复杂坑道内温压炸药冲击波效应试验研究

苟兵旺，李芝绒，闫潇敏，张玉磊，潘 文

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

温压炸药与同量级凝聚相高爆炸药相比，爆炸后除了产生瞬时冲击波压力效应外，爆轰产物和大量没有反应的金属燃料颗粒与周围空气中的氧湍流混合，产生氧化反应( 即后燃效应)，释放大量的热能，在局部空间形成较高的准静态压力，对周围环境中的软目标产生进一步的毁伤效应。特别在半密闭的坑道，如山洞、地堡等工事，由于坑道壁面的限制，爆炸产生冲击波压力、热量沿坑道传播，对坑道内的设施、人员产生毁伤。最近几年，随着新型温压炸药配方的深入研究，测试与评估温压炸药在坑道内的爆炸效应，对新型温压炸药配方的调整和研究具有重要意义。

国内外对于坑道内爆炸冲击波效应试验研究比较多，陈海天[1]在等截面钢筋混凝土直墙圆拱结构中试验，提出了内爆炸情况下坑道中冲击波冲量传播的经验公式；王启睿[2]通过研究多级穿廊结构中的内爆炸效应，给出了多级穿廊结构中冲击波传播特性和峰值压力衰减规律；刘晶波[3]通过数值模拟和试验结果的对比，拟合出了坑道内距离爆炸中心点一定距离处的爆炸冲击波峰值压力计算公式，并给出了适应范围，以上都是关于常规炸药在坑道内爆炸冲击波传播规律的研究。由于温压炸药与常规炸药能量释放规律不同，在坑道内爆炸产生的冲击波受到坑道环境影响，给温压炸药温压效应的分析研究带来困难。目前国内外关于温压炸药在坑道内爆炸响应的研究还不多。因此，本文通过在多直角坑道内开展温压炸药爆炸实验，分析温压炸药冲击波波形特点、冲击波传播规律，为温压炸药温压效应评估提供依据。

1 实验

1.1 实验装置和样品

实验使用的爆炸坑道模型是在地面上用钢筋混凝土浇注的模型，中心为圆拱形爆炸塔，在两个非对称方向上各有一个直墙平顶的坑道。其中一个为直坑道，端部敞开，另一个为带两个直角弯道的坑道。坑道和爆炸塔内表面覆盖4mm厚钢板，爆炸塔直径为8m，坑道截面宽度为3m，高2.5m，具体结构如图1所示。

图1 爆炸坑道及传感器布设图Fig.1 Layout of blast tunnel and sensor

在相同尺寸条件下装填TNT炸药和温压炸药进行实验，测试样品主要由壳体、炸药装药以及传爆药组成，具体结构见图2。壳体选用圆柱形PVC塑料材质，内径为104mm，高130mm；长径比为1.25∶1；传爆药为 JH-14C，起爆药量 40g。温压炸药密度为1.85g/cm3，质量为 2.041kg，TNT炸药密度为1.58g/cm3，质量为 1.743kg。试验样弹竖立悬挂到爆炸坑道的塔体中心，样弹中心距地面1.25m，起爆点在样弹上端面的中心位置，采用端部中心起爆方式。

图2 测试样品结构示意图Fig.2 Schematic diagram of tested sample

1.2 实验测试设备与布设

爆炸冲击波压力时间曲线由 13个 PCB公司的M113B21型压力传感器测量，量程为1.4MPa，分别安装到沿坑道轴线距离地面1.2m高度的支架上，各测点距离爆心的距离如图1所示。

传感器测试信号经过信号适配器，由数据采集系统采集存储。为测量TNT和温压炸药在爆炸过程释放的热量，采用在爆心距4m处安装瞬态响应热电偶传感器[4]，距离地面高度 1.2m，热电偶丝材料为WRe5/26，偶丝直径为0.2mm，热响应时间小于2ms。

2 实验结果和分析

2.1 复杂坑道冲击波的传播规律

图3给出了温压炸药爆炸冲击波在复杂坑道环境中的直道段几个测点处的压力时间曲线。从图3中可以看出在直道段距爆心比较近的区域，首先会出现1个冲击波峰值，紧接着会出现第2个冲击波峰值，并且第2个峰值压力大于首峰压力值，然后呈现锯齿状衰减状态；在距爆心比较远的区域，具有一般直坑道的波形特征[5]，出现1个最大首峰压力值，然后峰值压力随时间呈指数规律衰减。在近场产生冲击波呈现多峰现象，主要是由于实验爆心位置是在圆柱与半球组成的圆球状内，首峰值是爆炸产生的冲击波峰值，第2峰值是爆炸冲击波在直坑道相对爆心的壁面产生反射冲击波叠加到爆炸冲击波上形成的，随着时间的推移，冲击波在坑道壁面来回反射叠加，能量不断消耗，形成的多个冲击波峰值压力也越来越小。由于反射冲击波能量、速度均为入射冲击波的2～8倍，随着传播距离的增大，反射冲击波赶上入射冲击波，形成稳定的冲击波在坑道内向前传播，因此在爆心远场的测点处具有一般直坑道冲击波压力曲线的特征。

