黃賢智，王彬諭，經(jīng)民富，陳 藝

（1.廣西交通職業(yè)技術(shù)學院，南寧 530023；2.廣西壯族自治區(qū)梧州航道養(yǎng)護中心，廣西 梧州 543001）

0 引言

采用水下炸礁爆破方式破碎水下礁石，可以改善水流流態(tài)，加深、拓寬航道，開挖港池，清除礙航暗礁等。水下炸礁爆破是一項復雜而又繁瑣的工作，施工作業(yè)環(huán)境在水中，爆破施工在極短時間、極小體積內(nèi)發(fā)生極大能量轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生強烈的震動波、沖擊波等，炸礁爆破過程中，不恰當?shù)恼ㄋ幜俊⒉缓线m的爆破距離，很容易對周圍建筑物產(chǎn)生不良影響。

在航道炸礁過程中，處于基巖之上、水域之中的橋墩結(jié)構(gòu)，易受到爆破震動波以及沖擊波的作用，產(chǎn)生動力響應，甚至造成損傷，進而影響橋梁整體安全。因此，開展水下炸礁爆破過程中震動波與沖擊波作用下橋墩響應特征及其演化研究對水下炸礁爆破作業(yè)及橋梁結(jié)構(gòu)在水下爆破領域的設計防護具有重要價值[1]。

由于水下鉆孔爆破以及與橋墩作用過程復雜，涉及多物理過程及其相互耦合，包括炸藥起爆、爆炸波傳播、地震波與沖擊波傳播等，此外，巖體介質(zhì)和自由液面等不同邊界條件又加劇水中沖擊波的非線性傳播并導致其與結(jié)構(gòu)物的相互作用復雜，從而造成理論研究困難。同時，由于監(jiān)測布置困難及監(jiān)測精度影響，無論是實驗室模型試驗還是現(xiàn)場試驗，所獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)量及質(zhì)量均難以滿足要求，同時，現(xiàn)場調(diào)查、試驗監(jiān)測還存在耗時耗力且難度較大。因此，利用數(shù)值模擬手段，采用業(yè)已成熟的商業(yè)軟件或程序代碼來模擬整個水下爆破及橋墩響應過程是必要的。

1 水下炸礁爆破沖擊波傳播特性

19 世紀中期，ColeR.H.通過對水下爆破機理進行系統(tǒng)研究，提出經(jīng)驗公式，總結(jié)出爆破峰值壓力隨爆源距離的關(guān)系[2]：

式中：Pm為峰值壓力；W為單發(fā)最大藥量；R為距爆源距離；K、α為經(jīng)驗常數(shù)。

此后各國學者在ColeRH 等人研究的基礎上，進一步完善和修正水中沖擊波的相關(guān)理論[3～6]，基于能流-時間曲線的半經(jīng)驗表達式，李澎等將水中沖擊波問題簡化為波頭超壓峰值常微分方程求解，擬合得到1kgTNT/RDX炸藥沖擊波傳播的經(jīng)驗公式[7]：

式中：R0為裝藥半徑。

水下爆破沖擊波產(chǎn)生可分為3 個階段：炸藥的爆破、沖擊波的產(chǎn)生和傳播、氣泡的形成和脈動。炸藥爆破階段，炸藥在水下爆破瞬間，產(chǎn)生高溫高壓氣體，高能量氣體迅速膨脹，壓縮周圍水體，造成密度、壓力突躍。初始沖擊波和氣泡就此形成，沖擊波在水中傳播時，導致壓力極速升高后又迅速衰減。爆炸初期，沖擊波傳播速度與氣泡膨脹速度相當，當沖擊波傳至5倍裝藥半徑時，氣泡膨脹速度下降，沖擊波傳播基本脫離氣泡的影響。在水體阻力作用下，導致沖擊波在水中傳播的過程中波峰值壓力和沖量均隨爆心距的增加而減小[1，7]。

