西江航道水下爆破參數(shù)優(yōu)化研究

陳藝 CHEN Yi；肖武寧 XIAO Wu-ning

（①廣西壯族自治區(qū)航道養(yǎng)護中心，梧州 543000；②廣西大學(xué)，南寧 530004）

0 引言

航道工程的發(fā)展隨著國家的發(fā)展、人民的需求，在當(dāng)下愈發(fā)快速，目前我國多地的河道難以滿足當(dāng)前的運輸需求，在難以滿足人民對更加豐富生活追求的同時也嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展。要大力發(fā)展航運就必須對河道進行礁石清理和疏浚，目前采用爆破的形式對河道進行改造是首選方法。雖然我國的水下爆破技術(shù)起步較晚，但得益于需求大項目多的環(huán)境，水下爆破研究方面進展極為迅猛。一大批專家學(xué)者對水下爆破的理論、機理及工程實踐進行了大量的研究，取得了大量的成果[1-6]。但研究對象多數(shù)為裸露爆破，工況條件也較為理想，缺少對多炮孔下水下鉆孔爆破的研究。迫切需要對水下鉆孔爆破孔網(wǎng)參數(shù)進行優(yōu)化研究，為水下鉆孔爆破的設(shè)計與施工提供參考，因此，本文將開展相應(yīng)的研究工作。

1 工程概況

“貴梧航道整治水下爆破工程”是廣西自治區(qū)重點工程，其對于廣西的經(jīng)濟建設(shè)、民生福祉具有重要現(xiàn)實意義。西江航運干線貴港至梧州3000 噸級航道工程項目，主要在原航道基礎(chǔ)之上進行航道的拓寬、疏浚以及炸礁。工程具體整治灘段如表1 所示。

表1 西江貴梧航道段整治灘段

表2 傳統(tǒng)水下鉆孔爆破單位炸藥消耗量取值kg/m3

西江貴港至梧州航道整治工程中，長洲壩段位于梧州市區(qū)域內(nèi)，貴港至桂平航道段全線沿郁江下段彎曲展布，多數(shù)處于郁江流域平原區(qū)內(nèi)，部分為低山丘陵區(qū)，覆蓋層以砂卵礫石為主，局部為基巖裸露，巖體主要為砂巖及灰?guī)r。本航道整治工程內(nèi)水深為4m-15m。

2 爆破參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

未優(yōu)化的水下爆破參數(shù)設(shè)計：

①炮孔直徑：d=100mm（炮孔直徑通常取75mm-150mm）。

②最小抵抗線：W=（20-30）d=2.0m~3.0m。

③國內(nèi)水下鉆孔超深值一般取c=1.0m~2.0m，具體取值需要根據(jù)巖石堅硬系數(shù)選擇。

④孔距a=2.0m~2.5m、排距b=1.6m~2.4m。結(jié)合現(xiàn)場實際情況考慮，本水道孔網(wǎng)參數(shù)為a=2.0m、b=2.0m。

⑤單孔裝藥量。

Q=qabH

q——單位炸藥消耗量，根據(jù)水下巖石破碎，取1.1 kg/m3～1.4kg/m3，本水道取q=1.3kg/m3。

H——孔深（包括超深），m。

可以得到計算單孔藥量Q=23.4kg，結(jié)合實際工程情況，可得實際單孔藥量Q=24kg。

裝藥結(jié)構(gòu)：

雷管采用高精度的數(shù)碼電子雷管，同時起爆方式采用分段起爆，可在保證爆破效果的同時也能夠降低爆破振動危害。水下爆破通常是將炸藥堵塞體都在船上裝好后再送入水下鉆孔當(dāng)中，能夠同時保證堵塞長度和裝藥質(zhì)量。具體裝藥結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

孔網(wǎng)結(jié)構(gòu)：

因為水下爆破所采用的鉆孔設(shè)備為水下爆破鉆孔作業(yè)船，因此為方便作業(yè)船操作的同時提高作業(yè)效率，炮孔的布置選擇矩形布置，每排六個炮孔，根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)置起爆段數(shù)，利用電子數(shù)碼雷管的特性進行高精度毫秒微差爆破，段間延時為50 毫秒，排間延時時間為100 毫秒。具體爆破網(wǎng)絡(luò)圖如圖2 所示。

圖2 爆破網(wǎng)絡(luò)示意圖

爆破參數(shù)的優(yōu)化：

在水下爆破工程實踐中，往往因水深不同而導(dǎo)致待爆巖體的水壓不同，有研究表明水壓對于水下爆破的爆破效果具有較大影響，水深為10m 以上時，炸藥的爆速下降11%，猛度下降10%[7]。而本工程中水深為4m-15m，有較大變化，因此在進行本工程的水下爆破時考慮水深條件是十分必要的。

通過數(shù)值模擬，對不同水深情況下采用不同爆破參數(shù)的爆破效果進行了對比分析。

數(shù)值模型的建立：

采用爆破工程常用的ANSYS/LS-DYNA 進行數(shù)值模擬，LS-DYNA 是一種顯式動態(tài)有限元程序，專注于求解高速和大變形問題。它廣泛用于模擬汽車碰撞、空氣襲擊、爆炸、金屬成形等應(yīng)用領(lǐng)域。LS-DYNA 的主要焦點是解決瞬態(tài)問題和復(fù)雜非線性現(xiàn)象。

