水下鉆孔爆破水中沖擊波有害效應對周圍環(huán)境影響研究

代顯華

摘 要：本文針對水下鉆孔爆破的特點，為研究水下鉆孔爆破水中沖擊波有害效應影響規(guī)律，建立臨近橋墩和臨近船舶多孔水下鉆孔爆破三維計算模型，采用ANSYS/LS-DYNA爆破模擬軟件，獲取水中結構速度、加速度、應力以及應變等動力響應特征，得到水下鉆孔爆破水中沖擊波有害效應影響規(guī)律，為現(xiàn)場實施提供理論參考。

關鍵詞：水下鉆孔爆破；水中沖擊波；有害效應；周圍環(huán)境；影響

中圖分類號：X57 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）3-0076-02

水下鉆孔爆破產(chǎn)生的水中沖擊波對周圍的建筑群、船舶乃至漁業(yè)等都會產(chǎn)生比較大的影響。為了研究水下鉆孔爆破水中沖擊波有害效應，本文將以橋墩、船舶、魚群等為研究內容，深入全面探討水中沖擊波的有害效應。

1 水中沖擊波有害效應對橋墩影響分析

相對于陸地上的多種鉆孔方式，水下鉆孔爆破的鉆孔方式比較單一，為了鉆孔方便，水下鉆孔爆破基本是垂直鉆孔方式，此時炮孔內炸藥產(chǎn)生的能量是向四周均勻的傳播，水中沖擊波傳播規(guī)律具有對稱性。水中沖擊波對橋墩的影響是比較大的，它的有害效應，直接威脅著橋墩的整體安全與可靠性。

1.1 水中沖擊波的傳播規(guī)律

臨近橋梁水下鉆孔爆破不同時刻水中沖擊波壓力不同，柱狀藥包在0μs時刻由藥卷中部起爆后；在t=49.935μs時刻，爆轟應力波迅速向藥柱兩端擴展；在t=99.958μs時刻，爆轟壓力沖出炮孔，能量釋放在水域中形成水中沖擊波，在藥柱兩端爆轟壓力是以球狀向四周擴散，而中間以軸對稱柱狀向外擴散；在t=599.94μs之后，隨著距離的增大，柱狀藥包爆轟壓力逐漸變成球狀向外擴散。炸藥爆炸后，橋梁受到地震波與水中沖擊波的協(xié)同作用，導致了橋墩端部明顯的較大壓力。因此，水下鉆孔爆破有害效應對于橋梁結構安全的影響應該考慮兩者的協(xié)同作用。

1.2 橋墩速度、加速度響應分析

由于橋墩受到地震波和水中沖擊波的協(xié)同作用，協(xié)同作用下橋墩各個方向的響應均有不同程度的增大，而以沿水中沖擊波的傳播方向增大最多。由于沖擊波本身具有瞬間脈沖響應的特征，若結構受到的響應以沖擊波為主，則結構響應亦具有瞬間脈沖響應的特征。另外，研究發(fā)現(xiàn)橋墩速度響應在各個方向的值均以橋墩腳趾最大，其次為迎爆面，主要是由于橋墩趾受到地震波影響最大，同時受到?jīng)_擊波作用，協(xié)同作用下速度響應最大；而迎爆面主要受到水中沖擊波作用，同時受到地震波作用影響，速度響應也相應較大。

1.3 橋墩應力分析

在水下鉆孔爆破時，會產(chǎn)生地震波和水中沖擊波。由于地震波傳播速度遠大于水中沖擊波傳播速度，因此橋墩會首先受到地震波作用，迎爆面橋墩趾受到較大壓力作用。地震波不會停留一定時間，隨著地震波在橋墩傳播，在背爆面橋墩趾出現(xiàn)較大拉應力。之后水中沖擊波作用于橋墩，迎爆面中部受到壓力作用，腳趾出現(xiàn)拉應力，而在背爆面腳趾部分為壓力。之后在沖擊波和地震波共同作用下，橋墩迎爆面腳趾受到拉應力作用，背爆面腳趾受到壓力作用?？梢?，橋墩主要是迎爆面受水中沖擊波影響較大，因此所受有效應力較大。

