水下钻孔爆破水中冲击波对船舶的有害效应研究

王紫阳，高攀，何亚文，邹永胜，龚正春，龚书堂

摘 要：水下钻孔爆破水中冲击波会对船舶产生巨大的危害，文本对水中冲击波对船舶的动力响应进行了模拟分析，研究得出船舶沿水平径向方向测点速度响应最大，船舶底板直接承受较大的冲击波压力，船舶甲板中部承受较大的拉应力作用，针对结论从改善船舱结构对冲击波的防护能力方面提出了相应的防护措施。

关键词：水下爆破;冲击波;船舶;有害效应

中图分类号：U676.1          文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）12-0076-03

1 引言

水中冲击波的作用时间极短，且冲击波压力大，通常表现出高频的特征[1]，容易使船舶的主体结构产生严重的局部损伤乃至整体破坏。水下钻孔爆破水中冲击波对船舶的影响可以视为水下非接触爆炸对于船舶的作用，船舶受到水下爆炸冲击的环境十分复杂[2]，船舶各部位的冲击响应也不相同。武军[3]结合厦门港招银航道扩建一期工程特点，确定一次性起爆炸药量选取值，进而研究水下爆破对航道两侧建筑物和水中船舶安全性的影响。苏欣[4]应用水下爆破冲击波水声监测系统对厦门海域水下爆破产生的冲击波现场进行了监测，成功得到厦门港招银航道扩建工程中水下爆破冲击波的传播特点和几种典型的海洋环境噪声。赵克来[5]讨论了紧靠爆破区域建（构）筑物如坞门、码头、沉箱及围堰的保护措施，提出了一套水下钻孔爆破地震波、冲击波对建筑物影响的解决方案。代显华[6]研究了水下钻孔爆破水中冲击波有害效应对周围环境影响研究。

因此，在进行水下钻孔爆破的施工前，分析水中冲击波对附近水域船舶的有害效应及采取防护措施是不可或缺的。本文结合具体工程实践，以水下钻孔爆破引起的水中冲击波有害效应对船舶的影响为关键技术问题，深入分析，为其他类似工程提供理论依据和借鉴作用。

2 工程背景

长江上游九龙坡至朝天门河段长22km，属于山区河道，随着三峡水库运行时间的推移，淤积在主航道的泥沙靠自身水流条件不能完全冲刷，甚至会出现新的淤沙浅滩，因此实施长江上游九龙坡至朝天门河段航道炸礁工程，航道周围环境及现场往来船舶如图1所示。

3 数值模拟分析

3.1 模型建立

建模时以炮孔中心线为轴线，建立实际模型的1/2，模型大小为29m×2.5m×19m，上部空气厚度2m，中部水域厚度10m，下部岩体厚度7m。模型示意如图2所示。模型选取φ100mm的炮孔，炮孔的堵塞材料为水介质，孔深7.6m，装药高度5m，孔底部预留2m岩体，使用2#岩石乳化炸药，计算得到单个炮孔总药量为40Kg。采用线型起爆方式，炮孔起爆位置为距离孔底3.1m高处。模型中设水面船舶处于距炮孔轴线距离20m处。

图2  计算模型示意图

3.2水中冲击波对船舶的动力响应

3.2.1 船舶速度响应分析

为研究水中冲击波作用下船舶速度动力响应特征，在船舶首尾的位置设置了4个监测点A、C、D、E，其中A和C三个测点分别位于船舶底板船首及船尾的位置;D和E两个测点分别位于船舶甲板首尾的位置，各测点不同方向速度时程曲线图如图3所示。

表3  各测点不同方向最大速度值

由图3和表3可知，船舶由于水下钻孔爆破而受到水中冲击波的影响，船舶各个测点处均产生了不同程度的结构动力响应，且A、C、D、E四个测点的最大振动速度值均为水平径向方向，说明结构动力响应最大的方向为冲击波的传播方向。此外，由于船舶底板距离爆区最近且在水面以下，将受到水中冲击波的直接作用，而爆破冲击波经过底板到甲板传播衰减后，甲板测点速度响应会有一定的减小，故船舶底板的速度响应远大于甲板。船首的速度响应大于船尾，主要原因是船首与爆源的距离更近，故船首所受到的水中冲击波作用效果更加明显。

