供風(fēng)量對(duì)水下爆炸沖擊波氣泡帷幕消波效應(yīng)的影響

陸少鋒,梁 進(jìn)，覃才勇，杜明燃，陳保健

(1.廣西新港灣工程有限公司，廣西 防城港 538001；2.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

水下爆炸技術(shù)的研究最早起源于軍事領(lǐng)域，Cole根據(jù)大量試驗(yàn)首先對(duì)水下爆炸機(jī)理及特點(diǎn)進(jìn)行了研究[1-2]。趙根等[1]研究了乳化炸藥水中爆炸沖擊波的傳播規(guī)律，總結(jié)了水下爆破技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前水下爆破技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于港口碼頭、水利水電和航道疏浚等工程建設(shè)，但是在環(huán)保法規(guī)要求越來(lái)越嚴(yán)格的時(shí)代背景下，水下爆破的危害也受到了前所未有的重視[3-8]。因此，如何減少水下爆炸沖擊波的危害就成為一個(gè)重要的研究課題。

曹棉等[9-15]研究了在水下鉆減振孔來(lái)控制水下爆破對(duì)環(huán)境和水下生物的危害; 邵魯中等[16]研究了不同的起爆方式對(duì)危害控制的作用。在所有減小水下爆炸沖擊波危害的技術(shù)中，氣泡帷幕效果最為明顯，業(yè)界對(duì)其開展了很多研究工作。氣泡帷幕的概念是由加拿大工程師Adolph提出來(lái)的, 并應(yīng)用于加拿大Ortario水電站的水下爆破中[11]。周睿等[11]在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上采用爆炸相似律理論推導(dǎo)得到經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，并引入氣泡帷幕的消波系數(shù)。彭亞雄等[17-18]研究了水擊波特性及氣泡帷幕對(duì)沖擊波的消弱作用，結(jié)果表明沖擊波峰值壓力降低率達(dá)到90%以上。劉天云等[13]利用LS-DYNA軟件對(duì)水下鉆孔爆破水擊波的傳播規(guī)律和氣泡帷幕對(duì)水擊波的消減作用進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明氣泡帷幕離爆源較近時(shí)效果更好。朱安周等[14]研究了氣泡帷幕的層數(shù)、氣泡孔徑等參數(shù)對(duì)沖擊波的消減效果。謝達(dá)建等[15]結(jié)合炸礁工程，用LS-DYNA 模擬軟件建立了水下鉆孔爆破模型，對(duì)比分析了氣泡帷幕不同的設(shè)置距離對(duì)消弱作用效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣泡帷幕距離被保護(hù)對(duì)象 5 m時(shí)，消弱效果最好。劉欣等[16]對(duì)氣泡帷幕對(duì)深水下巖石鉆孔爆破沖擊波的消減特性進(jìn)行了理論分析，建立了簡(jiǎn)化的數(shù)值模型，得到了沖擊波壓力時(shí)程曲線。王興雁等[17]采用正交實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)氣泡帷幕消減水中爆炸沖擊波壓力作用效果的主要影響因素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)距離是最顯著的影響因素。

本研究在某內(nèi)河水域開展了氣泡帷幕消減水下爆炸沖擊波現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試了沖擊波壓力，并以沖擊波穿過氣泡帷幕后峰值壓力的下降幅度為判別依據(jù)，研究了不同供風(fēng)量形成的氣泡帷幕對(duì)水中沖擊波的消減效果，研究結(jié)果對(duì)于氣泡帷幕技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)用儀器和傳感器的規(guī)格型號(hào)和主要參數(shù)如表1所示。水下沖擊波測(cè)試儀和PCB水下沖擊波壓力傳感器，分別如圖1和圖2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用儀器和傳感器

圖1 沖擊波測(cè)試儀

圖2 PCB水下沖擊波傳感器

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)地點(diǎn)在廣西西江航運(yùn)干線貴港航運(yùn)樞紐二線船閘下引航道段，水深9 m，水面寬300 m左右，水流速度0.5 m/s。氣泡帷幕的產(chǎn)生裝置由供氣、減壓、管道和附屬裝置等組成。將4根氣泡發(fā)生管并排放置于水底，如圖3所示，相鄰兩管等間隔0.5 m，每根管長(zhǎng)40 m，上側(cè)開一排氣孔，孔徑2 mm，孔間距2 cm。管兩端各設(shè)置一個(gè)閥門，用于與空壓機(jī)連接。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)布置的氣泡發(fā)生管

