水下爆破阻波防護(hù)簾的防護(hù)性能研究

摘要：水下爆破技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航道建設(shè)和綜合整治工程中。然而，水下爆破所產(chǎn)生的沖擊波會(huì)對(duì)周圍環(huán)境和生物造成危害。文章通過現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，研究了以氣泡膜為阻波材料的水下爆破阻波防護(hù)簾的防護(hù)性能，得出了阻波簾在不同布設(shè)情況下對(duì)沖擊波峰值壓力的削減效果及對(duì)魚類的保護(hù)作用。結(jié)果表明，阻波簾能有效削減爆破沖擊波的峰值壓力，削減率最高達(dá)85.62%，魚類平均死亡率相較無防護(hù)時(shí)減少了90%，為水下爆破工程提供了一種有效的防護(hù)手段。

關(guān)鍵詞：水下爆破；阻波防護(hù)簾；峰值應(yīng)力；魚類保護(hù)；沖擊削減

中文分類號(hào)：U615.6A642163

0引言

隨著我國水路交通運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，航道建設(shè)及綜合性整治工作已然成為如今的重點(diǎn)，水下爆破作為其中一種極為有效的工程建設(shè)手段，被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。水下爆破是利用炸藥在爆炸過程中釋放出的大量能量摧毀水底巖石，以達(dá)到河床擴(kuò)寬、港口整治及暗礁清除等目的。但同時(shí)炸藥爆炸產(chǎn)生的能量，卻也會(huì)導(dǎo)致該水域周圍的結(jié)構(gòu)或魚類生物等受到危害，因而采取合理的手段以衰減水下爆炸沖擊能量勢(shì)在必行［1-2］。

當(dāng)前研究發(fā)現(xiàn)，在炸藥與被保護(hù)結(jié)構(gòu)間設(shè)置阻波層形式，將能夠有效地?cái)r截降低爆炸產(chǎn)生的沖擊危害［3-5］。謝達(dá)建等［6］研究了設(shè)置氣泡帷幕阻波簾對(duì)水下爆破沖擊波的衰減作用，發(fā)現(xiàn)氣泡帷幕對(duì)于水中沖擊波的峰值壓力和沖量均有明顯的削減作用。伍俊等［7］通過開展水中爆炸實(shí)驗(yàn)，對(duì)氣泡帷幕的防護(hù)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)設(shè)置氣泡帷幕能使得沖擊波壓力峰值衰減90%左右，對(duì)水下工程結(jié)構(gòu)起到很好的防護(hù)作用。吳義富等［8］通過實(shí)驗(yàn)與模擬兩種方法，討論了炸藥在空氣中爆炸時(shí)植物秸稈材料層的沖擊荷載緩沖性能，指出植物秸稈是一種很好的爆炸吸能緩沖材料。橡膠類材料在空氣和水中的抗爆性能亦得到了研究證實(shí)［9-10］。

當(dāng)前學(xué)者們?cè)谒卤谱璨刂品矫骈_展了大量探索，然而阻波層防護(hù)在工程應(yīng)用中易受水底起伏地形及安裝過程影響，存在防護(hù)不到位、不能形成封閉的帷幕等問題。本文以氣泡膜為阻波材料提出了水下爆破阻波防護(hù)簾形式，通過開展工程現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)研究，分析阻波簾防護(hù)下沖擊波峰值削減效果及臨近魚類存活情況，研究結(jié)果對(duì)于水下爆破阻波防護(hù)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

1工程概況

本文采用阻波防護(hù)簾消減水下爆炸沖擊波壓力，試驗(yàn)地點(diǎn)位于在建項(xiàng)目柳州紅花二線船閘工程項(xiàng)目爆破施工區(qū)域內(nèi)，具體位置是下游引航道左側(cè)K2+400～K2+500樁號(hào)附近。試驗(yàn)區(qū)域水深8 m左右，流速0.5 m/s。

2試驗(yàn)布置

為探究阻波防護(hù)簾防護(hù)性能，試驗(yàn)研究了無防護(hù)、正面阻波防護(hù)簾、正面及兩側(cè)面阻波防護(hù)簾等三種防護(hù)方式。試驗(yàn)布置如圖1所示。

將300 g乳化炸藥制成球形，放置于水下4 m進(jìn)行水下裸露爆破。采用爆破沖擊波壓力監(jiān)測(cè)設(shè)備，利用浮動(dòng)平臺(tái)監(jiān)測(cè)水下炸藥爆破的水錘波壓力。試驗(yàn)設(shè)置了一對(duì)水錘波壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)C1和C2，分別位于炸藥左右兩側(cè)10 m，同時(shí)距水面以下1.5 m。同時(shí)，為了量化沖擊阻波簾的生態(tài)保護(hù)效果，在右側(cè)10 m處布置試驗(yàn)魚類養(yǎng)殖網(wǎng)箱，投入試驗(yàn)魚類，觀察爆炸前后魚類的存活情況。

3試驗(yàn)裝備和程序

3.1浮動(dòng)平臺(tái)、魚網(wǎng)箱

采用鋼板和泡沫板制作試驗(yàn)浮動(dòng)平臺(tái)，浮動(dòng)平臺(tái)寬1.2 m、高0.4 m。該平臺(tái)主要用于安裝水擊波傳感器和安裝測(cè)試套件。此外，還制作了兩個(gè)試驗(yàn)魚網(wǎng)箱，采用方鋼、泡沫板和漁網(wǎng)制作，長6 m、寬4.4 m、高0.4 m，主要用于觀察爆炸前后魚的存活情況，如圖2（a）所示。

