水下爆炸對沉箱重力式碼頭毀傷效應*

董 琪，韋灼彬，唐 廷，李凌鋒，劉靖晗

（1. 海軍工程大學艦船與海洋學院，湖北 武漢 430033；2. 海軍勤務學院，天津 300450）

水下爆炸主要包括三個階段：裝藥的爆轟、沖擊波的產生和傳播、氣泡的形成和脈動，各階段的荷載效應和宏觀行為各有特點又密切聯系、相互影響。早期的研究多出于軍事應用的目的，著重分析了水下爆炸現象及荷載效應，其中Cole[1]基于對二十世紀中葉前的水下爆炸研究成果的總結分析，對水下爆炸的物理現象、毀傷機理和基本定律進行了研究，形成了比較系統的理論體系。近年來，隨著試驗和數值模擬技術的發展，研究重心逐漸向復雜邊界條件對荷載特性和氣泡脈動規律的影響傾斜，對于水深[2]、水面環境[3-4]、水底條件[5-6]、臨近結構[3,7]等因素影響下的爆炸荷載效應均有較成熟的研究，這為準確分析水下爆炸的荷載特性和對結構的毀傷機理提供了依據。

爆炸荷載作用下碼頭結構毀傷效應及毀傷機理研究是一個涉及爆炸荷載特性、多種材料動態本構模型、多介質瞬態動力耦合相互作用、鋼筋混凝土結構動力破壞機理和動態性能等多方面的復雜課題，相關系統研究較少，現有研究多集中于鋼筋混凝土構件毀傷機理和抗爆特性[8-11]。近年來，張社榮等[12]、王高輝等[13-14]和Li 等[15]對水下爆炸下高混凝土壩的毀傷機理和毀傷特性進行了較為系統的研究。國內外就爆炸對碼頭的毀傷效應和搶修搶建問題已開展了一些研究，但研究對象多為高樁碼頭，荷載作用方式多為空爆和內爆，鮮見水下爆炸對沉箱重力式碼頭的毀傷效應的研究[16-18]。

本文通過開展不同爆距下水下爆炸對沉箱重力式碼頭模型毀傷效應的試驗研究，對水下爆炸下水中荷載和碼頭毀傷情況進行了采集分析，得到了水下爆炸下沉箱重力式碼頭的主要毀傷因素和毀傷模式，系統分析了毀傷機理，初步研究了爆距對毀傷效應的影響。為進一步開展理論和數值模擬研究提供了參考和依據。

1 試驗設計

1.1 試驗模型

以現有突堤式沉箱碼頭為參考，以真實反映沉箱重力式碼頭結構特性和材料特性為原則，依據設計規范，兼顧施工可行性和試驗條件制作模型。模型長298 cm、寬162 cm、高219 cm。以封倉板為界，碼頭下部為沉箱結構，高180 cm，由外墻、沉箱底板、封艙板、內隔墻及其所圍成的6 個長86 cm、寬65 cm倉格和倉格內的飽和砂構成。碼頭上部結構高39 cm，由面板、外墻、管溝底板、管溝內壁及其所圍成的前、后管溝和中間倉格以及倉格內的干砂構成。為便于描述，對碼頭豎向外墻進行編號，將碼頭外墻長度方向等分成3 份、寬度方向外墻等分成2 份，從迎爆面左端起，按逆時針依次編為1#～10#號墻。模型三視圖及其剖面圖如圖1 所示，本文圖中長度單位均采用厘米（cm），高程單位均采用米（m），后文不再贅述。

圖 1 模型三視圖和剖面圖Fig. 1 Three views and sectional views of wharf model

混凝土設計強度C30，鋼筋采用HPB335 型號，填料為普通河砂，主要部位件混凝土厚度及配筋情況如表1 所示。共制作3 個模型。

表 1 主要部位混凝土厚度及配筋情況Table 1 Concrete thickness and matching bar condition of main members