試驗(yàn)采用2#巖石乳化炸藥作爆炸源，一次起爆藥量300 g，即將300 g乳化炸藥做成藥包，懸吊在水下4.5 m的深度，與氣泡帷幕發(fā)生器的水平距離為4 m。在藥包兩側(cè)水平距離12 m處，各懸吊1支PCB傳感器，懸吊高度也是水下4.5 m。藥包與2支傳感器處于一條水平直線上，且與水流方向垂直。藥包、傳感器與氣泡發(fā)生管的空間布置，如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)布置

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

在不同供風(fēng)量形成的氣泡帷幕條件下，2支PCB壓力傳感器測(cè)試的沖擊波峰值壓力數(shù)據(jù)，以及有氣泡帷幕一側(cè)相比于無(wú)氣泡帷幕一側(cè)沖擊波峰值壓力下降幅度，如表2所示。與表2部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的沖擊波波形如圖5所示(風(fēng)量3.75 m3/min)。將沖擊波峰壓的下降幅度用R表示，R值可由下式計(jì)算：

圖5 沖擊波波形

表2 不同供風(fēng)量氣泡帷幕水下沖擊波峰壓測(cè)試數(shù)據(jù)

(1)

式中：R為沖擊波峰值壓力下降幅度，%；p0為無(wú)氣泡帷幕一側(cè)的沖擊波峰值壓力，MPa；p1為有氣泡帷幕一側(cè)的沖擊波峰值壓力，MPa。

不同供風(fēng)量與沖擊波峰值壓力及沖擊波峰壓下降幅度的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，如圖6所示。由表2數(shù)據(jù)、圖5波形和圖6曲線可以看出，氣泡帷幕一側(cè)的沖擊波峰值壓力比無(wú)氣泡帷幕一側(cè)小得多。而且隨著供風(fēng)量的增加，沖擊波峰壓的下降幅度也增加。當(dāng)供風(fēng)量由0.938 m3/min增加到7.5 m3/min時(shí)，沖擊波峰壓的下降幅度由77.507%增加到88.554%，下降幅度增加了11.047%；當(dāng)供風(fēng)量由7.5 m3/min繼續(xù)增加到29.1 m3/min時(shí)，沖擊波峰壓的下降幅度由88.554%緩慢增加到90.102%，下降幅度增加了1.548%?？梢?，在本試驗(yàn)條件下，供風(fēng)量由0.938 m3/min增加到7.5 m3/min，沖擊波下降幅度增加明顯，而繼續(xù)增加風(fēng)量沖擊波下降幅度增加不再明顯。

圖6 供風(fēng)量與沖擊波峰值壓力及峰值壓力下降幅度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 氣泡帷幕消波機(jī)理分析

氣泡帷幕對(duì)于水下沖擊波的消減作用機(jī)理主要有3個(gè)方面[15]，即：沖擊波在氣泡帷幕中產(chǎn)生漫反射，由單一傳播方向變?yōu)橄蛘麄€(gè)空間擴(kuò)散，從而分散稀釋了沖擊波陣面的能量；沖擊波對(duì)氣泡帷幕內(nèi)部的氣泡產(chǎn)生壓縮作用，產(chǎn)生熱能使沖擊波能量降低；由于氣泡與水體之間的聲阻抗相差較大，因此使沖擊波壓力突變式降低。壓力下降值可由公式(2)進(jìn)行計(jì)算[17]：

(2)

式中：Bp為壓力降低值，MPa；ρ0為水的密度，g/cm3；c0為水中的聲速，m/s；p0為氣泡所在位置的靜水壓力，MPa；φ為空氣在兩相介質(zhì)中的體積比。

氣泡帷幕的氣泡數(shù)量會(huì)隨著供風(fēng)量增加而增加[18]，而且氣泡產(chǎn)生速度也增加。而氣泡數(shù)量大量增加，對(duì)沖擊波的漫反射、壓縮升溫吸能和產(chǎn)生的壓力降等作用，均更加明顯，此即為供風(fēng)量對(duì)氣泡帷幕消波效應(yīng)影響的內(nèi)在原因。

3 結(jié)論

1)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，供風(fēng)量由0.938m3/min增加到7.5 m3/min，沖擊波峰壓的下降幅度由77.507%增加到88.554%，增幅11.047%；供風(fēng)量由7.5 m3/min繼續(xù)增加到29.1 m3/min，沖擊波峰壓的下降幅度由88.554%增加到90.102%，增幅1.548%。

2)氣泡帷幕對(duì)水下沖擊波的消波效果隨著供風(fēng)量的增加而增加。供風(fēng)量決定著氣泡帷幕的氣泡數(shù)量，供風(fēng)量越大氣泡數(shù)量越多，對(duì)沖擊波的消減效果就越好。綜合考慮電能消耗和消波效果，在本試驗(yàn)條件下，供風(fēng)量7.5 m3/min最可取。