3.2阻波防護(hù)簾

本試驗(yàn)阻波防護(hù)簾由方形鋼、鋼絲網(wǎng)、配重鐵塊和泡沫膜制成。方形鋼焊接形成長6 m×寬4 m的框架，鋼絲網(wǎng)固定在框架內(nèi)形成受力骨架，將泡沫膜固定在鋼絲網(wǎng)上組成阻波防護(hù)簾。吊裝電纜連接在窗簾上方，配重鐵件即安裝完畢。如圖2（b）所示。

3.3試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)船機(jī)設(shè)備和監(jiān)測(cè)儀器見表1。

3.4試驗(yàn)魚類

每次爆破試驗(yàn)均投入鯽魚、黃蜂魚、桂花魚、鱸魚各5條，共20條試驗(yàn)魚類。魚類體長10～25 cm，重量＜5 kg，生存狀態(tài)良好。

4試驗(yàn)結(jié)果

4.1無防護(hù)情況

水下爆破無防護(hù)時(shí)，測(cè)試所得超壓峰值變化及魚類存活情況如表2所示。由表2可知，在該爆破工況下距爆心10 m處超壓峰值為1.505 2～1.869 6 MPa，沖擊波威力較大，致使10 m處試驗(yàn)魚箱20條試驗(yàn)魚中當(dāng)場(chǎng)死亡4～8條，平均死亡率為30%。對(duì)傷亡的魚進(jìn)行解剖發(fā)現(xiàn)，魚類死亡的主要原因?yàn)轸~鰾破裂導(dǎo)致。本次試驗(yàn)說明，無防護(hù)時(shí)水中沖擊波超壓峰值超出魚類所能承受的波壓極限，對(duì)部分魚類造成致命傷害，當(dāng)場(chǎng)死亡或重傷。故而現(xiàn)場(chǎng)爆破施工中迫需采用沖擊防護(hù)措施，保護(hù)魚類安全生存，避免造成生物生存環(huán)境危害及經(jīng)濟(jì)損失。

4.2正面阻波防護(hù)簾防護(hù)

正面阻波防護(hù)簾保護(hù)條件下水下爆炸沖擊波削壓及魚類保護(hù)試驗(yàn)共進(jìn)行5次，試驗(yàn)結(jié)果見表3。通過將對(duì)照組C1、C2的水擊波超壓峰值進(jìn)行比較可知，經(jīng)過氣泡膜形成的阻波防護(hù)簾削弱后，水下爆炸沖擊波超壓峰值衰減率最大為82.83%，最小為59.29%，平均值為72.91%，衰減效果較明顯，衰減后超壓峰值為0.040 9～0.052 0 MPa。該防護(hù)情況下5次試驗(yàn)魚類平均死亡率為3%，其余的試驗(yàn)魚在試驗(yàn)后經(jīng)觀察表現(xiàn)正常，未發(fā)現(xiàn)有損傷情況，魚類死亡率相較無防護(hù)時(shí)減少了90%。說明阻波防護(hù)簾能有效衰減沖擊波應(yīng)力，減少了爆破帶來的有害效應(yīng)，使爆破周圍的環(huán)境保持安全環(huán)保。

4.3正面及兩側(cè)面阻波防護(hù)簾防護(hù)

正面及兩側(cè)面阻波簾帷幕防護(hù)試驗(yàn)共進(jìn)行3次，試驗(yàn)成果見下頁表4。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，采用三面防護(hù)，超壓峰值衰減率在81.62%～85.62%，同時(shí)魚類無當(dāng)場(chǎng)死亡現(xiàn)象。通過與僅正面防護(hù)對(duì)比分析，說明在一定距離范圍內(nèi)，正面及兩側(cè)面阻波簾帷幕略優(yōu)于僅正面阻波簾帷幕削壓效果，能提供更穩(wěn)定的魚類保護(hù)效果。在工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，衡量經(jīng)濟(jì)與成本，選擇合適的阻波防護(hù)簾形式。

5結(jié)語

本文通過現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)研究了水下爆破阻波防護(hù)簾的防護(hù)性能。結(jié)果表明，氣泡膜阻波防護(hù)簾能夠顯著削減爆破沖擊波的峰值壓力，僅正向安裝防護(hù)簾防護(hù)，應(yīng)力峰值削減率最大可達(dá)82.83%，魚類平均死亡率3%，相較無防護(hù)時(shí)減少了90%。此外，還對(duì)正面及兩側(cè)面同時(shí)布設(shè)阻波簾防護(hù)進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其性能略優(yōu)于僅正面阻波簾帷幕削壓效果，能提供更穩(wěn)定的魚類保護(hù)效果。研究可為實(shí)際工程提供重要的技術(shù)支持。

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基金項(xiàng)目：

2022年廣西交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)科技項(xiàng)目“水下破巖施工鉆機(jī)船智能糾偏定位及鉆孔施工關(guān)鍵技術(shù)研究”（桂交便函〔2022〕174號(hào)）；2023年廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“水下破巖施工鉆機(jī)船智能糾偏定位仿真模擬研究”（編號(hào)：2023KY1164）；2023年廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“平陸運(yùn)河建設(shè)項(xiàng)目中的水下淺點(diǎn)綠色高效處置成套關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號(hào)：2023AB01134）

作者簡(jiǎn)介：黃業(yè)中（1987—），工程師，研究方向：工程爆破及裝備。