1.2 試驗方案

試驗場地為直徑8 m、深8 m 的鋼筋混凝土空心圓柱爆坑，內襯2 cm 厚鋼板。試驗水深1.8 m，模型四面臨水，底部無人為約束。炸藥承臺與沉箱吊環焊接定位。均采用1 kg TNT 當量的圓柱狀PENT 炸藥，藥包軸線垂直于迎爆面，正對迎爆面外墻中點。炸藥位于水深0.9 m 處，工況1、2、3 中離迎爆面水平距離分別為接觸、0.5 m、1 m。試驗方案如表2 所示，試驗場地及炸藥布設方案如圖2 所示。

表 2 試驗方案Table 2 Experimental schemes

圖 2 試驗場地及炸藥布設方案Fig. 2 Experimental site and explosive position arrangement

試驗中采用PCB138A10 水下激波傳感器對水下沖擊波荷載進行測量，傳感器量程69 MPa，諧振頻率≥1 MHz，采集器采集頻率為1 MHz。通過鋼絲繩和重錘將傳感器固定于遠離模型側面與迎爆面平齊處，測點與藥包同深。試驗前對傳感器實際位置進行量測，布設方案和各工況中傳感器實際位置如圖3所示。此外，以爆坑內壁為基準，試驗前后通過人工量距對模型定位，得到碼頭整體滑移。

表 3 爆炸沖擊波荷載驗證Table 3 Verification of explosion shock wave pressure

圖 3 水下傳感器布設方案及實際位置Fig. 3 Sensor placement arrangement and actual position

2 水中荷載分析

本試驗為有限水域淺水爆炸，現無被廣泛認可的沖擊波荷載經驗計算公式[19]，采用基于大量實驗得到的無限水域中爆炸的沖擊波荷載經驗計算公式：

式中：W 為炸藥裝量，kg；H 為炸藥距離水面的深度，m；S 為荷載傳播距離，m；Pm為沖擊波峰值壓力，MPa；I 為沖擊波比沖量，Pa·s；Rmax為氣泡膨脹的最大半徑，m。表3 為水下荷載測量值和理論計算值比較，對比發現峰值壓力偏差較小，試驗設置準確、有效；但各沖擊波相互作用使得荷載的衰減規律發生了較大的變化，故比沖量偏差較大。

根據式（3）可知本文試驗中氣泡的理論最大半徑為1.47 m，而實際爆深為0.9 m。受氣泡膨脹的推動，自由面會向上運動形成水冢直至破碎，水質點獲得大量動能，出現垂直噴射和徑向飛濺[20]。起爆后各工況均觀察到十幾米高的水柱。此外，因水面被頂開，爆轟產物大量外泄，試驗中未形成完整的氣泡脈動過程，因此本文工況下水下爆炸荷載作用主要發生于沖擊波傳播階段。

圖4 為各工況測點壓力時程曲線，起算時間為爆炸沖擊波到達測點時。不同工況下測點位置荷載變化規律相似，各工況中均出現了3 次較為明顯的超壓作用。爆炸沖擊波到達測點時出現第1 個峰值壓力，亦是最大峰值壓力，隨后水底反射波到達測點位置，第2 個峰值壓力出現。最后一個峰值壓力是由爆炸沖擊波在爆坑側壁產生的反射波引起的。3 次荷載對比如表4 所示，爆炸沖擊波、水底反射波和側壁反射波峰值壓力、衰減時間和比沖量相近，均會對結構產生較大影響，是本文試驗中水下爆炸沖擊波傳播階段的主要毀傷因素。

圖 4 水下測點壓力時程曲線Fig. 4 Underwater shock wave pressure time-history

表 4 沖擊波荷載比較Table 4 Compasion of shock wave pressure

3 結構毀傷情況及分析

3.1 工況1 結構毀傷模式及分析

接觸爆炸下碼頭模型毀傷模式如圖5 所示。爆炸后結構向后整體滑移約35 cm。碼頭毀傷嚴重，迎爆面、側面和頂面均出現較大毀傷。迎爆面外墻被炸穿，填料大量流出。背爆面出現多條較長裂縫，碼頭上部結構迎爆側整體前傾，斷裂為多塊并被部分掀飛，底板無明顯破壞現象。此外，在水下爆炸對迎爆面的沖切和通過倉格向上傳播的沖擊波共同作用下，倉格封倉板與豎向各墻連接處混凝土出現拉剪混合破壞，表現為在沉箱封倉板下緣出現橫向通長裂縫，裂縫在迎爆面和側面較寬，裂紋局部位置在墻的厚度方向貫穿。