2 水下單點爆破沖擊波形態(tài)數(shù)值分析

雖然已有較多研究針對水下爆破沖擊波傳播特性的理論研究，但水下爆破是極其復雜的瞬態(tài)過程，其中涉及液-氣-熱等復雜耦合，特別是外邊界作用下沖擊波入射反射相互干擾，經(jīng)驗公式往往不再適用?；诖耍疚牟捎脭?shù)值仿真模擬方法，利用較成熟的OpenFOAM開源程序，基于其Compressible Les Inter Foam 子模塊，結(jié)合可壓流模型及VOF兩相流模型模擬水下單點爆破過程沖擊波傳播。為對比驗證計算方法的準確性，以文獻[8]相關(guān)計算作為驗證算例（見圖1）。爆破氣體初始位于原點（0，0）m，呈半徑為0.1 m 的圓形，相應爆破氣體參數(shù)為：ρ0=1270 kg/m3，p0=9.12×108Pa，置于水下。整體計算域大小為(-0.6，0.6）×（-0.6，0.6）m2，其中0.3 m以下區(qū)域為水相，水相參數(shù)為ρ1=1000 kg/m3，p1=1.1×105Pa，0.3 m 以上為氣相區(qū)域，空氣參數(shù)為ρ2=1kg/m3，p2=1.1×105Pa。模擬水下單點爆破沖擊波傳播特性，結(jié)果見圖2。

圖1 文獻[8]水下單點爆破沖擊波傳播特性

圖2 模擬水下單點爆破沖擊波傳播特性

由圖2 可以看出，爆破產(chǎn)生的高壓高溫氣體在水中形成氣泡，氣泡不斷膨脹，推動周圍的水體。t=0.07 ms 時刻，炸藥能量釋放于水體中，形成初始較為完整的沖擊波波陣面，隨著時間推移，沖擊波波陣面不斷擴大，沖擊波遇到自由水面發(fā)生折射與反射，在此過程中，爆破氣泡形態(tài)亦保持圓形逐步擴大，直至t=0.14 ms時刻，在接近水面處，由于空氣的波阻抗較水的波阻抗小，沖擊波傳播到水面處會發(fā)生反射而形成反射沖擊波并向爆心方向運動，導致在后續(xù)過程中氣云變形成橢圓形。隨著沖擊波陣面不斷擴展，氣云收縮和上升的過程中，氣云半徑不斷地減?。╰=0.22 ms時刻），當出現(xiàn)入射波和反射波疊加后，沖擊波的壓力數(shù)值會快速下降，并且在上下表面產(chǎn)生壓力差并誘導氣云破裂形成射流（t=0.30 ms時刻）。

另外氣云對周圍水介質(zhì)不斷做功的同時，氣泡內(nèi)部的壓力逐漸降低，當水體壓力大于氣泡內(nèi)壓時，導致氣泡壓縮，體積變小，同時內(nèi)部壓力逐漸增大，最終達到能阻止周圍水介質(zhì)繼續(xù)壓縮新的壓力狀態(tài)，這就是氣泡脈動的形成過程，在慣性力作用下周而復始產(chǎn)生來回的氣泡膨脹、壓縮，在脈動過程中產(chǎn)生壓力波，在后期伴隨著沖擊波、壓力波及射流作用，對橋墩、船體等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強烈作用。

3 水下單點爆破沖擊波作用下橋墩響應

3.1 水下爆破沖擊波與橋墩作用下的傳播規(guī)律

基于上述數(shù)值模擬方法，對單點爆破與橋墩作用下沖擊波傳播特性進行了數(shù)值模擬，示意圖見圖3。設定整體計算域：水平x方向為-3.5～1.5 m，水深y方向為0～3 m。其中水深2.25 m，橋墩呈工字型結(jié)構(gòu)，總高度2.2 m，工字墩頂部和底部寬度為0.3 m，中間部分寬度為0.1 m，點爆破初始位于（-1.65 m，1.35 m），呈圓形分布的高溫高壓氣泡。

