁伤机制和大型工程爆破效果的预测预报。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明模拟装置总体结构示意图。
图2为真空容器罐结构主视图。
图3为真空容器罐结构右视图。
图4为爆源装置结构示意图。
图5(a-h)为爆炸模拟试验变化爆炸过程摄像机获取的图片。
图6为爆炸成坑模拟试验结果图片。
具体实施方式
结合图1-4，本发明的一种大当量地下浅埋爆炸效应模拟装置，包括底座1-1、容器罐1、第一抽真空装置3、爆源装置2；所述爆源装置2包括玻璃罩2-1、导爆索2-2、钢管2-3、密封塞2-4、电雷管2-6、起爆器2-9、空气压力调节装置；
所述底座1-1作为整个模拟装置的支撑部件，安装在整个装置的最底端；所述容器罐1安装在底座1-1的一端；所述第一抽真空装置通过管道与容器罐1相连，用于对容器罐1做抽真空处理，以使容器罐1内的压力达到模拟工作所需的压力；所述玻璃罩2-1、电雷管2-6均位于容器罐1内，玻璃罩2-1的底端通过密封塞2-4进行密封，所述导爆索2-2位于玻璃罩2-1内，导爆索2-2通过钢管2-3穿出密封塞2-4，且钢管2-3底端密封；导爆索2-2通过第一连接件2-7与电雷管2-6的锥形端相接，以保证连接的稳定性；所述电雷管2-6的另一端与容器罐1外部的起爆器2-9相连；所述玻璃罩2-1底端与空气压力调节装置相连，空气压力调节装置用于调节玻璃罩2-1内的空气压力达到实验所需要求；
作为对上述实施方式的进一步改进，所述导爆索2-2位于玻璃罩2-1内的一端拧成螺旋状，以增加导爆索2-2在玻璃罩2-1中心位置的长度，同时保证导爆索2-2在玻璃罩2-1的中心向四周传播冲击波的球形爆炸效果。
进一步的，所述空气压力调节装置包括气针2-5、第二连接件2-10、电磁阀2-11、电池2-12、开关2-13、压力缓冲器2-15、球阀2-16、压力表2-17、第二真空计2-18、泄压安全阀2-19、第二空压机2-20、第二真空泵2-21；所述气针2-5穿过密封塞2-4与玻璃罩2-1相连，气针2-5通过第二连接件2-10与电磁阀2-11相连，电磁阀2-11另一端与压力缓冲器2-15相连；所述第二空压机2-20、第二真空泵2-21、压力表2-17、第二真空计2-18均通过球阀2-16与压力缓冲器2-15相连，压力缓冲器2-15上还安装有泄压安全阀2-19；球阀2-16用于控制空压机2-20或第二真空泵2-21与压力缓冲器2-15的接通或关闭；当压力缓冲器2-15与第二空压机2-20接通时，压力表2-17用于测量压力缓冲器2-15内压力，即测量玻璃罩2-1内的压力；当压力缓冲器2-15与第二真空泵2-21连通时，第二真空计2-18用于测量压力缓冲器2-15内的真空度，即测量玻璃罩2-1内的真空度；所述电池2-12通过开关2-13与电磁阀2-11相连，电池2-12通过开关2-13对电磁阀2-11通断电，以控制电磁阀2-11的开启和关闭。
根据试验需要，当玻璃罩2-1内部的气体压力超过大气压力时，关闭第二真空泵2-21和第二真空计2-18上相应的球阀2-16，打开第二空压机2-20、压力表2-17及开启开关2-13，对压力缓冲器2-15充气，达到所需压力时，停止充气，断开开关2-13，此时玻璃罩2-1内部充满一定量的气体，由起爆器2-9引爆电雷管2-6，进而引爆导爆索2-2，导爆索2-2传爆产生的波击破击碎玻璃罩2-1，达到释放压缩气体的目的。当玻璃罩2-1内部的气体压力低于大气压力时，关闭第二空压机2-20和压力表2-17上相应的球阀2-16，开启第二真空泵2-21和第二真空计2-18上相应的球阀2-16及开启开关2-13，对压力缓冲器2-15抽气，达到所需真空度时，停止抽气，关闭开关2-13，此时玻璃罩2-1内部达到一定压力，由起爆器2-9引爆电雷管2-6，进而引爆导爆索2-2，导爆索2-2产生的冲击波击碎玻璃罩2-1，达到释放气体的目的。
作为对上述实施方式的进一步改进，所述电雷管2-6、第一连接件2-7均安装在保护罩2-8内，避免爆炸冲击波对周围环境造成破坏。
在一些实施方式中，所述玻璃罩2-1可以为球形、圆柱形、多边形或其他形状的腔体结构。
进一步的，所述第一抽真空装置包括第一真空泵3、第一真空计10；所述第一真空泵、第一真空计3均匀容器罐1相连，分别用于对容器罐1内进行抽真空处理和对真空度进行显示。所述真空泵3为滑片泵和罗茨泵组成的多级泵。
作为优选的实施方式，所述容器罐1为圆柱形腔体结构，采用卧式；在一些实施方式中，所述容器罐1也可以是立方体腔体结构、圆形腔体结构、多边形或其他形状的腔体结构，采用立式；容器罐1内设有箱体6，用于填充石英砂、土体等爆炸模拟所需的埋设填充物9。
