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(yè)中水下爆破形成的沖擊波的傳播特性進(jìn)行分析，通過數(shù)值模擬方法，研究爆破沖擊波作用下水下墩柱結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特征。結(jié)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(jié)構(gòu)物接觸后，會沿其兩側(cè)進(jìn)行繞射，并在水下墩柱后方形成高低壓區(qū)交替變換的情況；水下沖擊波與結(jié)構(gòu)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(guān)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(yè)范圍包括在水中、水底或水下固體介質(zhì)內(nèi)進(jìn)行的爆破。然而，水下炸礁爆破作業(yè)環(huán)境在水中的施工復(fù)雜，在極短時間和極小空間內(nèi)釋放巨大能量會向四周產(chǎn)生強(qiáng)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(dāng)則會直接危及結(jié)構(gòu)安全。由于水下爆破介質(zhì)的特殊性，水下爆破相較于陸上爆破的特點(diǎn)如下［1］：

（1）水下爆破所產(chǎn)生的沖擊波峰值壓力要大于空氣中爆破。

（2）水下被爆介質(zhì)處于過飽和狀態(tài)。

（3）水下爆破比空氣中爆破產(chǎn)生更強(qiáng)的地震效應(yīng)。

（4）水下爆破施工影響因素多。

水下爆破產(chǎn)生的振動在水底沿著介質(zhì)向四周進(jìn)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(zhì)的類剛性界面狀態(tài)對水底反射波產(chǎn)生的影響較大［2-3］，水中爆破在水中產(chǎn)生的沖擊波也會衍生地震效應(yīng)，并有可能產(chǎn)生疊加效應(yīng)。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(xiàn)場調(diào)查、試驗(yàn)監(jiān)測等耗時耗力且難度較大，數(shù)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(yùn)河建設(shè)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(jìn)行分析，研究其爆破沖擊波作用下水下墩柱動力響應(yīng)特征。通過三維數(shù)值模擬，再現(xiàn)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(jié)構(gòu)可能發(fā)生破壞的薄弱環(huán)節(jié)，為優(yōu)化爆破作業(yè)和橋墩結(jié)構(gòu)的防護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1研究內(nèi)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?yàn)殇摻罨炷料湫凸皹?，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?qū)挾葹?6.0 m，圓弧半徑為2.0 m）計(jì)算。為研究爆破點(diǎn)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(shè)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(guī)律，模型仍沿用流體力學(xué)的基本定律。假定水為理想流體，忽略熱傳導(dǎo)和粘滯性的影響，水流運(yùn)動的控制方程如下：

質(zhì)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(zhì)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(shù)設(shè)置

水下爆破過程設(shè)計(jì)的參數(shù)包括：炸藥爆熱（Qa）、裝藥半徑（ra）、裝藥密度（ρa(bǔ)）、水壓（p0）、水密度（ρa(bǔ)）、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(jì)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(shù)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(jīng)民富

1.3軟件設(shè)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(xué)模型采用idealgas模型，以確定壓力與密度之間的變化關(guān)系。水下墩柱弧邊由0.1 m的直線進(jìn)行近似，并設(shè)置10層邊界層，2D模擬采用標(biāo)準(zhǔn)1 m網(wǎng)格，3D模型采用標(biāo)準(zhǔn)0.02 m網(wǎng)格，并在柱子區(qū)域加密至0.01 m。

當(dāng)爆破物在水下爆破時，由于化學(xué)反應(yīng)爆破速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳播速度，因此考慮爆破物在爆破后產(chǎn)生的高壓是瞬時的。在實(shí)際工程中，爆破點(diǎn)距離結(jié)構(gòu)物較遠(yuǎn)，爆破近場效應(yīng)對遠(yuǎn)場影響不大，因此擬用局部設(shè)置高壓區(qū)來模擬水中爆破。根據(jù)爆破物JWL公式與Zamyshlyayev經(jīng)驗(yàn)公式［7-8］計(jì)算出，TNT炸藥當(dāng)量50 kg會在半徑5 m的范圍內(nèi)產(chǎn)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(wǎng)格。