图3 直道段不同测点处冲击波超压曲线Fig.3 Curves of shock wave peak overpressure at different positions in the straight tunnel

图 4是坑道弯道段距爆心不同距离处的冲击波超压曲线。

图4 弯道段不同测点处的冲击波超压曲线Fig.4 Curves of shock wave peak overpressure at different positions in the bended tunnel

弯道段的冲击波曲线与直坑道冲击波波形不同，图4（a）、（b）测点距离爆心近，冲击波超压曲线与直坑道近场测点基本相同，呈现多峰的状态等。图4（c）～（f）的测点距离爆心远，随着传播距离的增大，冲击波首峰值衰减快，其后的峰值衰减速度慢，在冲击波曲线上叠加许多反射冲击波，冲击波首峰值随爆心距的增大不断衰减，上升前沿逐渐变缓。但是由于反射冲击波作用，在距离爆心较远的测点，冲击波首峰值不再是压力最大值，特别是最后的3个测点最大压力甚至是冲击波峰值的10倍以上。分析原因主要是由于实验坑道是多拐角结构，在坑道第1拐角壁面冲击波产生反射作用，反射冲击波压力大于入射冲击波，形成第2峰值大于第1峰值现象。在第2拐角，与第1拐角相同，随着反射次数增加和传播距离的增大，冲击波总体能量逐渐衰减，导致第3峰值小于第2峰，正压时间拉长。

2.2 不同炸药在相同测点处的冲击波峰值分析

图5为温压-1、温压-2和TNT炸药在爆炸坑道内冲击波超压峰值随传播距离的变化曲线。

图5 不同炸药冲击波超压峰值随传播距离的变化曲线Fig.5 Variation curves of shockwave peak overpressure with distance for different explosives

从图5中可看出，在坑道内温压-1炸药的冲击波峰值最大，TNT的冲击波峰值最小，表明在坑道中对于符合峰值超压毁伤准则的目标，温压-1试样炸药的毁伤能力比TNT强。随着爆心距离的增加3种炸药的冲击波峰值压力逐渐衰减，且趋于一致。分析认为：由于温压炸药在爆轰过程中，温压炸药中的铝粉与坑道中的氧气发生氧化反应，释放出大量的热量，使温压炸药冲击波峰值压力比TNT大[6]。随着传播距离的增大，3种炸药的冲击波能量都在不断衰减，所以在远端测点处3种炸药的峰值压力都趋于零。

在弯道段，冲击波在第1个弯道处受到拐角壁面的阻滞作用，峰值压力有所增大，随着传播距离的增大，峰值压力有所减小；冲击波传播到第2个弯道处再次受到阻滞作用，峰值再次被增大，通过弯道后传播规律与直道相同[7]，且随着距离的增大，3种炸药的峰值压力都趋于零。在弯道4m、7.5m处，3种炸药的峰值压力都比直道相同距离处的大；弯道其他位置，3种炸药的峰值压力都比直道相同距离处小。对比直道和弯道18m处3种炸药的冲击波峰值，弯道处的温压-1 和温压-2炸药峰值压力大约是直道的15%，TNT的峰值压力为直道的 18%，表明弯道对冲击波有明显削减作用。分析认为直道相当于平面波在管道中传播，只有壁面摩擦对其有影响，冲击波能量消耗比较慢，所以峰值压力衰减比较慢。弯道由于有拐角和壁面反射波的影响，波形比较杂乱，出现多峰值现象，冲击波能量消耗比较迅速，所以弯道对冲击波峰值具有明显削弱作用。

2.3 不同炸药复杂坑道中的冲击波冲量分析

由于在每个冲击波曲线上都有几段正压作用过程，为比较不同炸药的冲量值，在数据处理时，在同一测点采用取同一时间段积分方法，得到冲击波冲量值，如表1所示。

表1 不同炸药在不同测点处的冲击波冲量对比(Pa·s)Tab.1 Shock wave impulse from different explosives at different positions

从表1中可以看出，在直道段，10.5m处的冲击波冲量最大，4.5m处的冲击波冲量最小，随着爆心距的增大，冲击波冲量先是增大后减小。在弯道段，21.5m处的冲击波冲量最大，18.0m处的冲击波冲量最小。对比弯道段和直道段最大冲量值，两者相差11倍多，表明弯道能增大冲击波冲量值。由于弯道内壁的作用使得大量冲击波进行叠加，压力峰值不断衰减，而波形的正相持续时间随之拉长，虽然峰值衰减，但整个波形的正相面积增大，所以冲击波冲量变大。对比相同测点处不同炸药的冲击波冲量，温压-1、温压-2炸药的冲击波冲量比TNT炸药要大，说明在坑道工事中，对于符合冲击波冲量毁伤准则的目标，温压-1、温压-2炸药的毁伤强度要比TNT炸药大，因此在坑道设计应用中应该考虑温压炸药温压效应对坑道抗破坏能力的影响。

