水下鉆孔爆破水擊波衰減規律及大壩動力響應特征分析

周 杜，楊遵儉，劉運雄，賈 旭，劉 雄

（湖南建工集團有限公司，長沙 410075）

在水利工程建設中，水下鉆孔爆破是一種先進、實用的水下爆破施工方法。目前，許多學者針對水下鉆孔爆破對臨近建筑物的影響進行相關研究。 在試驗研究中，劉文華和羅松林［1］通過對單個球形裝藥淺水層中爆炸的試驗研究， 得到在邊界條件影響下的水中爆炸沖擊波參數的分布和變化規律， 獲得相應的擬合公式。趙根和季榮［2］對水擊波的傳播規律進行分析，在爆破試驗的基礎上獲得高能、普通乳化炸藥水擊波傳播規律。在數值模擬方面，李春軍等［3］結合長江上游九龍坡至朝天門河段建設工程， 使用ANSYS/LS-DYNA 數值模擬軟件模擬， 得到不同條件下水擊波沖擊波峰值， 并繪制水擊波峰值衰減曲線。彭亞雄等［4］以水下鉆孔爆破地震波和水擊波的協同作用為主，對緊鄰橋墩的水下鉆孔爆破進行研究，得到水下鉆孔爆破地震波和水擊波協同作用下的橋梁動力響應過程，分析最大藥量、爆心距和水深對橋墩動力響應的影響。

雖然水下鉆孔爆破的研究具有較高的廣度和深度，但水下鉆孔爆破的動態響應是一個復雜過程，仍有許多問題亟待解決。 本文運用多物理場仿真軟件COMSOL 數值模擬技術，結合現場工況對水下鉆孔爆破過程進行模擬， 得到水下鉆孔爆破水擊波的衰減規律和大壩動力響應特征，可為現場安全施工提供指導。

1 水下鉆孔爆破工程概況

引水工程水下鉆孔爆破區域位于廣西壯族自治區靈川縣青獅潭鎮青獅潭水庫。該水庫是具有工業、農業及旅游業綜合應用價值的大型水庫， 水庫大壩現狀壩頂高程232.4 m，壩頂長度232 m，寬度7.0 m，最大壩高62.0 m，大壩壩頂距取水口距離385.1 m，壩腳距豎井距離261.2 m，水庫總庫容6 億m3，是廣西壯族自治區內第四大水庫、桂北地區的最大水庫。現擬在水庫附近修建引水隧洞， 引水隧洞取水口采用豎井式雙層取水口實現分層取水的功能目標， 并與豎井相連。雙層取水口均采用水下鉆孔爆破施工，在水下鉆孔爆破過程中， 分析距離爆破中心不同距離處水的介質速度， 對評估水下鉆孔爆破過程中水中建（構）筑物的穩定性至關重要，分析地震波的傳播衰減規律，研究地震波引起巖土體及建（構）筑物的振動速度，對評估水庫附近巖土體及既有建（構）筑物的安全十分重要。 水庫引水隧洞取水口爆破施工區域如圖1。 大壩在水下鉆孔爆破的水擊波和地震波共同作用下的安全穩定性至關重要，關乎下游廣大人民群眾生命和財產安全。

圖1 引水隧洞水下鉆孔爆破區域實景

2 數值模擬試驗

2.1 建模思路及模型建立

采用COMSOL Multiphysics 軟件對廣西桂林青獅潭水庫水下鉆孔爆破過程進行數值模擬， 數值計算模型采用m-s-kg 單位制，建立的數值分析模型主要包括巖層、炸藥、庫水、大壩、巖塞體等部分。根據對施工現場的實地勘察， 建立水下鉆孔爆破數值模擬模型時， 模型參數及邊界條件按如下原則選取：①數值模型中水庫庫水深度取22 m； ②水下鉆孔的形狀采用圓柱體， 直徑3.2 m，長10 m；③數值模型的所有截斷邊界均設置為低反射邊界條件，以模擬無限邊界的巖體和大面積水域； ④忽略水流速度與空氣對水下爆破的影響；⑤不考慮沖積覆蓋物的影響； ⑥假設爆炸壓力沿炮孔孔壁均勻分布。 基于現場勘測結果和上述建模原則，建立水下鉆孔爆破數值分析模型，如圖2，數值模型的尺寸為473 m（長）×161 m（寬）×91 m（高）。