3.2.2船舶应力响应分析

不同时刻船舶承受水中冲击波压力云图如图4所示。

由上述压力云图可知，船首与爆源的距离最近，所以船首受到水中冲击波的效果影响最早，100μs时，压力云图显示船首受到了较大的冲击压力效果影响（图中红色区域为压力较大区域）;800μs时，爆破冲击波经过在船舶内的继续传播，甲板的中部开始出现一定的拉应力（图中蓝色区域为拉应力较大区域）;1150μs之后，爆破冲击波经过进一步的传播，使得船舶的压力云图最终趋于稳定，即呈现出最终的作用效果：船底板由于在水下直接受到爆破产生的水中冲击波的作用，明显的受到了较大的压力作用（图中红色区域为压力较大区域），而在受到较大压力作用的船底板对应的上部甲板中部位置，明顯受到了较大的拉应力作用（图中蓝色区域为拉应力较大区域）。

4 水中船舶防护措施

为了避免船舶受到爆破水中冲击波的影响，导致船舶漏水、翻沉事故的发生，水中船舶的保护通常从以下三个方面进行：

4.1从水下爆破源头减弱水中冲击波

水下钻孔爆破时，可以在保证爆破效果的前提下适当减小装药量，或者在装药量不变的情况下选择合适的装药结构、设置合理的起爆顺序以及采取延时起爆，能使总爆炸能量在时间上合理分布，从而减少大药量引起的冲击波超压积累，从源头上降低冲击波能量。

4.2在传播过程中削弱水中冲击波

从传播过程中削弱水中冲击波最优的措施为采用气泡帷幕。冲击波接触气泡帷幕以后，冲击波部分能量会转移给气泡，引起二次气泡脉动现象，且二次气泡脉动的大部分能量，特别是在强有力的压缩下会以热能的形式传递给水介质，由气泡强力压缩及破碎造成水中冲击波的衰减。研究表明，气泡帷幕对冲击波峰值压力有很好的衰减作用，在水下爆破工程运用中气泡帷幕对冲击波峰值压力的衰减值达到90%左右。

4.3减小船舶对水中冲击波的吸收

为减小船舶对水中冲击波的吸收，最有效的方法是采取防护措施保护船舶结构。防护措施可以采用钢-泡沫夹层板或在船舶的表层结构外敷设有一定空腔率的抗冲击瓦，这类措施的原理为利用钢、水、泡沫的阻抗失配以及有一定空腔率的多孔结构的吸能作用，隔离爆炸产生的冲击波，有效提高船舶的抗冲击能力。

5 结论

（1）船舶底板的速度响应值在各个上方向均为最大，主要原因是船舶底板在水面以下，水中冲击波直接作用于船舶底板，而甲板位于水面以上，冲击波传播经过船体衰减以后，会使甲板各测点的速度响应有所减小;船首的速度响应大于船尾，主要原因是船首与爆源的距离近，所受到的水中冲击波作用效果更明显。

（2）通过船舶压力云图分析，船首距离爆源较近，最先受到水中冲击波的影响，产生了较大的冲击压力效果;之后，爆破冲击波经过进一步的传播，甲板的中部开始出现一定的拉应力，最终，船舶整体受力情况基本一致，即船底板明显的受到了较大的压力作用，而在受到较大压力作用的船底板对应的上部甲板中部位置，明显受到了较大的拉应力作用。

参考文献：

[1] 杨文山. 水下接触爆炸舰船局部毁伤及防护机理[D].哈尔滨工程大学，2011.

[2] 陈海龙，姚熊亮，祁磊，张阿漫.舱壁结构在水下爆炸中的动态稳定性研究[J].振动与冲击，2009，28（03）：14-17+196.

[3] 武军 浅析水下炸礁爆破对建筑物、传播安全性的影响[J]. 中国水印， 2012， 5（12）： 197-198.

[4] 苏欣 厦门海域水下爆破冲击波监测与传播特性分析[D]. 厦门： 厦门大学.

[5] 赵克来， 刘胜林. 近距离水下爆破安全防护措施[J]. 中国水运， 2014， 9（14）：336-337.

[6]代显华.水下钻孔爆破水中冲击波有害效应对周围环境影响研究[J].中国水运，2018，（03）：76-77.