水下爆破沖擊波特性及其對水下墩柱作用的影響分析

摘要：文章依托梧州市西江大橋5#橋墩，針對航道加深、拓寬作業中水下爆破形成的沖擊波的傳播特性進行分析，通過數值模擬方法，研究爆破沖擊波作用下水下墩柱結構的動力響應特征。結果表明：水下沖擊波在水底的傳播速度急劇衰減，沖擊波對水下墩柱上部影響更大；沖擊波與水下墩柱結構物接觸后，會沿其兩側進行繞射，并在水下墩柱后方形成高低壓區交替變換的情況；水下沖擊波與結構物的作用時間短，壓力、速度梯度大，水下墩柱最大變形在中段。

關鍵詞：水下沖擊波；傳播特性；水下墩柱；水下爆破

中文分類號：U615.6A632115

0引言

水下爆破是航道疏浚工程中拓寬、加深航道的主要方法之一，也是工程爆破的一個重要組成部分，其作業范圍包括在水中、水底或水下固體介質內進行的爆破。然而，水下炸礁爆破作業環境在水中的施工復雜，在極短時間和極小空間內釋放巨大能量會向四周產生強大的沖擊波、震動波等。在此爆破過程中，炸藥量和爆破距離的選擇對周邊既有建筑物具有顯著影響，處理不當則會直接危及結構安全。由于水下爆破介質的特殊性，水下爆破相較于陸上爆破的特點如下［1］：

（1）水下爆破所產生的沖擊波峰值壓力要大于空氣中爆破。

（2）水下被爆介質處于過飽和狀態。

（3）水下爆破比空氣中爆破產生更強的地震效應。

（4）水下爆破施工影響因素多。

水下爆破產生的振動在水底沿著介質向四周進行傳播，水面自由面能夠削弱沖擊波的作用。由于水下固體介質的類剛性界面狀態對水底反射波產生的影響較大［2-3］，水中爆破在水中產生的沖擊波也會衍生地震效應，并有可能產生疊加效應。爆破的高度非線性特征，很難用理論的解析方法來獲取，并且由于現場調查、試驗監測等耗時耗力且難度較大，數值模擬成為研究水下爆破過程的有力手段。因此，本文以平陸運河建設中的水下爆破為工程背景，對水下爆破形成的沖擊波的傳播特性進行分析，研究其爆破沖擊波作用下水下墩柱動力響應特征。通過三維數值模擬，再現水下爆破的震動波及沖擊波傳播過程以及水中速度、壓力場的分布特性，研究水下爆破沖擊下橋墩結構可能發生破壞的薄弱環節，為優化爆破作業和橋墩結構的防護設計提供依據。

1研究內容及主要方法

1.1物理模型的建立

本研究以梧州市西江大橋5#橋墩為例。該橋為鋼筋混凝土箱型拱橋，孔徑組合為65 m+（5×93） m+（2×65） m，矢跨比為1/7。5#橋墩截面為圓端形，墩高26.0 m，取墩柱中段截面（縱向長度為4.0 m，橫向寬度為16.0 m，圓弧半徑為2.0 m）計算。為研究爆破點沖擊波對長直水道中水下墩柱的影響，爆源起爆位置距離水下墩柱50 m。其中，水、空氣、炸藥采用歐拉法建模，模型邊界設置為開放邊界，水流速度為0。為模擬研究波在水中的傳播規律，模型仍沿用流體力學的基本定律。假定水為理想流體，忽略熱傳導和粘滯性的影響，水流運動的控制方程如下：

質量守恒方程：

ρt+SymbolQC@（ρv）=0（1）

動量守恒方程：

ρvt=－SymbolQC@p+μSymbolQC@2v+f（2）

能量守恒方程：

ρEt=Pdρρdt（3）

沖擊波方程則借助質量、動量和能量守恒定律，采用控制體積法求得。模型參考A.K.Hopkins等［4］的研究成果。沖擊波方程組如下：

u1－u0=（p1－p0）[JB（（]1ρ0－1ρ1[JB））]（4）

ud－u0=1ρ0（p1－p0）[JB（（]1ρ0－1ρ1[JB））]（5）

E1－E0=12（p1+p0）[JB（（]1ρ0－1ρ1[JB））]（6）

式中：u0——沖擊波振前速度；

u1——陣后的流體速度；

[KG-0.4mm]ud——沖擊波的傳入速度。

1.2參數設置

水下爆破過程設計的參數包括：炸藥爆熱（Qa）、裝藥半徑（ra）、裝藥密度（ρa）、水壓（p0）、水密度（ρa）、爆心距（Ra）等［5-6］。爆破沖擊波峰值壓力采用基于量綱分析的方法求出，其計算公式為：

p=f[JB（（]raR[JB））]（7）

模型中，水的密度取1×103 kg/s，水的動力粘滯系數取1×10-6 m2/s，模型的截斷邊界均施加無反射開放邊界。

[=XSL（]水下爆破沖擊波特性及其對水下墩柱作用的影響分析/黃賢智，陳藝，王彬諭，經民富

1.3軟件設置

采用Ansys軟件中的fluent模塊分析，單相流可壓縮模型，材料為fluent材料庫中的water-liquid，熱力學模型采用idealgas模型，以確定壓力與密度之間的變化關系。水下墩柱弧邊由0.1 m的直線進行近似，并設置10層邊界層，2D模擬采用標準1 m網格，3D模型采用標準0.02 m網格，并在柱子區域加密至0.01 m。

