水下爆破對水生物的損傷機理及防護技術研究綜述

阿比爾的, 蒲運杰*, 劉露, 劉明維, 傅林, 李浩田

(1. 重慶交通大學國家內河航道整治工程技術研究中心, 重慶 400074; 2. 重慶交通大學山區公路水運交通地質減災重慶市教委重點實驗室, 重慶 400074)

水下爆破原本起源于軍事方面的水下爆炸研究,第二次世界大戰之后該技術開始逐漸應用于水下清礁、航道疏浚及港口碼頭等工程的實際應用中。中國的水下爆破技術應用起步較晚,改革開放以來,許多學者也進行了大量的水下爆破工程實踐,促進了水下爆破技術的快速發展。但隨著人們的環保意識逐漸增強,水下爆破造成的環境污染及生態環境的影響也逐漸為人們所重視。類似氣泡帷幕的水下爆破防護技術開始成為學者們研究的重點方向。近年來,隨著經濟和計算機技術的蓬勃發展,大量的學者利用物理模型和數值模擬手段開展相關研究。水下爆破測試技術、水下爆破數值仿真技術等的研究成果促進了水下爆破技術的快速發展。

現從水下爆破能量釋放規律、水下生物損傷機理以及水下爆破防護措施等方面介紹水下爆破技術的研究進展,為水下爆破技術在水利工程的生態防護提供一定參考。

1 水下爆破能釋放及傳遞規律研究

水下炸藥引爆后,伴隨著高溫高壓爆炸產物的產生,將在水中釋放巨大的能量,爆轟波以極高的速度向周圍擴散形成沖擊波能和氣泡能。沖擊波能表征了炸藥的沖擊作用,氣泡能則表征了炸藥的氣體膨脹作用。沖擊波能的大小決定了水生物影響程度和范圍,因此大量學者開展水下爆破能釋放及沖擊波的衰減規律研究,以期更好地評價水下沖擊波的生物效應。

1.1 爆破能量釋放規律

沖擊波的產生機理是由爆炸產物高速擴散導致水被壓縮,從而引起密度、溫度、壓力升高,并在爆炸產物上反射出稀疏波,導致大約一半的化學能能夠轉化為沖擊波[1]。前人做了許多關于水下爆破沖擊波及能量傳播規律的研究。Гадкин[2]研究了水下爆破產生的地震波效應主要來源于爆破直接作用、沖擊波沖擊水底邊界、爆炸氣體在水中的脹縮上浮作用3個方面。在水下爆破裝藥爆炸時,一種非常陡峭的激波在源處形成[3],并在周圍流體中迅速傳播。沖擊波的傳播階段是毫秒級的,而氣泡的膨脹和收縮階段是秒級的,沖擊波在遠離爆震源的地方呈球形傳播,而在爆震中心形成一個氣泡的速度要慢得多,兩者在時間尺度上具有較大的差異,典型的水下炸藥爆破沖擊波壓力時程曲線如圖1所示。邵蔚等[4]進行了某核電站水下爆破現場試驗,發現水下爆破具有明顯的濾頻效應,具有主頻小、頻帶窄、能量小;水下爆破產生的地震波具有振幅小、衰減慢、振動持續時間長等特點。Koli等[5]和饒國寧等[6]均進行了水池水下爆炸能量輸出特性研究,得到了水下爆炸典型沖擊波曲線和氣泡脈動信號波形曲線,同時發現鋁粉的加入會改變炸藥的能量輸出特性。李雪交等[7]和榮吉利等[8]則分別研究了一種新型含能微球敏化的乳化炸藥和新型黑索金(hexogen,RDX)含鋁炸藥水下爆炸性能,發現含能微球和鋁粉二者均會延緩沖擊波的衰減速度[9]。Keshavarz等[10]提出了一種預測含鋁(Al)和(或)高氯酸銨(AP)復合炸藥氣泡能量的簡便方法,僅需要100 g成分中的nCl、nC和nAl的值即可。

