水下爆炸(理论)

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
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
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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。
4.3.2 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
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
4.1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。
4.3.1 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。
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。
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
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
(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。
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。
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。
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
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。
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。
在爆炸载荷作用下，石块之间引起错位，使空隙率减少，另一 方面爆炸作用使整个堆石体向淤泥中运动，将淤泥从堆石体外泥面 挤出，钻探结果表明，只有一小部分淤泥挤入堆石体的空隙内，因 而总的爆炸能量看来主要用于侧向挤淤。 模拟试验曲线表明，爆夯下沉运动有一个很短的加速过程，此 后有一较长时间近似匀速过程，最后减速至终止。经过分析，爆炸 产物初始压力很高并伴有冲击波，因而淤泥运动有一加速过程。当 爆炸气团迅速膨胀，其压力随之降低，当低至和淤泥的强度和阻力 相当时，就出现一个近似匀速的过程。这时气团压力较低，淤泥的 质量大；因而有一个比较长时间的匀速过程。随后，爆炸气团浮出 水面或逸出，堆石体在淤泥强度和阻力作用逐渐减速至零。
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。
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水下爆炸的基本现象和基本原理
t
P Pm e
m
m
——指数衰变的时间常数。
4.1.2 爆炸产物的高压气团脉动过程
气团脉动时，水中将形成稀疏波和压力波。稀疏波的产生与每一次 气团压力达到最大值相应，而压力波的产生则与每一次的压力最小值相 应。在深水里，气团第一次脉动所引起的最大压力不超过冲击波压力的 10～20%。气团脉动的周期为毫秒量级以上。
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
4.3.4 堤下爆炸挤淤施工方法及其Leabharlann Baidu理研究
堤下爆炸挤淤法是将条形药包(或多个集中药包)埋在堆石体下 淤泥中或淤泥表面上的一种施工方法。在堆石体上有覆盖水，有 时也无覆盖水。其结构如图。
炸药引爆后，爆炸压力将淤泥从堆石体下淤泥面挤出，随后堆石体在重 力作用下落至被挤出的淤泥空间。这样施工方法的优点是爆炸能量得到比较 充分的利用，但装药较为复杂，安全问题比较突出，需要进一步研究。