一種新型危險品倉庫結構設計及其安全距離*

劉明君，李 展，謝 偉，尹 青，曾 丹，張亞棟，周 亭

（1.陸軍工程大學爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，江蘇 南京 210007；2.73211 部隊，江蘇 南京 211800；3.軍事科學院國防工程研究院，北京 100036；4.中國兵器工業集團有限公司，北京 100045；5.東南大學爆炸安全防護教育部工程研究中心，江蘇 南京 211189）

炸藥庫、火藥庫、油氣庫、彈藥庫等危險品倉庫在雷電、火災、武器打擊等外界作用下，庫內儲存的危險品易發生爆炸，引發嚴重的安全事故?！?·12 天津濱海新區爆炸事故”導致165 人死亡，798 人受傷，直接經濟損失達70 億元[1]；俄烏沖突中，俄軍新卡霍夫卡軍火庫被烏軍擊中并發生爆炸，導致嚴重的人員傷亡[2]。為確保庫房發生爆炸時周圍人員和環境的安全，充分利用建設場地的地形地貌并預留充足的安全距離，是建設危險品倉庫的首要考量[3]。

根據不同的結構形式，典型的危險品倉庫可分為地面庫、地下庫和覆土庫[4-8]3 類。對各類型危險品倉庫的安全距離已有廣泛研究，并取得了豐富的成果。文獻[4]中指出，地面庫強度低，需與防護土堤等防護設施配合建設。地面庫不能有效限制爆炸沖擊波的傳播和爆炸破片的飛散[4]，且不得存儲有整體性爆炸風險的爆炸物[5]。Park 等[9]基于理論分析和數值計算比較了地面庫和地下庫的安全距離，指出地下庫的最小庫間安全距離比地面庫小62.8%。

地下庫發生爆炸時會引發強烈地震動，導致相鄰庫室墻壁剝落并產生破片拋擲，引發殉爆[5]。云慶[10]、劉桂英等[11]以相鄰庫室墻壁不發生剝落為準則，對地下庫覆蓋層的臨界厚度進行了研究，得到了相鄰庫室的最小間距。Sugiyama 等[12-18]通過縮尺試驗和數值計算的方法對地下庫爆炸產生的沖擊波進行了研究，分析了庫房洞室長徑比、口部尺寸及裝藥形狀對沖擊波的傳播和安全距離的影響。Wu 等[19]通過數值計算的方法對不同圍巖條件下的地下庫內爆炸進行了研究，提出了估算地下庫周圍損傷區域、相鄰庫室之間安全間距和安全埋置深度的經驗公式。

由于建設方便、費效比優良，覆土庫在危險品倉庫建設中廣泛使用。Weals[20]對覆土庫開展了4 組大比例爆炸試驗，得到了防止兩側及后方庫房相鄰庫房殉爆的最小庫間距離和結構破片的飛散范圍。Oswald[21]認為，覆土庫爆炸破片的飛散范圍與藥室比和庫房的材料有關。李錚等[22]通過縮尺試驗，研究了丘陵地區覆土危險品倉庫爆炸沖擊波的傳播規律，指出了該型庫房爆炸時沖擊波流場分布的方向性。Kim 等[23]、榮凱等[24]分別通過縮尺試驗和數值計算研究了覆土庫爆炸產生的沖擊波的衰減規律，表明覆土可在一定程度上限制爆炸沖擊波向庫房兩側及后方傳播，庫房兩側及后方的超壓峰值、沖量小于地面庫爆炸。渡辺萌奈等[25]通過1∶10 和1∶20 的小比例縮尺爆炸試驗對覆土庫的爆炸破片進行研究，發現覆土越厚爆炸破片的飛散范圍越小。

現有研究結果表明，危險品倉庫的安全距離受其結構形式的影響很大：一般情況下，地面庫安全距離大[5]；地下庫多修建于山體中，可有效減小安全距離，但其建設受到地形地貌的限制大[4-5]；覆土庫適用范圍廣，其爆炸沖擊波的流場分布具有方向性，與地面庫相比能在一定程度上減小兩側及后方的安全距離，但減小程度有限，且破片的方向性不強[5]。雖然上述3 種形式的庫房已被廣泛研究和應用，但仍難以滿足在相對平坦開闊場地且安全距離受限環境中的建設需求。