圖1 水下爆炸沖擊波壓力時程曲線[7]

為了得到實際的爆破規律,學者們曾嘗試在室內的小范圍水池爆破試驗。 Wollert-Johansen[11]、Bjarnhol[12]和顏事龍等[13]驗證了小水池小藥量測量水下爆炸能量的可能性,認為邊界效應不影響測試結果,并提出了無限水域中比氣泡能的計算公式。汪泉等[14]同樣在小水池中實測了幾種不同炸藥的爆炸參數對比實驗測試,結果表明:乳化炸藥的水下爆炸峰值壓力大于水膠炸藥而小于三硝基甲苯(trinitrotoluene,TNT),乳化炸藥相比于其他炸藥有最理想的爆炸能量輸出狀況。而蘇華等[15]認為小水池炸藥輸出能量存在邊界效應,提出了修正后的有限水域水下爆炸比氣泡能和炸藥總能量的計算式。

爆破的試驗環境苛刻,數值仿真是爆破能量釋放研究的重要手段。He等[16]和Tian等[17]則基于數值模型研究了水下爆炸沖擊載荷特性,發現氣泡脈動載荷和水擊波對附近的結構造成更大的非線性的破壞作用。胡冬冬等[18]和于建新等[19]分別基于 LS-DYNA分析了裝藥耦合方式、起爆方式、爆破距離[20-21]、堵塞材料[22]、水深[23]、堵塞物長度[24]等因素對爆破能量傳遞、沖擊波壓力峰值的影響。Phan等[25]對水下爆炸同時發生的熱力學和水動力機理進行了數值研究,認為高速射流和氣泡崩塌產生的異常熱點幾乎同時發生,對各種結構會造成重大破壞。

綜上所述,對于水下爆破爆炸試驗研究上,場地限制明顯,現有的水下爆炸能量測試設備相對較少,方法較單一,需要進一步開發更有效的能量測試設備,準確量測爆破所產生的沖擊波能、氣泡能、聲波能。此外現場試驗周期長、耗費多、成功率低,所獲得的實驗數據有限,理論模型和數值模擬是一種理想手段。目前的化學爆破的能量釋放主要還是借鑒陸域的JWL狀態方程,水環境對炸藥當量釋放的影響被忽略。水下爆破能量被簡單劃分為沖擊波能、氣泡能、聲波能等,但各能量的產生、傳遞和轉化機制尚不清晰。目前國內學者大部分采用庫爾公式作為水下爆炸能量釋放計算式,但庫爾公式并未考慮水深及水生物等因素對計算帶來的影響。現有研究對水流流態、巖體結構面、水域邊界條件的分析不足,具體對于水質、渾濁度、水流等因素對能量釋放的影響現階段仍難探明。因此,建立一套系統的水下爆炸爆炸能量釋放仍是未來研究的重點。

1.2 爆破動力衰減規律

水具有密度大、可壓縮性小的特點,因此對沖擊波的傳播效率較高。Petrov等[36]研究顯示,沖擊波在傳遞到兩種介質的交界面處時,會發生投射和反射現象,而在空氣與水的交界面處發生反射,幾乎無透射。彭蜀君[37]和陳艷麗等[38]認為水下爆炸沖擊波以壓力擾動形式在水中傳播,并逐漸衰減,受水摩擦力和黏滯力的作用最后變為聲波,且聲波強度隨傳播距離的增大而減小,持續時間較長。蘇欣等[39]構建了一套水下爆破沖擊波的聲學監測系統,對廈門港現代碼頭的水下爆夯進行了現場實時監測,從圖2中發現:水深對沖擊波能量傳播有較大影響。高毅等[40]基于不同水深環境下爆炸(TNT)罐的模擬,得到了水下爆炸沖擊波超壓峰值和能量流密度的計算模型。李春軍等[41]發現水下鉆孔爆破的峰值應力在相同水深時,隨著測點到爆源距離增大而逐漸減小;不同水深時,沖擊波峰值隨著水深的增大而逐漸減小。李金河等[42]測量了多種炸藥在水中爆破的沖擊壓力時程曲線,對比高毅等[40]基于TNT炸藥發現的水下爆炸沖擊波相似律,發現含鋁炸藥的沖擊波遠場傳播服從指數變化的相似律,其沖擊波性能比TNT優越。李雪交等[7]提出的含能微球敏化的新型乳化炸藥,可以減慢沖擊波衰減速度以及增強氣泡脈動。胡偉才等[43]和陳坤鑫等[44]分析了水下鉆孔臺階爆破的動力衰減規律,從圖2中發現:在炸藥爆炸后的短時間內水擊波壓力迅速升高達到峰值,其后水擊波的壓力隨著時間呈指數衰減規律衰減。

