水下鉆孔破巖爆破振動衰減規(guī)律試驗(yàn)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林 541004；4.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧 530023)

引言

水下鉆孔爆轟過程中沖擊會沖出介質(zhì)面在水中形成沖擊波，是水下爆破最主要的有害效應(yīng)。在已有文獻(xiàn)中，周方毅等對無限水介質(zhì)中爆炸的沖擊波壓力計算公式在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)如何選用進(jìn)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(shù)對反應(yīng)速率的依賴關(guān)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(chǎn)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(yùn)用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)評價法，建立了水下爆破最優(yōu)設(shè)計方案模型[1-7]。

通過對諸多研究成果分析得知: 國內(nèi)外學(xué)者在水下爆破沖擊波方面進(jìn)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(dǎo)和試驗(yàn)室研究為主，缺乏工程實(shí)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(shí)際檢測數(shù)據(jù)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?yàn)榇涨把鼐€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(zhì)屬白云巖、石灰?guī)r，現(xiàn)場實(shí)況如圖1。

圖1 試驗(yàn)區(qū)域?qū)崨r圖

乳化炸藥爆破試驗(yàn)，每次試驗(yàn)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(jié)構(gòu)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(lián)起爆網(wǎng)路連接。

2 試驗(yàn)檢測

2.1 檢測儀器

試驗(yàn)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(jù)檢測的水擊波超壓峰值、裝藥及測距進(jìn)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(jù)檢測的地震波峰值分析振動數(shù)值。

2.2 檢測內(nèi)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(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本次試驗(yàn)布置5 個水擊波測點(diǎn)位置，各測點(diǎn)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(diǎn)，其中一個測點(diǎn)DC1#布置在靠船墩頂，另一個測點(diǎn)DC2#布置在靠船墩底部臨水面位置；現(xiàn)場測點(diǎn)布置如圖2 所示。

圖2 水擊波和地震波測點(diǎn)布置圖

2.3 檢測結(jié)果

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

圖3 1#測點(diǎn)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(diǎn)水擊波歷時曲線

圖5 3#測點(diǎn)水擊波歷時曲線

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

表2 地震波振動數(shù)值檢測成果表（12 個炮孔）

圖6 靠船墩頂-1#測點(diǎn)地震波波形圖

圖7 靠船墩臨水面-2#測點(diǎn)地震波波形圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

乳化炸藥水下鉆孔不耦合裝藥爆破水擊波檢測數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

從檢測結(jié)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(diǎn)的至爆區(qū)距離和水擊波超壓，1#測點(diǎn)、3#測點(diǎn)、5#測點(diǎn)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(dá)3.9 倍。

第一次試驗(yàn)的 1#測點(diǎn)水擊波超壓為 0.0366 MPa，第二次試驗(yàn)的1#測點(diǎn)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(dá)2.58 倍。第一次試驗(yàn)的5#測點(diǎn)至爆區(qū)的距離為13 m，水擊波超壓為0.0067 MPa，第四次試驗(yàn)的1#測點(diǎn)至爆區(qū)的距離為12.5 m，水擊波超壓為0.0021 MPa，3#測點(diǎn)至爆區(qū)的距離為13.1 m，水擊波超壓為0.0010 MPa，3 個測點(diǎn)至爆區(qū)距離基本相同，其它條件也基本一樣，第一次試驗(yàn)12 孔爆破，第四次試驗(yàn)1 孔爆破，水擊波超壓變化達(dá)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(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸計算，計算結(jié)果如表4。

表4 數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸計算

經(jīng)計算，乳化炸藥水下鉆孔爆破水擊波超壓衰減規(guī)律經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)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(jié)構(gòu)邊界條件影響，本公式具有一定局限性，使用時應(yīng)注意自變量的取值方法及范圍，取值只宜內(nèi)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(jié)論

本文以解決實(shí)際工程問題為基本出發(fā)點(diǎn)，在研究水下鉆孔爆破水擊波傳播規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(yīng)影響規(guī)律，進(jìn)而對水下鉆孔爆破有害效應(yīng)傳播衰減規(guī)律展開系統(tǒng)深入研究，其結(jié)果不僅對保護(hù)水中環(huán)境安全具有重要促進(jìn)意義，同時對進(jìn)一步補(bǔ)充、豐富、完善水下爆破基本理論，具有積極推動作用。

大量實(shí)踐表明，乳化炸藥在經(jīng)受壓力作用時，其爆炸敏感性會下降，爆炸產(chǎn)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(zhì)流入氣泡內(nèi)，這種流動導(dǎo)致乳膠基質(zhì)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(zhì)。因此，所產(chǎn)生的熱量從氣泡散逸到乳膠基質(zhì)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(diǎn)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(dāng)壓力解除后由于被壓縮的氣泡體積恢復(fù)，爆炸性能會由于被壓縮的氣泡體積恢復(fù)，爆炸性能會有一定程度上的復(fù)原。