水下爆破阻波防護簾的防護性能研究

摘要：水下爆破技術被廣泛應用于航道建設和綜合整治工程中。然而，水下爆破所產生的沖擊波會對周圍環境和生物造成危害。文章通過現場爆破試驗，研究了以氣泡膜為阻波材料的水下爆破阻波防護簾的防護性能，得出了阻波簾在不同布設情況下對沖擊波峰值壓力的削減效果及對魚類的保護作用。結果表明，阻波簾能有效削減爆破沖擊波的峰值壓力，削減率最高達85.62%，魚類平均死亡率相較無防護時減少了90%，為水下爆破工程提供了一種有效的防護手段。

關鍵詞：水下爆破；阻波防護簾；峰值應力；魚類保護；沖擊削減

中文分類號：U615.6A642163

0引言

隨著我國水路交通運輸行業的快速發展，航道建設及綜合性整治工作已然成為如今的重點，水下爆破作為其中一種極為有效的工程建設手段，被廣泛應用于實際工程中。水下爆破是利用炸藥在爆炸過程中釋放出的大量能量摧毀水底巖石，以達到河床擴寬、港口整治及暗礁清除等目的。但同時炸藥爆炸產生的能量，卻也會導致該水域周圍的結構或魚類生物等受到危害，因而采取合理的手段以衰減水下爆炸沖擊能量勢在必行［1-2］。

當前研究發現，在炸藥與被保護結構間設置阻波層形式，將能夠有效地攔截降低爆炸產生的沖擊危害［3-5］。謝達建等［6］研究了設置氣泡帷幕阻波簾對水下爆破沖擊波的衰減作用，發現氣泡帷幕對于水中沖擊波的峰值壓力和沖量均有明顯的削減作用。伍俊等［7］通過開展水中爆炸實驗，對氣泡帷幕的防護性能進行了研究，結果發現設置氣泡帷幕能使得沖擊波壓力峰值衰減90%左右，對水下工程結構起到很好的防護作用。吳義富等［8］通過實驗與模擬兩種方法，討論了炸藥在空氣中爆炸時植物秸稈材料層的沖擊荷載緩沖性能，指出植物秸稈是一種很好的爆炸吸能緩沖材料。橡膠類材料在空氣和水中的抗爆性能亦得到了研究證實［9-10］。

當前學者們在水下爆破阻波控制方面開展了大量探索，然而阻波層防護在工程應用中易受水底起伏地形及安裝過程影響，存在防護不到位、不能形成封閉的帷幕等問題。本文以氣泡膜為阻波材料提出了水下爆破阻波防護簾形式，通過開展工程現場爆破試驗研究，分析阻波簾防護下沖擊波峰值削減效果及臨近魚類存活情況，研究結果對于水下爆破阻波防護技術的現場應用具有指導意義。

1工程概況

本文采用阻波防護簾消減水下爆炸沖擊波壓力，試驗地點位于在建項目柳州紅花二線船閘工程項目爆破施工區域內，具體位置是下游引航道左側K2+400～K2+500樁號附近。試驗區域水深8 m左右，流速0.5 m/s。

2試驗布置

為探究阻波防護簾防護性能，試驗研究了無防護、正面阻波防護簾、正面及兩側面阻波防護簾等三種防護方式。試驗布置如圖1所示。

將300 g乳化炸藥制成球形，放置于水下4 m進行水下裸露爆破。采用爆破沖擊波壓力監測設備，利用浮動平臺監測水下炸藥爆破的水錘波壓力。試驗設置了一對水錘波壓力監測點C1和C2，分別位于炸藥左右兩側10 m，同時距水面以下1.5 m。同時，為了量化沖擊阻波簾的生態保護效果，在右側10 m處布置試驗魚類養殖網箱，投入試驗魚類，觀察爆炸前后魚類的存活情況。

3試驗裝備和程序

3.1浮動平臺、魚網箱

采用鋼板和泡沫板制作試驗浮動平臺，浮動平臺寬1.2 m、高0.4 m。該平臺主要用于安裝水擊波傳感器和安裝測試套件。此外，還制作了兩個試驗魚網箱，采用方鋼、泡沫板和漁網制作，長6 m、寬4.4 m、高0.4 m，主要用于觀察爆炸前后魚的存活情況，如圖2（a）所示。