當爆破物在水下爆破時，由于化學反應爆破速度遠遠大于傳播速度，因此考慮爆破物在爆破后產生的高壓是瞬時的。在實際工程中，爆破點距離結構物較遠，爆破近場效應對遠場影響不大，因此擬用局部設置高壓區來模擬水中爆破。根據爆破物JWL公式與Zamyshlyayev經驗公式［7-8］計算出，TNT炸藥當量50 kg會在半徑5 m的范圍內產生27.9 MPa的壓力，故將局部高壓賦予距離水下墩柱50 m的網格。

2水下爆破沖擊波的傳播特性

2.12D簡單河道區域模擬

對水下炸礁產生的爆破沖擊波的研究和準確模擬實際沖擊波傳播特性是后續研究橋梁在沖擊波作用下的動力響應等情況的基礎。因此，在進行河道爆破數值模擬前，對簡單區域內沖擊波的傳播特性進行模擬，以驗證模型的可靠性。如圖1（a）所示為數值模擬采用的模型平面示意圖，所示區域大小為100 m×100 m，圖中絕對坐標30 m處為起爆點；如圖1（b）所示為2D與3D建模計算采用的邊界條件設定。

如圖2所示為模擬水中起爆典型時刻沖擊波壓力分布云圖。從圖2中可以看出，藥包爆破產生的壓力呈球形向周圍擴散，沖擊波的高壓區分布于波面前鋒，從核心到前鋒，壓力逐漸減小，核心壓力值隨時間快速下降。當t=0.025～0.03 s時，核心區壓力已下降至壓力區間范圍之外，高壓波面影響半徑約為30 m，而當t=0.04 s時，波面前鋒到達預設水下墩柱，前鋒壓力下降為455 kPa，為初始值起爆點壓力值（13 780 kPa）的1/30。如圖2（a）所示的黑線為中心對稱線，后續數值模擬沖擊波的各項參數均從中心對稱線處進行采樣。

如圖3所示為中心監測剖面上的峰值壓力分布曲線圖。從圖3可以看出，中心截面的峰值壓強在離起爆點10 m的范圍內呈負指數關系急劇下降，峰值壓強下降約為原來的1/25。此后衰減速度變小，在xgt;15 m后，壓強衰減量與距離基本呈線性相關關系，衰減速度為平均每10 m衰減60.3 kPa，模擬結果與前人的觀測曲線走向基本一致［9］。

2.23D簡單河道區域模擬

將2D模型向上拉伸20 m，考慮水深度與重力對沖擊波在水中的傳播進行3D模擬仿真，水物理模型與2D相同。流場底部邊界條件設置為wall，頂部邊界條件設置為outflow。為減小計算量，模型中間采用對稱邊界（symmetry）。計算結果見圖4與下頁圖5。

如圖4和圖5所示分別為3D數值模擬下不同時刻水下爆破沖擊波傳播規律的俯視云圖與側視云圖。從圖4可以看到3D模擬與2D模擬傳播情況類似。在相同的物理模型設定下，波的傳播速度一致，在0.01 s時，波峰均傳播20 m；在0.02 s時，起爆點中心壓力開始下降并小于波峰壓力，圖5為圖4的側視圖，其反映規律與圖4類似，但可以看出，從0.01 s開始，在沖擊波與河底的接觸部位，當沖擊波壓力下降到0.4 MPa時會出現低壓區，這是由于壁面函數設置為不可滑動面，即壁面接觸面的切向速度為0 m/s，反映了壁面摩擦力對流體的約束作用，沖擊波壓力越小，低壓區越明顯。從中可以分析出，當爆破距離越遠，沖擊波對水下墩柱底部的影響越小，沖擊波會對水下墩柱的上部產生更大的影響。如下頁圖6所示，3D模型底面對稱軸處壓力時程曲線圖也反映了上述沖擊波壓力在水中傳播的規律，即爆破產生的壓力向周圍擴散，沖擊波的高壓區分布于波面前鋒，核心壓力值隨時間快速下降。