2 水中沖擊波有害效應對船舶影響分析

相對于陸地上的多種鉆孔方式，水下鉆孔爆破的鉆孔方式比較單一，為了鉆孔方便，水下鉆孔爆破基本是垂直鉆孔方式，此時炮孔內炸藥產(chǎn)生的能量是向四周均勻的傳播，水中沖擊波傳播規(guī)律具有對稱性。水下鉆孔爆破水中沖擊波對船舶有害效應影響研究與其對橋墩的影響分析大同小異，唯一的差別在于需要探討水中沖擊波有害效應對鋼結構船舶的影響。

2.1 水中沖擊波有害效應

柱狀藥包由藥卷中部起爆后，爆轟應力波迅速向藥柱兩端擴展。爆轟壓力沖出炮孔，能量釋放在水域中形成水中沖擊波，在藥柱兩端爆轟壓力是以球狀向四周擴散，而中間以軸對稱柱狀向外擴散；隨著距離的增大，柱狀藥包爆轟壓力逐漸變成球狀向外擴散。若船舶處于爆破近區(qū)，將承受水中沖擊波壓力和氣泡脈動的共同作用，導致船舶損失破壞。當船舶處于爆破遠區(qū)，船舶處于水中部分將直接受到水中沖擊波的沖擊影響，造成結構的振動乃至損失破壞；處于空氣中的部分，沖擊壓力會通過船舶下部結構的衰減后向上傳遞，盡管強度有所減少，仍會對船舶上儀器造成影響。

2.2 船舶速度、加速度響應分析

由于船舶受到水中沖擊波的作用，船舶各個方向均存在不同程度結構動力響應。但通過實際測算，發(fā)現(xiàn)結構振動速度最大值均出現(xiàn)在水平徑向方向，說明沿沖擊波的傳播方向的結構動力響應最大。由于沖擊波本身具有瞬間脈沖響應的特征，船舶結構受到的響應以沖擊波為主，其結構響應也具有瞬間脈沖響應的特征。此外，船舶底板速度響應比甲板大，主要是由于船舶底板直接受到水中沖擊波作用，而沖擊波經(jīng)過傳播衰減后，導致甲板測點速度響應減小。船舶船首速度響應比船尾大，主要是船首距離爆源近，所受水中沖擊波作用影響較大。因此，水下鉆孔爆破水中沖擊波有害效應對船舶水平方向的影響最大。

2.3 船舶應力分析

以船首正面面向爆源為例，由于船首距離爆源較近，最先受到水中沖擊波的影響。船首很容易受到較大的沖擊壓力作用，隨著沖擊波在船舶傳播，在甲板中部出現(xiàn)較大拉應力。之后在水中沖擊波作用下，船舶整體受力情況基本一致，即船底板直接受到水中沖擊波的壓力，出現(xiàn)較大的壓力，而在船甲板中部受到較大的拉應力作用。通過實際測算，主要由于船首底板直接受水中沖擊波作用，因此所受有效應力較大。

3 水中沖擊波有害效應對魚類影響分析

爆炸物爆炸時，會在瞬間變成高溫高壓的氣體，隨后產(chǎn)生強大的沖擊波。這種沖擊波會使周圍產(chǎn)生瞬時的高壓，并以波動的形式向外傳播，對波及到的生物產(chǎn)生影響。

3.1 水中沖擊波對魚類的損傷機理

在水中和在空氣中爆炸時，所產(chǎn)生的沖擊波對動物的影響與以上是不同的。當在空氣中發(fā)生爆炸時，沖擊波在空氣中傳播到動物身體時，由于動物身體和空氣密度不同，因而大部分會在動物體表面產(chǎn)生反射，對動物的傷害都是通過動物的耳朵、鼻子和嘴對身體內部造成傷害。而在水中爆炸時，由于魚體的密度和水的密度類似，沖擊波在到達魚體與水交界面時一般會直接通過魚體向前傳播。但是，當魚體內有空氣腔時，由于空氣的可壓縮性，沖擊波通過時會導致空腔壁的撕裂或破碎。魚體內最容易受到損傷的是有膘魚類的膘，除此之外，還有魚類的肝、脾、腎等內部器官。當魚離爆炸源比較近時，除了對魚類的內部器官造成損害以外，對魚的身體外部也會造成損傷。另外水中沖擊波還會對魚的神經(jīng)系統(tǒng)造成沖擊損傷，使魚呈麻痹狀態(tài)，表現(xiàn)為魚腹部向上，側浮于水面，完全或部分喪失游泳能力，有些可逐步恢復，有些則會出現(xiàn)死亡。endprint