3.2阻波防護簾

本試驗阻波防護簾由方形鋼、鋼絲網、配重鐵塊和泡沫膜制成。方形鋼焊接形成長6 m×寬4 m的框架，鋼絲網固定在框架內形成受力骨架，將泡沫膜固定在鋼絲網上組成阻波防護簾。吊裝電纜連接在窗簾上方，配重鐵件即安裝完畢。如圖2（b）所示。

3.3試驗設備

試驗船機設備和監測儀器見表1。

3.4試驗魚類

每次爆破試驗均投入鯽魚、黃蜂魚、桂花魚、鱸魚各5條，共20條試驗魚類。魚類體長10～25 cm，重量＜5 kg，生存狀態良好。

4試驗結果

4.1無防護情況

水下爆破無防護時，測試所得超壓峰值變化及魚類存活情況如表2所示。由表2可知，在該爆破工況下距爆心10 m處超壓峰值為1.505 2～1.869 6 MPa，沖擊波威力較大，致使10 m處試驗魚箱20條試驗魚中當場死亡4～8條，平均死亡率為30%。對傷亡的魚進行解剖發現，魚類死亡的主要原因為魚鰾破裂導致。本次試驗說明，無防護時水中沖擊波超壓峰值超出魚類所能承受的波壓極限，對部分魚類造成致命傷害，當場死亡或重傷。故而現場爆破施工中迫需采用沖擊防護措施，保護魚類安全生存，避免造成生物生存環境危害及經濟損失。

4.2正面阻波防護簾防護

正面阻波防護簾保護條件下水下爆炸沖擊波削壓及魚類保護試驗共進行5次，試驗結果見表3。通過將對照組C1、C2的水擊波超壓峰值進行比較可知，經過氣泡膜形成的阻波防護簾削弱后，水下爆炸沖擊波超壓峰值衰減率最大為82.83%，最小為59.29%，平均值為72.91%，衰減效果較明顯，衰減后超壓峰值為0.040 9～0.052 0 MPa。該防護情況下5次試驗魚類平均死亡率為3%，其余的試驗魚在試驗后經觀察表現正常，未發現有損傷情況，魚類死亡率相較無防護時減少了90%。說明阻波防護簾能有效衰減沖擊波應力，減少了爆破帶來的有害效應，使爆破周圍的環境保持安全環保。

4.3正面及兩側面阻波防護簾防護

正面及兩側面阻波簾帷幕防護試驗共進行3次，試驗成果見下頁表4。通過數據分析發現，采用三面防護，超壓峰值衰減率在81.62%～85.62%，同時魚類無當場死亡現象。通過與僅正面防護對比分析，說明在一定距離范圍內，正面及兩側面阻波簾帷幕略優于僅正面阻波簾帷幕削壓效果，能提供更穩定的魚類保護效果。在工程應用中，應根據實際情況，衡量經濟與成本，選擇合適的阻波防護簾形式。

5結語

本文通過現場爆破試驗研究了水下爆破阻波防護簾的防護性能。結果表明，氣泡膜阻波防護簾能夠顯著削減爆破沖擊波的峰值壓力，僅正向安裝防護簾防護，應力峰值削減率最大可達82.83%，魚類平均死亡率3%，相較無防護時減少了90%。此外，還對正面及兩側面同時布設阻波簾防護進行了試驗，發現其性能略優于僅正面阻波簾帷幕削壓效果，能提供更穩定的魚類保護效果。研究可為實際工程提供重要的技術支持。

參考文獻：

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基金項目：

2022年廣西交通運輸行業重點科技項目“水下破巖施工鉆機船智能糾偏定位及鉆孔施工關鍵技術研究”（桂交便函〔2022〕174號）；2023年廣西高校中青年教師基礎能力提升項目“水下破巖施工鉆機船智能糾偏定位仿真模擬研究”（編號：2023KY1164）；2023年廣西重點研發計劃項目“平陸運河建設項目中的水下淺點綠色高效處置成套關鍵技術研究”（編號：2023AB01134）

作者簡介：黃業中（1987—），工程師，研究方向：工程爆破及裝備。