水下爆炸沖擊傷閾值與安全距離計算綜述

姜 濤,鞠翔宇,吳 德

(海軍潛艇學院,山東 青島 266000)

水下爆炸產生的沖擊波等載荷對水下作業潛水員有著極大的安全危害。水下爆破作業時,為避免水下作業人員遭受爆炸沖擊傷,需要劃定足夠大的安全范圍,清場水下潛水員和其他水下作業人員,必要時還應事先驅趕海洋生物。目前,水下沖擊傷閾值數據多參考國外相關研究結果[1-13],多次引用后,導致數據源頭不清,數據的可信性、準確性存疑。同時,水下爆破人員安全范圍計算方法較多,其計算結果相差較大,對水下爆破安全距離劃定帶來諸多不便。我國《爆破安全規程》(GB 6722-2014)對于潛水員水中沖擊波安全允許距離的規定中僅明確了裝藥量小于50 kg水中裸露裝藥的安全距離為1 200 m[14],對于更小的裝藥量,沒有給出進一步的規定,使得小藥量裝藥爆破作業安全距離劃定缺乏依據[14]。為了使水下爆破安全距離計算更加準確,本文追根溯源,力求找到各個計算方法的源頭數據,確保數據的準確性。

1 現有研究結論

1.1 國內外研究現狀

美國、英國在20世紀70年代,開展了一系列關于水下爆炸對潛水員沖擊傷的研究,并致力于得到水下爆炸可能對潛水員的致命傷害和依據此得到的水下爆炸安全距離[7]。國內在十五期間,進行了一系列水下爆炸沖擊傷特點及防護的動物試驗研究,取得了不少重要數據和結論[15-21]。

1941年至1951年,英國皇家海軍生理研究室(Royal Naval Physiological Laboratory )開展了大量的動物和潛水員水下爆炸沖擊耐受試驗[7]。共有60名潛水員參加了該系列的試驗,炸藥用量分別為 0.57 kg和11.3 kg(文獻未明確炸藥種類)。試驗中,0.57 kg炸藥位于9.1 m水深處,被試潛水員位于水深3.05 m處,潛水員水平距炸藥從遠至最近33.5 m;11.3 kg炸藥位于9.1 m水深處,被試潛水員位于水深15.3 m處,潛水員水平距炸藥從遠至最近65.5 m。試驗中,潛水員身體出現了明顯的沖擊傷情,對于確定潛水員沖擊傷閾值具有極大的指導作用。

1942年,美國官方在Stump Neck組織潛水員水下爆炸耐受試驗。7名潛水員位于5.5～6.1 m水深的河底,0.45～4.5 kgTNT位于河底引爆。試驗中潛水員穿潛水服,用管供式潛水裝具。試驗證明,潛水員著管供式潛水裝具與自攜式潛水裝具具有相似的爆炸沖擊波感受。

1942年,美國官方在USS WASSUC開展試驗。試驗中,潛水員位于水下26 m,著干式潛水服,25 kg硝銨炸藥位12.2 m水深,潛水員水平距離炸藥480 m;136 kg TNT炸藥位于18.3 m水深,潛水員水平距離炸藥1 234 m。潛水員的感覺僅僅是響聲,沒有感受到強烈的沖擊波。試驗給出了潛水員遠距離炸藥的感受,雖未得到有效閾值信息,但對于后續試驗的安全距離預估有一定指導意義。

1970年,美海軍彈藥試驗室等多家機構開展了羊、狗、猴等動物水下爆炸耐受試驗,試驗得到如下結論[11]:水下爆炸沖量達到40 psi·ms,可以致(羊)中等程度傷害;20 psi·ms可致輕度傷害,5 psi·ms不會引起任何損傷。試驗結合沖擊波測試手段,給出了動物(羊)的抗水下爆炸沖擊波閾值。

1970年,美軍潛水手冊給出了潛水員水下爆炸沖擊波損傷耐受閾值[15]。這一閾值的給出是建立在Bebb和Wright以及美國海軍彈藥試驗室(Naval Ordnance Laboratory)在USS Wassuc艦船和在Stump Neck試驗中的結論。手冊指出,當水下爆炸沖擊波壓力大于3.45 MPa(500 psi)時,可造成潛水員肺和消化道的嚴重損傷,甚至死亡;當水下爆炸沖擊波壓力超過13.8 MPa(2 000 psi)時,潛水員死亡。手冊規定,水下爆炸發生前,潛水員應盡可能地浮出水面和遠離爆炸區域。如果潛水員必須留在水中,潛水員承受沖擊波壓力必須小于0.34 MPa。這是美軍建立在已有試驗數據的基礎上,首次以標準規范的形式給出潛水員水下爆炸沖擊波安全閾值。