3.2 水中沖擊波對魚類的致死率研究

爆炸對生物的殺傷力，主要取決于爆炸產(chǎn)生的壓力，沖量和能量通量密度這三個因素。一般認為，爆炸時產(chǎn)生的過高壓和超低壓更替變換所產(chǎn)生的振動，是爆炸中導致生物死亡的主要原因。對距爆破中心不同距離各測站的受試生物的總死亡率進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)致死率隨著爆心距的增大而逐漸減小。不同魚類對爆破后水下沖擊波的忍受能力有較大差異，魚類的致死率最高，其次是蝦類，蟹類和貝類的致死率最低。這種現(xiàn)象可能與他們的生理結構特征有關，蟹貝類的胸殼堅硬，對沖擊波的抗震性較強。而魚體中的鰾對于產(chǎn)生的水中沖擊波非常敏感，極易震破或發(fā)生畸變而影響魚體正常的生理活動。受爆破沖擊的魚，其游泳能力大大下降，表現(xiàn)為緩慢乏力，呈麻痹狀態(tài)；而有些魚腹部向上，側游于水面，完全失去了游泳能力，這種現(xiàn)象是由于魚的神經(jīng)系統(tǒng)遭到破壞的結果。魚類在爆破后，魚體中的鰾因存在空氣腔，而空氣具有可壓縮性，當沖擊波通過時會導致空腔壁的撕裂或破碎或發(fā)生畸變，但這種變化反應不一定馬上發(fā)生，而是經(jīng)過一段時間后，才逐漸表現(xiàn)出來，并且此時開始陸續(xù)出現(xiàn)死亡。有些魚可以逐步恢復到原來的鰾形，有些則不能恢復。

3.3 爆破對漁業(yè)資源影響的類比分析

在大型水下鉆孔爆破施工中，往往會對周圍環(huán)境造成一些不利影響，所以控制爆破規(guī)模，保證安全，不斷優(yōu)化爆破方案，達到減少對周圍環(huán)境及漁業(yè)資源的影響成為水下爆破研究的發(fā)展趨勢。前采用較多的爆破方式一般有兩種，一種是延時爆破，一種為齊發(fā)爆破。延時爆破就是指毫秒微差爆，炸藥分時段進行間隔引爆，齊發(fā)爆破是指炸藥同時起爆。延時爆破由于采用了分段起爆，各藥包間的協(xié)同作用較齊發(fā)爆破減小，因而在相同藥量的情況下，采用延時爆破較齊發(fā)爆威力要小些，即沖擊波壓力較小。研究結果表明兩種爆破方式對漁業(yè)生物的影響，在一次總起爆藥量不變的情況下，采用孔間毫秒微差順序起爆。合理控制起爆藥量及微差起爆時間，可有效降低爆破水中沖擊波及爆破地震波動水壓力的影響，從而減少對漁業(yè)資源的危害損失。在炸藥選擇上，建議在不影響爆破效應的情況下，使用成本低的乳化炸藥進行水下爆破作業(yè)，可減少環(huán)境污染及漁業(yè)資源損失，以取得最佳爆破效果。

4 結論

水下鉆孔爆破水中沖擊波有害效應對橋墩、船舶、魚類等都會產(chǎn)生比較大的影響。橋墩各個方向的響應均有不同程度的增大，而以沿沖擊波的傳播方向增大最多。橋墩速度響應在各個方向的值均以船舶底板最大，主要是由于船舶底板直接受到水中沖擊波作用。此外，強大的水中沖擊波壓力是導致魚類損傷及死亡的主要原因。endprint