水下鉆孔破巖爆破振動衰減規(guī)律試驗研究

姚方明，范懷斌，楊 超，覃 峰，陳其龍

（1.廣西新港灣工程有限公司，廣西南寧 530200；2.廣西壯族自治區(qū)水下破巖工程研究中心，廣西南寧 530200；3.桂林理工大學材料科學與工程學院，廣西桂林 541004；4.廣西交通職業(yè)技術學院，廣西南寧 530023)

引言

水下鉆孔爆轟過程中沖擊會沖出介質面在水中形成沖擊波，是水下爆破最主要的有害效應。在已有文獻中，周方毅等對無限水介質中爆炸的沖擊波壓力計算公式在實際應用中應如何選用進行了辨析，提出了不同條件下推薦使用的公式；周俊祥等基于理論研究計算分析了鋁化炸藥水下爆炸沖擊波特征參數對反應速率的依賴關系；Swisdak 等通過理論計算分析了水深對沖擊波影響規(guī)律；周睿等研究了條形藥包各部分爆炸產生的沖擊波的衰減特性；李春軍等針對水下爆破多樣性影響因素，運用層次分析法和模糊數學評價法，建立了水下爆破最優(yōu)設計方案模型[1-7]。

通過對諸多研究成果分析得知: 國內外學者在水下爆破沖擊波方面進行了一些探索。然而，到目前為止,大部分的研究都是理論推導和試驗室研究為主，缺乏工程實踐中水擊波超壓峰值傳播衰減規(guī)律的分析。本文以新港灣工程有限公司貴港二線船閘下游船墩工程爆破實際檢測數據為支撐，對水擊波傳播衰減規(guī)律展開系統(tǒng)研究。

1 工程概況

新港灣貴港二線船閘下游靠船墩前沿爆破施工區(qū)域為船墩前沿線外5.5 m 至9.5 m 處12#和13#位置，爆破面積約160 m2，水深在3 至5 m，水流平緩，爆區(qū)地質屬白云巖、石灰?guī)r，現場實況如圖1。

圖1 試驗區(qū)域實況圖

乳化炸藥爆破試驗，每次試驗起爆12 個炮孔，炮孔直徑115 mm，孔距1.25 m，炮孔至臨空面距離1.25 m，每孔裝乳化炸藥2.3～2.7 公斤，裝藥結構為不耦合裝藥形式，采用毫秒延時逐孔起爆方式，每孔為一個段別，采用并聯起爆網路連接。

2 試驗檢測

2.1 檢測儀器

試驗采用Blast-Pro 型沖擊測試系統(tǒng)。檢測水下乳化炸藥爆破的水擊波超壓，根據檢測的水擊波超壓峰值、裝藥及測距進行水擊波傳播衰減規(guī)律的回歸計算。

地震波檢測儀器采用TC-4850 爆破測振儀檢測地震波振速。檢測水下乳化炸藥爆破的地震波峰值，根據檢測的地震波峰值分析振動數值。

2.2 檢測內容

為降低水擊波在各種界面反射波疊加作用的影響，計算水擊波超壓的衰減規(guī)律，保證檢測數據的準確性，本次試驗布置5 個水擊波測點位置，各測點呈直線布置，水擊波傳感器布置在水面下2 m位置，距水下巖面大于2 m；此外，布置兩個地震波測點，其中一個測點DC1#布置在靠船墩頂，另一個測點DC2#布置在靠船墩底部臨水面位置；現場測點布置如圖2 所示。