圖2 水下鉆孔爆破數值計算模型

2.2 材料模型及參數

有限元模型包括巖層、炸藥、水層、堵塞、豎井、大壩及引水支洞。在模型材料方面，根據施工現場的物探報告，賦予相應的楊氏模量E、密度ρ、泊松比μ，以獲得最佳的模擬效果。爆破荷載的確定是進行爆破動力學分析的前提條件， 爆破模型加載需確定的幾個參數包括確定水下爆破產生的沖擊力大小，荷載的施加位置、施加方向，沖擊力的持續時間（包括沖擊力上升時間與下降時間）等內容。選擇在炮孔壁上施加半理論半經驗的爆破荷載壓力曲線， 使用這種方法施加爆破荷載可以簡化建模工作量， 并保證結果的準確性， 數值計算采用的荷載時間歷程曲線如圖3。

圖3 數值模型中施加的爆炸荷載時間歷程曲線

該荷載形式的確定需要兩大要素： ①爆破荷載的升壓時間和正壓作用時間；②爆破荷載峰值。對于爆破荷載作用時間， 一般認為炸藥爆炸時產生的爆轟波持續時間為1.0×10-6～0.1 s， 既有相關研究表明炮腔壓力在數百微秒內衰減。 因此數值模擬中取幾百微秒的持續時間較為合理， 在本次數值模擬中每個單元上作用的爆破荷載壓力上升時間為500 μs。

數值模型中各種材料的參數如表1，水下鉆孔爆破裝藥參數如表2。

表1 數值計算模型材料參數

表2 水下鉆孔爆破裝藥參數

2.3 數值模擬監測點布置

水下鉆孔爆破數值模型計算過程中，水中監測點和大壩迎爆面監測點布置如圖4。

圖4 水下鉆孔爆破模型中水擊波壓力監測點

3 結果分析

3.1 水下鉆孔爆破水擊波傳播衰減特征

圖5（a）～（f）為水下鉆孔爆破作用時間范圍內，不同爆破時刻水的介質速度為1e-6 m/s 的等值面圖。

圖5 水下鉆孔爆破不同時刻水介質速度1e-6 m/s 的等值面

從圖5 可看出，水下鉆孔爆破起爆后，水擊波由水下巖塞體端部向四周傳播， 引起距爆源不同距離區域內的水體的介質速度發生變化。在t=2e-4 s 時，水擊波的傳播作用范圍達100 m，并且在爆破作用初期， 水擊波在深水區域的傳播距離要略大于淺水區域的傳播距離。 在爆破作用時間t=0.001～0.1 s 過程中，水擊波的傳播作用范圍逐漸延伸，影響范圍接近200 m，在爆破作用時間t=0.5～1 s 時，水擊波的傳播作用范圍趨于穩定。圖5 的分析結果表明，以爆破作用時水擊波引起的水庫中庫水介質速度1e-6 m/s 為界限值， 下層取水口水下鉆孔爆破水擊波的影響范圍為200 m。

圖6 為水下鉆孔爆破區域監測點水擊波應力時程曲線， 圖7為水下鉆孔爆破水體區域監測點水擊波的峰值應力隨爆心距的衰減曲線。 圖6 應力的正負值代表著應力的拉壓情況， 由COMSOL軟件的一般設定， 正值為拉應力， 負值為壓應力。 在水下鉆孔爆破地震波和水擊波作用下，臨近水域拉應力大于壓應力。由圖7 可知，隨爆心距增加，水擊波峰值應力逐漸減小，相應水域受到水擊波的沖擊作用效應逐漸減弱。相關理論研究表明，水擊波的峰值應力在傳播過程中呈指數形式衰減。 將不同監測點的峰值應力用曲線擬合， 得到函數y=0.709e-1.199x，相關系數R2=0.9849，該曲線對峰值應力擬合精確度較高，也說明此次數值模擬的合理性，可以利用該曲線預測不同爆心距測點位置的峰值應力。同時由圖7 可知，隨著爆心距的增加，水擊波峰值應力逐漸降低，其降低的速率也呈指數下降，僅在爆心距較小時，水擊波峰值應力下降速度明顯，在爆心距達到一定距離后， 水擊波峰值應力下降將變得很小，峰值應力也趨向穩定。