圖2 沖擊波峰值壓力衰減曲線[43]

爆破沖擊波壓力、作用時間、沖量參數等計算模型研究一直是各位學者努力的主要方向。20世紀60年代,中外學者開展了大量的試驗和理論研究。庫爾模型是最普遍認可的計算模型。周方毅等[45]基于庫爾提出的無限水域球形TNT藥包的水下爆破峰值壓力公式,導出了7個不同壓強,不同爆炸范圍的超壓計算公式。Li等[46]則基于康姆萊特半經驗公式,設計了一種球形裝藥水下爆炸測試系統—壓導式連續電阻絲探針,提供了一種野外大藥量的水下爆炸近場測試手段。張杰等[47]提出的一種基于Kirkwood-Bethe理論的改進計算模型。齊世福等[48]認為受到爆破方式及水流速度的影響,庫爾公式計算沖擊波峰值壓力在內河近岸不宜采用,考慮炸藥量、距離和測點地質條件3個因素,給出了水下爆破地震波衰減經驗公式。李強等[49]結合庫爾公式,得出了介質中沖擊波超壓的計算方法,并根據最小二乘法的原理,得到了有限水域較遠距離處沖擊波超壓的計算公式。寇曉楓等[50]建立了水下自由場爆破的數值計算模型,并利用庫爾公式驗證了計算的正確性,得到了沖擊波壓力時程曲線。He等[16]利用可壓縮歐拉有限元法建立了水下爆炸瞬態數值模型,實現了近自由水面水下爆炸的長時間模擬,同樣僅驗證了現有模型的正確性。姜聰宇等[51]利用LS-DYNA軟件建立水下爆破模型所需的合適的算法和材料方程,給出了巖石、炸藥、水和空氣合適的狀態方程。

綜上,針對爆破沖擊波的分析主要以現場試驗測試和數值仿真為主,多數結合沖擊壓力時程曲線進行衰減規律的定性分析,并考慮裝藥量、水深、距離等因素的影響,但水下地形地質環境異常復雜,但鮮有考慮該因素的影響,水域環境和施工方式的影響分析也不足。在缺乏現場試驗數據的情況下,數值仿真是一種重要手段,但目前流固耦合界面的應力傳遞模型建立、水和炸藥狀態方程、阻尼系數的確定等限制了數值模型的可靠性。因此,如何準確描述各種影響因素對于爆破動力的衰減影響是未來的研究重點。目前的水下沖擊波計算模型多基于庫爾公式、Kirkwood-Bethe模型等現有模型建立,但該模型基本屬于半經驗半理論的公式,模型的經驗參數確定較為困難,目前主要是通過試驗數據獲得,如何揭示水的摩擦力和黏滯力等對沖擊波的衰減作用,建立嚴格基于理論模型的計算公式仍是一個難點。如果考慮水環境,如水深、水流速度、含沙量、微生物密度等因素影響,則計算模型將更為復雜。

