茍兵旺，李芝絨，閆瀟敏，張玉磊，潘 文

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

溫壓炸藥與同量級凝聚相高爆炸藥相比，爆炸后除了產(chǎn)生瞬時沖擊波壓力效應(yīng)外，爆轟產(chǎn)物和大量沒有反應(yīng)的金屬燃料顆粒與周圍空氣中的氧湍流混合，產(chǎn)生氧化反應(yīng)( 即后燃效應(yīng))，釋放大量的熱能，在局部空間形成較高的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，對周圍環(huán)境中的軟目標(biāo)產(chǎn)生進(jìn)一步的毀傷效應(yīng)。特別在半密閉的坑道，如山洞、地堡等工事，由于坑道壁面的限制，爆炸產(chǎn)生沖擊波壓力、熱量沿坑道傳播，對坑道內(nèi)的設(shè)施、人員產(chǎn)生毀傷。最近幾年，隨著新型溫壓炸藥配方的深入研究，測試與評估溫壓炸藥在坑道內(nèi)的爆炸效應(yīng)，對新型溫壓炸藥配方的調(diào)整和研究具有重要意義。

國內(nèi)外對于坑道內(nèi)爆炸沖擊波效應(yīng)試驗研究比較多，陳海天[1]在等截面鋼筋混凝土直墻圓拱結(jié)構(gòu)中試驗，提出了內(nèi)爆炸情況下坑道中沖擊波沖量傳播的經(jīng)驗公式；王啟睿[2]通過研究多級穿廊結(jié)構(gòu)中的內(nèi)爆炸效應(yīng)，給出了多級穿廊結(jié)構(gòu)中沖擊波傳播特性和峰值壓力衰減規(guī)律；劉晶波[3]通過數(shù)值模擬和試驗結(jié)果的對比，擬合出了坑道內(nèi)距離爆炸中心點一定距離處的爆炸沖擊波峰值壓力計算公式，并給出了適應(yīng)范圍，以上都是關(guān)于常規(guī)炸藥在坑道內(nèi)爆炸沖擊波傳播規(guī)律的研究。由于溫壓炸藥與常規(guī)炸藥能量釋放規(guī)律不同，在坑道內(nèi)爆炸產(chǎn)生的沖擊波受到坑道環(huán)境影響，給溫壓炸藥溫壓效應(yīng)的分析研究帶來困難。目前國內(nèi)外關(guān)于溫壓炸藥在坑道內(nèi)爆炸響應(yīng)的研究還不多。因此，本文通過在多直角坑道內(nèi)開展溫壓炸藥爆炸實驗，分析溫壓炸藥沖擊波波形特點、沖擊波傳播規(guī)律，為溫壓炸藥溫壓效應(yīng)評估提供依據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗裝置和樣品

實驗使用的爆炸坑道模型是在地面上用鋼筋混凝土澆注的模型，中心為圓拱形爆炸塔，在兩個非對稱方向上各有一個直墻平頂?shù)目拥?。其中一個為直坑道，端部敞開，另一個為帶兩個直角彎道的坑道?？拥篮捅ㄋ?nèi)表面覆蓋4mm厚鋼板，爆炸塔直徑為8m，坑道截面寬度為3m，高2.5m，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 爆炸坑道及傳感器布設(shè)圖Fig.1 Layout of blast tunnel and sensor

在相同尺寸條件下裝填TNT炸藥和溫壓炸藥進(jìn)行實驗，測試樣品主要由殼體、炸藥裝藥以及傳爆藥組成，具體結(jié)構(gòu)見圖2。殼體選用圓柱形PVC塑料材質(zhì)，內(nèi)徑為104mm，高130mm；長徑比為1.25∶1；傳爆藥為 JH-14C，起爆藥量 40g。溫壓炸藥密度為1.85g/cm3，質(zhì)量為 2.041kg，TNT炸藥密度為1.58g/cm3，質(zhì)量為 1.743kg。試驗樣彈豎立懸掛到爆炸坑道的塔體中心，樣彈中心距地面1.25m，起爆點在樣彈上端面的中心位置，采用端部中心起爆方式。

圖2 測試樣品結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of tested sample

1.2 實驗測試設(shè)備與布設(shè)

爆炸沖擊波壓力時間曲線由 13個 PCB公司的M113B21型壓力傳感器測量，量程為1.4MPa，分別安裝到沿坑道軸線距離地面1.2m高度的支架上，各測點距離爆心的距離如圖1所示。

