供風量對水下爆炸沖擊波氣泡帷幕消波效應的影響

陸少鋒,梁 進，覃才勇，杜明燃，陳保健

(1.廣西新港灣工程有限公司，廣西 防城港 538001；2.安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南 232001)

水下爆炸技術的研究最早起源于軍事領域，Cole根據大量試驗首先對水下爆炸機理及特點進行了研究[1-2]。趙根等[1]研究了乳化炸藥水中爆炸沖擊波的傳播規律，總結了水下爆破技術的發展趨勢。經過幾十年的發展，目前水下爆破技術已經廣泛應用于港口碼頭、水利水電和航道疏浚等工程建設，但是在環保法規要求越來越嚴格的時代背景下，水下爆破的危害也受到了前所未有的重視[3-8]。因此，如何減少水下爆炸沖擊波的危害就成為一個重要的研究課題。

曹棉等[9-15]研究了在水下鉆減振孔來控制水下爆破對環境和水下生物的危害; 邵魯中等[16]研究了不同的起爆方式對危害控制的作用。在所有減小水下爆炸沖擊波危害的技術中，氣泡帷幕效果最為明顯，業界對其開展了很多研究工作。氣泡帷幕的概念是由加拿大工程師Adolph提出來的, 并應用于加拿大Ortario水電站的水下爆破中[11]。周睿等[11]在實驗基礎上采用爆炸相似律理論推導得到經驗計算公式，并引入氣泡帷幕的消波系數。彭亞雄等[17-18]研究了水擊波特性及氣泡帷幕對沖擊波的消弱作用，結果表明沖擊波峰值壓力降低率達到90%以上。劉天云等[13]利用LS-DYNA軟件對水下鉆孔爆破水擊波的傳播規律和氣泡帷幕對水擊波的消減作用進行了數值模擬，結果表明氣泡帷幕離爆源較近時效果更好。朱安周等[14]研究了氣泡帷幕的層數、氣泡孔徑等參數對沖擊波的消減效果。謝達建等[15]結合炸礁工程，用LS-DYNA 模擬軟件建立了水下鉆孔爆破模型，對比分析了氣泡帷幕不同的設置距離對消弱作用效果的影響，結果發現當氣泡帷幕距離被保護對象 5 m時，消弱效果最好。劉欣等[16]對氣泡帷幕對深水下巖石鉆孔爆破沖擊波的消減特性進行了理論分析，建立了簡化的數值模型，得到了沖擊波壓力時程曲線。王興雁等[17]采用正交實驗的方法，對氣泡帷幕消減水中爆炸沖擊波壓力作用效果的主要影響因素進行了研究，發現距離是最顯著的影響因素。

本研究在某內河水域開展了氣泡帷幕消減水下爆炸沖擊波現場試驗，測試了沖擊波壓力，并以沖擊波穿過氣泡帷幕后峰值壓力的下降幅度為判別依據，研究了不同供風量形成的氣泡帷幕對水中沖擊波的消減效果，研究結果對于氣泡帷幕技術的現場應用具有指導意義。

1 現場試驗

1.1 試驗儀器

試驗用儀器和傳感器的規格型號和主要參數如表1所示。水下沖擊波測試儀和PCB水下沖擊波壓力傳感器，分別如圖1和圖2所示。

表1 實驗用儀器和傳感器

圖1 沖擊波測試儀

圖2 PCB水下沖擊波傳感器

1.2 試驗過程

試驗地點在廣西西江航運干線貴港航運樞紐二線船閘下引航道段，水深9 m，水面寬300 m左右，水流速度0.5 m/s。氣泡帷幕的產生裝置由供氣、減壓、管道和附屬裝置等組成。將4根氣泡發生管并排放置于水底，如圖3所示，相鄰兩管等間隔0.5 m，每根管長40 m，上側開一排氣孔，孔徑2 mm，孔間距2 cm。管兩端各設置一個閥門，用于與空壓機連接。