2 水下爆炸損傷機理研究

2.1 水下爆破的生物損傷機理

水下爆破對水生生物和水生態環境都有較大影響。爆破的危害源主要包括:①水下炸藥爆炸產生的沖擊波;②水下爆炸產生的氣泡脈沖;③沖擊波邊界反射形成聲場。爆破形成的沖擊波對魚類、浮游動物、底棲動物都有不同程度的損傷,特別是高強度的聲壓沖擊會損壞其生物內部組織器官,也可能會對其身體外部造成損傷。早期國外學者進行過水中爆炸試驗,Keevin等[52]曾經專門對藍鰓太陽魚進行過魚群吊籠試驗,研究結果表明,魚鰾和體內血管受到的影響比其他器官要大;爆炸對魚類的殺傷力主要取決于爆炸產生的壓力、沖量和能量通量密度這 3 個因素。晏正碧等[53]和陳艷麗等38]的研究中顯示,由于魚體的密度和水的密度接近,當炸藥在水中爆炸產生的沖擊波到達魚體與水交界面時會直接通過魚體向前傳播,而沖擊波穿過流體組織 (如脂肪組織、血液)與氣腔的界面時,會導致空腔壁的撕裂或破碎,進一步擠壓周圍的其他組織,導致魚鰾撕裂[54]、眼睛充血、血管受損,體腔出血等[55],如圖3所示,甚至出現畸變[56]。且相較于大型幼魚和成年魚,幼魚更容易受到水下爆破沖擊波的影響,特別是有魚鰾的幼魚[57]。趙根等[58-59]實測發現水擊波壓力值在0.6 MPa以上可使各類魚內臟產生輕微及以上損傷,0.3 MPa的水擊波壓為魚類的臨界水壓。

圖3 嚴重損傷魚類及魚鰾撕裂損傷示意圖[54]

聲學指標作為評估魚類損傷的重要數據,包括峰值壓力、聲音暴露水平和隨時間變化的綜合壓力。對于水下爆破產生的聲波對水生物的影響的研究也是中外學者研究的重點之一。早期學者們只是進行簡單的水下噪聲驅趕試驗,Bagocius等[60]和Eng?s等[61]均基于簡單的現場試驗,得出水下脈沖噪聲或氣爆產生的聲波均會對海洋生物造成影響[62]。Dahl等[63]評估了聲波對魚類可能造成的內損傷,魚的器官的損傷率在聲波的作用下并非呈現一個隨距離增加而減小的單調模式。王克雄等[64]分析了航道整治對長江江豚產生的影響。認為水下聲環境質量下降、噪音過大以及部分庇護所消失是江豚消失的主要原因。此外文獻[65-66] 認為噪音聲波也會對魚卵造成一定影響。Kostyuchenko[67]進行了3種常見家魚魚卵爆破試驗,得出在20 m距離外魚卵才不會有明顯損傷,不同魚卵對噪音的敏感程度不同,但并未提出噪音對魚卵造成損傷的具體損傷機理。

許多學者研究認為,魚類存在一種感知水動力特征和聲波的側線系統,水下爆破產生的聲波[68]水流紊動和切應力[69]對魚類的損傷源于側線系統功能的損傷,導致靈敏度下降[70]、行動緩慢麻木[71]。根據Knudsen 等[72]的研究顯示,水下爆破產生的高聲壓會導致外傷性腦損傷,有明顯魚鰾或者在耳朵附近有氣囊組織的魚類是最容易出現神經外傷的魚類。

水下爆破引起的水質變化[73]也會影響水下生物[74],導致水中生物的游泳能力下降,行動緩慢。影響范圍大概在2 000 m。水含沙量的上升會影響魚類每博輸出量和心供血量[75]。韓雪慧等[76]認為爆破施工對于水體理化指標(pH、硬度等)以及浮游動物生物影響不大,但對于底棲動物、一定范圍內的魚卵和漁獲物會有較大的影響。尚龍生等[73]認為高濃度懸浮物質對于游泳能力較強的成魚有驅趕作用,但含量過高時,懸浮顆粒會進入魚鰓并沉積在鰓部,影響魚的呼吸和濾水功能,造成呼吸困難。

