水下鉆孔爆破水中沖擊波有害效應(yīng)對(duì)周圍環(huán)境影響研究

代顯華

摘 要：本文針對(duì)水下鉆孔爆破的特點(diǎn)，為研究水下鉆孔爆破水中沖擊波有害效應(yīng)影響規(guī)律，建立臨近橋墩和臨近船舶多孔水下鉆孔爆破三維計(jì)算模型，采用ANSYS/LS-DYNA爆破模擬軟件，獲取水中結(jié)構(gòu)速度、加速度、應(yīng)力以及應(yīng)變等動(dòng)力響應(yīng)特征，得到水下鉆孔爆破水中沖擊波有害效應(yīng)影響規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施提供理論參考。

關(guān)鍵詞：水下鉆孔爆破；水中沖擊波；有害效應(yīng)；周圍環(huán)境；影響

中圖分類號(hào)：X57 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2018）3-0076-02

水下鉆孔爆破產(chǎn)生的水中沖擊波對(duì)周圍的建筑群、船舶乃至漁業(yè)等都會(huì)產(chǎn)生比較大的影響。為了研究水下鉆孔爆破水中沖擊波有害效應(yīng)，本文將以橋墩、船舶、魚群等為研究?jī)?nèi)容，深入全面探討水中沖擊波的有害效應(yīng)。

1 水中沖擊波有害效應(yīng)對(duì)橋墩影響分析

相對(duì)于陸地上的多種鉆孔方式，水下鉆孔爆破的鉆孔方式比較單一，為了鉆孔方便，水下鉆孔爆破基本是垂直鉆孔方式，此時(shí)炮孔內(nèi)炸藥產(chǎn)生的能量是向四周均勻的傳播，水中沖擊波傳播規(guī)律具有對(duì)稱性。水中沖擊波對(duì)橋墩的影響是比較大的，它的有害效應(yīng)，直接威脅著橋墩的整體安全與可靠性。

1.1 水中沖擊波的傳播規(guī)律

臨近橋梁水下鉆孔爆破不同時(shí)刻水中沖擊波壓力不同，柱狀藥包在0μs時(shí)刻由藥卷中部起爆后；在t=49.935μs時(shí)刻，爆轟應(yīng)力波迅速向藥柱兩端擴(kuò)展；在t=99.958μs時(shí)刻，爆轟壓力沖出炮孔，能量釋放在水域中形成水中沖擊波，在藥柱兩端爆轟壓力是以球狀向四周擴(kuò)散，而中間以軸對(duì)稱柱狀向外擴(kuò)散；在t=599.94μs之后，隨著距離的增大，柱狀藥包爆轟壓力逐漸變成球狀向外擴(kuò)散。炸藥爆炸后，橋梁受到地震波與水中沖擊波的協(xié)同作用，導(dǎo)致了橋墩端部明顯的較大壓力。因此，水下鉆孔爆破有害效應(yīng)對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響應(yīng)該考慮兩者的協(xié)同作用。

1.2 橋墩速度、加速度響應(yīng)分析

由于橋墩受到地震波和水中沖擊波的協(xié)同作用，協(xié)同作用下橋墩各個(gè)方向的響應(yīng)均有不同程度的增大，而以沿水中沖擊波的傳播方向增大最多。由于沖擊波本身具有瞬間脈沖響應(yīng)的特征，若結(jié)構(gòu)受到的響應(yīng)以沖擊波為主，則結(jié)構(gòu)響應(yīng)亦具有瞬間脈沖響應(yīng)的特征。另外，研究發(fā)現(xiàn)橋墩速度響應(yīng)在各個(gè)方向的值均以橋墩腳趾最大，其次為迎爆面，主要是由于橋墩趾受到地震波影響最大，同時(shí)受到?jīng)_擊波作用，協(xié)同作用下速度響應(yīng)最大；而迎爆面主要受到水中沖擊波作用，同時(shí)受到地震波作用影響，速度響應(yīng)也相應(yīng)較大。

1.3 橋墩應(yīng)力分析

在水下鉆孔爆破時(shí)，會(huì)產(chǎn)生地震波和水中沖擊波。由于地震波傳播速度遠(yuǎn)大于水中沖擊波傳播速度，因此橋墩會(huì)首先受到地震波作用，迎爆面橋墩趾受到較大壓力作用。地震波不會(huì)停留一定時(shí)間，隨著地震波在橋墩傳播，在背爆面橋墩趾出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。之后水中沖擊波作用于橋墩，迎爆面中部受到壓力作用，腳趾出現(xiàn)拉應(yīng)力，而在背爆面腳趾部分為壓力。之后在沖擊波和地震波共同作用下，橋墩迎爆面腳趾受到拉應(yīng)力作用，背爆面腳趾受到壓力作用。可見，橋墩主要是迎爆面受水中沖擊波影響較大，因此所受有效應(yīng)力較大。

