Để quan sát đƣợc sự hình thành và lan truyền của sóng xung kích trong nƣớc cần có hệ thống đo lƣờng áp lực nƣớc và chụp ảnh vụ nổ. Do vậy, thiết bị thí nghiệm đƣợc chọn là hệ thống các thiết bị đo áp lực kiểu piezo (tinh thể áp điện) có độ nhạy cao, độ chính xác cao và đƣợc bố trí chìm trong nƣớc tại các vị trí xác định (Hình 4.1). Vị trí thí nghiệm cần chọn là một khu nƣớc thoáng, đáy biển tƣơng đối bằng phẳng, có chiều sâu nƣớc từ 1,0m ÷ 1,5m.
Để đo đƣợc các tham số sóng nổ cần sử dụng 3-4 đầu đo áp lực. Các đầu đo này sẽ nhận đƣợc áp lực ở các thời điểm khác nhau. Từ thời gian chênh
102
lệch và khoảng cách giữa các đầu đo, xác định đƣợc tốc độ truyền sóng xung kích trong nƣớc. Qua nghiên cứu tính toán, lựa chọn bố trí các đầu đo áp lực sóng nổ bố trí với khoảng cách 1,0m (Hình 4.1). Tuỳ theo lƣợng nổ mà thay đổi khoảng cách từ lƣợng nổ đến đầu đo thứ nhất đảm bảo an toàn cho thiết bị cũng nhƣ đảm bảo đo đƣợc số liệu.
Hình 4.1. Mặt bằng bố trí thí nghiệm
Nền san hô dƣới đáy biển đƣợc san phẳng. Lƣợng nổ và các đầu đo áp lực đƣợc cố định bằng các giá đỡ bằng thép chắc chắn. Các tấm bê tông đƣợc cố định vào giá bằng thép chữ U bằng các bu lông đai ốc. Việc cố định giá thí nghiệm với nền bằng các cọc sâu 80 cm – 100 cm. Tiến hành thí nghiệm với các lƣợng nổ TNT khác nhau,lần lƣợt là 0,2 – 0,4 – 0,6kg. Với mỗi lƣợng nổ tiến hành nổ từ 3-5 lần.
Khi thí nghiệm, phải đặc biệt quan tâm đến công tác an toàn cho ngƣời và thiết bị. Việc buộc thuốc nổ và gây nổ phải do các chuyên gia đƣợc đào tạo có kinh nghiệm thực hiện. Số liệu đo đƣợc ghi nhận và lƣu trữ vào ổ cứng của máy tính xách tay. Sơ đồ bố trí lƣợng nổ trong các thí nghiệm đƣợc thể hiện theo các hình 4.2; 4.3; 4.4; 4.5; 4.6; 4.7 và 4.8:
- Thí nghiệm 1 và 2: Lƣợng nổ 200g cách 1,5m:
103 -Thí nghiệm 3: Lƣợng nổ 400g cách 3,0m: Hình 4.3. Sơ đồ thí nghiệm 3 -Thí nghiệm 4: Lƣợng nổ 400g cách 5,0m: Hình 4.4. Sơ đồ thí nghiệm 4 -Thí nghiệm 5: Lƣợng nổ 600g cách 7,0m: Hình 4.5. Sơ đồ thí nghiệm 5
-Thí nghiệm 6 và 7: Lƣợng nổ 200g cách 1,5m bỏ đầu đo 02:
104
-Thí nghiệm 8: Lƣợng nổ 400g cách 5,0m:
Hình 4.7. Sơ đồ thí nghiệm 8 - Thí nghiệm 9 và 10: Lƣợng nổ 600g cách 7,0m:
Hình 4.8. Sơ đồ thí nghiệm 9 và 10
Trong các hình 4.2; 4.3 và 4.4 có đầu đo gắn vào tấm bê tông ngoài mục đích xác định tham số sóng xung kích trong nƣớc thì còn xác định sóng phản xạ trên bề mặt tấm (thí nghiệm 1, 2, 3 và 4).