3.1.1 面板

迎爆面管溝上部面板被掀飛，前后管溝之間面板斷裂為多塊，后管溝上部面板未出現較為明顯的貫通裂縫。這是由于從結構內部傳來的沖擊波使面板向上彎曲，面板外部受拉嚴重，混凝土開裂，裂縫在厚度方向迅速發展貫穿，面板斷裂為多塊并繼續向上運動導致的。而從內部傳來的沖擊波由迎爆側到背爆側逐漸衰減，對面板的作用效果逐漸減小，故后管溝上部面板的破壞較輕。此外，面板下側與管溝側壁連接位置的混凝土受拉斷裂，面板下緣出現橫向通長裂縫。

3.1.2 迎爆面

迎爆面外墻嚴重內凹，在沉箱底板上沿和封倉板下沿對應位置各有一條較深的橫向貫通裂縫，裂縫由迎爆面延伸至背爆面。2#墻毀傷最嚴重，大部分混凝土破碎或剝落，外墻被炸穿，形成橢圓形爆坑，爆坑內窄外寬。爆坑邊緣混凝土疏松。鋼筋網架與爆坑周邊混凝土向內彎曲，節點最大撓度為13 cm。爆坑邊緣和內部殘留的混凝土被大量徑向、切向和環向裂縫分割成大小不等的碎塊。

炸藥爆炸后，高溫高壓的爆轟產物急劇膨脹，爆炸沖擊波壓力超過混凝土的動態抗壓強度，2#墻大部分的外保護層混凝土被壓碎，形成橢圓形粉碎區，粉碎區深度由起爆位置向四周逐漸變淺。鋼筋網架受沖擊波的應力作用突變，向內彎曲，在粉碎區外與存留的混凝土之間發生黏結破壞。粉碎區消耗了大部分的爆炸能量，沖擊波迅速衰減為壓縮應力波向結構內繼續傳播，此時混凝土雖不會直接被壓碎，但引起的徑向變形帶來的切向拉伸將產生徑向微裂紋，并在尖劈作用下向墻內發展形成較寬的徑向裂縫。爆坑周邊較為明顯的環向通長裂縫是面板向內彎曲變形導致成的，環向裂縫在爆坑周邊和墻體四周較密。直接作用于兩側墻體的爆炸沖擊波荷載較小，毀傷模式以裂縫開展為主。1#和3#墻的毀傷模式相近，在靠近側面位置，墻外表面存在大量的豎向通長裂縫；在靠近倉格底面和頂面位置存在大量橫向通長裂縫。作用于迎爆面的荷載較大，內部縱向隔墻作用有限，迎爆面整體受彎內凹，在迎爆面邊緣產生大量的環向裂縫。墻面其余位置未出現明顯的通長裂縫。受外墻與填料接觸面反射產生的拉伸波的作用，混凝土出現微裂縫，靠近墻體外表面混凝土骨料被拔出，迎爆面出現大量小坑洞。

此外，爆炸沖擊波在水面反射產生的稀疏波與入射沖擊波在近自由面區域疊加，產生氣穴效應，使得結構出現氣穴沖切損傷[14]。倉格封倉板與倉格墻體連接處即處于氣穴作用區域，且該處混凝土抗拉和抗剪能力較弱，在氣穴沖切的作用下易出現拉伸損傷甚至開裂。損傷沿封倉板下緣，從其迎爆面外墻交界處向結構內發展，形成薄弱面，隨后在爆炸對迎爆面沖切作用下進一步發展，最終形成由迎爆面中間發展至背爆面的通長橫向裂縫。

圖 5 水下接觸爆炸碼頭模型毀傷模式Fig. 5 The damage mode of the wharf under contact explosion in water

