气泡帷幕对水下爆破冲击波的削弱研究

柏 江 源

(湖南高速铁路职业技术学院,湖南 衡阳 421001)

0 引言

水路交通在社会经济发展中的价值不断凸显，开发新航道和对老旧航道进行整治愈发迫切。在新旧航道建设相关工程中，水下爆破是极为重要的工程技术和建设手段。在水下爆破过程中，爆炸产生的冲击波会对周边环境产生诸多不利影响。除此之外，在爆破过程中的安全控制也属于难点问题之一。因此，实践操作中利用了诸多技术手段对水下爆破时产生的冲击波进行控制和削弱，以减弱对周边环境的影响。本文中讨论的气泡帷幕技术是在实践中运用较为广泛的水下冲击波削弱技术，且可以产生较好的控制效果。

1 气泡帷幕结构及其原理

1.1 气泡帷幕结构

运用该技术对水下爆破产生的冲击波进行控制时，需要一整套系统的协同工作。该套系统内包含了供气装置、减压装置、管路系统以及其他附属装置。通常情况下，水和防护层波阻抗突变在水下爆破产生的冲击波的削弱方面作用关键。两种介质之间存在不同的波阻抗，通常情况下，波阻抗的不匹配程度越大，对冲击波的削弱作用越大。气泡帷幕的形成过程和方式如图1所示。

1.2 气泡帷幕的作用原理

在水下爆破的过程中，其产生的冲击波会在一定范围内进行扩散，如图1所示，当爆破区域开始爆破，其产生的冲击波会逐渐传导至气泡帷幕处。水下冲击波在气泡帷幕中会产生漫反射现象，此时会对冲击波有一定的削弱作用。其次，气泡帷幕中的气泡在受到水下冲击波的影响时会被压缩，压缩的过程实质上为吸能过程，此时可对水下冲击波的能量进行削弱。除此之外，气泡与水体之间的声阻抗会产生突变，使得压力不断降低，达到削弱水下冲击波的效果。

在传统的B.B.加尔基理论中，其参照了声学近似原理，使用Bp对水下冲击波的削弱程度进行了表示。公式如下：

其中，Bp为压力降低的程度大小；p0为气泡位置的深度静水压力，Pa；ρ1为水密度；φ为空气在两相介质中的体积比情况。上式的推导过程中，需要具备一定的假定条件，除此之外，在实际施工过程中，除了计算中有所涉及的影响因素外，还会根据实际工程情况的不同，产生另外的不可预测的影响因素，这些因素对于水下冲击波的削弱作用都会产生一定的影响。因此，在实践过程中，根据上述公式计算出的结果仅可以作为参考数据使用，更加客观的数据需要通过工程实验获取。

2 气泡帷幕削减作用

2.1 对峰值压力的衰减

为了研究气泡帷幕对水下爆破产生的冲击波的峰值压力进行削弱的效果，需要在水底的不同位置设置监测点。水下监测点的具体设置方法为：在距离气泡帷幕的背爆面的1 m和3 m的位置分别设立一个水下监测点，在距离气泡帷幕迎爆面1 m，3 m，6 m以及12 m的位置分别设置一个水下监测点。通过模拟计算和分析可以得出以下结论：在炮孔附近的范围内，如果该范围离水下爆破位置的距离较短，其会受到水下冲击波、动水以及脉动压力的共同作用。因此，其产生的峰值压力的数值相对较高，而后在一定时间内会产生衰减情况。但是，爆心距不断增大，在水下气泡帷幕的迎爆面较近的范围内，在界面反射作用的影响下，将出现较大的浮动。其后，水下爆破产生的冲击波会受到气泡帷幕中气泡的漫反射作用、吸收作用以及折射作用的影响，其峰值压力数值将快速下降，产生较好的削弱效果。

2.2 对冲量的缩减

在已经设置好的监测点的基础上，将继续对气泡帷幕对冲量的衰减作用进行监测和分析，同样将利用软件对爆炸过程以及削弱效果进行模拟。首先，需要对气泡帷幕两侧的监测点所监测到的水下冲击波压力时程曲线进行分析计算。图2～图4分别为不同监测点监测到的水下冲击波冲量时程示意图。

结合图示数据所显示的模拟计算结果，水下爆破产生的水下冲击波的峰值压力较高的区域一般都聚集在炮孔附近，该区域的峰值压力增长速度快，但是在随后会出现峰值压力的快速下降，此时时间积分值仍然会继续上升，但是上升速度有所减弱。距离爆心越远的位置，由于水下爆破产生的冲击波会在水下传导的过程中不断被削弱，因此，其压力峰值也会不断下降。之后，水下冲击波会在水下传导至气泡帷幕区域，冲击波在经过气泡帷幕时同样会受到气泡帷幕内气泡产生的压缩作用、漫反射作用的影响，导致其压力峰值会快速下降。因此，通过分析可知，气泡帷幕对水下冲击波冲量的缩减效应明显。

3 结论

本文主要针对气泡帷幕对水下爆破过程中产生的冲击波的削弱作用进行了模拟计算和研究，并根据模拟分析的结果得出了以下结论：

1)气泡的帷幕的设计位置将直接影响到其对水下冲击波削弱作用的大小。通常情况下，气泡帷幕在距离爆破点较远的位置时，对冲击波的削弱作用越小，即水下气泡帷幕与爆破点的距离越近，对冲击波的削弱作用越强。但是，仍需要对两者的距离进行一定的限制，气泡帷幕不能无限接近于爆破点。根据模拟结果显示，在气泡帷幕距离爆破位置5 m时，对水下冲击波的削弱作用将达到最佳状态。

2)为了减弱水下爆破活动对周边物体产生不利影响，气泡帷幕技术是一种实用性较强，作用较为显著的水下冲击波削弱技术。因此，在相关工程项目中，应当充分利用气泡帷幕技术以减弱水下爆破带来的不利影响。

3)本文中的结论是基于模型假设得出的，在具体施工的过程中，仍然会出现其他因素对实际削弱作用产生影响，因此，实际施工中要结合具体情况进行模拟和分析。