水下炸礁冲击波对桥墩作用的数值模拟

黄贤智，王彬谕，经民富，陈 艺

（1.广西交通职业技术学院，南宁 530023；2.广西壮族自治区梧州航道养护中心，广西 梧州 543001）

0 引言

采用水下炸礁爆破方式破碎水下礁石，可以改善水流流态，加深、拓宽航道，开挖港池，清除碍航暗礁等。水下炸礁爆破是一项复杂而又繁琐的工作，施工作业环境在水中，爆破施工在极短时间、极小体积内发生极大能量转换，产生强烈的震动波、冲击波等，炸礁爆破过程中，不恰当的炸药量、不合适的爆破距离，很容易对周围建筑物产生不良影响。

在航道炸礁过程中，处于基岩之上、水域之中的桥墩结构，易受到爆破震动波以及冲击波的作用，产生动力响应，甚至造成损伤，进而影响桥梁整体安全。因此，开展水下炸礁爆破过程中震动波与冲击波作用下桥墩响应特征及其演化研究对水下炸礁爆破作业及桥梁结构在水下爆破领域的设计防护具有重要价值[1]。

由于水下钻孔爆破以及与桥墩作用过程复杂，涉及多物理过程及其相互耦合，包括炸药起爆、爆炸波传播、地震波与冲击波传播等，此外，岩体介质和自由液面等不同边界条件又加剧水中冲击波的非线性传播并导致其与结构物的相互作用复杂，从而造成理论研究困难。同时，由于监测布置困难及监测精度影响，无论是实验室模型试验还是现场试验，所获得的监测数据数量及质量均难以满足要求，同时，现场调查、试验监测还存在耗时耗力且难度较大。因此，利用数值模拟手段，采用业已成熟的商业软件或程序代码来模拟整个水下爆破及桥墩响应过程是必要的。

1 水下炸礁爆破冲击波传播特性

19 世纪中期，ColeR.H.通过对水下爆破机理进行系统研究，提出经验公式，总结出爆破峰值压力随爆源距离的关系[2]：

式中：Pm为峰值压力；W为单发最大药量；R为距爆源距离；K、α为经验常数。

此后各国学者在ColeRH 等人研究的基础上，进一步完善和修正水中冲击波的相关理论[3～6]，基于能流-时间曲线的半经验表达式，李澎等将水中冲击波问题简化为波头超压峰值常微分方程求解，拟合得到1kgTNT/RDX炸药冲击波传播的经验公式[7]：

式中：R0为装药半径。

水下爆破冲击波产生可分为3 个阶段：炸药的爆破、冲击波的产生和传播、气泡的形成和脉动。炸药爆破阶段，炸药在水下爆破瞬间，产生高温高压气体，高能量气体迅速膨胀，压缩周围水体，造成密度、压力突跃。初始冲击波和气泡就此形成，冲击波在水中传播时，导致压力极速升高后又迅速衰减。爆炸初期，冲击波传播速度与气泡膨胀速度相当，当冲击波传至5倍装药半径时，气泡膨胀速度下降，冲击波传播基本脱离气泡的影响。在水体阻力作用下，导致冲击波在水中传播的过程中波峰值压力和冲量均随爆心距的增加而减小[1，7]。

2 水下单点爆破冲击波形态数值分析

虽然已有较多研究针对水下爆破冲击波传播特性的理论研究，但水下爆破是极其复杂的瞬态过程，其中涉及液-气-热等复杂耦合，特别是外边界作用下冲击波入射反射相互干扰，经验公式往往不再适用。基于此，本文采用数值仿真模拟方法，利用较成熟的OpenFOAM开源程序，基于其Compressible Les Inter Foam 子模块，结合可压流模型及VOF两相流模型模拟水下单点爆破过程冲击波传播。为对比验证计算方法的准确性，以文献[8]相关计算作为验证算例（见图1）。爆破气体初始位于原点（0，0）m，呈半径为0.1 m 的圆形，相应爆破气体参数为：ρ0=1270 kg/m3，p0=9.12×108Pa，置于水下。整体计算域大小为(-0.6，0.6）×（-0.6，0.6）m2，其中0.3 m以下区域为水相，水相参数为ρ1=1000 kg/m3，p1=1.1×105Pa，0.3 m 以上为气相区域，空气参数为ρ2=1kg/m3，p2=1.1×105Pa。模拟水下单点爆破冲击波传播特性，结果见图2。

图1 文献[8]水下单点爆破冲击波传播特性

图2 模拟水下单点爆破冲击波传播特性

由图2 可以看出，爆破产生的高压高温气体在水中形成气泡，气泡不断膨胀，推动周围的水体。t=0.07 ms 时刻，炸药能量释放于水体中，形成初始较为完整的冲击波波阵面，随着时间推移，冲击波波阵面不断扩大，冲击波遇到自由水面发生折射与反射，在此过程中，爆破气泡形态亦保持圆形逐步扩大，直至t=0.14 ms时刻，在接近水面处，由于空气的波阻抗较水的波阻抗小，冲击波传播到水面处会发生反射而形成反射冲击波并向爆心方向运动，导致在后续过程中气云变形成椭圆形。随着冲击波阵面不断扩展，气云收缩和上升的过程中，气云半径不断地减小（t=0.22 ms时刻），当出现入射波和反射波叠加后，冲击波的压力数值会快速下降，并且在上下表面产生压力差并诱导气云破裂形成射流（t=0.30 ms时刻）。

