復雜環(huán)境下水下炸礁安全技術(shù)研究

肖俊平 中鐵廣州工程局集團有限公司

吳新強 浙江中水東方建設(shè)工程咨詢有限公司

1.引言

隨著國家基建規(guī)模的擴大，尤其是水運交通的大力發(fā)展，港口和航道的建設(shè)及擴能，大量的水下礁石需要爆破。工程的規(guī)模的擴大，在使用炸藥進行爆破時，應(yīng)該注意炸藥量的使用量，避免造成較大的沖擊。如果炸藥使用量過大，不僅會造成水下地震波，破壞區(qū)域范圍內(nèi)的海洋生態(tài)系統(tǒng)，對海洋動植物造成沖擊，還會對海上及海下建筑物等造成破壞，威脅人員的安全。因此，相關(guān)專業(yè)人員應(yīng)該提高對于爆破量使用的認知，妥善進行爆破量的安排，避免對海洋生物、建筑及工作人員造成傷害。

2.水下爆炸沖擊波傳播規(guī)律分析和氣泡脈動形成的機理

對水下爆炸沖擊波傳播規(guī)律和氣泡脈動形成機理分析，把水下爆炸對能量的釋放分為三階段：一是炸藥爆轟；二是沖擊波產(chǎn)生與傳播；三是氣泡形成與脈動。

2.1 水下鉆孔爆破沖擊波傳播機理分析

水深是影響炸藥爆炸后產(chǎn)生沖擊波強度和傳播的因素之一，除此之外，水底界面和自由水面處的反射與折射也會對沖擊波產(chǎn)生造成影響。微秒級時間是沖擊波峰值迅速形成的時間，指數(shù)形式是沖擊波衰退的量級。因此，沖擊波時間長短不是沖擊波破壞程度的體現(xiàn)，壓力值才是，壓力值會隨著時間變長和距離增大逐漸變小，其破壞力也會變小。

以巖層與水兩種物質(zhì)而言，沖擊波的傳播速度有所變化，巖層速度大于水中速度，由此我們可以得出：沖擊波在巖層會先達到觀測點，先到達的波稱為前驅(qū)波。而前驅(qū)波會在巖層面折射作用下能量減小。如圖1，前驅(qū)波在到達前的峰值較小，我們可以以此作為分析沖擊波峰值的依據(jù)。

以下為球形裝藥爆炸的經(jīng)驗公式，人們對球形裝藥爆炸的最大超壓值與裝藥和運動距離的關(guān)系進行取值，并進行了相應(yīng)的論證。如：

對某一定點，其壓力在沖擊波剛到達一瞬間達到最大，然后隨時間逐漸減小。某一點的超壓峰值可由以下公式得到：

式中：Pm為沖擊波的峰值壓力，105MPa；Q為水下爆破最大一次性藥量，Kg；R為爆源距測點距離，m、K、α值為實驗系數(shù)，受炸藥種類、爆破方法、環(huán)境等因素影響。

水中沖擊波壓力隨時間變化的關(guān)系可以用以下公式表示：

式中：Pt為水中沖擊波壓力，Pa；θ為時間衰減常數(shù)。

2.2 水下爆炸氣泡脈動形成機理分析

圖1 水下鉆孔爆破沖擊波傳播示意圖

水中炸藥在爆炸后會先產(chǎn)生爆炸波，并會造成爆轟產(chǎn)物膨脹，在這個過程中，爆轟產(chǎn)物會由于內(nèi)部與外部水的壓力不斷膨脹，在膨脹過程中，爆轟產(chǎn)物的壓力會與水的壓力相制衡，形成膨脹—壓縮—膨脹的環(huán)境，進行膨脹循環(huán)，這個過程中會產(chǎn)生次級壓縮波，它相比第一次的壓縮波較小。這個現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是由于爆轟產(chǎn)物介質(zhì)質(zhì)點向里的運動慣性，使得爆轟產(chǎn)物形成膨脹與壓縮的循環(huán)。隨著爆轟產(chǎn)物循環(huán)次數(shù)的增加，會產(chǎn)生一個個新的次級壓縮波，其壓縮波的能力會逐次降低，強度逐漸變小。水中爆炸的炸藥第一個次級波可達原生波10%～20%的能量強度，其能量范圍也更大。當氣泡脈動產(chǎn)生時，稀疏波與壓力波將會形成，進而進行水下爆轟開展。由此可見，炸藥在水中爆炸的第一次氣泡脈動中形成的壓力波才能真正發(fā)揮作用，具有實際研究意義。

3.水下爆破安全技術(shù)及措施

水下爆破具有以下幾方面的危害：一是爆破振動對于保護目標的破壞問題；二是在對爆轟過程中形成的沖擊波對水下建筑物、工作人員及船只進行保護；三是爆轟過程中所產(chǎn)生的振動和沖擊波是否會對水下周邊環(huán)境造成破壞。只有對以上幾方面進行詳細的思考與解決，才能保證水下爆破的安全性與環(huán)保性。

圖2 發(fā)射孔

圖3 氣泡帷幕技術(shù)