2 水中沖擊波有害效應(yīng)對(duì)船舶影響分析

相對(duì)于陸地上的多種鉆孔方式，水下鉆孔爆破的鉆孔方式比較單一，為了鉆孔方便，水下鉆孔爆破基本是垂直鉆孔方式，此時(shí)炮孔內(nèi)炸藥產(chǎn)生的能量是向四周均勻的傳播，水中沖擊波傳播規(guī)律具有對(duì)稱性。水下鉆孔爆破水中沖擊波對(duì)船舶有害效應(yīng)影響研究與其對(duì)橋墩的影響分析大同小異，唯一的差別在于需要探討水中沖擊波有害效應(yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)船舶的影響。

2.1 水中沖擊波有害效應(yīng)

柱狀藥包由藥卷中部起爆后，爆轟應(yīng)力波迅速向藥柱兩端擴(kuò)展。爆轟壓力沖出炮孔，能量釋放在水域中形成水中沖擊波，在藥柱兩端爆轟壓力是以球狀向四周擴(kuò)散，而中間以軸對(duì)稱柱狀向外擴(kuò)散；隨著距離的增大，柱狀藥包爆轟壓力逐漸變成球狀向外擴(kuò)散。若船舶處于爆破近區(qū)，將承受水中沖擊波壓力和氣泡脈動(dòng)的共同作用，導(dǎo)致船舶損失破壞。當(dāng)船舶處于爆破遠(yuǎn)區(qū)，船舶處于水中部分將直接受到水中沖擊波的沖擊影響，造成結(jié)構(gòu)的振動(dòng)乃至損失破壞；處于空氣中的部分，沖擊壓力會(huì)通過(guò)船舶下部結(jié)構(gòu)的衰減后向上傳遞，盡管強(qiáng)度有所減少，仍會(huì)對(duì)船舶上儀器造成影響。

2.2 船舶速度、加速度響應(yīng)分析

由于船舶受到水中沖擊波的作用，船舶各個(gè)方向均存在不同程度結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。但通過(guò)實(shí)際測(cè)算，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度最大值均出現(xiàn)在水平徑向方向，說(shuō)明沿沖擊波的傳播方向的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)最大。由于沖擊波本身具有瞬間脈沖響應(yīng)的特征，船舶結(jié)構(gòu)受到的響應(yīng)以沖擊波為主，其結(jié)構(gòu)響應(yīng)也具有瞬間脈沖響應(yīng)的特征。此外，船舶底板速度響應(yīng)比甲板大，主要是由于船舶底板直接受到水中沖擊波作用，而沖擊波經(jīng)過(guò)傳播衰減后，導(dǎo)致甲板測(cè)點(diǎn)速度響應(yīng)減小。船舶船首速度響應(yīng)比船尾大，主要是船首距離爆源近，所受水中沖擊波作用影響較大。因此，水下鉆孔爆破水中沖擊波有害效應(yīng)對(duì)船舶水平方向的影響最大。

2.3 船舶應(yīng)力分析

以船首正面面向爆源為例，由于船首距離爆源較近，最先受到水中沖擊波的影響。船首很容易受到較大的沖擊壓力作用，隨著沖擊波在船舶傳播，在甲板中部出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。之后在水中沖擊波作用下，船舶整體受力情況基本一致，即船底板直接受到水中沖擊波的壓力，出現(xiàn)較大的壓力，而在船甲板中部受到較大的拉應(yīng)力作用。通過(guò)實(shí)際測(cè)算，主要由于船首底板直接受水中沖擊波作用，因此所受有效應(yīng)力較大。

3 水中沖擊波有害效應(yīng)對(duì)魚類影響分析

爆炸物爆炸時(shí)，會(huì)在瞬間變成高溫高壓的氣體，隨后產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波。這種沖擊波會(huì)使周圍產(chǎn)生瞬時(shí)的高壓，并以波動(dòng)的形式向外傳播，對(duì)波及到的生物產(chǎn)生影響。

3.1 水中沖擊波對(duì)魚類的損傷機(jī)理

在水中和在空氣中爆炸時(shí)，所產(chǎn)生的沖擊波對(duì)動(dòng)物的影響與以上是不同的。當(dāng)在空氣中發(fā)生爆炸時(shí)，沖擊波在空氣中傳播到動(dòng)物身體時(shí)，由于動(dòng)物身體和空氣密度不同，因而大部分會(huì)在動(dòng)物體表面產(chǎn)生反射，對(duì)動(dòng)物的傷害都是通過(guò)動(dòng)物的耳朵、鼻子和嘴對(duì)身體內(nèi)部造成傷害。而在水中爆炸時(shí)，由于魚體的密度和水的密度類似，沖擊波在到達(dá)魚體與水交界面時(shí)一般會(huì)直接通過(guò)魚體向前傳播。但是，當(dāng)魚體內(nèi)有空氣腔時(shí)，由于空氣的可壓縮性，沖擊波通過(guò)時(shí)會(huì)導(dǎo)致空腔壁的撕裂或破碎。魚體內(nèi)最容易受到損傷的是有膘魚類的膘，除此之外，還有魚類的肝、脾、腎等內(nèi)部器官。當(dāng)魚離爆炸源比較近時(shí)，除了對(duì)魚類的內(nèi)部器官造成損害以外，對(duì)魚的身體外部也會(huì)造成損傷。另外水中沖擊波還會(huì)對(duì)魚的神經(jīng)系統(tǒng)造成沖擊損傷，使魚呈麻痹狀態(tài)，表現(xiàn)為魚腹部向上，側(cè)浮于水面，完全或部分喪失游泳能力，有些可逐步恢復(fù)，有些則會(huì)出現(xiàn)死亡。endprint

