水下爆破拆除围堰结构的流固耦合：三峡三期滚压混凝土围堰的个案研究

安全地炸掉临时坝

像中国长江上的三峡这样的大型水坝施工时，临时的“辅助”坝——围堰，用来保持施工区干燥。最终这些围堰需要被拆除，常常使用炸药，且不得损害主体大坝或影响发电。本研究说明工程师如何利用先进的计算机模拟，详细理解在爆破过程中，巨大的混凝土围堰在水下如何破碎并倾覆——以及周围水体如何影响这一运动。

为什么水让拆除更复杂

在空中炸裂岩石和混凝土本就复杂，水下则更为棘手。水会改变爆炸的行为：它会对炸药施加压力，传递强烈的冲击波，并将高压气体导入裂缝。因此，混凝土破碎的方式以及碎块在河床上的运动，不能可靠地按陆地爆破的经验规则预测。然而水下爆破在港口、航道、水电工程和大型码头中很常见，这些地方的围堰必须在靠近重要设施的情况下拆除。工程师需要更好的方法来预判碎片会如何飞散、滑动并沉降，以便保护附近的大坝和电站安全。

深水中的巨型临时墙

本研究关注的是三峡工程三期的滚压混凝土（RCC）围堰，这是一道与主体坝平行、位于上游约114米的长重力式临时墙。不同于许多临时结构，该围堰在施工时就考虑了日后的拆除：结构内预留了三处内置炸药室和特殊的“断裂”孔，以便后续爆破能切割上部并使其朝控制方向倒塌。难度巨大：在长约480米的断面内需拆除超过18万立方米混凝土，水深达约40米——几乎是以往围堰爆破水深的两倍——同时必须在靠近主坝和厂房的严格安全限值内完成。

模拟每一块混凝土和每一道水流

为研究这一高风险作业，作者建立了详细的计算模型，将围堰视为由数千个相互粘结的混凝土“颗粒”组成，并被会流动和施加力的水包围。研究团队将两类强有力的工具结合起来：一种用于追踪流体运动（计算流体力学），另一种用于跟踪大量固体块体的运动与破碎（离散元方法）。通过耦合这些代码，团队可以模拟爆炸产生的高压水如何先在墙体上切出缺口，然后上部如何裂开、旋转、滑动并最终落入河床，同时水流汹涌、回旋并减缓或改变碎块的运动方向。

围堰如何解体

模拟显示拆除过程主要经历三个阶段。首先，内置炸药室和断裂孔按时序爆破，切出一个深而倾斜的缺口，改变了上部段的支点。在自身重力和围堰内外不均匀水位的作用下，上部构件开始像缓慢倒下的门一样转动。第二，当其倾斜时，块体沿着新形成的斜面下滑，水推动其前表面并在其下方流动。滑落到河床的破碎块加速了周围水流，形成逆流，这使得边缘附近的碎片减速而中间部分移动更快。最后，上部段与斜面失去接触，自由下落至河床，涡流和漩涡围绕沉降的碎屑旋转。模型还再现了剩余下部围堰大致保持设计形状和高程的情况。

把模型拿到实地检验

计算模型只有在与实测相符时才有价值。在三峡的实际爆破中，主坝上的传感器记录到围堰倒塌撞击河床时产生的振动。首次强烈冲击信号出现在起爆后约16.1秒——与模拟预测的时间一致。水下地形调查显示，拆除后留下的空隙和残留部分的高度与设计及计算结果非常接近。这一吻合增强了工程师对耦合模型既能捕捉混凝土失效机制又能反映水体响应的信心。

对未来水坝的意义

对非专业读者而言，关键结论是：该研究将一场能量极高且难以直接观测的水下爆破，转化为可预测、可视化的过程。通过将围堰视为许多粘结的块体、将河流视为运动流体，研究人员展示了水不仅传递爆炸能量，还会缓冲、重新定向并有时减缓下落碎片。他们的方法可帮助设计者为大型围堰和其他水下结构制定更安全的拆除策略，降低对主坝、厂房和工人的风险，同时更合理地利用炸药与场地条件。

引用: 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

关键词: 水下爆破, 围堰拆除, 三峡大坝, 流固耦合, 数值模拟