1995年,Richardson通過研究給出了潛水員體重和沖擊閾值之間的關系[7],指出對體重80 kg的潛水員,其50%致死率對應的沖擊波沖量為812 kPa·ms;1%致死率對應的沖擊波沖量為516 kPa·ms。該文給出了不同潛水員體重與沖擊波安全閾值的關系,首次體現了潛水員體質不同帶來的沖擊波耐受能力的差異。

2014年,B.Capehart等[9]在對自1916年以來的475例潛水員水下爆炸沖擊波耐受試驗數據進行分析整理的基礎上,提出了水下爆炸潛水員50%致死率的沖擊波沖量值為600±170 kPa·ms。文中指出,盡管水下爆炸沖擊波傳播的更遠,損傷能力更強,但目前美海軍關于水下爆炸沖擊損傷風險評估的指導性文件(海軍潛水手冊)僅以3.44 MPa沖擊波超壓作為人體致傷的閾值顯然與試驗數據不符。與空氣爆炸沖擊波不同,水下爆炸沖擊波波形受裝藥水深、海區水深、水面反射、水底反射、氣泡脈動等多種因素影響,因此僅以沖擊波壓力難以確定潛水員損傷程度。該文明確指出了美軍潛水手冊規定的以水下沖擊波作為安全閾值的局限性,提出了后續研究潛水員水下爆炸沖擊安全的主要方向。

國內關于水下爆炸沖擊傷的研究起步較晚,前期研究以引用美國相關試驗、標準數據為主[1-6]。2000年前后國內開始進行水下爆炸動物沖擊波耐受試驗。

王正國院士[1]指出,水下人員沖擊波安全閾值為壓力0.03 MPa(0.3 kg/cm2),人員可能致死的壓力為17.6 MPa(176 kg/cm2(250 psi),此處單位換算應存在錯誤,應為17.6 kg/cm2,即1.76 MPa)。

黎鰲等[2]指出,水下沖擊波峰值壓力大于3.45 MPa時,可致人員損傷;大于13.75 MPa時,可致人員死亡(應為參考美軍潛水手冊)。同時指出,空氣中能夠導致鼓膜破裂的沖擊波超壓值是34.5 kPa(5 psi),50%鼓膜破裂的沖擊波超壓值為103.4 kPa(正壓作用時間2 ms),約為50%致死率沖擊波超壓值的1/4-1/5(即50%致死率的沖擊波超壓值為20.68～25.85 kPa)。

我國在2001年(第十個五年計劃)開始對水下爆炸沖擊傷問題進行系統研究,通過大量的動物試驗數據,得到了動物(狗)水下爆炸沖擊傷閾值,為水下爆炸沖擊傷的診斷、救治及防護提供了試驗依據[16-24]。

1.2 沖擊傷安全閾值

水下爆炸引起潛水員沖擊傷的主要原因是水下爆炸沖擊波載荷的作用。描述水下爆炸沖擊波載荷強弱的主要指標為沖擊波峰值壓力和正壓作用時間。沖擊波峰值越大,正壓作用時間越長,潛水員沖擊傷越嚴重。因此,在水下爆炸沖擊傷試驗中,均以潛水員承受的沖擊波超壓峰值,或是沖擊波峰值超壓與作用時間之乘積,即爆炸沖擊波比沖量,作為判斷潛水員水下沖擊傷的依據。根據潛水員水下沖擊傷的嚴重程度,可將潛水員水下沖擊傷分為致死、嚴重、中等、輕度和無損傷等幾個級別,導致潛水員發生與各個級別沖擊傷標準對應的最小沖擊波峰值超壓或比沖量即為各級別沖擊傷的閾值。不同標準規范中規定的潛水員水下沖擊傷閾值如表1所示。并依據閾值和水下爆炸沖擊波載荷計算方法[5],給出1、5、10、50 kg TNT裝藥水下爆炸對應的安全距離。

表1 潛水員水下沖擊傷閾值及對應安全距離

1.3 致死及安全距離計算

1.3.1 致死距離計算

Bebb和Wright根據大量試驗,得到水下爆炸沖擊波峰值超過12 MPa(沖量700 kPa·ms)或4.3 MPa(沖量4 900 kPa·ms)將致潛水員死亡這一判據,給出了TNT裝藥量在0.45～136 kg范圍內潛水員致死的距離計算公式[7]:

RL=3.17W0.5

(1)