為解決此問題，本文中借鑒地下庫和覆土庫的結構特征和研究成果，針對一種新的結構形式的危險品倉庫，開展3 組縮尺模型野外爆炸試驗，研究倉庫各組成部分對爆炸沖擊波傳播和爆炸破片飛散的影響，擬合沖擊波超壓峰值隨比例距離的衰減公式，給出新型危險品倉庫的爆炸沖擊波安全距離，以期為平坦場地、安全距離受限的條件下修建危險品倉庫提供解決方案。

1 新型危險品倉庫的結構形式

借鑒地下庫和覆土庫爆炸沖擊波和破片具有方向性的特點，新型危險品倉庫的基本設想是：修建一種地下淺埋式危險品倉庫，庫房前端朝向允許泄爆方向，庫房主體上方兩側和后方一定范圍內堆填適當高度的土壤，以限制庫房爆炸對兩側及后方的影響，減小庫房兩側及后方的安全距離。進一步在主體上方堆土中設置一塊鋼筋混凝土板（稱為分配板），使更多的堆土能夠參與抑制爆炸沖擊波傳播，以期分散庫房爆炸產生的沖擊波荷載。由此，新型危險品倉庫主要由淺埋式庫房主體、頂部堆土（heaped-up earth cover,HEC）和鋼筋混凝土分配板3 部分組成，如圖1所示。

圖1 新型危險品倉庫的結構形式Fig.1 Structure of a novel hazards warehouse

庫房主體的斷面形式為直墻拱，口部朝向開闊方向（泄爆方向），前墻外側少量堆土或不堆土。頂部堆土前低后高，截面形狀為梯形，梯形上底位于裝藥中心后側。分配板前小后大呈梯形，底面與地面平齊，前端在裝藥中心以前，后端在庫房主體之后，左右兩端完全覆蓋庫房主體。前墻外側設置運輸通道，用于庫內危險品的運輸。

2 試驗設計

2.1 試驗模型

為驗證新型庫房設計的合理性，研究分配板和庫房主體強度對爆炸沖擊波、爆炸破片的影響，制作了3 組縮尺模型?？s尺模型各組成部分如圖2 所示。庫房主體強度分為“強”“弱”兩種?！皬妿旆俊睘殇摻罨炷两Y構，采用C30 混凝土和HRB 400 級鋼筋；庫房主體墻壁厚0.10 m，配筋率0.8%，前墻為砌體結構；“弱庫房”為波紋鋼結構。分配板為鋼筋混凝土結構，尺寸為3.1 m×2.5 m/5.5 m×0.15 m（長×寬（前/后）×厚），采用C80 混凝土和HRB 400 級鋼筋，配筋率1.0%。

圖2 試驗模型各組成部分Fig.2 Components of test models

3 組試驗模型分別編號為模型1、2、3。3 組試驗模型頂部堆土的高度、范圍、土質等情況均一致，模型1 為“弱庫房”結構，無分配板；模型2 設置分配板，其余情況同模型1；模型3 為“強庫房”結構，設置分配板。庫房主體、分配板及頂部堆土的尺寸及相對位置如圖3 所示。圖4 為庫房模型現場照片，模型3 分配板埋在土中，分配板不可見。

圖3 試驗模型及頂部堆土尺寸（單位：m）Fig.3 Size of the test models and heaped-up earth cover (unit: m)

圖4 試驗模型現場照片Fig.4 Photos of the test models

2.2 試驗工況

根據新型危險品倉庫的設計儲藥量和爆炸相似律[26]，各縮尺試驗模型的裝藥量均為156 kg，采用柱狀TNT 裝藥，裝藥底面中心與庫房主體的地面中心重合，如圖5 所示。采用8#電雷管起爆及120 g 傳爆藥柱傳爆。

圖5 試驗模型裝藥情況Fig.5 Charging of test models

對比試驗模型1～2，研究分配板對爆炸沖擊波傳播、爆炸破片飛散的影響；對比試驗模型2和模型3，研究庫房主體強度對爆炸沖擊波傳播、爆炸破片飛散的影響。試驗工況如表1 所示。

