張 濤，曹 杰，王 猛，胡坤倫

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中空橡膠帷幕的水下沖擊波防護(hù)特性研究

張 濤，曹 杰，王 猛，胡坤倫

（安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南，232001）

根據(jù)波阻抗理論，設(shè)計了一種含有空氣隔層的水下沖擊波防護(hù)裝置，該裝置能有效固定空氣且在水下爆破工程中易于使用。利用數(shù)值模擬對該裝置的沖擊波防護(hù)特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：該裝置能顯著減小保護(hù)區(qū)水域的壓力波峰值，有效防止沖擊波破壞。

水下爆破；沖擊波；防護(hù)；數(shù)值模擬

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，海港碼頭和航道等水上水下建筑物日益增多，大噸位鉆孔浮船的出現(xiàn)，使得航道疏浚工程量大大增加，這些都促進(jìn)了水下爆破的發(fā)展[1]。由于水的可壓縮性遠(yuǎn)小于空氣，水中沖擊波的作用范圍也比空氣中大得多，并且衰減慢，破壞強(qiáng)度較大，故水下沖擊波為水下爆破最大的安全問題。目前，減小水中沖擊波的技術(shù)方式有兩種：一是微差起爆，減小單次起爆藥量，以降低沖擊波強(qiáng)度，但是一次起爆藥量不可能無限制減少；二是設(shè)置氣泡帷幕，阻隔沖擊波傳播[2]，但這種方法設(shè)備成本過高。本文根據(jù)沖擊波衰減原理設(shè)計了一種由含有空氣隔層的中空橡膠組成的水中沖擊波防護(hù)裝置，該裝置可在水中形成防護(hù)帷幕，有效降低水中沖擊波強(qiáng)度，同時利用數(shù)值模擬計算方法對該裝置的沖擊波防護(hù)特性進(jìn)行了研究。

1 衰減原理

根據(jù)一維彈性波理論，當(dāng)一維彈性波在水中垂直傳入介質(zhì)時，根據(jù)連續(xù)條件、牛頓第三定律以及波陣面動量守恒條件，可知入射壓力σ、反射壓力σ、透射壓力σ之間的關(guān)系為[3]：

+=（2）

式（1）~（2）中：ρ為水的密度；c為水中的波速；ρ為介質(zhì)的密度；c為介質(zhì)中的波速。

由式（1）~（2）可得：

式（3）~（7）中：和分別為透射因數(shù)和反射因數(shù)；為波阻抗比。當(dāng)水中的一維彈性波通過介質(zhì)再透射到水中時，透射波的強(qiáng)度為：

由式（8）可以看出，透射壓力僅與兩種介質(zhì)的波阻抗比值有關(guān)，介質(zhì)與水的波阻抗相差越大，壓力衰減效果越明顯。以上分析以彈性波為例，而波在兩種介質(zhì)交界面上的透射、反射規(guī)律從定性的角度講對任何類型的波(包括水下沖擊波)都成立[4]。

2 模擬試驗

空氣容易獲取且阻抗與水相差較大，是水下爆破施工中衰減水中沖擊波的較佳材料。然而空氣為流體，只有形成連續(xù)性較好的空氣隔層才能有效阻擋和衰減水下沖擊波，故必須采用某種容器將其固定于水中。結(jié)合實際施工情況，該容器材質(zhì)除廉價易得外還需具有足夠的密度和強(qiáng)度以保證帷幕能順利置于水中，因此，選用橡膠聚合物作為帷幕的外層材料。

2.1 模型及算法

水下裝藥簡化為球形藥包，不考慮水下因復(fù)雜邊界引起的雜亂反射，而球形藥包在無限水域下的爆炸沖擊波傳播過程為一個球?qū)ΨQ問題，故將炸藥簡化成為點爆源，水域簡化為具有一定角度的圓弧楔形體，所有材料均采用Euler算法，有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

為驗證空氣隔層在沖擊波衰減中的重要性，數(shù)值計算分為3組，各組計算中水域及炸藥參數(shù)相同，炸藥直徑2cm，水域半徑取2m，僅改變防護(hù)結(jié)構(gòu)，詳情見表1。

表1 防護(hù)結(jié)構(gòu)

Tab.1 Protective structure

2.2 材料模型及參數(shù)

本次模擬涉及到的材料有炸藥(TNT)、水、空氣、橡膠聚合物，TNT選用JWL方程描述爆轟產(chǎn)物狀態(tài)，其形式為：

式（9）中：=ρe，為單位初始體積的內(nèi)能；,,1,2,等是由實驗確定的常數(shù)。各項參數(shù)均列于表2[5]。

表2 TNT材料參數(shù)

