水下爆破冲击波超压的测试方法

李强，李宏达，陈颖

（中交一航局第三工程有限公司，辽宁 大连 116031）

水下爆破冲击波超压的测试方法

李强，李宏达，陈颖

（中交一航局第三工程有限公司，辽宁 大连 116031）

根据冲击波在介质中的传播原理，得出了介质中冲击波超压的计算方法；将陆地振动测试传感器应用于水下振动测试，测得了质点振动速度，并转化为超压；运用最小二乘法原理，得到了水下爆破远爆源处冲击波超压计算公式。对于指导实际测试工作，减小测试工作量，降低成本具有一定意义。

水下爆破；冲击波；超压；测试

0 引言

水下爆破主要是处理被炸介质处于水位以下或药包被水所包围的一种爆破，它是工程爆破中的一个重要分支，在这种爆破中，水介质对爆破有着很大影响。二战之前，水下爆破主要用于军事目的，二战结束后才开始大量进行民用水下炸礁、排淤等工程。水下爆破时产生的水冲击波比空气冲击波要强烈得多，例如炸药爆炸释放出来的能量化成地震波的百分数，对干土为2%～3%，对湿土为5%～6%，在水中达20%左右[1]。随着目前大规模的海洋开发任务，涉及水中爆破方面的水下结构、船舶、舰艇的安全问题以及爆破对鱼类水生生物、对岸边居民和建筑的影响及环境问题也日益突出。因此，加强水中爆破的实践应用研究，加强水下爆破资料的收集分析，提高监测技术水平是迫切需要解决的问题。

目前无限水介质中爆破冲击超压计算公式较多，且在不同的比例距离范围内、不同的装药各有区别，使用起来不甚方便，而通过实验的方法确定比较费力费时，成本较高。传统水下爆破冲击波测试常使用压电式传感器，压电式传感器的频响较高，所以成为在中远场的水下冲击波测试中常用的测量传感器。但压电传感器必须采用恒流供电，测试仪器与测试设备较为复杂，限制了其在工程爆破中的应用。而在很多水下爆破工程中，仅需要获得远场较为低压的水下冲击波，以保证人员的安全；同时，一次爆破药量较大，远场冲击波频率不高，在距离爆源较远处由于冲击波近乎衰减为声速，为此，本文设计了一种以动圈速度直接测量水下冲击波三向合速度，进而以速度变化计算水下爆破冲击波，对于大药量远场低频水下冲击波结合水下爆破工程进行了实际测试。

1 测试原理及方法

根据冲击波在介质中传播的常用关系（假定波前参数为静止）[2]：

式中：D为冲击波速度；u为波后质点速度；P，V分别为波阵压力，介质比容；下标“0”表示波前状态。由式（1）和式（2）可得：

对于大多数材料，冲击波速度与波后质点速度满足以下线性关系，即：

D=c0+su

式中：c0为零压下材料声速；s为材料常数。

所以，冲击波超压可以表示为：

ΔP=ρ0Du=ρ0（c0+su）u （4）

由式（4）可知，测定了给定点的质点振动速度，即可确定该点的冲击波超压。对于海水而言，取ρ0=1.03 g/cm3；c0=1 480m/s；s=1.05。

依据上述原理，在大连湾码头进行水下基床爆破夯实时，将陆地爆破振动测试传感器（TCSB3三矢量速度传感器，500 Hz），经过防水封装，应用于水下（测试点距离水面6 m），测得了水下爆破冲击波引起的质点振动，之后，计算出三向合速度，将该速度值作为水下冲击波的波后速度u值，按式（4）换算得到了超压。如表1所示。表中列出了爆破所使用的药量和测试的距离、仪器测得的震动速度以及换算得到的超压。

表1 爆破测试振动及超压数据Table1 Vibration and overpressure data ofexplosion testing

2 结果与讨论

在无限水域水下爆破，库尔[3]根据大量的TNT水下爆破试验得出超压可按下式计算：

式中：K和α为与介质相关的常数。在无限水域中α=1.13。由于在有限水域中水下冲击波受到水底、水面等的影响，衰减指数必然会受到影响，为此在以下研究中将α和K都看成变量，对式（5）以实际测量数据进行拟合。首先对式（5）取对数转换为：

将表1中的数据通过最小二乘法按式（6）线性拟合可得：K=1 609 kPa；α=1.009；图1中显示了超压分布散点与拟合分布曲线的关系。从图1中可以看出，散点分布较好地显示了超压对数与Q1/3/R对数具有较好的线性分布特征，而α= 1.009，接近无限域球形声波传播特征。

水下爆破相对于空中爆破而言，爆破环境更加复杂，影响水下爆破测试的因素很多。客观的影响因素有水下测试深度、水温、海水咸度、大气压、水下涌动等影响；相对主观的因素有传感器防水问题。传感器经过层层防水包覆，在传感器与海水接触面之间混入了大量的气泡，这对测试水下质点振动带来了大量误差；另外，水下暗流，传感器不固定等也会产生质点运动，从而使测量结果产生误差，这些因素也是在同一个测试地点，同一个爆破源，所产生的质点振动相差甚大的原因，但是作为一种研究和探索，尽力减小这些误差，多测点统计，这种方法测试水下超压还是可行的。

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

李强（1981— ），男，山东平度人，工程师，国家注册一级建造师，主要从事港口与航道工程施工技术工作。E-mail：1075976777@qq.com