上述研究說明,沖擊波會直接對魚類的肝、脾、腎等內部器官造成巨大傷害。爆炸產生的聲波使魚類無法辨別聲音信號,破壞魚類的聽力和神經系統,從而影響魚類的正常生活。水下爆破還會使水體中的重金屬、有機物、無機氮、懸浮物、渾濁度、pH等指標發生變化從而影響成魚的呼吸、攝食以及魚類的孵化率和成活率,對水生物造成間接的持續損傷,然而目前相關研究較少。由于爆破對水體環境影響的持續時間較長,需要長時間跟蹤監測才可獲得精確數據,但受限于監測設備和實驗器材,目前尚未進行監測,且數值模擬方面所做的研究較少。目前提出沖擊波可能會對魚的神經系統造成損傷,但是還不能準確探究神經系統的損傷情況。因此,后期可嘗試探究更詳細全面的沖擊波對魚體各器官帶來的刺激,分析不同器官抵抗沖擊波后對魚類正常生活帶來的改變。開發有效、準確的水環境監測設備,監測爆破后水體的理化指標,從而探究水環境的改變對魚體損傷機理。從上述研究看來,相關生物數值模擬方面較難建立較準確的損傷模型,后期可嘗試建立相關的數值模型探究沖擊波損傷魚類神經系統的原理。

2.2 水下爆破的損傷計算模型

建立一個正確的魚群損傷計算模型,可以更直觀地分析水下爆破對魚類的損傷效應,因此探索水下爆破的魚類損傷計算模型也是許多學者研究的方向之一。

20世紀60年代,Young[77]總結了一個可以估計有鰾魚類安全距離的公式,但該公式僅僅基于水深較淺區域。國外學者考慮到了魚體損傷與魚鰾受到沖擊波的影響,提出過3種模型用于水下爆破炸藥損傷半徑的估算,分別為能量通量密度模型[78]、沖擊強度模型[79]和動力模型[80]。基于庫爾公式的安全距離[81]和損傷半徑常用水生物的損傷評估[82]。

針對水環境改變下的魚群損傷模型。趙英杰等[83]根據庫爾水流模型結合懸浮物擴散模型,提出了預測懸浮物質對生態環境影響程度的評價方法。沈新強等[84]基于國內學者提出的魚群數量變動與死亡率的關系,建立了污染引起的年漁獲損失量的計算式以及魚類種群受污染總死亡率函數形式。任敏等[85]總結漁業資源損失量計算公式以及魚卵長成成魚的損失量計算方法,提出了以現存漁業資源密度和影響體積為主導的水下炸礁工程漁業資源損失量的評估公式。黃梓榮等[55]提出了不考慮中上層水域魚類、甲殼類視為魚類的游泳生物損失量計算公式。

前人對于水下爆破水生生物的損傷計算模型研究較少,目前主要以魚鰾損傷為基礎,建立水生生物安全距離和死亡率模型。但有關沖擊波具體作用于魚體各器官的詳細數學模型尚未建立。大部分學者建立的損傷計算公式針對不同類型的魚類或水生物,但不同體型的魚抵抗沖擊波的能力也具有較強的研究價值。因此,未來可嘗試建立魚類體型分級標準,并以此建立不同體型級別魚類對沖擊波的損傷計算模型。目前的損傷模型主要以部分成魚的損傷為主,但針對幼魚、魚卵的損傷分析不足,此外尚缺乏如浮游生物、游泳動物和底棲生物等不同種類水生物的損傷模型。爆破引起的水中懸浮物含量增加對游泳能力較差的魚卵或蝦蟹帶來的損傷較大,可能會導致魚卵的大量死亡從而造成漁業資源的損失。爆破引起的水環境的變化對魚群的長期影響評價不足。后期研究可嘗試建立依據爆破后水體懸浮物或含沙量的改變引起的幼魚、蝦蟹等生物損失的計算模型,將魚卵、蝦蟹、不同品種的魚類結合不同體型的魚類建立完整分級標準,綜合上述不同類型的水生物的損傷半徑,損傷持續時間和水環境改變帶來的損失可建立較完整的水下爆破生物損傷計算模型。