傳感器測試信號經(jīng)過信號適配器，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集存儲。為測量TNT和溫壓炸藥在爆炸過程釋放的熱量，采用在爆心距4m處安裝瞬態(tài)響應(yīng)熱電偶傳感器[4]，距離地面高度 1.2m，熱電偶絲材料為WRe5/26，偶絲直徑為0.2mm，熱響應(yīng)時間小于2ms。

2 實驗結(jié)果和分析

2.1 復(fù)雜坑道沖擊波的傳播規(guī)律

圖3給出了溫壓炸藥爆炸沖擊波在復(fù)雜坑道環(huán)境中的直道段幾個測點處的壓力時間曲線。從圖3中可以看出在直道段距爆心比較近的區(qū)域，首先會出現(xiàn)1個沖擊波峰值，緊接著會出現(xiàn)第2個沖擊波峰值，并且第2個峰值壓力大于首峰壓力值，然后呈現(xiàn)鋸齒狀衰減狀態(tài)；在距爆心比較遠(yuǎn)的區(qū)域，具有一般直坑道的波形特征[5]，出現(xiàn)1個最大首峰壓力值，然后峰值壓力隨時間呈指數(shù)規(guī)律衰減。在近場產(chǎn)生沖擊波呈現(xiàn)多峰現(xiàn)象，主要是由于實驗爆心位置是在圓柱與半球組成的圓球狀內(nèi)，首峰值是爆炸產(chǎn)生的沖擊波峰值，第2峰值是爆炸沖擊波在直坑道相對爆心的壁面產(chǎn)生反射沖擊波疊加到爆炸沖擊波上形成的，隨著時間的推移，沖擊波在坑道壁面來回反射疊加，能量不斷消耗，形成的多個沖擊波峰值壓力也越來越小。由于反射沖擊波能量、速度均為入射沖擊波的2～8倍，隨著傳播距離的增大，反射沖擊波趕上入射沖擊波，形成穩(wěn)定的沖擊波在坑道內(nèi)向前傳播，因此在爆心遠(yuǎn)場的測點處具有一般直坑道沖擊波壓力曲線的特征。

圖3 直道段不同測點處沖擊波超壓曲線Fig.3 Curves of shock wave peak overpressure at different positions in the straight tunnel

圖 4是坑道彎道段距爆心不同距離處的沖擊波超壓曲線。

圖4 彎道段不同測點處的沖擊波超壓曲線Fig.4 Curves of shock wave peak overpressure at different positions in the bended tunnel

彎道段的沖擊波曲線與直坑道沖擊波波形不同，圖4（a）、（b）測點距離爆心近，沖擊波超壓曲線與直坑道近場測點基本相同，呈現(xiàn)多峰的狀態(tài)等。圖4（c）～（f）的測點距離爆心遠(yuǎn)，隨著傳播距離的增大，沖擊波首峰值衰減快，其后的峰值衰減速度慢，在沖擊波曲線上疊加許多反射沖擊波，沖擊波首峰值隨爆心距的增大不斷衰減，上升前沿逐漸變緩。但是由于反射沖擊波作用，在距離爆心較遠(yuǎn)的測點，沖擊波首峰值不再是壓力最大值，特別是最后的3個測點最大壓力甚至是沖擊波峰值的10倍以上。分析原因主要是由于實驗坑道是多拐角結(jié)構(gòu)，在坑道第1拐角壁面沖擊波產(chǎn)生反射作用，反射沖擊波壓力大于入射沖擊波，形成第2峰值大于第1峰值現(xiàn)象。在第2拐角，與第1拐角相同，隨著反射次數(shù)增加和傳播距離的增大，沖擊波總體能量逐漸衰減，導(dǎo)致第3峰值小于第2峰，正壓時間拉長。

2.2 不同炸藥在相同測點處的沖擊波峰值分析

圖5為溫壓-1、溫壓-2和TNT炸藥在爆炸坑道內(nèi)沖擊波超壓峰值隨傳播距離的變化曲線。

圖5 不同炸藥沖擊波超壓峰值隨傳播距離的變化曲線Fig.5 Variation curves of shockwave peak overpressure with distance for different explosives

從圖5中可看出，在坑道內(nèi)溫壓-1炸藥的沖擊波峰值最大，TNT的沖擊波峰值最小，表明在坑道中對于符合峰值超壓毀傷準(zhǔn)則的目標(biāo)，溫壓-1試樣炸藥的毀傷能力比TNT強。隨著爆心距離的增加3種炸藥的沖擊波峰值壓力逐漸衰減，且趨于一致。分析認(rèn)為：由于溫壓炸藥在爆轟過程中，溫壓炸藥中的鋁粉與坑道中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放出大量的熱量，使溫壓炸藥沖擊波峰值壓力比TNT大[6]。隨著傳播距離的增大，3種炸藥的沖擊波能量都在不斷衰減，所以在遠(yuǎn)端測點處3種炸藥的峰值壓力都趨于零。