圖3 現場布置的氣泡發生管

試驗采用2#巖石乳化炸藥作爆炸源，一次起爆藥量300 g，即將300 g乳化炸藥做成藥包，懸吊在水下4.5 m的深度，與氣泡帷幕發生器的水平距離為4 m。在藥包兩側水平距離12 m處，各懸吊1支PCB傳感器，懸吊高度也是水下4.5 m。藥包與2支傳感器處于一條水平直線上，且與水流方向垂直。藥包、傳感器與氣泡發生管的空間布置，如圖4所示。

圖4 實驗布置

1.3 試驗結果

在不同供風量形成的氣泡帷幕條件下，2支PCB壓力傳感器測試的沖擊波峰值壓力數據，以及有氣泡帷幕一側相比于無氣泡帷幕一側沖擊波峰值壓力下降幅度，如表2所示。與表2部分數據對應的沖擊波波形如圖5所示(風量3.75 m3/min)。將沖擊波峰壓的下降幅度用R表示，R值可由下式計算：

圖5 沖擊波波形

表2 不同供風量氣泡帷幕水下沖擊波峰壓測試數據

(1)

式中：R為沖擊波峰值壓力下降幅度，%；p0為無氣泡帷幕一側的沖擊波峰值壓力，MPa；p1為有氣泡帷幕一側的沖擊波峰值壓力，MPa。

不同供風量與沖擊波峰值壓力及沖擊波峰壓下降幅度的對應關系曲線，如圖6所示。由表2數據、圖5波形和圖6曲線可以看出，氣泡帷幕一側的沖擊波峰值壓力比無氣泡帷幕一側小得多。而且隨著供風量的增加，沖擊波峰壓的下降幅度也增加。當供風量由0.938 m3/min增加到7.5 m3/min時，沖擊波峰壓的下降幅度由77.507%增加到88.554%，下降幅度增加了11.047%；當供風量由7.5 m3/min繼續增加到29.1 m3/min時，沖擊波峰壓的下降幅度由88.554%緩慢增加到90.102%，下降幅度增加了1.548%。可見，在本試驗條件下，供風量由0.938 m3/min增加到7.5 m3/min，沖擊波下降幅度增加明顯，而繼續增加風量沖擊波下降幅度增加不再明顯。

圖6 供風量與沖擊波峰值壓力及峰值壓力下降幅度的對應關系

2 氣泡帷幕消波機理分析

氣泡帷幕對于水下沖擊波的消減作用機理主要有3個方面[15]，即：沖擊波在氣泡帷幕中產生漫反射，由單一傳播方向變為向整個空間擴散，從而分散稀釋了沖擊波陣面的能量；沖擊波對氣泡帷幕內部的氣泡產生壓縮作用，產生熱能使沖擊波能量降低；由于氣泡與水體之間的聲阻抗相差較大，因此使沖擊波壓力突變式降低。壓力下降值可由公式(2)進行計算[17]：

(2)

式中：Bp為壓力降低值，MPa；ρ0為水的密度，g/cm3；c0為水中的聲速，m/s；p0為氣泡所在位置的靜水壓力，MPa；φ為空氣在兩相介質中的體積比。

氣泡帷幕的氣泡數量會隨著供風量增加而增加[18]，而且氣泡產生速度也增加。而氣泡數量大量增加，對沖擊波的漫反射、壓縮升溫吸能和產生的壓力降等作用，均更加明顯，此即為供風量對氣泡帷幕消波效應影響的內在原因。

3 結論

1)現場試驗結果表明，供風量由0.938m3/min增加到7.5 m3/min，沖擊波峰壓的下降幅度由77.507%增加到88.554%，增幅11.047%；供風量由7.5 m3/min繼續增加到29.1 m3/min，沖擊波峰壓的下降幅度由88.554%增加到90.102%，增幅1.548%。

2)氣泡帷幕對水下沖擊波的消波效果隨著供風量的增加而增加。供風量決定著氣泡帷幕的氣泡數量，供風量越大氣泡數量越多，對沖擊波的消減效果就越好。綜合考慮電能消耗和消波效果，在本試驗條件下，供風量7.5 m3/min最可取。