王紫陽(yáng)，高攀，何亞文，鄒永勝，龔正春，龔書(shū)堂

摘 要：水下鉆孔爆破水中沖擊波會(huì)對(duì)船舶產(chǎn)生巨大的危害，文本對(duì)水中沖擊波對(duì)船舶的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了模擬分析，研究得出船舶沿水平徑向方向測(cè)點(diǎn)速度響應(yīng)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(yīng)力作用，針對(duì)結(jié)論從改善船艙結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊波的防護(hù)能力方面提出了相應(yīng)的防護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：水下爆破;沖擊波;船舶;有害效應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：U676.1 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2019）12-0076-03

1 引言

水中沖擊波的作用時(shí)間極短，且沖擊波壓力大，通常表現(xiàn)出高頻的特征[1]，容易使船舶的主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的局部損傷乃至整體破壞。水下鉆孔爆破水中沖擊波對(duì)船舶的影響可以視為水下非接觸爆炸對(duì)于船舶的作用，船舶受到水下爆炸沖擊的環(huán)境十分復(fù)雜[2]，船舶各部位的沖擊響應(yīng)也不相同。武軍[3]結(jié)合廈門(mén)港招銀航道擴(kuò)建一期工程特點(diǎn)，確定一次性起爆炸藥量選取值，進(jìn)而研究水下爆破對(duì)航道兩側(cè)建筑物和水中船舶安全性的影響。蘇欣[4]應(yīng)用水下爆破沖擊波水聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)廈門(mén)海域水下爆破產(chǎn)生的沖擊波現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，成功得到廈門(mén)港招銀航道擴(kuò)建工程中水下爆破沖擊波的傳播特點(diǎn)和幾種典型的海洋環(huán)境噪聲。趙克來(lái)[5]討論了緊靠爆破區(qū)域建（構(gòu)）筑物如塢門(mén)、碼頭、沉箱及圍堰的保護(hù)措施，提出了一套水下鉆孔爆破地震波、沖擊波對(duì)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(yīng)對(duì)周?chē)h(huán)境影響研究。

因此，在進(jìn)行水下鉆孔爆破的施工前，分析水中沖擊波對(duì)附近水域船舶的有害效應(yīng)及采取防護(hù)措施是不可或缺的。本文結(jié)合具體工程實(shí)踐，以水下鉆孔爆破引起的水中沖擊波有害效應(yīng)對(duì)船舶的影響為關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，深入分析，為其他類(lèi)似工程提供理論依據(jù)和借鑒作用。

2 工程背景

長(zhǎng)江上游九龍坡至朝天門(mén)河段長(zhǎng)22km，屬于山區(qū)河道，隨著三峽水庫(kù)運(yùn)行時(shí)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?xí)霈F(xiàn)新的淤沙淺灘，因此實(shí)施長(zhǎng)江上游九龍坡至朝天門(mén)河段航道炸礁工程，航道周?chē)h(huán)境及現(xiàn)場(chǎng)往來(lái)船舶如圖1所示。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

建模時(shí)以炮孔中心線(xiàn)為軸線(xiàn)，建立實(shí)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(zhì)，孔深7.6m，裝藥高度5m，孔底部預(yù)留2m巖體，使用2#巖石乳化炸藥，計(jì)算得到單個(gè)炮孔總藥量為40Kg。采用線(xiàn)型起爆方式，炮孔起爆位置為距離孔底3.1m高處。模型中設(shè)水面船舶處于距炮孔軸線(xiàn)距離20m處。

圖2 ?計(jì)算模型示意圖

3.2水中沖擊波對(duì)船舶的動(dòng)力響應(yīng)

3.2.1 船舶速度響應(yīng)分析

為研究水中沖擊波作用下船舶速度動(dòng)力響應(yīng)特征，在船舶首尾的位置設(shè)置了4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、C、D、E，其中A和C三個(gè)測(cè)點(diǎn)分別位于船舶底板船首及船尾的位置;D和E兩個(gè)測(cè)點(diǎn)分別位于船舶甲板首尾的位置，各測(cè)點(diǎn)不同方向速度時(shí)程曲線(xiàn)圖如圖3所示。