3.2 水中沖擊波對(duì)魚類的致死率研究

爆炸對(duì)生物的殺傷力，主要取決于爆炸產(chǎn)生的壓力，沖量和能量通量密度這三個(gè)因素。一般認(rèn)為，爆炸時(shí)產(chǎn)生的過(guò)高壓和超低壓更替變換所產(chǎn)生的振動(dòng)，是爆炸中導(dǎo)致生物死亡的主要原因。對(duì)距爆破中心不同距離各測(cè)站的受試生物的總死亡率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)致死率隨著爆心距的增大而逐漸減小。不同魚類對(duì)爆破后水下沖擊波的忍受能力有較大差異，魚類的致死率最高，其次是蝦類，蟹類和貝類的致死率最低。這種現(xiàn)象可能與他們的生理結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，蟹貝類的胸殼堅(jiān)硬，對(duì)沖擊波的抗震性較強(qiáng)。而魚體中的鰾對(duì)于產(chǎn)生的水中沖擊波非常敏感，極易震破或發(fā)生畸變而影響魚體正常的生理活動(dòng)。受爆破沖擊的魚，其游泳能力大大下降，表現(xiàn)為緩慢乏力，呈麻痹狀態(tài)；而有些魚腹部向上，側(cè)游于水面，完全失去了游泳能力，這種現(xiàn)象是由于魚的神經(jīng)系統(tǒng)遭到破壞的結(jié)果。魚類在爆破后，魚體中的鰾因存在空氣腔，而空氣具有可壓縮性，當(dāng)沖擊波通過(guò)時(shí)會(huì)導(dǎo)致空腔壁的撕裂或破碎或發(fā)生畸變，但這種變化反應(yīng)不一定馬上發(fā)生，而是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，才逐漸表現(xiàn)出來(lái)，并且此時(shí)開始陸續(xù)出現(xiàn)死亡。有些魚可以逐步恢復(fù)到原來(lái)的鰾形，有些則不能恢復(fù)。

3.3 爆破對(duì)漁業(yè)資源影響的類比分析

在大型水下鉆孔爆破施工中，往往會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成一些不利影響，所以控制爆破規(guī)模，保證安全，不斷優(yōu)化爆破方案，達(dá)到減少對(duì)周圍環(huán)境及漁業(yè)資源的影響成為水下爆破研究的發(fā)展趨勢(shì)。前采用較多的爆破方式一般有兩種，一種是延時(shí)爆破，一種為齊發(fā)爆破。延時(shí)爆破就是指毫秒微差爆，炸藥分時(shí)段進(jìn)行間隔引爆，齊發(fā)爆破是指炸藥同時(shí)起爆。延時(shí)爆破由于采用了分段起爆，各藥包間的協(xié)同作用較齊發(fā)爆破減小，因而在相同藥量的情況下，采用延時(shí)爆破較齊發(fā)爆威力要小些，即沖擊波壓力較小。研究結(jié)果表明兩種爆破方式對(duì)漁業(yè)生物的影響，在一次總起爆藥量不變的情況下，采用孔間毫秒微差順序起爆。合理控制起爆藥量及微差起爆時(shí)間，可有效降低爆破水中沖擊波及爆破地震波動(dòng)水壓力的影響，從而減少對(duì)漁業(yè)資源的危害損失。在炸藥選擇上，建議在不影響爆破效應(yīng)的情況下，使用成本低的乳化炸藥進(jìn)行水下爆破作業(yè)，可減少環(huán)境污染及漁業(yè)資源損失，以取得最佳爆破效果。

4 結(jié)論

水下鉆孔爆破水中沖擊波有害效應(yīng)對(duì)橋墩、船舶、魚類等都會(huì)產(chǎn)生比較大的影響。橋墩各個(gè)方向的響應(yīng)均有不同程度的增大，而以沿沖擊波的傳播方向增大最多。橋墩速度響應(yīng)在各個(gè)方向的值均以船舶底板最大，主要是由于船舶底板直接受到水中沖擊波作用。此外，強(qiáng)大的水中沖擊波壓力是導(dǎo)致魚類損傷及死亡的主要原因。endprint