在彎道段，沖擊波在第1個彎道處受到拐角壁面的阻滯作用，峰值壓力有所增大，隨著傳播距離的增大，峰值壓力有所減??；沖擊波傳播到第2個彎道處再次受到阻滯作用，峰值再次被增大，通過彎道后傳播規(guī)律與直道相同[7]，且隨著距離的增大，3種炸藥的峰值壓力都趨于零。在彎道4m、7.5m處，3種炸藥的峰值壓力都比直道相同距離處的大；彎道其他位置，3種炸藥的峰值壓力都比直道相同距離處小。對比直道和彎道18m處3種炸藥的沖擊波峰值，彎道處的溫壓-1 和溫壓-2炸藥峰值壓力大約是直道的15%，TNT的峰值壓力為直道的 18%，表明彎道對沖擊波有明顯削減作用。分析認(rèn)為直道相當(dāng)于平面波在管道中傳播，只有壁面摩擦對其有影響，沖擊波能量消耗比較慢，所以峰值壓力衰減比較慢。彎道由于有拐角和壁面反射波的影響，波形比較雜亂，出現(xiàn)多峰值現(xiàn)象，沖擊波能量消耗比較迅速，所以彎道對沖擊波峰值具有明顯削弱作用。

2.3 不同炸藥復(fù)雜坑道中的沖擊波沖量分析

由于在每個沖擊波曲線上都有幾段正壓作用過程，為比較不同炸藥的沖量值，在數(shù)據(jù)處理時，在同一測點采用取同一時間段積分方法，得到?jīng)_擊波沖量值，如表1所示。

表1 不同炸藥在不同測點處的沖擊波沖量對比(Pa·s)Tab.1 Shock wave impulse from different explosives at different positions

從表1中可以看出，在直道段，10.5m處的沖擊波沖量最大，4.5m處的沖擊波沖量最小，隨著爆心距的增大，沖擊波沖量先是增大后減小。在彎道段，21.5m處的沖擊波沖量最大，18.0m處的沖擊波沖量最小。對比彎道段和直道段最大沖量值，兩者相差11倍多，表明彎道能增大沖擊波沖量值。由于彎道內(nèi)壁的作用使得大量沖擊波進(jìn)行疊加，壓力峰值不斷衰減，而波形的正相持續(xù)時間隨之拉長，雖然峰值衰減，但整個波形的正相面積增大，所以沖擊波沖量變大。對比相同測點處不同炸藥的沖擊波沖量，溫壓-1、溫壓-2炸藥的沖擊波沖量比TNT炸藥要大，說明在坑道工事中，對于符合沖擊波沖量毀傷準(zhǔn)則的目標(biāo)，溫壓-1、溫壓-2炸藥的毀傷強度要比TNT炸藥大，因此在坑道設(shè)計應(yīng)用中應(yīng)該考慮溫壓炸藥溫壓效應(yīng)對坑道抗破壞能力的影響。

2.4 不同炸藥在復(fù)雜坑道中的傳播速度分析

關(guān)于直坑道沖擊波傳播速度的研究已比較多，表2給出了彎道段溫壓炸藥和 TNT炸藥在坑道內(nèi)不同測點間的傳播速度。該傳播速度為兩測點間的平均速度，計算方法為兩測點之間直線距離除以沖擊波到達(dá)兩測點的時間之差。

表2 彎道沖擊波傳播平均速度 (m·s-1)Tab.2 The mean velocity of shock wave in bended tunnel

從表2中可以看出，溫壓炸藥和TNT在整個彎道段傳播速度相差不大，溫壓-1、溫壓-2炸藥略高于TNT炸藥。除了3#和6#段，隨著傳播距離的增大，3種炸藥的沖擊波速度都減小。在3#和6#段沖擊波傳播速度有所增大，是由于3#和6#段都包含拐角測點，沖擊波是按照最短直線距離傳播的，在通過拐角前一點后，同時向拐角點、拐角點后一點傳播，3#和6#段的沖擊波速度是按照拐角前一點和拐角后一點之間的直線距離除以此兩點沖擊波到達(dá)時間之差獲得的，所以3#和6#段的沖擊波速度值比較大。