主要特點：

顯式求解器：LS-DYNA 使用顯式求解器來模擬瞬態(tài)現(xiàn)象，這使得它適用于高速碰撞和爆炸等事件。

大變形材料模型：LS-DYNA 提供多種材料模型，可以準(zhǔn)確地描述大變形、高應(yīng)變率和斷裂等材料行為。

豐富的材料模型：LS-DYNA 支持各種復(fù)雜材料的建模，如復(fù)合材料、泡沫材料等。

多物理場耦合：LS-DYNA 也支持結(jié)構(gòu)-流體耦合、結(jié)構(gòu)-熱耦合等多物理場問題。

LS-DYNA 常用的算法有三種，分別是拉格朗日算法（Lagrange）、歐拉算法（Euler）以及流固耦合算法（Arbitrary Lagrange-Euler，ALE）。

拉格朗日算法和歐拉算法是兩種常用的數(shù)值計算方法，用于求解連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問題，如流體動力學(xué)、固體力學(xué)等。它們分別基于拉格朗日和歐拉兩種坐標(biāo)系，各自有其適用的領(lǐng)域和優(yōu)缺點。

①拉格朗日算法（Lagrange）。

拉格朗日算法是一種以物體自身的質(zhì)點為基準(zhǔn)的坐標(biāo)系。在拉格朗日算法中，通過追蹤物體上各個質(zhì)點的運動軌跡來描述物體的運動和變形。質(zhì)點的位置由其在初始狀態(tài)的坐標(biāo)和與時間有關(guān)的位移函數(shù)表示。

主要特點：

自適應(yīng)網(wǎng)格：拉格朗日算法適用于處理大變形和運動較快的問題，因為網(wǎng)格隨著物體的運動而移動，能夠準(zhǔn)確地跟蹤物體的形狀變化。

容易處理接觸和變形：由于質(zhì)點的運動軌跡總是與物體自身相關(guān)，因此在處理物體接觸和大變形等問題時比較方便。

②歐拉算法（Euler）。

歐拉算法是一種以固定坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的坐標(biāo)系。在歐拉算法中，計算域不隨時間變化，物體的運動和變形都是相對于固定的坐標(biāo)系進行的。物體上各點的物理量如速度、壓力等是空間和時間的函數(shù)。

主要特點：

網(wǎng)格固定：歐拉算法適用于穩(wěn)態(tài)和緩變形問題，網(wǎng)格不隨時間變化，因此適用于研究物體在靜止或緩慢運動情況下的行為。

簡單易實現(xiàn)：歐拉算法的算法較為簡單，容易實現(xiàn)，并且計算效率較高。

③流固耦合算法（Arbitrary Lagrange-Euler，ALE）。

流固耦合算法是一種用于模擬流體和固體之間相互作用的數(shù)值計算方法。這種方法結(jié)合了拉格朗日（Lagrange）和歐拉（（Euler）兩種坐標(biāo)系的優(yōu)點，使得它在處理流體和固體之間的運動和變形時具有很好的適應(yīng)性。

在傳統(tǒng)的歐拉算法中，計算域隨時間固定，流體和固體的運動和變形都是相對于固定的坐標(biāo)系進行的。這對于處理固體問題非常有效，但在模擬流體的運動時會遇到一些困難，尤其是在涉及大變形和運動較快的情況下。

相比之下，拉格朗日算法將計算域與物體一起運動，使得它對于模擬大變形和運動較快的問題非常有效。然而，拉格朗日算法在處理自由表面和流體結(jié)構(gòu)相互作用時可能會有一些困難。

ALE 方法通過將拉格朗日算法和歐拉算法結(jié)合起來，克服了單一方法的局限性。它采用了以下主要思想：

流體區(qū)域：在流體區(qū)域中，使用歐拉坐標(biāo)系，通過求解Navier-Stokes 方程來描述流體的運動和變形。

固體區(qū)域：在固體區(qū)域中，使用拉格朗日坐標(biāo)系，通過求解固體的運動方程來描述固體的運動和變形。

插值技術(shù)：在流固界面上，通過插值技術(shù)將流體和固體之間的物理量進行交換，實現(xiàn)流體和固體之間的信息傳遞。

坐標(biāo)網(wǎng)格更新：在每個時間步長，對流體區(qū)域的網(wǎng)格進行更新，以適應(yīng)固體的運動和變形。

ALE 方法的優(yōu)勢在于它能夠處理流體和固體之間的相互作用，同時允許流體網(wǎng)格和固體網(wǎng)格的運動和變形。因此，ALE 方法在模擬涉及流體-結(jié)構(gòu)相互作用的問題時非常有用，如液體中的結(jié)構(gòu)物運動、船舶的波浪荷載、流體中的運動物體等。

