水下鉆孔爆破水中沖擊波對船舶的有害效應研究

王紫陽，高攀，何亞文，鄒永勝，龔正春，龔書堂

摘 要：水下鉆孔爆破水中沖擊波會對船舶產生巨大的危害，文本對水中沖擊波對船舶的動力響應進行了模擬分析，研究得出船舶沿水平徑向方向測點速度響應最大，船舶底板直接承受較大的沖擊波壓力，船舶甲板中部承受較大的拉應力作用，針對結論從改善船艙結構對沖擊波的防護能力方面提出了相應的防護措施。

關鍵詞：水下爆破;沖擊波;船舶;有害效應

中圖分類號：U676.1 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2019）12-0076-03

1 引言

水中沖擊波的作用時間極短，且沖擊波壓力大，通常表現出高頻的特征[1]，容易使船舶的主體結構產生嚴重的局部損傷乃至整體破壞。水下鉆孔爆破水中沖擊波對船舶的影響可以視為水下非接觸爆炸對于船舶的作用，船舶受到水下爆炸沖擊的環境十分復雜[2]，船舶各部位的沖擊響應也不相同。武軍[3]結合廈門港招銀航道擴建一期工程特點，確定一次性起爆炸藥量選取值，進而研究水下爆破對航道兩側建筑物和水中船舶安全性的影響。蘇欣[4]應用水下爆破沖擊波水聲監測系統對廈門海域水下爆破產生的沖擊波現場進行了監測，成功得到廈門港招銀航道擴建工程中水下爆破沖擊波的傳播特點和幾種典型的海洋環境噪聲。趙克來[5]討論了緊靠爆破區域建（構）筑物如塢門、碼頭、沉箱及圍堰的保護措施，提出了一套水下鉆孔爆破地震波、沖擊波對建筑物影響的解決方案。代顯華[6]研究了水下鉆孔爆破水中沖擊波有害效應對周圍環境影響研究。

因此，在進行水下鉆孔爆破的施工前，分析水中沖擊波對附近水域船舶的有害效應及采取防護措施是不可或缺的。本文結合具體工程實踐，以水下鉆孔爆破引起的水中沖擊波有害效應對船舶的影響為關鍵技術問題，深入分析，為其他類似工程提供理論依據和借鑒作用。

2 工程背景

長江上游九龍坡至朝天門河段長22km，屬于山區河道，隨著三峽水庫運行時間的推移，淤積在主航道的泥沙靠自身水流條件不能完全沖刷，甚至會出現新的淤沙淺灘，因此實施長江上游九龍坡至朝天門河段航道炸礁工程，航道周圍環境及現場往來船舶如圖1所示。

3 數值模擬分析

3.1 模型建立

建模時以炮孔中心線為軸線，建立實際模型的1/2，模型大小為29m×2.5m×19m，上部空氣厚度2m，中部水域厚度10m，下部巖體厚度7m。模型示意如圖2所示。模型選取φ100mm的炮孔，炮孔的堵塞材料為水介質，孔深7.6m，裝藥高度5m，孔底部預留2m巖體，使用2#巖石乳化炸藥，計算得到單個炮孔總藥量為40Kg。采用線型起爆方式，炮孔起爆位置為距離孔底3.1m高處。模型中設水面船舶處于距炮孔軸線距離20m處。

圖2 ?計算模型示意圖

3.2水中沖擊波對船舶的動力響應

3.2.1 船舶速度響應分析

為研究水中沖擊波作用下船舶速度動力響應特征，在船舶首尾的位置設置了4個監測點A、C、D、E，其中A和C三個測點分別位于船舶底板船首及船尾的位置;D和E兩個測點分別位于船舶甲板首尾的位置，各測點不同方向速度時程曲線圖如圖3所示。

表3 ?各測點不同方向最大速度值

由圖3和表3可知，船舶由于水下鉆孔爆破而受到水中沖擊波的影響，船舶各個測點處均產生了不同程度的結構動力響應，且A、C、D、E四個測點的最大振動速度值均為水平徑向方向，說明結構動力響應最大的方向為沖擊波的傳播方向。此外，由于船舶底板距離爆區最近且在水面以下，將受到水中沖擊波的直接作用，而爆破沖擊波經過底板到甲板傳播衰減后，甲板測點速度響應會有一定的減小，故船舶底板的速度響應遠大于甲板。船首的速度響應大于船尾，主要原因是船首與爆源的距離更近，故船首所受到的水中沖擊波作用效果更加明顯。