3 水下爆破的防護措施

為了控制水下爆破沖擊波對生物的危害作用,應充分考慮對水生物的致傷以及致死效應,提出相應的防護措施。在浙江某海域的航道水下炸礁爆破,就曾發生過致使距爆破區域400～500 m范圍內的近萬只網箱中的養殖魚類,出現大面積死亡,造成經濟損失1 000多萬元的爆破事故。當前水下爆破防護方式主要有主動和被動兩種方式。

3.1 水下爆破的主動防護措施

主動防護措施的防護理念包括:①將爆破產生的沖擊波壓力控制在水下生物安全臨界壓力以下;②對工程進行合理設計保證魚類處于安全距離之外。

早期國內學者提出的安全防護措施主要著眼于炸藥藥量和距離控制上[86]。隨著研究的不斷深入,有學者逐漸提出微差爆破[87-88]或對柱狀裝藥加強充填、反向起爆、間隔裝藥[51]以及淺孔爆破[89]等改變裝藥結構方式[85]削弱沖擊破的強度等的主動防護措施。如洋山深水港航道工程炸礁爆破[82]就采用延時爆破在大洋山附近的泥石礁進行,讓魚群遠離爆破區域,從而避免更多的損害。條帚門航道工程水下炸礁[85]同樣提出建議采用微差毫秒起爆技術進行炸礁工作,嚴格控制炸藥使用量,減少炸礁作業產生的沖擊波對魚類的影響。廈門港現代碼頭在進行水下爆破沖擊波聲學監測時提出爆破時盡量采用小藥量爆破和毫秒微差爆破技術,以減小對中華白海豚和其他海洋漁業資源的傷害。長江上游九龍坡至朝天門河段航道炸礁工程,同樣采用設置合理的起爆順序以及采取延時起爆,使總爆炸能量在 時間上合理分布,從而減少大藥量引起的沖擊波超壓積累,從源頭上降低沖擊波能量。廈門港招銀航道擴建一期工程(后續工程)(航道炸礁及清礁部分)[81]則在工程實際中通過優化爆破操作技術,使用無堵塞爆破同時改進裝藥方式,同時爆破不同重量的藥包,達到了有效保護工程區域內白海豚的目的。以上主動防護措施以沖擊波壓力控制為目標。

控制安全距離,將水生物驅離爆破影響半徑區域是學者們是另一種手段。通過 “小藥量警示爆破”[90]。人工聲墻驅趕[81]、高壓電磁脈沖驅趕[91]、調整水體流態[65]是比較常用的手段。在美國的伊利諾斯、新澤西、羅得島和華盛頓4個州都利用噪聲驅魚的方式,對爆破施工區域持續驅魚。廈門港招銀航道擴建一期工程(后續工程)(航道炸礁及清礁部分)[81]工程中通過設置人工聲墻成功驅趕了爆破區域內的白海豚,達到了保護的目的。在三峽三期RCC圍堰拆除爆破中,采用聲納探測結合高壓電脈沖驅魚技術,有效地保護了長江中的白鱘、達氏鱘、胭脂魚等珍稀魚類的安全。

綜上所述,目前對于水下爆破保護水生物的措施研究主要集中于對裝藥結構起爆方式的改進以及對水生物的驅趕。然而改進裝藥結構的適用范圍有限,對爆破效果產生消極影響仍需要進一步關注。目前基于聲學的驅魚方式是主要手段,但僅能將水中游泳能力較強的成魚驅離爆破區域,幼魚及蝦蟹等游泳能力弱的水生物仍會受到爆破影響;利用脈沖電流驅魚是否會對魚體造成損傷、對成魚的驅趕效果也缺乏有效的探測手段進行驗證。因此后期研究可著眼于開發更環保有效的爆破材料,如利用二氧化碳起爆,或選用效率更高的改進型炸藥;驅魚方式上,后期可結合人工智能技術,對爆炸驅魚的水生物進行可視化“清場”處理。

