水下爆炸(理论)

Pm K 7r R
H0 / r h/r
水中冲击波物理参数工程计算
水中冲击波通过后，压力随时间变化关系呈指数衰减规律， 这一规律曲线可表示为
t
P(t ) Pm e
数据归纳出经验公式为
为衰减时间常数，定义为从Pm衰减到Pm/e所需时间(ms)。由实测波形
1/ 3 1 3 k R

在水中爆炸的规则反射区，冲击波的持续时间为

2H 0 h Rc
在水中爆炸非规则反射区，冲击波的持续时间为
1.2h H H0 r c


4.3 爆炸处理水下软地基
由于淤泥强度很低，不能承载，在其上的构筑物易遭受滑坡 破坏；这些事故多发生在未处理地基直接抛填石料所致；因此， 淤泥地基必须加以处理。
4.1水下爆炸的基本现象和基本原理
药包在水中起爆，炸药爆轰后首先在炸药内传播爆轰 波。当爆轰波传到炸药和水的界面时，在水中形成冲击波。 水中冲击波初始压力比爆轰波的压力约小30～35%。爆炸 产物向外膨胀，将能量传递给水，水再将能量传递给待爆 介质。
4.1.1水中冲击波的传播
1.在药包附近的冲击波传播速度比水中的声速（约为1500m/s） 要大数倍。 2.水中冲击波压力随传播距离而减小。 3.压力波波长随传播距离而增长。
4.3.3 爆夯法及机理研究
爆夯施工时，将炸药置在已堆好的堆石体或其上一定挂高处。 堆石体下为一定深度的淤泥，淤泥层的下底与海底粘土层相连接。 为了使堆石体保持平面整体向淤泥中运动，在爆夯时，常用平面布 药，即采用点阵式等距离方式布置药包。为了充分利用炸药的能量， 均在药包上有一定深度的覆盖水情况下起爆，爆前装置如图
4.2 水中冲击波物理参数工程计算
水下冲击波峰值压力公式为：
1/ 3 Pm K R

