Vätske–struktur-interaktion vid undervattenssprängning och rivning av cofferdam-strukturer: en fallstudie av Three Gorges fas III RCC-cofferdam

Sprängning av en tillfällig dam, säkert

När en jätte­damm som Three Gorges på Kinas Yangtze byggs håller tillfälliga ”hjälp”-dammar, så kallade cofferdams, byggområdena torra. Så småningom måste dessa cofferdams tas bort, ofta med sprängämnen, utan att skada huvud­dammen eller störa kraftproduktionen. Denna studie förklarar hur ingenjörer använde avancerade dator­simuleringar för att i detalj förstå hur en massiv betong‑cofferdam slås sönder och faller under vatten vid sprängning — och hur det omgivande vattnet påverkar den rörelsen.

Varför vatten gör rivning så komplicerad

Att spränga berg och betong i fri luft är redan komplicerat. Under vatten blir det betydligt mer komplicerat. Vatten ändrar hur explosioner beter sig: det pressar på sprängladdningen, förmedlar kraftiga chockvågor och kanaliserar högtrycksgaser in i sprickor. Som ett resultat kan inte sättet betongen krossas och hur brutna block rör sig på flodbotten förutsägas pålitligt med regler som gäller för markbaserad sprängning. Ändå är undervattenssprängning numera vanlig i hamnar, farleder, vattenkraftsprojekt och stora kajer, där cofferdams måste rivas nära värdefulla konstruktioner. Ingenjörer behöver bättre verktyg för att förutse hur fragment kommer att flyga, glida och sjunka så att närliggande dammar och kraftverk kan hållas säkra.

En jättelik tillfällig vägg på djupt vatten

Studien fokuserar på fas III:s cofferdam av rullkomprimerad betong (RCC) vid Three Gorges‑projektet, en lång, gravitationsbaserad vägg som löper parallellt med huvud­dammen ungefär 114 meter uppströms. Till skillnad från många temporära konstruktioner byggdes denna cofferdam med tanke på framtida rivning. Under byggnationen gjöts tre interna laddningskammare och särskilda ”brythål” in i strukturen så att senare sprängningar kunde skära igenom överdelen och få den att välta i en kontrollerad riktning. Utmaningen var enorm: över 180 000 kubikmeter betong skulle avlägsnas i en enda 480 meter lång sektion, vid vatten­djup upp till omkring 40 meter — nästan dubbelt så djupt som vid tidigare cofferdam‑sprängningar världen över — samtidigt som man höll sig inom snäva säkerhetsgränser nära huvud­dammen och kraftverket.

Simulera varje block och varje virvel

För att studera denna riskfyllda operation byggde författarna en detaljerad dator­modell som behandlar cofferdamen som tusentals individuella betong‑”partiklar” bundna tillsammans, omgivna av vatten som flyter och trycker på dem. De kombinerade två kraftfulla verktyg: ett som spårar vätskans rörelse (beräkningsfluiddynamik) och ett annat som följer rörelsen och sönderfallet av många solida bitar (diskret elementmodellering). Genom att koppla ihop dessa koder kunde teamet följa hur explosionsdrivet högtrycksvatten först karvar ut ett jack i väggen, hur överdelen sedan spricker, roterar, glider och slutligen faller till flodbotten — allt medan vatten strömmar, recirkulerar och bromsar eller omdirigerar bråten.

Hur cofferdamen faller sönder

Simuleringarna visar att rivningen utvecklas i tre huvudstadier. Först skär de tidsinställda sprängningarna i de interna kammrarna och brythålen ett djupt, sluttande brott som flyttar stödpunkten för överdelen. Under sin egen vikt och under påtryckning av ojämna vattennivåer innanför och utanför cofferdamen börjar detta övre block rotera som en sakta fallande dörr. För det andra, när det lutar över, glider blocket ner längs den nyskapade sluttningen i den kvarvarande betongen, med vatten som trycker mot dess framsida och strömmar under det. Trasiga stycken som glider ner på flodbotten ökar hastigheten på det omgivande vattnet och skapar motströmmar som bromsar fragment vid kanterna medan bitar i mitten rör sig snabbare. Slutligen tappar överdelen kontakten med sluttningen och faller fritt under vatten till flodbotten, där virvlar och virvulationer snurrar runt det sjunkande skräpet. Modellen fångar också hur den kvarvarande nedre cofferdamen i stort sett behåller den planerade formen och höjden.

Sätta modellen på prov

Dator­modeller är bara användbara om de stämmer överens med verkligheten. Under den faktiska sprängningen vid Three Gorges registrerade sensorer på huvud­dammen vibrationer när den vältade cofferdamen slog mot flodbotten. Den första kraftiga stöt­sjonen visade sig omkring 16,1 sekunder efter detonationen — samma tidpunkt som simuleringen förutsade. Undersökningar av undervattens­terrängen visade att gapet efter den rivna cofferdamen och höjden på den kvarvarande delen stämde väl överens med designen och de beräknade resultaten. Denna överensstämmelse ger ingenjörer förtroende för att den koppplade modellen kan fånga både hur betongen brister och hur vattnet reagerar.

Vad detta betyder för framtida dammar

För icke‑specialister är huvudbudskapet att studien förvandlar en mycket energirik, svårobserverad undervattenssprängning till en förutsägbar, visualiserad process. Genom att behandla cofferdamen som många bundna block och floden som en rörlig vätska visar forskarna hur vatten inte bara förmedlar sprängenergi utan också dämpar, omdirigerar och ibland bromsar fallande bråte. Deras metod kan hjälpa konstruktörer att planera säkrare rivningsstrategier för stora cofferdams och andra undervattensstrukturer, minska risken för huvud­dammar, kraftstationer och arbetare samtidigt som sprängämnen och platsförhållanden utnyttjas mer effektivt.

Citering: Wu, L., Liang, Z., Cai, Y. et al. Fluid–structure interaction in underwater blasting demolition of cofferdam structures: a case study of three gorges phase III RCC cofferdam. Sci Rep 16, 5175 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35562-x

Nyckelord: undervattenssprängning, rivning av cofferdam, Three Gorges-dammen, vätske–struktur-interaktion, numerisk simulering