圖3 水下爆破沖擊波與橋墩作用模擬及其波系圖

爆破過程如圖4 所示。初始時刻，炸藥能量釋放于水體中，形成初始較為完整的沖擊波波陣面，沖擊波波陣面呈圓形向外擴散。隨著時間推移，沖擊波波陣面不斷擴大，當沖擊波遇到自由水面后，與自由水面碰撞發(fā)生折射與反射，水域中形成清晰反射波向內(nèi)傳播。同理，當沖擊波波陣面與河床底面相遇時，同樣碰撞反射形成反射波。對比圖4中t=0.8 ms 和t=1 ms 時水面反射波及河床底反射波可知，剛性邊壁引起的反射明顯強于自由水面。此后，隨著沖擊波陣面不斷擴展，在與橋墩產(chǎn)生強烈作用后，形成復雜沖擊波結(jié)構(gòu)。由圖4 中沖擊波演變過程可見橋墩除受沖擊波迎爆沖擊破壞外，還將受到自由水面截斷效應而產(chǎn)生沖切作用。

圖4 爆破氣云及沖擊波形態(tài)隨時間演變圖

3.2 水下爆破沖擊波作用下的橋墩響應

為討論水下爆破沖擊波作用下的橋墩響應，建立橋墩結(jié)構(gòu)水下爆破模型，在橋墩迎爆面前緣每隔0.3 m設置一個監(jiān)測點以測試爆破沖擊波壓力值，監(jiān)測點位置示意圖見圖5，6 個監(jiān)測點分別為（-0.09，0.3），（-0.09，0.6），（-0.09，0.9），（-0.09，1.2），（-0.09，1.5），（-0.09，1.8），6個監(jiān)測點監(jiān)測歷時曲線見圖6。

圖5 監(jiān)測點位置示意圖

由圖6可以看出，爆破發(fā)生后，爆破沖擊波波陣面不斷擴大，由于監(jiān)測點4 和監(jiān)測點5 最接近爆破中心，在0.78 ms 時刻該兩點處的壓力最先上升，達到第一峰值27 MPa 左右，隨沖擊波波陣面經(jīng)過后，監(jiān)測點壓力逐漸降低，當沖擊波與橋墩碰撞反射，反射波傳至監(jiān)測點處再次引起壓力升高，反射沖擊波的強烈作用導致壓力增加可達49 MPa，此后壓力值迅速衰減。對于監(jiān)測點3、6，其壓力變化過程與監(jiān)測點4、5類似，呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，但由于其距爆破點相對較遠，壓力曲線相對滯后，同時壓力幅值稍低一些。對比監(jiān)測點3、6，在歷經(jīng)第二峰值后，監(jiān)測點6的壓力下降明顯快于監(jiān)測點3，表明自由表面存在截斷效應，導致該區(qū)域壓力梯度增大。同樣地，對于監(jiān)測點1、2，其壓力曲線更為滯后，但由于該兩點離河床底較近，不僅受到橋墩反射沖擊波作用，還受河床底反射波作用，因而呈多峰結(jié)構(gòu)，特別是監(jiān)測點1區(qū)域，位于爆破沖擊波、橋墩反射沖擊波及河床底反射沖擊波共同作用區(qū)域，壓力曲線在后期呈現(xiàn)明顯上升并伴有震蕩。

圖6 各監(jiān)測點壓力歷時曲線

4 結(jié)語

（1）通過對比不同時刻爆破氣云形態(tài)及密度等值云圖可以看出模擬結(jié)果與文獻吻合較好，所采用的計算方法能夠準確捕捉爆破過程中氣云演變特征。比較無限域由面的沖擊波壓力曲線，發(fā)現(xiàn)自由面的存在能夠削弱沖擊波作用，剛性界面對沖擊波的影響較大，主要是水底反射波的變化。

（2）沖擊波與自由水面碰撞發(fā)生折射與反射，而沖擊波與剛性河床底發(fā)生反射，剛性邊壁引起的反射明顯強于自由水面。隨著沖擊波陣面不斷擴展，在與河床底及橋墩強烈作用后形成復雜沖擊波結(jié)構(gòu)。

（3）通過構(gòu)建橋墩結(jié)構(gòu)水下爆破模型，監(jiān)測橋墩迎爆面壓力隨時間的變化，可知受爆破沖擊波及橋墩反射波作用，監(jiān)測點壓力曲線成雙峰結(jié)構(gòu)，剛性邊壁反射波作用后壓力明顯上升。自由水面截斷效應使壓力梯度增加，導致該處橋墩發(fā)生沖切作用，而河床底處橋墩在多波作用下壓力上升明顯并伴有震蕩。

（責任編輯：竇波元）