圖2 水擊波和地震波測點布置圖

2.3 檢測結果

水下鉆孔乳化炸藥爆破水擊波超壓檢測試驗，試驗檢測結果如表1 所示，典型波形圖如圖3～5 所示。

圖3 1#測點水擊波歷時曲線

表1 水擊波檢測成果表（12 個炮孔）

圖4 3#測點水擊波歷時曲線

圖5 3#測點水擊波歷時曲線

進行水下鉆孔乳化炸藥爆破地震波振動檢測，檢測結果見表2，波形圖見圖6～7 所示。

表2 地震波振動數值檢測成果表（12 個炮孔）

圖6 靠船墩頂-1#測點地震波波形圖

圖7 靠船墩臨水面-2#測點地震波波形圖

3 試驗結果分析

乳化炸藥水下鉆孔不耦合裝藥爆破水擊波檢測數據如表3 所示。

表3 檢測數據統(tǒng)計表

從檢測結果可知，水擊波超壓峰值最大值為1.8649 MPa，最小值為0.1451 MPa。比較3 個測點的至爆區(qū)距離和水擊波超壓，1#測點、3#測點、5#測點至爆區(qū)距離分別為6 m、12.1 m、21 m，水擊波超壓值分別為 0.7238 MPa、0.3284 MPa、0.1853 MPa，水擊波超壓因距離增加下降趨勢明顯，最大變化幅度達3.9 倍。

第一次試驗的 1#測點水擊波超壓為 0.0366 MPa，第二次試驗的1#測點水擊波超壓為0.0142 MPa，至爆區(qū)的距離同為1 m，其它條件也基本一樣，但是水擊波超壓變化達2.58 倍。第一次試驗的5#測點至爆區(qū)的距離為13 m，水擊波超壓為0.0067 MPa，第四次試驗的1#測點至爆區(qū)的距離為12.5 m，水擊波超壓為0.0021 MPa，3#測點至爆區(qū)的距離為13.1 m，水擊波超壓為0.0010 MPa，3 個測點至爆區(qū)距離基本相同，其它條件也基本一樣，第一次試驗12 孔爆破，第四次試驗1 孔爆破，水擊波超壓變化達3.19～6.7 倍。

4 水擊波超壓衰減規(guī)律回歸計算

對表3 水下鉆孔乳化炸藥爆破水擊波檢測成果統(tǒng)計表的數據進行線性回歸計算，計算結果如表4。

表4 數據進行線性回歸計算

經計算，乳化炸藥水下鉆孔爆破水擊波超壓衰減規(guī)律經驗公式：

式中：

P 為水擊波超壓峰值，Mpa；

Q 為乳化炸藥裝藥量，kg；

L 為炮孔至水擊波測點的水平距離，m。

由于爆破邊界條件、水擊波傳播方向、路徑差異以及結構邊界條件影響，本公式具有一定局限性，使用時應注意自變量的取值方法及范圍，取值只宜內插、不宜外推。即乳化炸藥距離取值范圍為6～23 m，單段裝藥量取值范圍為2～3 kg。

5 結論

本文以解決實際工程問題為基本出發(fā)點，在研究水下鉆孔爆破水擊波傳播規(guī)律的基礎上，進行超壓峰值傳播衰減規(guī)律回歸計算，綜合分析水中沖擊波有害效應影響規(guī)律，進而對水下鉆孔爆破有害效應傳播衰減規(guī)律展開系統(tǒng)深入研究，其結果不僅對保護水中環(huán)境安全具有重要促進意義，同時對進一步補充、豐富、完善水下爆破基本理論，具有積極推動作用。

大量實踐表明，乳化炸藥在經受壓力作用時，其爆炸敏感性會下降，爆炸產生的能量也會受到影響。乳化炸藥在受到外界靜壓作用時，油膜發(fā)生收縮變形，水相和油相平衡遭到破壞，乳膠基質流入氣泡內，這種流動導致乳膠基質本身黏滯溫升和對氣泡的壓縮，氣泡體積減小，氣泡溫度因而升高并高于其周圍的基質。因此，所產生的熱量從氣泡散逸到乳膠基質中。同時界面上的敏化氣泡受到擠壓和壓縮，并有一小部分逸出，氣泡表面積減小，接收沖擊波面積減少，形成熱點能力下降，如果是膨脹系珍珠巖會有一部分被壓碎，在受壓狀態(tài)下的乳化炸藥爆轟性能下降，當壓力解除后由于被壓縮的氣泡體積恢復，爆炸性能會由于被壓縮的氣泡體積恢復，爆炸性能會有一定程度上的復原。