3.2 水下爆破的被動防護措施

水下爆破由于作業的特殊性,即使進行藥量控制、裝藥結構優化等措施,但其效果有限,同時過低的裝藥量又會影響爆破施工效率,故水下爆破的安全防護措施還需要配合沖擊波的被動消減措施。

由于沖擊波傳播到兩種介質交界面時會發生反射和透射現象,而兩種介質的波阻抗之比對沖擊波傳播具有重要的影響,因此在水下沖擊波傳遞過程中添加一種介質是一種可行的研究方向[36]。空氣隔層是常用的一種手段[92]。空氣隔層的主要應用形式有氣泡帷幕[93]、減振溝槽以及艦船的防雷艙。氣泡帷幕技術原理如圖4所示。胡偉才等[43]分析顯示:氣泡帷幕的設置可削減高達到65.74%～86. 13%沖擊波作用。彭蜀君[1]、齊世福等[48]和陳春歌等[94]分析了包括氣泡帷幕、減振溝槽等的水下爆破的防護效應;Salomons等[95]同樣就曾針對大型未爆彈藥在遠距離上對生物聽力的影響提出建議采取設置氣泡帷幕作為緩解措施。邵魯中等[24]發現如果將氣泡帷幕與延時爆破相結合,可顯著地將水下爆破危害發生的可能性降低。長江三峽水利樞紐工程下游泄水箱涵出口的水下爆破開挖工程中,對氣泡帷幕使用效果進行了實踐應用,證實氣泡帷幕能削減85%～95%的沖擊波。長江上游九龍坡至朝天門河段航道建設工程磚灶子臺段炸礁工程如圖5所示,同樣采用氣泡帷幕實現了爆破沖擊波控制。

圖4 氣泡帷幕形成示意圖[93]

圖5 現場氣泡帷幕效果圖[24]

除了設置氣泡帷幕外,水下預裂爆破也是有效的被動防護手段之一。該法極大地降低了爆破振動對周圍的影響,同時可提高工效[88]。試驗表明,水下預裂縫可削弱 50%～70%的爆破震動強度。齊世福等[48]認為在保護目標附近的水下拋設土石也可以減少沖擊波的破壞作用。

綜上所述,目前水下爆破沖擊波的被動防護手段大多基于兩種介質交界面處的沖擊波反射透射原理建立,利用最多的是氣泡帷幕。但目前防護手段較單一,且在水底安裝空壓機等設備較為繁瑣、成本高且安全性較低,后期可嘗試研發泡沫、海綿等低成本高安全性的防護屏障。目前有關沖擊波被動防護手段的物理實驗成本高,缺乏有效的理論模型,后期可開發便捷的物理模型設備,提出相應的理論模型。

4 結論

4.1 水下爆破能量釋放及傳輸規律研究

水下爆破能量是水生物損傷的動力來源,深入了解水下爆破的能量釋放及沖擊波衰減規律,是水生物安全防護的基礎。大量學者針對水下爆破能量釋放及衰減規律做了大量的研究。

物理試驗的方法測定周期比較長,耗時費力,且試驗受限于試驗設備、場地等限制,較難準確量測水下爆破能量傳輸的全過程,開發能夠監測水下爆破產生的以多種形式釋放的能量的監測設備是未來研究的重要方向之一。目前的化學爆破的能量釋放主要還是借鑒陸域的JWL狀態方程,水環境對炸藥當量釋放的影響被忽略。水下爆破能量被簡單劃分為沖擊波能、氣泡能、聲波能等,但各能量的產生、傳遞和轉化機制尚不清晰。目前國內學者大部分采用庫爾公式作為水下爆炸能量釋放計算式,但庫爾公式并未考慮水深及水生物等因素對計算帶來的影響,對水流流態、水中含沙量、巖體結構面、河床地形及水域邊界條件對能量釋放的影響現階段仍難探明。因此,建立一套系統的水下爆炸的爆炸能量釋放仍是未來研究的重點。