Các tấm bê tông trong hình 4.6 của thí nghiệm 6 và 7 có gắn thêm lớp vật liệu giảm chấn nên ngoài các đầu đo xác định tham số sóng xung kích trong nƣớc thì đầu đo trên tấm nhằm mục đích xác định sóng phản xạ khi có lớp giảm chấn. Đây cũng là mục đích phụ vụ hƣớng nghiên cứu đề xuất làm giảm tác dụng của sóng xung kích lên chƣớng ngại công trình.
4.1.2. Thiết bị thí nghiệm
Thiết bị thí nghiệm bao gồm máy đo động đa kênh và các đầu đo áp lực có xuất xứ từ Mỹ.
105
a) Máy đo động đa kênh NI SCXI-1000DC
Hình 4.9. Máy đo động đa kênh NI SCXI-1000DC
Máy đo động đa kênh NI SCXI-1000DC là thiết bị đo động đa kênh hiện đại do hãng National Instrument của Mỹ chế tạo. Đây là một hệ thống đo thông minh có thể cấu hình mềm dẻo bằng cách tích hợp các loại cạc đo khác nhau tuỳ theo mục đích thí nghiệm của ngƣời sử dụng. Máy có nguồn điện một chiều ac-quy đi kèm có thể thao tác liên tục ngoài hiện trƣờng 10 giờ không cần nạp điện. Tốc độ đo lấy mẫu của máy có thể đạt tới 333kS/s với mức nhiễu cực thấp. Trên máy bố trí 4 khe cắm dùng để cấu hành các loại cạc đo khác nhau. Hãng NI cung cấp một dải rất rộng rãi các loại cạc đo họ SCXI phù hợp với dòng máy SCXI-1000DC. Các loại cạc này có thể đo đƣợc rất nhiều các phép đo khác nhau nhƣ đo gia tốc, đo biến dạng, chuyển vị, đo điện áp, …Máy đo NI SCXI-1000DC đƣợc điều khiển hoàn toàn bằng máy tính thông qua kết nối USB. Phần mềm điều khiển LABVIEW là một phần mềm đo – phân tích nổi tiếng trên thế giới. Phần mềm này cho phép thiết kế các chƣơng trình đo và phân tích số liệu trực tiếp trong khi đo hay xử lý nguội sau khi đo với số lƣợng kênh lên tới hàng ngàn kênh một lần đo.
b) Đầu đo áp lực kiểu piezo PCB 138A01
Đầu đo PCB 138A01 đƣợc thiết kế đặc biệt để đo áp lực sóng xung kích trong nƣớc. Đầu đo này do hãng PCB, Mỹ chế tạo. Đầu đo làm việc theo nguyên lý sử dụng tinh thể gốm áp điện (piezo) cho phép đo nhanh, chính xác và tin cậy. Thông số và cấu tạo đầu đo theo bảng 4.1 và hình 4.10.
106
Hình 4.10 Đầu đo áp lực áp điện PCB 138A01.
Bảng 4.1. Các thông số chính
Hệ đơn vị Anh Hệ đơn vị Quốc tế
Hiệu năng
Tầm đo (đôi với ±5V đầu ra) 1000psi 6895kPa Quá hạn hiệu dụng (đối với ±10V đầu
ra) 2000psi 13790kPa
Độ nhạy (±15%) 5mV/psi 0.73mV/kPa
Áp suất cực đại 50000psi 344750kPa
Độ phân giải 0.02psi 0.14kPa
Tần số cộng hƣởng ≥1000kHz ≥1000kHz
Thời gian hồi (phản xạ) ≤1.5µsec ≤1.5µsec
Tần số ứng xử thấp (-5%) 2.5Hz 2.5Hz
Độ phi tuyến ≤2.0%FS ≤2.0%FS
Môi trƣờng
Tầm nhiệt độ (Hoạt động) 0 đến +100°F -14.8 đến +34.8°C
107
4.1.3. Trình tự tiến hành thí nghiệm
Các thí nghiệm đƣợc tiến hành theo trình tự nhƣ sau: Bƣớc 1: Chuẩn bị mô hình, tiến hành trƣớc 1 ngày + Tìm vị trí thí nghiệm
+ Chuẩn bị mặt bằng + Dọn dẹp đáy biển
+ Lắp đặt giá đỡ kết cấu, đầu đo và thuốc nổ
Công tác chuẩn bị đƣợc chuẩn bị từ chiều hôm trƣớc nhƣ hình 4.11.