3水下爆破下水下墩柱響應分析

水下爆破發生后，沖擊波向前傳播過程中，與水工結構物發生相互作用，此時計算額外考慮流體的黏度影響，加入湍流與波的反射的影響。由于沖擊波傳播速度[JP]很快且混凝土墩柱剛度較大，構件變形導致的計算模型改變影響很小，因此流固耦合采用單向流固耦合。水中的混凝土墩柱為脆性材料，具有較強的壓縮性能和較弱的拉伸性能。若爆破引起的混凝土應力大于抗拉強度，則可能存在安全隱患。此處，相同數值模擬條件下，考慮水下墩柱上方無荷載的情況，水下爆破場對水下墩柱的影響見圖7。從圖7可以看出，在t=0.03 s前，沖擊波對水下墩柱的影響較小，水下墩柱周邊壓強僅有微小變化。而當t接近0.04 s時，水下墩柱左右兩側壓強開始增加，但由于兩側壓強呈對稱分布，且主應力未超過混凝土的極限抗拉強度，對水下墩柱無破壞性影響。圖7（c）顯示沖擊波在水下墩柱處出現繞射并在墩后方疊加，導致水下墩柱轉角處出現兩處高壓值，水下墩柱正后方出現低壓值，此時水下墩柱所受的主應力雖未超過抗拉極限，但由于水下墩柱后壓強變化劇烈，需注意水下墩柱上保護層狀態。而圖7（d）顯示0.08 s時沖擊波已經過水下墩柱，也呈現左右對稱，前高后低的分布，但此時二次壓力峰值的絕對值較少，對水下墩柱無明顯影響。如圖8和圖9所示，沖擊波對水下墩柱的x軸向最大變形位為0.82 mm，最大壓力為1.03 MPa，整個影響過程約為0.04 s。

4結語

通過本算例可知，進行水下爆破施工時，依據實際裝藥量對水下沖擊波的傳播特性及與結構物作用進行理論分析是可行的。若超過安全范圍，可適當調整起爆點距離，或考慮添加隔爆鋼板、橡膠層等措施來對水下墩柱等結構物進行保護。本文研究的主要結論如下：

（1）以TNT炸藥當量50 kg為例，中心監測剖面沖擊波峰值壓強在距起爆點10 m的范圍內呈負指數關系急劇下降，峰值壓強下降約為原來的1/25；在該距離gt;15 m后，壓強衰減量與距離基本呈線性下降關系。

（2）水下爆破沖擊波在水中形成明顯的球狀擴散面，但當沖擊波接觸到水道底部時，由于河床壁面對水的摩擦作用，沖擊波在水底的傳播速度急劇衰減，造成沖擊波對水下墩柱的上部影響更大。

（3）水下沖擊波與橋墩結構接觸后，會沿其兩側進行繞射，并形成兩側對稱、前高后低、后方局部區域有疊加峰值的分布情況，其與橋墩結構的作用時間短，壓強變化梯度大，最大變形在水中水下墩柱的中段。

參考文獻：

［1］尹訓強，呂碩碩，王桂萱.水下爆炸作用下近岸場地動態響應數值模擬［J］.科學技術與工程，2022，22（5）：2 009-2 015.

［2］黃賢智，王彬諭，經民富，等.水下炸礁沖擊波對橋墩作用的數值模擬［J］.廣西水利水電，2022（5）：3-7.

［3］胡晶，陳葉青，王思，等.基于球面波沖擊因子的重力壩水下爆破效應評估［C］.水庫大壩智慧化建設與高質量發展，2023.

［4］Swift，H.F.，amp; Hopkins，A.K.Effects of bumper material properties on the operation of spaced meteoroid shields［J］.Journal of Spacecraft and Rockets，1970，7（1）：73-77.

［5］張玉龍.水下爆炸作用下懸浮隧道圓柱殼模型動力響應及損傷研究［D］.西安：長安大學，2021.

［6］王平平，張阿漫，彭玉祥，等.近場水下爆破瞬態強非線性流固耦合無網格數值模擬研究［J］.力學學報 2022，54（8）：2 194-2 209.

［7］COLERH.Underwater explosions ［M］.New York： Dover Publications，1965.

［8］ZAMYSHLYAEV B V，YAKOVLEV Y S.Dynamic loads in underwater explosion ［M］.Washington，DC，USA：Intelligence Support Center，1973.

［9］胡亮亮，黃瑞源，李世超，等.水下爆破沖擊波數值仿真研究［J］.高壓物理學報，2020，34（1）：102-114.

基金項目：廣西壯族自治區港航發展中心“西江航運干線貴港至梧州3 000噸級航道工程建設指揮部技術服務項目”（編號：GWHD-ZX-2021-02）；2022年度廣西交通運輸行業重點科技項目“航道建設與整治工程水下爆破振動對建筑結構的影響與爆破減振關鍵技術研究”（桂交便函〔2022〕174號）；2020年度第二批廣西交通運輸行業重點科技項目清單“基于壓電材料的橋梁結構病害發展狀況分析及智能評估方法研究”（桂交便函〔2020〕111號）

作者簡介：黃賢智（1986—），副教授，主要從事橋梁結構安全評估研究工作。