復(fù)雜坑道內(nèi)溫壓炸藥沖擊波效應(yīng)試驗(yàn)研究

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(jí)凝聚相高爆炸藥相比，爆炸后除了產(chǎn)生瞬時(shí)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(duì)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(duì)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(cè)試與評(píng)估溫壓炸藥在坑道內(nèi)的爆炸效應(yīng)，對(duì)新型溫壓炸藥配方的調(diào)整和研究具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于坑道內(nèi)爆炸沖擊波效應(yīng)試驗(yàn)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(yàn)，提出了內(nèi)爆炸情況下坑道中沖擊波沖量傳播的經(jīng)驗(yàn)公式；王啟睿[2]通過(guò)研究多級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)中的內(nèi)爆炸效應(yīng)，給出了多級(jí)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(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，擬合出了坑道內(nèi)距離爆炸中心點(diǎn)一定距離處的爆炸沖擊波峰值壓力計(jì)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(lái)困難。目前國(guó)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(guò)在多直角坑道內(nèi)開展溫壓炸藥爆炸實(shí)驗(yàn)，分析溫壓炸藥沖擊波波形特點(diǎn)、沖擊波傳播規(guī)律，為溫壓炸藥溫壓效應(yīng)評(píng)估提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和樣品

實(shí)驗(yàn)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(gè)非對(duì)稱方向上各有一個(gè)直墻平頂?shù)目拥?。其中一個(gè)為直坑道，端部敞開，另一個(gè)為帶兩個(gè)直角彎道的坑道。坑道和爆炸塔內(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(shí)驗(yàn)，測(cè)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(zhǎng)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(yàn)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(diǎn)在樣彈上端面的中心位置，采用端部中心起爆方式。

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

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備與布設(shè)

爆炸沖擊波壓力時(shí)間曲線由 13個(gè) PCB公司的M113B21型壓力傳感器測(cè)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(cè)點(diǎn)距離爆心的距離如圖1所示。

傳感器測(cè)試信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)適配器，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集存儲(chǔ)。為測(cè)量TNT和溫壓炸藥在爆炸過(guò)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(shí)間小于2ms。

2 實(shí)驗(yàn)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(gè)測(cè)點(diǎn)處的壓力時(shí)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(huì)出現(xiàn)1個(gè)沖擊波峰值，緊接著會(huì)出現(xiàn)第2個(gè)沖擊波峰值，并且第2個(gè)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(gè)最大首峰壓力值，然后峰值壓力隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律衰減。在近場(chǎng)產(chǎn)生沖擊波呈現(xiàn)多峰現(xiàn)象，主要是由于實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)間的推移，沖擊波在坑道壁面來(lái)回反射疊加，能量不斷消耗，形成的多個(gè)沖擊波峰值壓力也越來(lái)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(chǎng)的測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)距離爆心近，沖擊波超壓曲線與直坑道近場(chǎng)測(cè)點(diǎn)基本相同，呈現(xiàn)多峰的狀態(tài)等。圖4（c）～（f）的測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)，沖擊波首峰值不再是壓力最大值，特別是最后的3個(gè)測(cè)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)間拉長(zhǎng)。

2.2 不同炸藥在相同測(cè)點(diǎn)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(duì)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(qiáng)。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(guò)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(cè)點(diǎn)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(gè)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(gè)彎道處再次受到阻滯作用，峰值再次被增大，通過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(gè)沖擊波曲線上都有幾段正壓作用過(guò)程，為比較不同炸藥的沖量值，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，在同一測(cè)點(diǎn)采用取同一時(shí)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(cè)點(diǎn)處的沖擊波沖量對(duì)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(duì)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(shí)間隨之拉長(zhǎng)，雖然峰值衰減，但整個(gè)波形的正相面積增大，所以沖擊波沖量變大。對(duì)比相同測(cè)點(diǎn)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(shuō)明在坑道工事中，對(duì)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(qiáng)度要比TNT炸藥大，因此在坑道設(shè)計(jì)應(yīng)用中應(yīng)該考慮溫壓炸藥溫壓效應(yīng)對(duì)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(cè)點(diǎn)間的傳播速度。該傳播速度為兩測(cè)點(diǎn)間的平均速度，計(jì)算方法為兩測(cè)點(diǎn)之間直線距離除以沖擊波到達(dá)兩測(cè)點(diǎn)的時(shí)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(gè)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(cè)點(diǎn)，沖擊波是按照最短直線距離傳播的，在通過(guò)拐角前一點(diǎn)后，同時(shí)向拐角點(diǎn)、拐角點(diǎn)后一點(diǎn)傳播，3#和6#段的沖擊波速度是按照拐角前一點(diǎn)和拐角后一點(diǎn)之間的直線距離除以此兩點(diǎn)沖擊波到達(dá)時(shí)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(cè)試實(shí)驗(yàn)，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(shí)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(shí)間推移3種炸藥的熱響應(yīng)溫度會(huì)持續(xù)一段時(shí)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(huì)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間最短，溫壓-2二次燃燒升溫時(shí)間最長(zhǎng)，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(guò)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(shí)間比較長(zhǎng)，所以升溫時(shí)間比較長(zhǎng)。對(duì)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(duì)目標(biāo)熱毀傷能力比TNT炸藥強(qiáng)。

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(cè)點(diǎn)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(qiáng)。對(duì)比直道段和彎道段相同位置處的峰值壓力，說(shuō)明彎道對(duì)于沖擊波峰值具有明顯的削減作用。

（3）對(duì)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(qiáng)。

（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(duì)目標(biāo)熱毀傷能力比TNT炸藥強(qiáng)。

[1]陳海天,李秀地,等.內(nèi)爆炸坑道中沖擊波沖量試驗(yàn)研究[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào),2008,24(2):5-8.

[2]王啟睿,張曉忠,等.多級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)坑道口部?jī)?nèi)爆炸沖擊波傳播規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[J].振動(dòng)與沖擊,2011,31(5):449-454.

[3]劉晶波,閆秋實(shí),等.坑道內(nèi)爆炸沖擊波傳播規(guī)律的研究[J].振動(dòng)與沖擊,2009,28(6):8-11.

[4]姬建榮,蘇健軍,等.炸藥爆炸熱作用的試驗(yàn)研究[J].火炸藥學(xué)報(bào),2010,33(4):49-52.

[5]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(yàn)研究[J].振動(dòng)與沖擊,2012,31(7):71-73.

[6]李芝絨，王勝?gòu)?qiáng),等.不同氣體環(huán)境中溫壓炸藥爆炸特性的試驗(yàn)研究[J].火炸藥學(xué)報(bào),2013,36(3):59-61.

[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(yàn)研究[J].振動(dòng)與沖擊,2012,31(7):71-73.