3.1 水下爆破對水工構(gòu)筑物的影響及防護

水工構(gòu)建物會受到水下爆破的影響，因此要對其進行保護，可以從控制產(chǎn)生源、改變傳播途徑、對需要保護的對象進行個別防護。

（1）微差爆破技術(shù)。控制生產(chǎn)源是指對炸藥的使用量進行調(diào)整，從源頭上降低因炸藥爆炸對水工構(gòu)建物的影響，保護水工構(gòu)建物的安全。因此，相關(guān)工作人員在進行水下炸藥量調(diào)整的過程中，既要考慮到對水工構(gòu)建物進行保護的因素，又要減少經(jīng)濟投入，提升工作效率。為了科學進行水下爆炸，相關(guān)工作人員引入了微差爆破技術(shù)，并取得了相應(yīng)的效果。

微差爆破技術(shù)是通過炸藥分段起爆的方式，進行單響藥量的控制，每段起爆時間相距10ms以上，不僅減少了單響藥量的數(shù)量；還能使沖擊波峰值不會重復疊加，從源頭上控制了水下爆炸對于水工構(gòu)建物的破壞，得到了相關(guān)工作人員的認同，并廣泛運用。

（2）氣泡帷幕技術(shù)。氣泡帷幕技術(shù)是一種通過阻隔傳播路徑從而減小水下爆破沖擊波危害的方法。

如圖2所示是發(fā)射孔示意圖，把一定數(shù)量的鋼管架設(shè)在爆破點與被防護對象之間。氣泡帷幕技術(shù)的主要工作原理是管體上會設(shè)置很多的發(fā)射孔，當爆破時，相關(guān)工作人員可以打開空壓機，使得管中的氣體排出，水涌入其中，形成了氣泡帷幕，不僅降低了沖擊波對于周邊環(huán)境的破壞力度，還保護相關(guān)工作人員的安全。

3.2 水下爆破對水生物的安全影響及控制

隨著我國漁業(yè)的不斷發(fā)展，人們對于海產(chǎn)品的需求逐漸增加，海產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)得到大幅度發(fā)展。目前，我國部分水下爆破區(qū)域與海產(chǎn)養(yǎng)殖之間的距離較近，水下爆破會對海產(chǎn)生存環(huán)境造成一定的影響。根據(jù)調(diào)查顯示，水下爆破所產(chǎn)生的沖擊波在水中傳播時，有些海洋動物對于沖擊波的感應(yīng)度較強，沖擊波會使這類生物出現(xiàn)受傷、生長畸形或死亡的現(xiàn)象，對我國海洋養(yǎng)殖業(yè)帶來極大的破壞。因此，對水下爆破進行安全控制十分必要。

（1）改變傳統(tǒng)作業(yè)方式。目前，我國在進行巖石處理的過程中會采用膨脹劑破碎法、鑿巖作業(yè)、絞吸作業(yè)，這三種作業(yè)方式較為環(huán)保，對于環(huán)境污染較小，可以在大規(guī)模疏浚和回填項目絞吸船中使用，其環(huán)保價值大于水下爆破，具有極高的環(huán)保價值，但有時成本較高或?qū)嵤╇y度大。

（2）使用低爆速炸藥和毫秒微差爆破。低爆速炸藥和毫秒微差爆破是根據(jù)環(huán)保要求進行了爆破技術(shù)創(chuàng)新，其水下爆破的能力與沖擊波小于傳統(tǒng)水下爆炸，做到了經(jīng)濟、環(huán)保，降低了對于爆破周邊環(huán)境及動植物的破壞。

（3）驅(qū)趕爆區(qū)魚群。魚群是水下爆破周邊存在的主要生物群體，因此在進行水下爆破前應(yīng)該對魚群進行驅(qū)趕，降低水下爆破對魚群的傷害。相關(guān)工作人員可以運用物體運動、撞擊、聲音等現(xiàn)象對魚群進行驅(qū)趕，然后在進行爆破，有助于降低水下爆破沖擊波對于魚群的沖擊。雖然在這個過程中，會有魚群因驅(qū)趕造成受傷或失去生命的現(xiàn)象，但是保護了大多數(shù)魚群的安全，降低魚群的損失。

（4）氣泡帷幕對爆區(qū)封閉性保護的方法。利用氣泡帷幕保護海洋生物保護的原理氣泡帷幕是為了將爆區(qū)中心一直到設(shè)計安全區(qū)內(nèi)的海洋生物利用氣泡運動性現(xiàn)象將生物驅(qū)趕到安全區(qū),然后制造爆區(qū)與安全區(qū)之間的隔離,從而形成封閉保護區(qū)域使得所有影響約束和控制在封閉區(qū)內(nèi)。

4.結(jié)束語

在降低水下炸礁過程中爆炸的用害效應(yīng)的影響中每種方法有一定局限性。如：簡單的改變作業(yè)方式并不是巖石預(yù)處理中解決工程建設(shè)需求與保護海洋生物要求之間矛盾的最終方法；采用微差爆破技術(shù)，爆破影響中雖然減少了直接死亡率，但是間接死亡、對魚卵和幼魚影響、變異和物種敷衍的明顯影響還是存在。科研人員和工程師們一直在致力提出解決問題的辦法，如：引進數(shù)碼電子雷管起爆技術(shù)來消除微差爆破的誤差，采用間隔消能爆破技術(shù)減少炸藥的使用量等，但使水下炸礁施工與環(huán)境保護和生態(tài)和諧還任重道遠。