在距爆源足够远处，对＜100MPa的水中弱冲击波，符合声学近 似规律，此时水中冲击波超压随距离呈线性衰减，即
R' ' R Pm P0 Pm P0
当水中爆炸的药包中心处水深小于7倍药包半径r时，爆炸能量 通过水面向空气中耗散，水中冲击波峰值压力明显减小，可用下式 计算： 0.18 1 / 3 0.6 0.3 H0 1.13
为了阐明机理，进行了X光和高速摄影试验，这些试验都是在爆炸箱中 进行的。X光试验照片说明了爆炸挤淤过程。在试验药量条件下，爆炸空腔 初始有一个加速过程，最大速度为27.0m/s，空腔膨胀运动时间很短。爆炸 空腔位移与时间的试验曲线如图。
高速摄影表明，堆石体有一上升的运动过程，然后自由落体落 至空腔内。 由以上试验和现场观察得如下结论：炸药引爆以后，冲击波在 淤泥和堆石体中传播；淤泥面上没有覆盖水时，冲击波传至堆石体 上表面，将反射一拉伸波；由于堆石体是一个散体，堆石体上部分 石块将以一定速度往上运动，带走冲击波的能量。堆石体由于有较 大质量，在爆炸气圈继续推动下有不大的上升位移。实践证实只有 少量石块飞出，部分落回至堆石体上，其余散落在淤泥面上。当淤 泥面上有覆盖水时，冲击波将传入水中，在水表面反射为拉伸波， 使水的上层部分往外飞出，而整个堆石体基本无飞散的现象，只有 向上作整体运动。爆炸压力将淤泥挤出堆石体外后，堆石体便回落 到爆炸空腔内而形成所设计要求的堤。下落后，堆石体的形态基本 保持原在淤泥面堆石体的形状。用这样施工方法筑堤，单位耗药量 很低，能充分利用炸药的能量；利用这种施工方法的前提是，抛石 体在淤泥面上能保持稳定而不致于滑动，而且预埋炸药在施工上可 以实现并确保安全。
特种爆炸技术水下爆炸技术
水下爆炸的基本现象和基本原理 水中冲击波物理参数工程计算 爆炸处理水下软地基 水压爆破拆除 水中爆炸的爆破器材及起爆方法 水下爆炸的安全防护技术
水下爆炸分类：基于装药和待爆介质之间的位置关 系，水下爆炸可分为接触爆炸和非接触爆炸。 接触爆炸：是以水介质为包覆或覆盖介质，炸药和 待爆介质直接在界面处进行波的传播和能量交换；受水 流和水压等因素影响，因此，打眼、装药和起爆都比较 困难；对介质的破坏规律与常规爆炸技术基本相同，但 爆生气体作用时间有所增长。 水下非接触爆炸：大多指的是以水为传压介质的爆 炸。水为传压介质是因为水的可压缩性较小，所消耗的 变形能很少，传压效果好，而且使用方便、便宜。这种 非接触爆炸又可分为有限水域和无限水域两种。
从实验中注意到，在同样炸药量，堆石体厚度不变情况下，下沉量和L/H 有关，L是堆石体的宽度，H是淤泥的深度。L/H值很小时，堆石体较易下沉； 当L/H很大时，堆石体下沉量很小。因此爆夯通常要经过几次爆炸才能达到 要求，一般不易将所有淤泥挤出。这种情况不难理解，因为L/H小时，淤泥 侧向逸出路径短，阻力当然也就愈小，爆夯可使堆石体密实，这有很大的工 程意义。
在漏斗形成过程中，重力加速度g的影响一般可以 忽略，这是因为通常
G/g hG 1 gW
上述规律可应用于爆炸处理水下软基。爆夯、堤下爆 炸挤淤都可以认为是以初期运动为主的，而爆炸排淤填 石则可以认为包含在时间上分离的两个阶段。 初期运动，在忽略重力和粘性的条件下，几何相似 律应成立。因此
D / W f n1 , n2
(2)鼓包形状可以发展得很尖，具有光滑的表面，在顶点附近产生小孔破裂。 鼓包破坏范围较大，这种现象也是流体的特点，其破裂可看成一种流体局 部变薄所致。在炸药附近，没有压缩圈。
(3)可见爆坑漏斗很小，这是由于除去飞出淤泥回落爆坑以外，还由于淤泥 流动性很大,爆坑四周的淤泥由于重力的影响也往坑内回淤。 (4)鼓包和爆坑基本满足几何相似律。
4.1.3 反射波对气团的作用
反射波对气团的作用使它发生变形，气团形状可能显著地不同于 球形，特别是当爆炸发生在靠近表面时变形更甚。在具有自由表面 的有限水域条件下，还显著地表现出气团的上浮性和爆生“喷泉”。 气团不再是静止的，它一方面脉动，同时还朝着自由表面移动。当 装药在足够深的水中爆炸时，气泡在到达自由面之前就被分散和溶 解，这时水面上就没有喷泉出现。
4.3.1 爆炸与淤泥
实验表明：在淤泥中爆炸的冲击波传播规律，和水中爆炸很 相似，满足几何相似律。经过数学拟合，整理后公式如下
3 6 Q P 50 10 R
0.85
3 6 Q 6 10 R