3.1.3 側面及背爆面

側面毀傷情況較迎爆面輕，毀傷主要出現在倉格封倉板以上部分，以4#和5#墻破壞為例說明。外墻下部毀傷以豎向通長裂紋為主。前管溝整體前傾，下部邊緣混凝土被壓碎。一條較寬的斜裂縫從面板下緣貫通至壓碎區，在墻厚度方向裂縫上深下淺，局部貫穿。此外，斜裂縫在封倉板處發展出兩條橫向裂紋，局部混凝土破裂，鋼筋露出。背爆面在側面外墻和內隔墻對應位置有少量的豎向裂紋，這是由于縱向墻體受爆炸沖切作用向背爆面運動造成的。

3.1.4 內隔墻及封倉板

結構內部的毀傷主要分布于迎爆面中間倉格的隔墻和封倉板。封倉板破壞嚴重，多條橫縱裂縫相互貫通，并在厚度方向貫穿。板與內隔墻的交界處混凝土斷裂，鋼筋拔出，板整體向上隆起。縱隔墻受壓變形較大，與外墻接觸位置混凝土被壓碎。縱隔墻前部鋼筋向外鼓曲，混凝土保護層碎裂，部分鋼筋露出。隔墻向后彎曲變形，在迎爆面和背面均出現大量半環狀裂縫，裂縫由下至上發展，背爆面出現豎向通長裂縫。背爆面裂縫開展較迎爆面嚴重。

3.2 工況2 結構毀傷模式及分析

爆距0.5 m，水下非接觸爆炸下碼頭模型毀傷模式如圖6 所示。爆炸后結構向后整體滑移約35 cm。碼頭迎爆面、側面和頂面均有較大的毀傷，背爆面和底板無明顯毀傷。迎爆面外墻被炸穿，中間倉格填料少量流出。

圖 6 爆距0.5 m 碼頭模型毀傷模式Fig. 6 The damage mode of the wharf at the explosion distance of 0.5 m

迎爆面沉箱底板上沿和封倉板對應位置下沿各有一條較深的橫向貫通裂縫，裂縫由迎爆面延伸至背爆面。倉格封倉板與倉格墻體連接處出現橫向通長裂縫，裂縫由迎爆面中間向背爆面發展，開裂程度逐漸變小。爆炸荷載以水下沖擊波的形式作用于迎爆面，迎爆面整體內凹，2#墻凹陷程度最重，1#墻最輕，墻體邊緣出現環狀裂縫。2#墻體形成邊長約20 cm 的方形爆坑，爆坑中間墻體被炸穿。爆坑外圍混凝土出現大范圍沖切破裂，深度較淺，主要出現在外側鋼筋保護層，部分位置鋼筋外露。2#墻內凹明顯，鋼筋網架亦明顯彎曲，從爆坑到墻體邊緣混凝土分布大量環狀裂縫。環狀裂縫與徑向沖切作用和混凝土部分回彈引起的切向裂縫相互貫通，墻體外表面混凝土大范圍龜裂。此外，由于沖擊波在墻體與倉格填料交界面反射產生的強拉伸波傳播至外表面時，部分靠外的混凝土骨料被附著動能拔出，使得整個迎爆面出現大量小坑洞。

模型其他部位毀傷模式和誘因與工況1 基本相同，縱隔墻無明顯毀傷。值得注意的是，工況2 除迎爆面外，各部位毀傷程度較工況1 基本一致。

3.3 工況3 結構毀傷模式

爆距1 m，水下非接觸爆炸下碼頭模型毀傷模式如圖7 所示。爆炸后結構向后整體滑移約30 cm。碼頭迎爆面、側面和頂面出現明顯毀傷，背爆面和底板無明顯毀傷。

圖 7 爆距1 m 碼頭模型毀傷模式Fig. 7 The damage mode of the wharf at the explosion distance of 1 m