表1 縮尺試驗模型情況Table 1 Cases of scaled test model

2.3 測點布置

試驗測量了庫房周圍的地面沖擊波壓力分布，并記錄了3 組模型試驗的爆炸過程。

地面沖擊波壓力測點布置如圖6 所示，以模型的開口朝向為0°方向，沿逆時針在0°、30°、60°、90°、135°、180°方向分別布置沖擊波壓力測點。壓力傳感器采用PCB 113 型，如圖7 所示，傳感器測量面與地面平齊，量程范圍均為0 ～ 0.69 MPa。

圖6 測點和高速攝像機布置Fig.6 Locations of gauges and high-speed camera

圖7 沖擊波超壓傳感器Fig.7 Setup of shock wave overpressure sensor

采用IX 黑白高速攝像機記錄爆炸過程，拍攝速度為10 000 s-1。使用徠卡FlexLine plus 全站儀統計爆炸破片的飛散角度和飛散距離。

3 試驗結果

3.1 爆炸過程

圖8 給出了高速攝像機記錄的試驗模型爆炸過程?？蓪⒈ㄟ^程分為4 個階段。（1）起爆階段，即炸藥起爆至爆轟產物沖出庫房口部階段。炸藥起爆后，爆轟產物從庫房前端沖出，受運輸通道阻擋向上傳播，并出現火光。以炸藥起爆時刻為0 ms，模型1、2、3 出現火光的時刻分別為0.4、0.4、1.6 ms。（2）前墻破壞階段，即爆轟產物沖出庫房口部至前墻破壞階段。在炸藥的爆炸作用下，庫房前墻迅速破壞，爆轟產物泄出并形成火球，伴有沖擊波從庫房前墻處泄出。模型1、2、3 出現火球的時刻分別為1.4、1.4、2.7 ms。（3）結構破壞階段，即前墻破壞至頂部堆土開始掀起階段。在爆炸荷載作用下，庫房主體發生破壞并產生結構破片，頂部堆土向上掀起，堆土和破片向前、向上飛散。此階段可以清晰地觀察到沖擊波呈橢球形向外傳播，橢球球心位于前墻處，沖擊波從頂部堆土上方、兩側繞射至庫房后側。試驗模型1、2、3 頂部堆土開始掀起的時刻分別為47.7、54.2、72.8 ms，頂部堆土開始掀起時，沖擊波波陣面已在高速攝像機畫面外。（4）破片、堆土飛散階段，即頂部堆土掀起至堆土、破片落地階段。此階段結構破片向前飛散，頂部堆土從前至后被掀起、拋灑。

圖8 各試驗模型高速攝像圖像Fig.8 High-speed camera photos of the three tests

爆炸過程中，3 組試驗模型的爆炸沖擊波均以庫房前墻處為中心向外傳播，爆炸破片向前、向上飛散，說明本文中提出的庫房形式改變了爆炸沖擊波傳播和破片飛散的方向，達到了定向泄爆的目的。

3.2 超壓峰值

提取3 組試驗模型中各測點的沖擊波超壓峰值，并與TNT 在軟質地面爆炸的經驗公式[27]計算結果進行對比。經驗公式[27]為：

式中：p為超壓峰值，MPa；Z為比例距離，m/kg1/3。

試驗數據與對比結果如圖9 所示。由圖9 可知，試驗測得的超壓峰值隨比例距離的增大呈對數衰減，這與經驗公式計算結果趨勢一致，主要由TNT 爆炸產生的沖擊波在空氣中擴散衰減造成的。對比不同方向的超壓峰值發現，同一比例距離處超壓峰值隨角度增加而減小。例如，比例距離為1.39 m/kg1/3處，模型1、2、3 在180°方向的超壓峰值分別為0°方向的23%、12%、9%，比例距離為13.23 m/kg1/3處，模型1、2、3 的超壓峰值分別為0°方向的59%、43%、25%，說明爆炸沖擊波傳播過程具有明顯的方向性。

