水下爆破沖擊波超壓的測(cè)試方法

李強(qiáng)，李宏達(dá)，陳穎

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116031）

水下爆破沖擊波超壓的測(cè)試方法

李強(qiáng)，李宏達(dá)，陳穎

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116031）

根據(jù)沖擊波在介質(zhì)中的傳播原理，得出了介質(zhì)中沖擊波超壓的計(jì)算方法；將陸地振動(dòng)測(cè)試傳感器應(yīng)用于水下振動(dòng)測(cè)試，測(cè)得了質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，并轉(zhuǎn)化為超壓；運(yùn)用最小二乘法原理，得到了水下爆破遠(yuǎn)爆源處沖擊波超壓計(jì)算公式。對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際測(cè)試工作，減小測(cè)試工作量，降低成本具有一定意義。

水下爆破；沖擊波；超壓；測(cè)試

0 引言

水下爆破主要是處理被炸介質(zhì)處于水位以下或藥包被水所包圍的一種爆破，它是工程爆破中的一個(gè)重要分支，在這種爆破中，水介質(zhì)對(duì)爆破有著很大影響。二戰(zhàn)之前，水下爆破主要用于軍事目的，二戰(zhàn)結(jié)束后才開始大量進(jìn)行民用水下炸礁、排淤等工程。水下爆破時(shí)產(chǎn)生的水沖擊波比空氣沖擊波要強(qiáng)烈得多，例如炸藥爆炸釋放出來的能量化成地震波的百分?jǐn)?shù)，對(duì)干土為2%～3%，對(duì)濕土為5%～6%，在水中達(dá)20%左右[1]。隨著目前大規(guī)模的海洋開發(fā)任務(wù)，涉及水中爆破方面的水下結(jié)構(gòu)、船舶、艦艇的安全問題以及爆破對(duì)魚類水生生物、對(duì)岸邊居民和建筑的影響及環(huán)境問題也日益突出。因此，加強(qiáng)水中爆破的實(shí)踐應(yīng)用研究，加強(qiáng)水下爆破資料的收集分析，提高監(jiān)測(cè)技術(shù)水平是迫切需要解決的問題。

目前無限水介質(zhì)中爆破沖擊超壓計(jì)算公式較多，且在不同的比例距離范圍內(nèi)、不同的裝藥各有區(qū)別，使用起來不甚方便，而通過實(shí)驗(yàn)的方法確定比較費(fèi)力費(fèi)時(shí)，成本較高。傳統(tǒng)水下爆破沖擊波測(cè)試常使用壓電式傳感器，壓電式傳感器的頻響較高，所以成為在中遠(yuǎn)場(chǎng)的水下沖擊波測(cè)試中常用的測(cè)量傳感器。但壓電傳感器必須采用恒流供電，測(cè)試儀器與測(cè)試設(shè)備較為復(fù)雜，限制了其在工程爆破中的應(yīng)用。而在很多水下爆破工程中，僅需要獲得遠(yuǎn)場(chǎng)較為低壓的水下沖擊波，以保證人員的安全；同時(shí)，一次爆破藥量較大，遠(yuǎn)場(chǎng)沖擊波頻率不高，在距離爆源較遠(yuǎn)處由于沖擊波近乎衰減為聲速，為此，本文設(shè)計(jì)了一種以動(dòng)圈速度直接測(cè)量水下沖擊波三向合速度，進(jìn)而以速度變化計(jì)算水下爆破沖擊波，對(duì)于大藥量遠(yuǎn)場(chǎng)低頻水下沖擊波結(jié)合水下爆破工程進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。

1 測(cè)試原理及方法

根據(jù)沖擊波在介質(zhì)中傳播的常用關(guān)系（假定波前參數(shù)為靜止）[2]：

式中：D為沖擊波速度；u為波后質(zhì)點(diǎn)速度；P，V分別為波陣壓力，介質(zhì)比容；下標(biāo)“0”表示波前狀態(tài)。由式（1）和式（2）可得：