面板頂部出現兩條明顯的橫向通長裂縫，其中遠離迎爆面的一條在碼頭兩側與兩側墻面的斜裂縫相連貫通。面板與管溝側壁連接位置出現橫向通長裂縫，裂縫存在于迎爆面和側面對應位置，未發展至背爆面，開裂程度從迎爆面到側面逐漸減小。迎爆面毀傷以裂縫開展為主，未出現明顯的混凝土破碎，在沉箱底板上沿和封倉板對應位置下沿各出現一條橫向貫通裂縫，裂縫由迎爆面延伸至背爆面。迎爆面墻體內凹，2#墻凹陷程度最重，1#墻最輕，墻體邊緣出現環狀裂縫。爆炸沖擊波到達結構前以球面波形式傳播，2#墻體中部所受荷載較大，2#墻中間偏下一小塊區域內凹明顯，并出現較寬的局部環狀裂縫。迎爆面出現大量混凝土粗骨料尺寸小坑洞。側面毀傷主要出現在上部結構。前管溝整體前傾，管溝下側出現一條斜裂縫，由面板下緣貫通至封倉板下沿，裂縫上深、寬，下淺、窄。側面封倉板下部及背爆面除少量混凝土粗骨料拋出造成的小坑洞外無明顯毀傷。剖開結構后發現，封倉板下表面有多條較淺的橫縱裂縫出現，板與內隔墻的交界處出現較深裂縫，裂縫未貫穿板的厚度方向。橫隔墻邊緣有少量環狀裂縫。縱隔墻無明顯毀傷。

4 水下爆炸碼頭結構毀傷模式及爆距的影響

沉箱碼頭內部結構復雜，介質種類較多，爆炸能量在結構內部傳播情況復雜。在受到復雜荷載作用時，結構內部各構件之間相互影響，毀傷模式較為復雜。將可能出現的主要毀傷模式匯總于表5。

爆距對整體滑移影響較小，對毀傷模式和毀傷程度影響較大。爆距較遠時，毀傷以裂縫擴展為主，較少裂縫互相貫通，局部變形較小，結構完整性和承載能力受影響較小；爆距較近時，迎爆面、側面和上部結構出現大面積變形、材料破壞失效，裂縫大量貫通、貫穿，結構完整性和承載能力嚴重下降。但當爆距過近時，爆炸能量被迎爆面結構變形大量吸收，迎爆面毀傷程度大幅增大，碼頭其他部位毀傷程度增幅放緩。

表 5 沉箱碼頭模型主要毀傷模式Table 5 Damage modes of caisson gravity wharf.

5 結 論

本文通過開展水下爆炸對沉箱重力式碼頭毀傷效應的試驗研究，得到如下結論：

（1）試驗中未形成完整的氣泡脈動過程，荷載超壓主要出現在沖擊波傳播初始階段，爆炸沖擊波、水底反射波和側壁反射波是主要的毀傷因素。

（2）水下爆炸對沉箱重力式碼頭造成的毀傷程度大、模式多、機理復雜。從整體來看，主要毀傷模式為結構整體滑移和變形。從局部來看，除底板外其余部位均有較大毀傷，迎爆面出現局部的爆炸成坑和混凝土破碎失效，墻體內凹明顯，裂縫大量擴展，爆距較近時，外墻被炸穿，倉格內填料流出。前管溝整體前傾，造成通長斜裂縫開展和局部混凝土破碎。面板和封倉板裂縫的開展和貫通較嚴重，爆距較近時，大量裂縫貫穿，板斷裂為多塊，出現整體和局部的明顯隆起，面板甚至會被大面積掀飛。面板、封倉板與其他構件的連接處較為薄弱，易出現拉、剪或拉剪混合破壞。倉格隔墻變形和裂縫開展較輕，當爆距較近時，縱向內隔墻出現較為明顯的偏壓破壞。

（3）同等條件下，爆距越近碼頭毀傷越嚴重，但當爆距過近時，爆炸能量被迎爆面結構變形大量吸收，迎爆面毀傷程度大幅增大，碼頭其他部位毀傷程度增幅放緩。

（4）碼頭主要毀傷部位為迎爆面外墻、迎爆側管溝、封倉板和面板。主要毀傷部位多為碼頭的主要船岸界面和工作平臺，沉箱整體滑移和倉格填料外漏亦會直接影響船舶靠泊環境。水下爆炸對沉箱重力式碼頭造成的毀傷會直接影響碼頭的正常運轉。