Hình 4.11. Chuẩn bị tại khu vực thí nghiệm Bƣớc 2: Chuẩn bị thí nghiệm
Các thí nghiệm nổ đƣợc thực hiện tại khu vực phía Tây của đảo Sơn Ca, tại vị trí đảm bảo an toàn cho ngƣời và các trang thiết bị trên đảo. Lƣợng nổ thực hiện gồm 3 loại 200 g, 400g và 600 g TNT dạng trụ; tấm bê tông mô hình có kích thƣớc 100x60x6 cm để đo áp lực phản xạ gồm hai loại: loại thƣờng và loại gắn một lớp giảm chấn trên bề mặt dầy 1 cm.
108
+ Bố trí lực lƣợng gác – cảnh giới an toàn: trong quá trình thí nghiệm luôn có lực lƣợng gác, cảnh giới đảm bảo những ngƣời không có nhiệm vụ không tiến vào khu vực thí nghiệm nhƣ hình 4.12.
Hình 4.12.Cảnh giới tại khu vực thí nghiệm
+ Lắp đầu đo vào các giá đỡ và vị trí trƣớc tấm để đo áp lực phản xạ: Các đầu đo đƣợc gắn vào tấm thí nghiệm và đƣợc đƣa xuống giá thí nghiệm nhƣ hình 4.13:
Hình 4.13. Đầu đo đƣợc gắn chặt vào tấm thí nghiệm đƣợc đƣa xuống vị trí thí nghiệm
109
+ Kết nối đầu đo với máy đo, kiểm tra thông mạch: Các thiết bị đo đƣợc kết nối với máy tính tại hiện trƣờng nhƣ hình 4.14.
Hình 4.14. Thiết bị đo kết nối với máy tính tại hiện trƣờng thí nghiệm + Thông báo cảnh giới an toàn ngƣời ra vào khu vực thí nghiệm,
+ Chuẩn bị thuốc nổ theo lƣợng nổ yêu cầu, lắp kíp nổ: Trong quá trình thí nghiệm tại đảo, một tiểu đội công binh do một đồng chí sĩ quan đại đội trƣởng cùng với nhóm thực hiện thí nghiệm trực tiếp chỉ huy, gây nổ tại hiện trƣờng nhƣ hình 4.15.
Hình 4.15.Chuẩn bị lƣợng nổ theo yêu cầu
+ Buộc thuốc nổ và kíp vào giá đỡ thuốc nổ: Khi các quá trình chuẩn bị hoàn tất, các công việc bố trí lƣợng nổ vào vị trí giá thí nghiệm và kiểm tra sau cùng đƣợc thực hiện bởi tác giả thực hiện luận án nhƣ hình 4.16.
110
Hình 4.16. Tác giả đặt lƣợng nổ vào vị trí thí nghiệm dƣới nƣớc Bƣớc 3: Tiến hành thí nghiệm
+ Kiểm tra thông mạch kíp nổ + Nổ và đo đồng thời
+ Kiểm tra sơ bộ kết quả đo
+ Lƣu số liệu vào đĩa cứng máy tính + Kiểm tra an toàn, tạm dừng cảnh giới.
Do quá trình chuẩn bị thí nghiệm tại đảo đƣợc thực hiện chu đáo và cẩn thận nên các thí nghiệm nổ tại đảo Sơn Ca đều diễn ra thành công và an toàn nhƣ hình 4.17 chụp lại đƣợc một trong những vụ nổ tại đảo.
Hình 4.17.Hình ảnh của một vụ nổ dƣới nƣớc Bƣớc 4: Kết thúc thí nghiệm
111
+ Thu dọn; vệ sinh máy móc và đầu đo; + Cất máy.