圖9 各試驗模型超壓峰值Fig.9 Peak pressure of the three tests

3.3 爆炸破片

3 組試驗模型的爆炸破片均分布在庫房前側-90°～90°方向范圍內，如圖10 所示。模型1 的典型破片為4 塊波紋鋼破片，其中3 塊分布在-30°～30°范圍內，飛出較遠的一塊在45°方向；模型2 的爆炸破片主要分布在-30°～30°范圍內；模型3 的爆炸破片集中分布在-60°～60°范圍內。由此說明，3 組試驗模型爆炸破片的分布具有明顯的方向性，符合定向泄爆的預期。

圖10 爆炸破片分布圖Fig.10 Distribution of explosion debris

對比各組試驗模型的破片數量及分布范圍發現，混凝土庫房的破片數量和飛散距離遠大于波紋鋼庫房，最大飛散比例距離達32.8 m/kg1/3，是模型1 的2.5 倍。這表明波紋鋼材料延展性好，在庫房內爆炸作用下形成的破片體積大、數量少，而鋼筋混凝土材料延展性差，在爆炸荷載作用下，易形成大量破片。

4 沖擊波安全距離

4.1 沖擊波超壓分布規律

為定量研究新型危險品倉庫爆炸沖擊波的方向性及分配板、庫房主體強度對沖擊波傳播的影響，對比3 組試驗模型在同一方向上的超壓峰值，如圖11 所示。

圖11 沖擊波超壓峰值、地面爆炸經驗公式及擬合公式Fig.11 Peak pressures, empirical formula and fitting functions of shock waves

由圖11 可知，在0° ～ 180°方向上，模型1 測得的沖擊波超壓峰值均小于地面爆炸經驗公式[27]的計算結果，且在135°和180°方向上更明顯。如比例距離為2.78 m/kg1/3處，相較于地面爆炸經驗公式[27]計算結果，模型1 的超壓峰值降低了54% ～ 76%。

對比試驗模型1、2 各方向的沖擊波超壓峰值發現，在頂部堆土、庫房強度等條件相同的情況下，分配板提高了模型2 在0°、30°方向的超壓峰值。比例距離為2.78 m/kg1/3處，模型2 的超壓峰值分別為64.42、72.04 kPa，相較于模型1 的60.15、62.13 kPa 分別高出了7%和16%；60°方向上，模型2 與模型1 的超壓峰值相差不大，平均相差0.5%；90°方向上，比例距離大于2.04 m/kg1/3時，模型1、2 的超壓峰值平均相差不足2%；135°、180°方向上，模型2 各測點的超壓峰值相較于模型1 明顯更低，如比例距離為3.25 m/kg1/3處，模型2 的超壓峰值分別為19.55、17.65 kPa，分別是模型1 的73%（26.68 kPa）和68%（26.11 kPa）。這表明分配板能夠進一步增強庫房的定向泄爆性能，顯著降低了庫房側后方、正后方的超壓峰值，減小了該方向的安全距離。分配板在庫房爆炸作用下的運動變形是與爆炸沖擊波傳播強耦合的過程[28]：在爆炸作用下分配板向上運動并向后翻轉，期間發生變形、破壞，但其結構響應與破壞遠滯后于沖擊波傳播；當沖擊波作用于分配板時，由于鋼筋混凝土材料強度高、波阻抗大[27]，分配板使更多的堆土能夠參與抑制爆炸沖擊波向四周擴散，起到了分散爆炸荷載的作用，阻擋沖擊波向庫房后方傳播。

對比試驗模型2、3 的超壓峰值發現，鋼筋混凝土庫房主體可減小庫房兩側、后方的沖擊波超壓峰值，135°和180°方向尤為明顯。以180°方向為例，比例距離為2.78 m/kg1/3處，模型3 的超壓峰值為13.83 kPa，相較于模型2 的23.04 kPa 減小了40%；比例距離為7.19 m/kg1/3處，模型3 的超壓峰值為5.67 kPa，不足模型2 超壓峰值的50%（11.51 kPa）。這表明庫房主體的結構和強度會影響沖擊波傳播，可歸結于兩方面因素：（1）相較于模型2，模型3 庫房主體強度更高，前墻（砌體）強度與庫房主體其他部分（鋼筋混凝土）強度相差較大，爆炸沖擊波作用于庫房主體時，前墻迅速破壞并發生泄爆，沖擊波與爆轟產物從前墻泄出，從而減小了庫房兩側及后方的超壓峰值；（2）鋼筋混凝土庫房主體在破壞過程中能夠消耗更多的爆炸沖擊波能量，遲滯了庫房前部上方覆土掀開的過程，從而降低了庫房外側的爆炸荷載。