2.4 不同炸药在复杂坑道中的传播速度分析

关于直坑道冲击波传播速度的研究已比较多，表2给出了弯道段温压炸药和 TNT炸药在坑道内不同测点间的传播速度。该传播速度为两测点间的平均速度，计算方法为两测点之间直线距离除以冲击波到达两测点的时间之差。

表2 弯道冲击波传播平均速度 (m·s-1)Tab.2 The mean velocity of shock wave in bended tunnel

从表2中可以看出，温压炸药和TNT在整个弯道段传播速度相差不大，温压-1、温压-2炸药略高于TNT炸药。除了3#和6#段，随着传播距离的增大，3种炸药的冲击波速度都减小。在3#和6#段冲击波传播速度有所增大，是由于3#和6#段都包含拐角测点，冲击波是按照最短直线距离传播的，在通过拐角前一点后，同时向拐角点、拐角点后一点传播，3#和6#段的冲击波速度是按照拐角前一点和拐角后一点之间的直线距离除以此两点冲击波到达时间之差获得的，所以3#和6#段的冲击波速度值比较大。

2.5 不同炸药在复杂坑道中响应温度分析

为了研究温压炸药和TNT在复杂坑道中响应温度的区别，分别进行了温压-1、温压-2和TNT炸药在两端开口、密闭两种状态下的温度响应测试实验，结果见图6。图6 为不同炸药在两端开口、密闭两种状态下距离爆心4m处的响应温度曲线。从图6（a）可以看出，温压-1、温压-2在两端开口状态下的热响应温度峰值比TNT炸药的温度峰值大， 并且3种炸药的热响应温度随着时间迅速减小。从图6（b）可以看出，在密闭状态下3种炸药的热响应温度都是先增大然后减小，之后又增大，并随着时间推移3种炸药的热响应温度会持续一段时间，然后逐步衰减；在密闭状态下温压炸药的二次燃烧现象比较明显。这是由于密闭状态下，坑道内温压炸药爆轰反应产生的瞬态高压和热作用会使金属颗粒的活性增加，与坑道内气体充分发生燃烧反应，释放出大量的热，使得温压炸药的热响应温度再次上升。

图6 不同炸药两端开口、密闭状态下热响应温度——时间曲线Fig.6 The thermal response temperature vs time curves of different explosives

表3 不同炸药在密闭状态下爆热热响应温度及升温时间Tab.3 Thermal response temperature and raising time of different explosives in a closed environment

从表3可以看出，在坑道中密闭状态下3种炸药的升温时间相差不大，表明3种炸药在爆炸后都能比较迅速释放出大量的热。温压-1炸药二次燃烧升温时间最短，温压-2二次燃烧升温时间最长，并且温压-1的二次燃烧峰值温度最大，表明温压-1炸药爆轰过程中，金属物质与坑道中的氧气能迅速发生反应，释放热量最大，温压-2炸药的反应时间比较长，所以升温时间比较长。对比密闭状态下坑道中3种炸药的热响应温度，结果为：T温压-1＞TTNT＞T温压-2，二次燃烧结果：T温压-1＞T温压-2＞TTNT，表明在密闭环境下温压-1炸药释放热量大，对目标热毁伤能力比TNT炸药强。

3 结 论

（1）在多直角复杂坑道直道段，由于坑道壁面反射的作用，冲击波曲线出现了多峰现象，并且冲击波首峰值不再是压力最大值，在距爆心比较远的测点处，冲击波曲线最大峰值压力甚至是首峰值的10倍以上。

（2）在坑道环境中，温压-1试样炸药的峰值压力大于TNT炸药，表明在坑道中符合峰值超压毁伤准则的目标，温压-1试样炸药毁伤能力比TNT强。对比直道段和弯道段相同位置处的峰值压力，说明弯道对于冲击波峰值具有明显的削减作用。

（3）对比直道和弯道冲击波冲量值，弯道能增大冲击波冲量值。温压炸药在坑道中的冲击波冲量比TNT炸药要大，并且弯道段温压-1、温压-2炸药的传播速度也大于TNT炸药，表明在坑道中符合冲击波冲量毁伤准则的目标，温压-1、温压-2炸药的传播速度快、毁伤效应比TNT炸药强。

（4）密闭状态下3种炸药都出现了二次燃烧现象，温压-1、温压-2炸药的二次燃烧现象比TNT炸药要明显，表明温压-1、温压-2炸药在密闭环境下释放热量大，对目标热毁伤能力比TNT炸药强。

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[2]王启睿,张晓忠,等.多级穿廊结构坑道口部内爆炸冲击波传播规律的实验研究[J].振动与冲击,2011,31(5):449-454.

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[7]任新见,张庆明,等.坑道口部B炸药爆炸冲击波传播速度模型试验研究[J].振动与冲击,2012,31(7):71-73.