綜上所述，流固耦合算法更適合應(yīng)用于爆破工程當(dāng)中，因此選擇流固耦合算法進行模擬。

同時，因為實際工程實踐當(dāng)中，影響因素非常多，情況非常復(fù)雜，普通計算機的算力無法進行模擬工作，因此必須對模型進行合理簡化，只考慮水深和待爆巖體（連續(xù)且各向均勻），并且將復(fù)雜的河床面設(shè)置為光滑的曲面或者平面。如此將復(fù)雜的實際工況抽象為較為理想的狀態(tài)進行模擬工作。

邊界條件：

通過在水面施加一個大氣壓力來模擬空氣對模型的影響，采用*DEFINE_CURVE 關(guān)鍵詞實施。

狀態(tài)方程和模型材料：

本模型一共三種材料，分別為巖體、水和炸藥，三種材料的本構(gòu)模型和狀態(tài)方程如下所述。

①巖體材料。

巖體的本構(gòu)模型采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC相應(yīng)材料。巖體的屈服應(yīng)力σy和應(yīng)變率ε 之間存在如下式所述的關(guān)系。

式中，σ0為巖體初始屈服強度極限；C、P 為應(yīng)變率參數(shù)；E0為楊氏模量；E1為切線模量；β 為各向同性參數(shù)；εp為有效的塑性變形。

長洲樞紐位于龍圩水道上游，根據(jù)第二章巖芯采樣數(shù)據(jù)，可以得到模擬巖石計算參數(shù)。具體巖石材料模型參數(shù)如表3 所示。

表3 巖石材料及計算參數(shù)

巖石破壞準(zhǔn)則采用拉剪破壞形式進行描述，采用*MAT_ADD_EROSION 關(guān)鍵字進行描述。

②爆炸介質(zhì)及狀態(tài)方程。

爆炸介質(zhì)采用炸藥燃燒材料模型*MAT_HIGH_EXP LOSIVE_BURN，結(jié)合JWL 狀態(tài)方程描述炸藥產(chǎn)生的爆轟壓力。具體如下式所示。

式中，參數(shù)A、B、R1、R2、ω 為JWL 特征參數(shù)；E 為炸藥蘊含內(nèi)能；V 為相對體積。

實際爆破工程中，炸藥采用的是2#巖石乳化炸藥，其模型炸藥材料參數(shù)以及狀態(tài)方程，如表4 所示。

表4 2# 巖石乳化炸藥及計算參數(shù)

③水介質(zhì)及狀態(tài)方程。

水介質(zhì)采用*MAT_NULL 描述，用*EOS_GRUNEIS EN 表征水的狀態(tài)方程，密度為1000kg/m3，如圖3 所示。

圖3 水下巖體破壞過程數(shù)值模擬

圖4 優(yōu)化爆破參數(shù)后爆破效果

得出了如下結(jié)論：

①當(dāng)單耗不變的情況下，水越深爆破效果越差；

②炮孔的孔排距與炮孔直徑呈正比關(guān)系；

③在考慮經(jīng)濟效益比的情況下，本工程的最佳炮孔直徑為115mm；

④在水深5m 以內(nèi)時，最佳單耗取1.3kg/m3，孔排距為2.2m*2m；水深8m 時，最佳單耗取1.7kg/m3，孔排距為2m*2m；水深12m 時，最佳單耗取2.0kg/m3，孔排距為2m*1.7m；水深15m 時，最佳單耗取2.1kg/m3，孔排距為2m*1.5m。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對爆破參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化后的參數(shù)如下：

①炮孔直徑：d=115mm（炮孔直徑通常取75mm-150mm）。

②最小抵抗線：當(dāng)水深8m 以內(nèi)時取2m，水深12m 取1.7m，水深15m 取1.5m。

③水下鉆孔超取值，5m 以內(nèi)取1.5m，8m 以及12m 和15m 取2m。

④孔距水深5m 以內(nèi)取2.2m，水深8m 取2m，水深12m 和15m 取2m。

⑤單孔裝藥量。

Q=KqabH

K 為水深影響系數(shù)取1.2。q 根據(jù)模擬水深5m 以內(nèi)取1.3kg/m3，水深8m 取1.7kg/m3，水深12m 取2.0kg/m3，水深15m 取2.1kg/m3。

3 爆破結(jié)果對比分析

采用經(jīng)過優(yōu)化后的爆破參數(shù)對該工程進行水下爆破施工后，施工效率大為提升，相比之前的水下爆破施工作業(yè)，極大減少了返工的頻次，一次清理到位的情況大為提升。爆破后大塊率明顯下降，大大降低了后續(xù)清理成本，工期較原計劃提前三個月完工，實現(xiàn)了較為明顯的降本增效作用。

4 總結(jié)

①通過進行不同水深條件下爆破數(shù)值模擬，得出了水深對于爆破效果具有極大影響；

②得出了在水深5m，8m，12m 以及15m 條件下該項目的最佳爆破參數(shù)；

③通過現(xiàn)場試驗驗證了數(shù)值模擬應(yīng)用與水下爆破工程的可行性；

④對比得出了傳統(tǒng)經(jīng)驗公式在水下爆破的應(yīng)用當(dāng)中確實存在一定的不足之處。