2.5 不同炸藥在復(fù)雜坑道中響應(yīng)溫度分析

為了研究溫壓炸藥和TNT在復(fù)雜坑道中響應(yīng)溫度的區(qū)別，分別進(jìn)行了溫壓-1、溫壓-2和TNT炸藥在兩端開口、密閉兩種狀態(tài)下的溫度響應(yīng)測試實驗，結(jié)果見圖6。圖6 為不同炸藥在兩端開口、密閉兩種狀態(tài)下距離爆心4m處的響應(yīng)溫度曲線。從圖6（a）可以看出，溫壓-1、溫壓-2在兩端開口狀態(tài)下的熱響應(yīng)溫度峰值比TNT炸藥的溫度峰值大， 并且3種炸藥的熱響應(yīng)溫度隨著時間迅速減小。從圖6（b）可以看出，在密閉狀態(tài)下3種炸藥的熱響應(yīng)溫度都是先增大然后減小，之后又增大，并隨著時間推移3種炸藥的熱響應(yīng)溫度會持續(xù)一段時間，然后逐步衰減；在密閉狀態(tài)下溫壓炸藥的二次燃燒現(xiàn)象比較明顯。這是由于密閉狀態(tài)下，坑道內(nèi)溫壓炸藥爆轟反應(yīng)產(chǎn)生的瞬態(tài)高壓和熱作用會使金屬顆粒的活性增加，與坑道內(nèi)氣體充分發(fā)生燃燒反應(yīng)，釋放出大量的熱，使得溫壓炸藥的熱響應(yīng)溫度再次上升。

圖6 不同炸藥兩端開口、密閉狀態(tài)下熱響應(yīng)溫度——時間曲線Fig.6 The thermal response temperature vs time curves of different explosives

表3 不同炸藥在密閉狀態(tài)下爆熱熱響應(yīng)溫度及升溫時間Tab.3 Thermal response temperature and raising time of different explosives in a closed environment

從表3可以看出，在坑道中密閉狀態(tài)下3種炸藥的升溫時間相差不大，表明3種炸藥在爆炸后都能比較迅速釋放出大量的熱。溫壓-1炸藥二次燃燒升溫時間最短，溫壓-2二次燃燒升溫時間最長，并且溫壓-1的二次燃燒峰值溫度最大，表明溫壓-1炸藥爆轟過程中，金屬物質(zhì)與坑道中的氧氣能迅速發(fā)生反應(yīng)，釋放熱量最大，溫壓-2炸藥的反應(yīng)時間比較長，所以升溫時間比較長。對比密閉狀態(tài)下坑道中3種炸藥的熱響應(yīng)溫度，結(jié)果為：T溫壓-1＞TTNT＞T溫壓-2，二次燃燒結(jié)果：T溫壓-1＞T溫壓-2＞TTNT，表明在密閉環(huán)境下溫壓-1炸藥釋放熱量大，對目標(biāo)熱毀傷能力比TNT炸藥強。

3 結(jié) 論

（1）在多直角復(fù)雜坑道直道段，由于坑道壁面反射的作用，沖擊波曲線出現(xiàn)了多峰現(xiàn)象，并且沖擊波首峰值不再是壓力最大值，在距爆心比較遠(yuǎn)的測點處，沖擊波曲線最大峰值壓力甚至是首峰值的10倍以上。

（2）在坑道環(huán)境中，溫壓-1試樣炸藥的峰值壓力大于TNT炸藥，表明在坑道中符合峰值超壓毀傷準(zhǔn)則的目標(biāo)，溫壓-1試樣炸藥毀傷能力比TNT強。對比直道段和彎道段相同位置處的峰值壓力，說明彎道對于沖擊波峰值具有明顯的削減作用。

（3）對比直道和彎道沖擊波沖量值，彎道能增大沖擊波沖量值。溫壓炸藥在坑道中的沖擊波沖量比TNT炸藥要大，并且彎道段溫壓-1、溫壓-2炸藥的傳播速度也大于TNT炸藥，表明在坑道中符合沖擊波沖量毀傷準(zhǔn)則的目標(biāo)，溫壓-1、溫壓-2炸藥的傳播速度快、毀傷效應(yīng)比TNT炸藥強。

（4）密閉狀態(tài)下3種炸藥都出現(xiàn)了二次燃燒現(xiàn)象，溫壓-1、溫壓-2炸藥的二次燃燒現(xiàn)象比TNT炸藥要明顯，表明溫壓-1、溫壓-2炸藥在密閉環(huán)境下釋放熱量大，對目標(biāo)熱毀傷能力比TNT炸藥強。

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[7]任新見,張慶明,等.坑道口部B炸藥爆炸沖擊波傳播速度模型試驗研究[J].振動與沖擊,2012,31(7):71-73.