3.2.2船舶應力響應分析

不同時刻船舶承受水中沖擊波壓力云圖如圖4所示。

由上述壓力云圖可知，船首與爆源的距離最近，所以船首受到水中沖擊波的效果影響最早，100μs時，壓力云圖顯示船首受到了較大的沖擊壓力效果影響（圖中紅色區域為壓力較大區域）;800μs時，爆破沖擊波經過在船舶內的繼續傳播，甲板的中部開始出現一定的拉應力（圖中藍色區域為拉應力較大區域）;1150μs之后，爆破沖擊波經過進一步的傳播，使得船舶的壓力云圖最終趨于穩定，即呈現出最終的作用效果：船底板由于在水下直接受到爆破產生的水中沖擊波的作用，明顯的受到了較大的壓力作用（圖中紅色區域為壓力較大區域），而在受到較大壓力作用的船底板對應的上部甲板中部位置，明顯受到了較大的拉應力作用（圖中藍色區域為拉應力較大區域）。

4 水中船舶防護措施

為了避免船舶受到爆破水中沖擊波的影響，導致船舶漏水、翻沉事故的發生，水中船舶的保護通常從以下三個方面進行：

4.1從水下爆破源頭減弱水中沖擊波

水下鉆孔爆破時，可以在保證爆破效果的前提下適當減小裝藥量，或者在裝藥量不變的情況下選擇合適的裝藥結構、設置合理的起爆順序以及采取延時起爆，能使總爆炸能量在時間上合理分布，從而減少大藥量引起的沖擊波超壓積累，從源頭上降低沖擊波能量。

4.2在傳播過程中削弱水中沖擊波

從傳播過程中削弱水中沖擊波最優的措施為采用氣泡帷幕。沖擊波接觸氣泡帷幕以后，沖擊波部分能量會轉移給氣泡，引起二次氣泡脈動現象，且二次氣泡脈動的大部分能量，特別是在強有力的壓縮下會以熱能的形式傳遞給水介質，由氣泡強力壓縮及破碎造成水中沖擊波的衰減。研究表明，氣泡帷幕對沖擊波峰值壓力有很好的衰減作用，在水下爆破工程運用中氣泡帷幕對沖擊波峰值壓力的衰減值達到90%左右。

4.3減小船舶對水中沖擊波的吸收

為減小船舶對水中沖擊波的吸收，最有效的方法是采取防護措施保護船舶結構。防護措施可以采用鋼-泡沫夾層板或在船舶的表層結構外敷設有一定空腔率的抗沖擊瓦，這類措施的原理為利用鋼、水、泡沫的阻抗失配以及有一定空腔率的多孔結構的吸能作用，隔離爆炸產生的沖擊波，有效提高船舶的抗沖擊能力。

5 結論

（1）船舶底板的速度響應值在各個上方向均為最大，主要原因是船舶底板在水面以下，水中沖擊波直接作用于船舶底板，而甲板位于水面以上，沖擊波傳播經過船體衰減以后，會使甲板各測點的速度響應有所減小;船首的速度響應大于船尾，主要原因是船首與爆源的距離近，所受到的水中沖擊波作用效果更明顯。

（2）通過船舶壓力云圖分析，船首距離爆源較近，最先受到水中沖擊波的影響，產生了較大的沖擊壓力效果;之后，爆破沖擊波經過進一步的傳播，甲板的中部開始出現一定的拉應力，最終，船舶整體受力情況基本一致，即船底板明顯的受到了較大的壓力作用，而在受到較大壓力作用的船底板對應的上部甲板中部位置，明顯受到了較大的拉應力作用。

參考文獻：

[1] 楊文山. 水下接觸爆炸艦船局部毀傷及防護機理[D].哈爾濱工程大學，2011.

[2] 陳海龍，姚熊亮，祁磊，張阿漫.艙壁結構在水下爆炸中的動態穩定性研究[J].振動與沖擊，2009，28（03）：14-17+196.

[3] 武軍 淺析水下炸礁爆破對建筑物、傳播安全性的影響[J]. 中國水印， 2012， 5（12）： 197-198.

[4] 蘇欣 廈門海域水下爆破沖擊波監測與傳播特性分析[D]. 廈門： 廈門大學.

[5] 趙克來， 劉勝林. 近距離水下爆破安全防護措施[J]. 中國水運， 2014， 9（14）：336-337.

[6]代顯華.水下鉆孔爆破水中沖擊波有害效應對周圍環境影響研究[J].中國水運，2018，（03）：76-77.