在一些实施方式中，所述容器罐1主体材质为复合钢板(不锈钢+容器板)、外部缠绕隔音材料层和玻璃钢层。
进一步的，所述容器罐1上设有第一法兰接管1-7、第二法兰接管1-9、第三法兰管1-12，用于连接各类管线；所述容器罐1的一端设有法兰盘1-13作为密封门；
作为对上述实施方式的进一步改进，整个模拟装置还包括自动密闭装置，用于自动将法兰盘1-13与容器罐1拧紧或松开，以减轻人工操作；所述自动密闭装置包括旋转卡箍1-4、气动伸缩杆1-15、第一空压机11；所述旋转卡箍1-4外圆的两端分别与气动伸缩杆1-15相铰连，气动伸缩杆1-15的另一端均固定在基座1-1上，并通过气管与第一空压机11相连；所述卡箍1-4内圆圆周上、法兰盘1-3外圆圆周上均匀的间隔设有楔块1-16，旋转卡箍1-4上的楔块1-16与法兰盘1-3上的楔块1-16倾斜方向相反；工作时，通过一端气动伸缩杆1-15的伸出，另一端气动伸缩杆1-15的缩短，带动旋转卡箍1-4的旋转，将卡箍1-4上的楔块1-16与法兰盘1-3上的楔块1-16紧密结合或分开，将法兰盘1-13与容器罐1拧紧或松开；
进一步的，旋转卡箍1-4旋转角度的大小由安装在气动伸缩杆1-15上面的磁性开关的位置控制，也可通过控制气动伸缩杆1-15的伸缩行程进行控制。
在另外一些实施方式中，所述自动密闭装置也可以采用液压伸缩杆，通过液压控制液压伸缩杆的伸缩将法兰盘1-13与容器罐1拧紧或松开。
作为对上述实施方式的进一步改进，整个模拟装置还包括快开门移动装置，可实现对容器罐1密封门的快速移开或对准；所述快开门移动装置包括移动小车1-3、导轨1-5、电机1-11；所述导轨1-5固定在基座1-1上；所述移动小车1-3安装在导轨1-5上，电机1-11安装在小车1-3上，在电机1-11的驱动下，移动小车1-3可在导轨1-5上做直线运动，运动方向平行于密封门的安装方向，即平行于法兰盘1-13的轴向；移动小车1-3的顶端与法兰盘1-13相连。
作为对上述实施方式的进一步改进，所述快开门移动装置还包括护栏1-10，所述护栏1-10固定在基座1-1上，并设置在移动小车1-3的周围，起保护作用，以防止移动小车运动过程中对操作人员存在撞伤的风险。
作为对上述实施方式的进一步改进，整个模拟装置还包括图像采集装置，可实现整个爆炸试验过程中的图像采集，所述图像采集装置包括高速摄像机4、计算机5、led灯7；高速摄像机4安装在容器罐1的外端，并与计算机5相连，计算机5将高速摄像机4拍摄的图像进行存储；所述容器罐1设有观察窗，用于高速摄像机4进行拍摄；led灯7的数量根据需要设定在容器罐1内的不同位置。进一步的，观察窗可以安装在容器罐1的密封门上，也可以设置在容器罐1的腔体上的不同位置上，以便不同位置进行拍摄观察。
进一步的，整个模拟装置外部设有控制柜8，所述控制柜主要用于控制各装置的供电、快开门移动小车1-3的开启关闭、旋转卡箍1-4的锁紧放松、真空泵组3的启动与关闭、空压机11的开闭、led投光灯7的开闭等。
工作时，将爆源装置2放在箱体6内，箱体6内填充有石英砂或土体的填充物9，并将玻璃罩2-1覆盖；开启控制柜，为各装置供电，开启第一空压机11，为旋转卡箍1-4的锁紧做好准备；开启移动小车1-3，将法兰盘1-13移至容器罐1口，利用旋转卡箍1-4将法兰盘1-13锁紧，开启led灯7，将高速摄像机4安装到位；启动第一真空泵3，对容器罐2内进行抽真空，当达到所需真空度时，开启第二空压机2-20或第二真空泵2-21对玻璃罩2-1进行充气或抽气处理，当达到指定压力值时，关闭电磁阀2-11；同时启动起爆器2-9和高速摄像机4，对实验过程进行记录；实验结束后，打开第一真空泵泄气阀，待容器罐1内外气压平衡时，打开容器罐1，对爆炸实验结果如成坑半径、体积等进行记录。同时，玻璃罩2-1内的螺旋状柔爆索2-2的长度可根据试验需要进行调节。
图5(a-h)、图6分别为填充石英砂后的爆炸模拟过程中摄像机获取的图片及爆炸成坑模拟试验结果图片，可以看出，本发明的爆炸效应模拟装置能够有效的记录爆炸过程中的现象，本发明可通过调节玻璃罩2-1内的压力与容器罐1内的真空度以实现模拟0.1～100千吨、埋深20～400m范围内的地下核爆炸成坑和疏松鼓包现象，同时也可以用于工程爆破效果和效应的预测预报等科学问题的实验研究。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动、组合与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。