另外气云对周围水介质不断做功的同时，气泡内部的压力逐渐降低，当水体压力大于气泡内压时，导致气泡压缩，体积变小，同时内部压力逐渐增大，最终达到能阻止周围水介质继续压缩新的压力状态，这就是气泡脉动的形成过程，在惯性力作用下周而复始产生来回的气泡膨胀、压缩，在脉动过程中产生压力波，在后期伴随着冲击波、压力波及射流作用，对桥墩、船体等结构产生强烈作用。

3 水下单点爆破冲击波作用下桥墩响应

3.1 水下爆破冲击波与桥墩作用下的传播规律

基于上述数值模拟方法，对单点爆破与桥墩作用下冲击波传播特性进行了数值模拟，示意图见图3。设定整体计算域：水平x方向为-3.5～1.5 m，水深y方向为0～3 m。其中水深2.25 m，桥墩呈工字型结构，总高度2.2 m，工字墩顶部和底部宽度为0.3 m，中间部分宽度为0.1 m，点爆破初始位于（-1.65 m，1.35 m），呈圆形分布的高温高压气泡。

图3 水下爆破冲击波与桥墩作用模拟及其波系图

爆破过程如图4 所示。初始时刻，炸药能量释放于水体中，形成初始较为完整的冲击波波阵面，冲击波波阵面呈圆形向外扩散。随着时间推移，冲击波波阵面不断扩大，当冲击波遇到自由水面后，与自由水面碰撞发生折射与反射，水域中形成清晰反射波向内传播。同理，当冲击波波阵面与河床底面相遇时，同样碰撞反射形成反射波。对比图4中t=0.8 ms 和t=1 ms 时水面反射波及河床底反射波可知，刚性边壁引起的反射明显强于自由水面。此后，随着冲击波阵面不断扩展，在与桥墩产生强烈作用后，形成复杂冲击波结构。由图4 中冲击波演变过程可见桥墩除受冲击波迎爆冲击破坏外，还将受到自由水面截断效应而产生冲切作用。

图4 爆破气云及冲击波形态随时间演变图

3.2 水下爆破冲击波作用下的桥墩响应

为讨论水下爆破冲击波作用下的桥墩响应，建立桥墩结构水下爆破模型，在桥墩迎爆面前缘每隔0.3 m设置一个监测点以测试爆破冲击波压力值，监测点位置示意图见图5，6 个监测点分别为（-0.09，0.3），（-0.09，0.6），（-0.09，0.9），（-0.09，1.2），（-0.09，1.5），（-0.09，1.8），6个监测点监测历时曲线见图6。

图5 监测点位置示意图

由图6可以看出，爆破发生后，爆破冲击波波阵面不断扩大，由于监测点4 和监测点5 最接近爆破中心，在0.78 ms 时刻该两点处的压力最先上升，达到第一峰值27 MPa 左右，随冲击波波阵面经过后，监测点压力逐渐降低，当冲击波与桥墩碰撞反射，反射波传至监测点处再次引起压力升高，反射冲击波的强烈作用导致压力增加可达49 MPa，此后压力值迅速衰减。对于监测点3、6，其压力变化过程与监测点4、5类似，呈现双峰结构，但由于其距爆破点相对较远，压力曲线相对滞后，同时压力幅值稍低一些。对比监测点3、6，在历经第二峰值后，监测点6的压力下降明显快于监测点3，表明自由表面存在截断效应，导致该区域压力梯度增大。同样地，对于监测点1、2，其压力曲线更为滞后，但由于该两点离河床底较近，不仅受到桥墩反射冲击波作用，还受河床底反射波作用，因而呈多峰结构，特别是监测点1区域，位于爆破冲击波、桥墩反射冲击波及河床底反射冲击波共同作用区域，压力曲线在后期呈现明显上升并伴有震荡。

图6 各监测点压力历时曲线

4 结语

（1）通过对比不同时刻爆破气云形态及密度等值云图可以看出模拟结果与文献吻合较好，所采用的计算方法能够准确捕捉爆破过程中气云演变特征。比较无限域由面的冲击波压力曲线，发现自由面的存在能够削弱冲击波作用，刚性界面对冲击波的影响较大，主要是水底反射波的变化。

（2）冲击波与自由水面碰撞发生折射与反射，而冲击波与刚性河床底发生反射，刚性边壁引起的反射明显强于自由水面。随着冲击波阵面不断扩展，在与河床底及桥墩强烈作用后形成复杂冲击波结构。

（3）通过构建桥墩结构水下爆破模型，监测桥墩迎爆面压力随时间的变化，可知受爆破冲击波及桥墩反射波作用，监测点压力曲线成双峰结构，刚性边壁反射波作用后压力明显上升。自由水面截断效应使压力梯度增加，导致该处桥墩发生冲切作用，而河床底处桥墩在多波作用下压力上升明显并伴有震荡。

（责任编辑：窦波元）