對(duì)于大多數(shù)材料，沖擊波速度與波后質(zhì)點(diǎn)速度滿足以下線性關(guān)系，即：

D=c0+su

式中：c0為零壓下材料聲速；s為材料常數(shù)。

所以，沖擊波超壓可以表示為：

ΔP=ρ0Du=ρ0（c0+su）u （4）

由式（4）可知，測(cè)定了給定點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，即可確定該點(diǎn)的沖擊波超壓。對(duì)于海水而言，取ρ0=1.03 g/cm3；c0=1 480m/s；s=1.05。

依據(jù)上述原理，在大連灣碼頭進(jìn)行水下基床爆破夯實(shí)時(shí)，將陸地爆破振動(dòng)測(cè)試傳感器（TCSB3三矢量速度傳感器，500 Hz），經(jīng)過防水封裝，應(yīng)用于水下（測(cè)試點(diǎn)距離水面6 m），測(cè)得了水下爆破沖擊波引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，之后，計(jì)算出三向合速度，將該速度值作為水下沖擊波的波后速度u值，按式（4）換算得到了超壓。如表1所示。表中列出了爆破所使用的藥量和測(cè)試的距離、儀器測(cè)得的震動(dòng)速度以及換算得到的超壓。

表1 爆破測(cè)試振動(dòng)及超壓數(shù)據(jù)Table1 Vibration and overpressure data ofexplosion testing

2 結(jié)果與討論

在無限水域水下爆破，庫爾[3]根據(jù)大量的TNT水下爆破試驗(yàn)得出超壓可按下式計(jì)算：

式中：K和α為與介質(zhì)相關(guān)的常數(shù)。在無限水域中α=1.13。由于在有限水域中水下沖擊波受到水底、水面等的影響，衰減指數(shù)必然會(huì)受到影響，為此在以下研究中將α和K都看成變量，對(duì)式（5）以實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。首先對(duì)式（5）取對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換為：

將表1中的數(shù)據(jù)通過最小二乘法按式（6）線性擬合可得：K=1 609 kPa；α=1.009；圖1中顯示了超壓分布散點(diǎn)與擬合分布曲線的關(guān)系。從圖1中可以看出，散點(diǎn)分布較好地顯示了超壓對(duì)數(shù)與Q1/3/R對(duì)數(shù)具有較好的線性分布特征，而α= 1.009，接近無限域球形聲波傳播特征。

水下爆破相對(duì)于空中爆破而言，爆破環(huán)境更加復(fù)雜，影響水下爆破測(cè)試的因素很多。客觀的影響因素有水下測(cè)試深度、水溫、海水咸度、大氣壓、水下涌動(dòng)等影響；相對(duì)主觀的因素有傳感器防水問題。傳感器經(jīng)過層層防水包覆，在傳感器與海水接觸面之間混入了大量的氣泡，這對(duì)測(cè)試水下質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)帶來了大量誤差；另外，水下暗流，傳感器不固定等也會(huì)產(chǎn)生質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差，這些因素也是在同一個(gè)測(cè)試地點(diǎn)，同一個(gè)爆破源，所產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)相差甚大的原因，但是作為一種研究和探索，盡力減小這些誤差，多測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，這種方法測(cè)試水下超壓還是可行的。

Testingmethod for overpressure of shock wave form underwater exp losion

LIQiang,LIHong-da,CHENYing
（No.3Eng.Co.,Ltd.ofCCCCFirstHarbor Engineering Co.,Ltd.,Dalian,Liaoning116031,China）

According to the principle ofshock wave propagation in themedium,weobtained a calculationmethod foroverpressure of shock wave in themedium.By applying land vibration testing sensor to underwater vibration testing,the vibration velocity of particle is detected and then turned into overpressure.By using the principle of the least square,a calculation formula for shock wave overpressure of the far underwater explosion isworked out.Thiswork is significant for guiding the future actual testingwork and reducing the testingworkload and decreasing the cost.

underwater exp losion;shock wave;overpressure;testing

U655.52

A

2095-7874（2015）05-0013-02

10.7640/zggw js201505004

2014-12-21

2015-04-15

李強(qiáng)（1981— ），男，山東平度人，工程師，國(guó)家注冊(cè)一級(jí)建造師，主要從事港口與航道工程施工技術(shù)工作。E-mail：1075976777@qq.com