空氣狀態(tài)方程為：

式（10）中：0為空氣初始密度；為絕熱指數(shù)；0為氣體比內(nèi)能。

很多測量u和的動力實驗表明，在很寬的壓力范圍內(nèi)，多數(shù)固體和許多液體的這兩個變量間存在一個經(jīng)驗線性關(guān)系式[6]，即：

=0+Su（11）

水和橡膠均采用Shock狀態(tài)方程，該狀態(tài)方程適用于描述材料在沖擊作用下的響應(yīng)。水和橡膠參數(shù)均列于表3。

表3 水、橡膠材料參數(shù)

3 計算結(jié)果及分析

圖2所示為3組所設(shè)情況下的水下沖擊波傳播過程，炸藥起爆后，沖擊波在水中迅速傳播，當(dāng)水中未設(shè)置屏障(a組)，沖擊波順利傳播至遠(yuǎn)端，根據(jù)距離藥包0.5~1.4m所測沖擊波壓力峰分布曲線(圖3)可知，沖擊波峰值壓力滿足關(guān)系式（12）[7]：

圖2 沖擊波傳播過程

式（12）中：P為壓力峰值；為裝藥量；為測點距爆心的距離；為試驗系數(shù)；為壓力衰減系數(shù)。

圖3 a組壓力分布圖

Fig. 3 Pressure distribution of group a

若水中設(shè)置橡膠屏障(b組)，由于橡膠與水具有一定阻抗差距，當(dāng)沖擊波傳至水-橡膠界面時會發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，透射沖擊波繼續(xù)沿入射波的初始方向向遠(yuǎn)處傳播，反射沖擊波則反向傳至裝藥方向，隨后反射繼續(xù)向遠(yuǎn)處傳播，再次傳播至屏障后，會向屏障外透射一個二次沖擊波；c組中設(shè)置了含空氣夾層的橡膠屏障，由于空氣阻抗遠(yuǎn)小于水介質(zhì)，故沖擊波傳至屏障時主要發(fā)生反射現(xiàn)象，圖2(c)中能明顯看出沖擊波在裝藥區(qū)域與屏障間來回反射的過程，嚴(yán)格意義上說，仍會有一部分能量透射至遠(yuǎn)離炸藥的水域，但能量過小，透射波并不能形成沖擊波。

圖4給出了a、b、c 3組位于炸藥遠(yuǎn)端且與屏障相隔0.1m處水域的壓力——時間曲線。

圖4 距屏障0.1m處壓力曲線

由圖4可以看出，雖然b組壓力峰值較無防護(hù)屏障時有所減小，但峰值仍接近12MPa，且最大沖擊波峰值出現(xiàn)后會有1個壓力峰接近4MPa的二次沖擊波，故單層橡膠屏障不僅難以減弱水下沖擊波的破壞效應(yīng)，還會產(chǎn)生二次破壞；c組中防護(hù)屏障增加了空氣夾層，沖擊波經(jīng)過屏障后，在距離屏障0.1m處僅能引起最大峰值與大氣壓同一量級的壓力突躍，防護(hù)效果大大提升，距離屏障1m時壓力峰值僅為0.223 7MPa。3組試驗所測壓力峰值列于表4。

表4 壓力峰值實測值 （MPa）

4 結(jié)論

通過波阻抗理論說明了水下爆破防護(hù)裝置的沖擊波衰減原理，中空橡膠隔層密度大于水，材料廉價易得，可保證充入空氣后整體密度大于水，布設(shè)簡單容易，適用于水下爆破施工。設(shè)計的水下爆破防護(hù)裝置能大大降低保護(hù)區(qū)水域的壓力波峰值，降低水下沖擊波的破壞。但如不含空氣夾層，該裝置還有可能產(chǎn)生由波反射生成的二次破壞，因此，實際施工中應(yīng)避免夾層空氣流失。

[1] 顏事龍,胡坤倫.現(xiàn)代工程爆破理論與技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2007.

[2] 張志波,李春軍,李紅勇,等.氣泡帷幕在水下爆破減震工程中的應(yīng)用[J].爆破,2003,20(2):75-76.

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[7] 庫爾 P.水下爆炸[M].羅耀杰,譯.北京:國防工業(yè)出版社, 1960.

Underwater Blast Protection Feature of Hollow Rubber Curtain

ZHANG Tao，CAO Jie，WANG Meng，HU Kun-lun

（School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan, 232001）

Based on the wave impedance theory，a kind of underwater shock wave protection device containing the air layer was designed，this device can fix air effectively and is easily used in the underwater blasting engineering. Shock protective characteristics of this device were researched by using numerical, the results show that the device could significantly reduce the pressure peak value of the protected water area and effectively prevent the shock wave damage.

Underwater blasting；Shock wave；Protection；Numerical simulation

1003-1480（2019）02-0043-03

TQ560.7

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.02.011

2018-11-12

張濤(1963-)，男，實驗師，從事民用爆破器材技術(shù)研究。