2水下爆破沖擊波的傳播特性

2.12D簡單河道區(qū)域模擬

對水下炸礁產(chǎn)生的爆破沖擊波的研究和準(zhǔn)確模擬實(shí)際沖擊波傳播特性是后續(xù)研究橋梁在沖擊波作用下的動力響應(yīng)等情況的基礎(chǔ)。因此，在進(jìn)行河道爆破數(shù)值模擬前，對簡單區(qū)域內(nèi)沖擊波的傳播特性進(jìn)行模擬，以驗(yàn)證模型的可靠性。如圖1（a）所示為數(shù)值模擬采用的模型平面示意圖，所示區(qū)域大小為100 m×100 m，圖中絕對坐標(biāo)30 m處為起爆點(diǎn)；如圖1（b）所示為2D與3D建模計(jì)算采用的邊界條件設(shè)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(chǎn)生的壓力呈球形向周圍擴(kuò)散，沖擊波的高壓區(qū)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(dāng)t=0.025～0.03 s時，核心區(qū)壓力已下降至壓力區(qū)間范圍之外，高壓波面影響半徑約為30 m，而當(dāng)t=0.04 s時，波面前鋒到達(dá)預(yù)設(shè)水下墩柱，前鋒壓力下降為455 kPa，為初始值起爆點(diǎn)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(xù)數(shù)值模擬沖擊波的各項(xiàng)參數(shù)均從中心對稱線處進(jìn)行采樣。

如圖3所示為中心監(jiān)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(qiáng)在離起爆點(diǎn)10 m的范圍內(nèi)呈負(fù)指數(shù)關(guān)系急劇下降，峰值壓強(qiáng)下降約為原來的1/25。此后衰減速度變小，在xgt;15 m后，壓強(qiáng)衰減量與距離基本呈線性相關(guān)關(guān)系，衰減速度為平均每10 m衰減60.3 kPa，模擬結(jié)果與前人的觀測曲線走向基本一致［9］。

2.23D簡單河道區(qū)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(jìn)行3D模擬仿真，水物理模型與2D相同。流場底部邊界條件設(shè)置為wall，頂部邊界條件設(shè)置為outflow。為減小計(jì)算量，模型中間采用對稱邊界（symmetry）。計(jì)算結(jié)果見圖4與下頁圖5。

如圖4和圖5所示分別為3D數(shù)值模擬下不同時刻水下爆破沖擊波傳播規(guī)律的俯視云圖與側(cè)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(shè)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(diǎn)中心壓力開始下降并小于波峰壓力，圖5為圖4的側(cè)視圖，其反映規(guī)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(dāng)沖擊波壓力下降到0.4 MPa時會出現(xiàn)低壓區(qū)，這是由于壁面函數(shù)設(shè)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(qū)越明顯。從中可以分析出，當(dāng)爆破距離越遠(yuǎn)，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(chǎn)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(guī)律，即爆破產(chǎn)生的壓力向周圍擴(kuò)散，沖擊波的高壓區(qū)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(yīng)分析

水下爆破發(fā)生后，沖擊波向前傳播過程中，與水工結(jié)構(gòu)物發(fā)生相互作用，此時計(jì)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(gòu)件變形導(dǎo)致的計(jì)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(qiáng)的壓縮性能和較弱的拉伸性能。若爆破引起的混凝土應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度，則可能存在安全隱患。此處，相同數(shù)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(qiáng)僅有微小變化。而當(dāng)t接近0.04 s時，水下墩柱左右兩側(cè)壓強(qiáng)開始增加，但由于兩側(cè)壓強(qiáng)呈對稱分布，且主應(yīng)力未超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)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(xiàn)繞射并在墩后方疊加，導(dǎo)致水下墩柱轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)兩處高壓值，水下墩柱正后方出現(xiàn)低壓值，此時水下墩柱所受的主應(yīng)力雖未超過抗拉極限，但由于水下墩柱后壓強(qiáng)變化劇烈，需注意水下墩柱上保護(hù)層狀態(tài)。而圖7（d）顯示0.08 s時沖擊波已經(jīng)過水下墩柱，也呈現(xiàn)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(jié)語

通過本算例可知，進(jìn)行水下爆破施工時，依據(jù)實(shí)際裝藥量對水下沖擊波的傳播特性及與結(jié)構(gòu)物作用進(jìn)行理論分析是可行的。若超過安全范圍，可適當(dāng)調(diào)整起爆點(diǎn)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(jié)構(gòu)物進(jìn)行保護(hù)。本文研究的主要結(jié)論如下：

（1）以TNT炸藥當(dāng)量50 kg為例，中心監(jiān)測剖面沖擊波峰值壓強(qiáng)在距起爆點(diǎn)10 m的范圍內(nèi)呈負(fù)指數(shù)關(guān)系急劇下降，峰值壓強(qiáng)下降約為原來的1/25；在該距離gt;15 m后，壓強(qiáng)衰減量與距離基本呈線性下降關(guān)系。

（2）水下爆破沖擊波在水中形成明顯的球狀擴(kuò)散面，但當(dāng)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(jié)構(gòu)接觸后，會沿其兩側(cè)進(jìn)行繞射，并形成兩側(cè)對稱、前高后低、后方局部區(qū)域有疊加峰值的分布情況，其與橋墩結(jié)構(gòu)的作用時間短，壓強(qiáng)變化梯度大，最大變形在水中水下墩柱的中段。

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作者簡介：黃賢智（1986—），副教授，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)安全評估研究工作。