4.2 沖擊波安全距離

對圖11 中各方向沖擊波超壓峰值隨比例距離的衰減規律進行公式擬合，以超壓峰值0.10、0.05 和0.02 MPa 作為沖擊波對人員的重傷、輕傷和安全的毀傷閾值[29-30]，繪制沖擊波超壓對人員的毀傷范圍，如圖12 所示。

由圖12 可知，模型1 后方的沖擊波安全距離顯著小于地面爆炸經驗公式[27]的計算結果。135°、180°方向上，沖擊波對人員的安全距離分別為4.16 和4.37 m/kg1/3，相較于地面爆炸經驗公式[26]的計算值（8.38 m/kg1/3）分別減小50%和48%。這與淺埋式庫房主體和頂部堆土形狀有關：淺埋式庫房主體限制了爆炸沖擊波向兩側及后方傳播；前低后高的堆土形式致使堆土前端強度弱、后端強度高，有利于沖擊向前泄出，促進庫房內爆炸的定向泄爆，顯著減小庫房90° ～ 180°方向的沖擊波安全距離。

圖12 各試驗模型沖擊波超壓峰值等值線及對比Fig.12 Isolines and comparison of peak pressures of the test models

對比試驗模型1、2 的沖擊波安全距離，發現135°、180°方向上，模型2 的沖擊安全距離分別為3.38、3.07 m/kg1/3，相較于模型1 的4.16 和4.37 m/kg1/3分別減小了19%和30%；與地面爆炸經驗公式[27]相比分別減小了60%和63%。由此說明，分配板能有效減小庫房后方的沖擊波安全距離。對比試驗模型2、3 的沖擊波安全距離，發現135°、180°方向上，模型3 的沖擊波安全距離分別為2.40、1.91 m/kg1/3，較模型2 的3.38 和3.07 m/kg1/3分別減小了29%和38%；與地面爆炸經驗公式[27]相比，分別減了71%和77%。由此說明，相較于波紋鋼庫房主體，鋼筋混凝土結構顯著減小了庫房后方的沖擊波安全距離。

對比試驗模型3 與覆土庫[24]的沖擊波安全距離，發現135°、180°方向上，覆土庫[24]的沖擊安全距離分別為4.13、4.27 m/kg1/3，分別為模型3 的1.72 倍和2.24 倍。由此說明，相較于覆土庫[24]，新型危險品倉庫可使庫房后方的沖擊波安全距離減小約50%。

5 結 論

針對一種新的結構形式的危險品倉庫開展了縮尺模型試驗，驗證了新型結構形式的合理性，并分析了主體結構強度和鋼筋混凝土分配板的影響，得到以下主要結論。

(1)新型危險品倉庫可有效實現定向泄爆，減小爆炸沖擊波和破片對庫房兩側及后方的影響范圍，與地面爆炸經驗公式[27]相比，庫房兩側及后方的安全距離最大可減小77%；與覆土庫[24]相比，庫房兩側及后方的安全距離可減小約50%。

(2)頂部堆土能有效限制爆炸沖擊波的傳播和爆炸破片的飛散，使爆炸破片集中分布在庫房前側，并減小沖擊波在庫房后方的安全距離。

(3)分配板是新型倉庫結構的重要組成部分，能夠加強定向泄爆效果、減小庫房前側爆炸破片的飛散角度，并使庫房后側的安全距離進一步減小30%。

(4)與波紋鋼庫房主體相比，鋼筋混凝土庫房主體后側的安全距離最大可減小38%，但產生的破片數量更多，且向庫房前端的飛散距離更遠、分布范圍更大。