氣泡帷幕對水下爆破沖擊波的削弱研究

柏 江 源

(湖南高速鐵路職業(yè)技術學院,湖南 衡陽 421001)

0 引言

水路交通在社會經(jīng)濟發(fā)展中的價值不斷凸顯，開發(fā)新航道和對老舊航道進行整治愈發(fā)迫切。在新舊航道建設相關工程中，水下爆破是極為重要的工程技術和建設手段。在水下爆破過程中，爆炸產(chǎn)生的沖擊波會對周邊環(huán)境產(chǎn)生諸多不利影響。除此之外，在爆破過程中的安全控制也屬于難點問題之一。因此，實踐操作中利用了諸多技術手段對水下爆破時產(chǎn)生的沖擊波進行控制和削弱，以減弱對周邊環(huán)境的影響。本文中討論的氣泡帷幕技術是在實踐中運用較為廣泛的水下沖擊波削弱技術，且可以產(chǎn)生較好的控制效果。

1 氣泡帷幕結構及其原理

1.1 氣泡帷幕結構

運用該技術對水下爆破產(chǎn)生的沖擊波進行控制時，需要一整套系統(tǒng)的協(xié)同工作。該套系統(tǒng)內(nèi)包含了供氣裝置、減壓裝置、管路系統(tǒng)以及其他附屬裝置。通常情況下，水和防護層波阻抗突變在水下爆破產(chǎn)生的沖擊波的削弱方面作用關鍵。兩種介質(zhì)之間存在不同的波阻抗，通常情況下，波阻抗的不匹配程度越大，對沖擊波的削弱作用越大。氣泡帷幕的形成過程和方式如圖1所示。

1.2 氣泡帷幕的作用原理

在水下爆破的過程中，其產(chǎn)生的沖擊波會在一定范圍內(nèi)進行擴散，如圖1所示，當爆破區(qū)域開始爆破，其產(chǎn)生的沖擊波會逐漸傳導至氣泡帷幕處。水下沖擊波在氣泡帷幕中會產(chǎn)生漫反射現(xiàn)象，此時會對沖擊波有一定的削弱作用。其次，氣泡帷幕中的氣泡在受到水下沖擊波的影響時會被壓縮，壓縮的過程實質(zhì)上為吸能過程，此時可對水下沖擊波的能量進行削弱。除此之外，氣泡與水體之間的聲阻抗會產(chǎn)生突變，使得壓力不斷降低，達到削弱水下沖擊波的效果。

在傳統(tǒng)的B.B.加爾基理論中，其參照了聲學近似原理，使用Bp對水下沖擊波的削弱程度進行了表示。公式如下：

其中，Bp為壓力降低的程度大小；p0為氣泡位置的深度靜水壓力，Pa；ρ1為水密度；φ為空氣在兩相介質(zhì)中的體積比情況。上式的推導過程中，需要具備一定的假定條件，除此之外，在實際施工過程中，除了計算中有所涉及的影響因素外，還會根據(jù)實際工程情況的不同，產(chǎn)生另外的不可預測的影響因素，這些因素對于水下沖擊波的削弱作用都會產(chǎn)生一定的影響。因此，在實踐過程中，根據(jù)上述公式計算出的結果僅可以作為參考數(shù)據(jù)使用，更加客觀的數(shù)據(jù)需要通過工程實驗獲取。

2 氣泡帷幕削減作用

2.1 對峰值壓力的衰減

為了研究氣泡帷幕對水下爆破產(chǎn)生的沖擊波的峰值壓力進行削弱的效果，需要在水底的不同位置設置監(jiān)測點。水下監(jiān)測點的具體設置方法為：在距離氣泡帷幕的背爆面的1 m和3 m的位置分別設立一個水下監(jiān)測點，在距離氣泡帷幕迎爆面1 m，3 m，6 m以及12 m的位置分別設置一個水下監(jiān)測點。通過模擬計算和分析可以得出以下結論：在炮孔附近的范圍內(nèi)，如果該范圍離水下爆破位置的距離較短，其會受到水下沖擊波、動水以及脈動壓力的共同作用。因此，其產(chǎn)生的峰值壓力的數(shù)值相對較高，而后在一定時間內(nèi)會產(chǎn)生衰減情況。但是，爆心距不斷增大，在水下氣泡帷幕的迎爆面較近的范圍內(nèi)，在界面反射作用的影響下，將出現(xiàn)較大的浮動。其后，水下爆破產(chǎn)生的沖擊波會受到氣泡帷幕中氣泡的漫反射作用、吸收作用以及折射作用的影響，其峰值壓力數(shù)值將快速下降，產(chǎn)生較好的削弱效果。

2.2 對沖量的縮減

在已經(jīng)設置好的監(jiān)測點的基礎上，將繼續(xù)對氣泡帷幕對沖量的衰減作用進行監(jiān)測和分析，同樣將利用軟件對爆炸過程以及削弱效果進行模擬。首先，需要對氣泡帷幕兩側(cè)的監(jiān)測點所監(jiān)測到的水下沖擊波壓力時程曲線進行分析計算。圖2～圖4分別為不同監(jiān)測點監(jiān)測到的水下沖擊波沖量時程示意圖。

結合圖示數(shù)據(jù)所顯示的模擬計算結果，水下爆破產(chǎn)生的水下沖擊波的峰值壓力較高的區(qū)域一般都聚集在炮孔附近，該區(qū)域的峰值壓力增長速度快，但是在隨后會出現(xiàn)峰值壓力的快速下降，此時時間積分值仍然會繼續(xù)上升，但是上升速度有所減弱。距離爆心越遠的位置，由于水下爆破產(chǎn)生的沖擊波會在水下傳導的過程中不斷被削弱，因此，其壓力峰值也會不斷下降。之后，水下沖擊波會在水下傳導至氣泡帷幕區(qū)域，沖擊波在經(jīng)過氣泡帷幕時同樣會受到氣泡帷幕內(nèi)氣泡產(chǎn)生的壓縮作用、漫反射作用的影響，導致其壓力峰值會快速下降。因此，通過分析可知，氣泡帷幕對水下沖擊波沖量的縮減效應明顯。

3 結論

本文主要針對氣泡帷幕對水下爆破過程中產(chǎn)生的沖擊波的削弱作用進行了模擬計算和研究，并根據(jù)模擬分析的結果得出了以下結論：

1)氣泡的帷幕的設計位置將直接影響到其對水下沖擊波削弱作用的大小。通常情況下，氣泡帷幕在距離爆破點較遠的位置時，對沖擊波的削弱作用越小，即水下氣泡帷幕與爆破點的距離越近，對沖擊波的削弱作用越強。但是，仍需要對兩者的距離進行一定的限制，氣泡帷幕不能無限接近于爆破點。根據(jù)模擬結果顯示，在氣泡帷幕距離爆破位置5 m時，對水下沖擊波的削弱作用將達到最佳狀態(tài)。

2)為了減弱水下爆破活動對周邊物體產(chǎn)生不利影響，氣泡帷幕技術是一種實用性較強，作用較為顯著的水下沖擊波削弱技術。因此，在相關工程項目中，應當充分利用氣泡帷幕技術以減弱水下爆破帶來的不利影響。

3)本文中的結論是基于模型假設得出的，在具體施工的過程中，仍然會出現(xiàn)其他因素對實際削弱作用產(chǎn)生影響，因此，實際施工中要結合具體情況進行模擬和分析。