式中:RL為致死距離,m;W為TNT炸藥量,kg。

美軍海軍潛水手冊依據沖擊波峰值超壓13.8 MPa潛水員致死閾值條件,給出了水下爆炸致死距離計算公式:

RL=3.17W0.33

(2)

1.3.2 安全距離計算

美軍海軍潛水手冊依據沖擊波峰值超壓0.34 MPa閾值條件[15],給出了水下爆炸安全距離計算公式:

RS=83.2W0.33

(3)

式中:RS為安全距離,m。

Nedwell等[7]考慮了潛水員水深和裝藥水深的影響,給出了水下爆炸潛水員安全距離計算公式(見式4)。該公式被英國國家標準使用(BS5607,Code of practice for safe use of explosive in the construction industry,British standards Institude,1998)。

RS=22.5W0.2d0.33h0.33

(4)

式中:d為潛水員水深,m;h為裝藥水深,m。

《爆破安全規程》GB 6722-2014以及1991交通部頒布的《水運工程爆破技術規范》有相同規定),在水深不大于30 m的水域內進行水下爆破,水中沖擊波的安全距離應遵守表2之規定[14]。

表2 《爆破安全規程》之潛水員水下爆炸安全距離

為使小藥量裝藥水下爆破安全距離計算更加準確,用不同安全距離計算方法計算1、5、10、50 kg TNT裝藥的水下爆破人員安全距離,比較結果如表3所示。當使用TNT外其他炸藥時,可依據炸藥爆炸威力TNT當量系數進行換算。

2 結果與討論

2.1 不同試驗得到安全閾值差異的原因分析

通過對國內外水下爆炸潛水員沖擊傷閾值及安全距離計算方法梳理歸納總結,不同人員研究的結論出入較大,原因有以下幾點:

1)潛水員水下損傷程度表述有較大不同。有些試驗以出現致死樣本作為研究對象,有些試驗以全部樣本死亡作為研究對象,有些以1%、50%致死率作為研究對象。重傷、輕傷、肺損傷、腹部損傷等不同傷情診斷也存在標準的差異。

2)水下試驗時,潛水員和裝藥水下狀態、藥量大小、試驗水域水深等水文氣象條件等不同。如:裝藥距水底越近,其水底反射作用越強,沖擊波載荷越大,反之裝藥距水面越近,水面對沖擊波的截斷效應越強,沖擊波載荷,尤其是沖擊波沖量就會越小;潛水員(或動物試驗樣本)在水下垂直還是水平狀態、面向還是背向爆源等姿態均對試驗結果有較大影響;潛水員是否著潛水裝具、是否著潛水服,對試驗結果影響更大。

3)每次試驗的數據均較少,導致個體差異對試驗結果影響較大。已有水下爆炸沖擊耐受試驗,試驗樣本少則幾個,多則幾十個,且要考慮不同裝藥量、不同水深、距爆源不同距離等眾多因素,導致每個試驗的樣本很少。試驗樣本為潛水員或動物,個體差異難以消除,也對試驗結果有較大的影響。

2.2 閾值與安全距離計算方法使用建議

依據對已有國內外潛水員水下爆炸沖擊傷閾值和安全計算方法的梳理、歸納、總結,給出如下使用建議:

1)使用爆炸沖擊波超壓作為沖擊波損傷閾值,建議采用美國海軍潛水手冊中的沖擊波壓力閾值數值。且由于美國海軍潛水手冊僅考慮沖擊波超壓峰值,未考慮正壓作用時間,不適于大當量裝藥水下爆破使用。

2)使用爆炸沖擊波沖量作為沖擊波損傷閾值,建議使用佩芳、楊志煥、蔣建新等(動物試驗)或Richardson(1973、1995)給出的閾值數值,二者閾值差別不大,且有試驗數據支撐,可信程度較高。

3)如使用安全距離計算公式計算,小裝藥量水下爆破建議采用公式(3)計算。大裝藥量水下爆破建議采用沖量標準(參見上一條建議)計算或使用《爆破安全規程》規定之計算方法。

4)公式(4)雖然增加了水深深度的影響因素,但考慮過于簡單,水深過大或過小,均會有較大的誤差,不建議使用。

3 結語

通過對水下爆炸沖擊傷閾值國內外試驗數據的梳理,歸納總結了已有的水下爆炸沖擊傷閾值數據,對水下爆炸人員沖擊傷安全判據有了比較全面的總結。文中引用的數據均基于試驗數據的整理的一手資料,或是國內外相關規范,數據具有較高的準確性。并依據水下爆炸沖擊傷的損傷閾值,給出了1、5、10、50 kg小藥量裝藥的安全距離計算方法。