沖擊波隨著距離呈指數衰減,多數結合沖擊壓力時程曲線進行衰減規律的定性分析,并考慮裝藥量、水深、距離等因素的影響,但水下地形環境和地質條件是異常復雜的,水域環境和施工方式的影響分析也不足。目前的水下沖擊波計算模型基本基于庫爾公式建立,但改模型基本屬于半經驗半理論的公式,模型的經驗參數確定較為困難,目前主要是通過試驗數據獲得,如何揭示水的摩擦力和黏滯力等對沖擊波的衰減作用,建立嚴格基于理論模型的計算公式仍是一個難點。如果考慮水環境,如水深、水流速度、含沙量、微生物密度等因素影響仍是難點。

4.2 水下爆炸損傷機理研究

爆破產生的沖擊波、聲波沖均會對魚類的肝、脾、腎等內部器官造成不同程度的傷害,甚至破壞魚類的聽力和神經系統,從而影響魚類的正常生活。爆破對魚群的聽力、神經系統等生理效應的影響計算模型有待深入。前人對于水下爆破水生生物的損傷計算模型主要以魚鰾損傷為基礎,但不同魚群的易損器官不同,其損傷模型也應是不同的。沖擊波作用于魚體不同器官的詳細數學模型尚未建立。此外不同種類、不同體型的魚抵抗沖擊波的能力也是不同的,目前的損傷模型主要以成魚的損傷為主,但針對幼魚、魚卵的損傷分析不足,此外尚缺乏如浮游生物、游泳動物和底棲生物等不同種類水生物的損傷模型。

水下爆破除了對水生物造成直接物理傷害外,還會對水環境造成持續影響。噪音會使水環境變得十分嘈雜,使魚類無法辨別聲音信號。水體中的重金屬、有機物、無機氮、懸浮物、渾濁度、pH等指標發生變化從而影響成魚的呼吸、攝食以及魚類的孵化率和成活率。但爆破引起的水環境的變化對魚群的長期影響評價不足,需要長時間跟蹤監測才可獲得精確數據。爆破引起的水環境變化對魚類生存、繁殖的影響規律亟待深入研究,以便于合理評價水下爆破的生物長期效應。除了魚群,水生物群落是一個綜合體,水下爆破對生物多樣性的影響也頗具研究意義。

4.3 水下爆破的防護措施

目前對于水下爆破的防護的主要手段為從爆破源頭減小產生的沖擊波和在沖擊波傳播過程中削弱水擊波的能量兩個重要理念。

主動防護措施主要集中在裝藥結構起爆方式的改進以及對水生物的驅趕。然而改進裝藥結構的適用范圍,對爆破效果產生消極影響仍需要進一步關注。后期研究可著眼于開發更環保有效的爆破材料。目前基于聲學的驅魚方式是主要手段,但僅能將水中游泳能力較強的成魚驅離爆破區域,幼魚及蝦蟹等游泳能力弱的水生物仍會受到爆破影響。對成魚的驅趕效果也缺乏有效的探測手段進行驗證。后期可結合人工智能技術,對爆炸驅魚的水生物進行可視化“清場”處理。

被動防護手段大多基于兩種介質交界面處的沖擊波反射透射原理建立,氣泡帷幕技術是一種切實可行的、被廣泛應用于水下爆破手段。但由于使用氣泡幕的成本高。預裂縫、減振溝槽也能減輕爆破振動的危害,而泡沫、海綿等輕質材料帷幕也是一種理想的選擇,但缺乏相關的試驗和理論研究。此外研究表明主動和被動多手段聯合防護的會有較好的防護效果。從爆源減少沖擊波的同時,開發多樣、經濟的被動效能措施可以實現高效的安全防護。主被動的安全防護協同機制是研究的重要方向。