表3 ?各測(cè)點(diǎn)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(gè)測(cè)點(diǎn)處均產(chǎn)生了不同程度的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，且A、C、D、E四個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大振動(dòng)速度值均為水平徑向方向，說(shuō)明結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)最大的方向?yàn)闆_擊波的傳播方向。此外，由于船舶底板距離爆區(qū)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(jīng)過(guò)底板到甲板傳播衰減后，甲板測(cè)點(diǎn)速度響應(yīng)會(huì)有一定的減小，故船舶底板的速度響應(yīng)遠(yuǎn)大于甲板。船首的速度響應(yīng)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(yīng)力響應(yīng)分析

不同時(shí)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(shí)，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(qū)域?yàn)閴毫^大區(qū)域）;800μs時(shí)，爆破沖擊波經(jīng)過(guò)在船舶內(nèi)的繼續(xù)傳播，甲板的中部開(kāi)始出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力（圖中藍(lán)色區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力較大區(qū)域）;1150μs之后，爆破沖擊波經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的傳播，使得船舶的壓力云圖最終趨于穩(wěn)定，即呈現(xiàn)出最終的作用效果：船底板由于在水下直接受到爆破產(chǎn)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(qū)域?yàn)閴毫^大區(qū)域），而在受到較大壓力作用的船底板對(duì)應(yīng)的上部甲板中部位置，明顯受到了較大的拉應(yīng)力作用（圖中藍(lán)色區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力較大區(qū)域）。

4 水中船舶防護(hù)措施

為了避免船舶受到爆破水中沖擊波的影響，導(dǎo)致船舶漏水、翻沉事故的發(fā)生，水中船舶的保護(hù)通常從以下三個(gè)方面進(jìn)行：

4.1從水下爆破源頭減弱水中沖擊波

水下鉆孔爆破時(shí)，可以在保證爆破效果的前提下適當(dāng)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(jié)構(gòu)、設(shè)置合理的起爆順序以及采取延時(shí)起爆，能使總爆炸能量在時(shí)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(guò)程中削弱水中沖擊波

從傳播過(guò)程中削弱水中沖擊波最優(yōu)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(huì)轉(zhuǎn)移給氣泡，引起二次氣泡脈動(dòng)現(xiàn)象，且二次氣泡脈動(dòng)的大部分能量，特別是在強(qiáng)有力的壓縮下會(huì)以熱能的形式傳遞給水介質(zhì)，由氣泡強(qiáng)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(duì)沖擊波峰值壓力有很好的衰減作用，在水下爆破工程運(yùn)用中氣泡帷幕對(duì)沖擊波峰值壓力的衰減值達(dá)到90%左右。

4.3減小船舶對(duì)水中沖擊波的吸收

為減小船舶對(duì)水中沖擊波的吸收，最有效的方法是采取防護(hù)措施保護(hù)船舶結(jié)構(gòu)。防護(hù)措施可以采用鋼-泡沫夾層板或在船舶的表層結(jié)構(gòu)外敷設(shè)有一定空腔率的抗沖擊瓦，這類(lèi)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(jié)構(gòu)的吸能作用，隔離爆炸產(chǎn)生的沖擊波，有效提高船舶的抗沖擊能力。

5 結(jié)論

（1）船舶底板的速度響應(yīng)值在各個(gè)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(jīng)過(guò)船體衰減以后，會(huì)使甲板各測(cè)點(diǎn)的速度響應(yīng)有所減小;船首的速度響應(yīng)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(guò)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(chǎn)生了較大的沖擊壓力效果;之后，爆破沖擊波經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的傳播，甲板的中部開(kāi)始出現(xiàn)一定的拉應(yīng)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(duì)應(yīng)的上部甲板中部位置，明顯受到了較大的拉應(yīng)力作用。

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