0.12
从公式看出，淤泥中冲击波压力峰值与水下爆炸压力相比， 规律基本相似，但峰值较低。
几何相似律还给出岩土的特征运动速度V，特征加速 度G，特征时间T 的表达式。
3 Q V hv , n1 , n2 W
1
13 1 Q G hG , n1 , n 2 W W
13 Q T Wh , n1 , n2 T W
4.3.2 爆炸排淤填石法与机理研究
爆炸处理水下软基采用置换法，即用爆炸方法开沟，抛填堆石的 工艺。爆炸排淤填石法实际上是一种瞬态置换法。
在大厚度淤泥的工程实践中，当炸药埋深达不到要求时，起爆后，爆 坑底部尚有一层淤泥，通过实践检测"石舌"并不到底。随后抛石体也可能不 落底，但是爆炸排淤填石法是一个堤头反复循环爆炸排淤的过程。爆炸能 量可引起堆石体下地基的振动，根据目前测量，每次振动加速度约20g，周 期为0.05～0.ls，经过每次这样的振动都可将一部分淤泥从侧向挤出。从海 军防波堤的最后检测看，堆石体都能基本落底。 2007.09~2008.01
Ds
1 2
Dq
对于爆炸排淤填石，除了形成漏斗这个初期过程外，还必须考虑 堤头塌落和石舌形成这个后续过程，才能确定每次爆炸的进尺量。正 如前面所阐述“石舌”的形成，在爆炸压力和位势差的作用下，堤本 gW 2 身形成泥石流进入坑底。这时，非平衡的推动力正比于 ，变形阻 gW 2 gW 2 力正比于 ，所以其合力正比于 ，因为是在重力作用下，所以运 1/ 2 W W2 动时间正比于 。另外，参与运动的总质量正比于 。因此根据 g 牛
2007.09~2008.01
淤泥的一个重要特性是粘性，粘性力随应变率增加而加大，根 据实验，粘性力与应变率呈非线性幂指数的关系，并可表达如下
f
在爆炸条件下，粘性力只有6～8KPa，相对于冲击波强度而言，淤泥 的粘性是可以忽略的，即使在这种情况下，粘性力也小于淤泥的剪切强度， 因此淤泥的爆炸特性与水相似。 (1)淤泥与土岩介质不同，爆炸空腔不产生裂缝，具有流体特点。
4.3.5 爆炸处理海淤软基的模型律
在岩土性质、炸药性质 (包括品种、初始密度)保持不 变，而仅仅改变药包尺寸或最小抵抗线的条件下，在单药 包条件下
13 Q n f W
在群药包条件下，Q、W不一样，这时就应考虑其 他药包的作用，这时
Q W 3 f n1 , n2
n1 Q1/ 3 / W
或
n1 q / W
或
n1 s
1
2
/W
因此对于爆夯和堤下爆炸挤淤，只要保持其它几何条 件及所有物理条件 (如炸药品种、炸药密度、土质等)不变， 就有 1
D s 2 f W W
D f q / W W
从上注意到，如果变形阻力基本上不随D变化，则D正比于变形 功。容易证明，如果炸药量的利用率是常数 (不依几何尺寸变化)，即 变形功正比于药量，则有
反射波对气团的作用
水底爆炸：如同装药在地面爆炸一样，将使水中冲击波的压力增高。对
绝对刚体的水底，相当于2倍装药量的爆炸作用。实验表明，对砂质黏土 的水底，冲击波压力增加约10%，冲量增加约23%。
水中障碍物：它对气泡的运动影响很大。气泡膨胀时，近障碍物处的
水的径向运动受到阻碍，气泡有些离开障碍物的现象；但是，当气泡 不大时，气泡内腔处于正压的周期不长，这种效应并不显著。当气泡 受压缩时，近障碍物处的水的流动受阻，而其他方向的水径向聚合流 动速度很大，因此气泡朝着障碍物方向运动，即气泡像是被引向障碍 物。再一次脉动时，就可能对障碍物作用引起破坏。 。 在大规模水下工程爆破时，有时还会形成大量的岩块或土体以滑坡 形式突然倾入水域中，造成巨大涌浪，当遇到港工或水工建筑物时，涌 浪前进方向受到阻挡，引起附加水压力，并有可能翻过建筑物顶部向下 游宣泄，造成事故。在水下工程爆破特别是水底大药量爆破时，将会产 生强烈的地震波，受水介质影响，地震波的衰减较陆地慢，因此水下爆 破地震效应比陆地同量级的岩土爆破要大，地震震动影响范围比陆地要 大，因此在水下爆破工程设计中要进行防地震效应的设计计算。