圖6 水下鉆孔爆破監測點水擊波應力時程曲線

圖7 水下鉆孔爆破監測點水擊波的峰值應力曲線

3.2 水下鉆孔爆破壩體動力響應特征

在水下鉆孔爆破數值模型中， 分別在大壩迎爆面的底部、中部、上部設置應力測試點，通過監測數據分析水下鉆孔爆破爆炸時大壩壩身的應力響應特征，進而評估水庫大壩壩體的安全性。大壩迎爆面不同高程測點的Von-Mises 應力時程曲線圖和峰值應力曲線，如圖8，圖9。

圖8 水下鉆孔爆破大壩迎爆面監測點應力時程曲線

圖9 水下鉆孔爆破大壩迎爆面監測點峰值應力曲線

從圖8 可得，由于水擊波的直接作用，壩底監測點的應力最大， 由于延時效應引起的爆破地震波在傳播過程中的疊加效應，壩底、壩中、壩頂監測點應力均隨著時間增加而增加。 從圖9可得，在水下鉆孔爆破地震波和水擊波作用下，隨著高程增加，3 組監測點中峰值應力整體呈現減小—增大情況。其中應力最大的位置為迎爆面底部，其最大Von-Mises 應力值很小， 僅0.013 MPa。 主要原因是大壩迎爆面和爆破點間距離較遠，爆炸沖擊波以地震波和水擊波的形式傳播至大壩處時，能量已急劇耗散。同時由于壩體填筑材料為混凝土心墻與土體，爆破時產生的峰值壓力遠達不到大壩的破壞強度，故本次爆破對大壩的影響非常小，不會影響其正常使用。

大壩迎爆面不同高程測點的振動速度時程曲線和峰值速度曲線， 如圖10 和圖11。

圖10 水下鉆孔爆破大壩不同位置處速度響應曲線

圖11 水下鉆孔爆破大壩不同高程處峰值速度曲線

由圖10、圖11 可知，由于大壩底部受水擊波作用較大， 大壩迎爆面的峰值振動速度出現在大壩底部。其中，由于延時效應引起的爆破地震波在傳播過程中的疊加效應， 大壩不同位置處的質點振動速度隨爆破時間的增大而逐漸增大，大壩壩底、壩中、壩頂質點振動速度峰值依次0.201，0.084，0.104 cm/s。同時，由于大壩頂部的截面較小，在振動疊加效應下后期振動速度略大于大壩中部。由圖11 可得，水下鉆孔爆破作用過程中大壩質點振動速度均不大于規范要求的爆破安全振動值， 按中國地震烈度表換算為地震烈度均小于Ⅴ度， 可以判斷大壩不會受到水下鉆孔爆破的明顯影響。

4 結語

（1）運用多物理場仿真軟件COMSOL 建立與實際方案相仿的模型，進行數值模擬分析，在爆破施工前預測爆破結果，評估爆破設計的可行性，為實際施工提供指導，保證爆破施工過程的順利進行。

（2）在水下鉆孔爆破的水擊波傳播模擬中，獲得可視化的水擊波傳播過程。 在炮孔最近的監測點水擊波應力峰值最大， 并隨著爆心距增加而呈指數型衰減。將不同監測點的峰值應力用曲線擬合，得到擬合函數y=0.709e-1.199x，相關系數R2=0.9849。

（3）大壩峰值應力隨壩體高程增加呈現減小—增大的趨勢，其中大壩底部峰值應力最大，為0.013 MPa，此峰值應力遠達不到大壩的破壞強度。同時，由于延時效應引起的地震波在傳播過程產生中的疊加效應， 大壩不同位置處的質點振動速度隨爆破時間的增大而增大。由于水擊波直接作用在大壩底部，大壩底部峰值振動速度最大，為0.201 cm/s，均不大于規范要求的爆破安全振動值， 故本次爆破對大壩的影響非常小，不會影響其正常使用。