供风量对水下爆炸冲击波气泡帷幕消波效应的影响

陆少锋,梁 进，覃才勇，杜明燃，陈保健

(1.广西新港湾工程有限公司，广西 防城港 538001；2.安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001)

水下爆炸技术的研究最早起源于军事领域，Cole根据大量试验首先对水下爆炸机理及特点进行了研究[1-2]。赵根等[1]研究了乳化炸药水中爆炸冲击波的传播规律，总结了水下爆破技术的发展趋势。经过几十年的发展，目前水下爆破技术已经广泛应用于港口码头、水利水电和航道疏浚等工程建设，但是在环保法规要求越来越严格的时代背景下，水下爆破的危害也受到了前所未有的重视[3-8]。因此，如何减少水下爆炸冲击波的危害就成为一个重要的研究课题。

曹棉等[9-15]研究了在水下钻减振孔来控制水下爆破对环境和水下生物的危害; 邵鲁中等[16]研究了不同的起爆方式对危害控制的作用。在所有减小水下爆炸冲击波危害的技术中，气泡帷幕效果最为明显，业界对其开展了很多研究工作。气泡帷幕的概念是由加拿大工程师Adolph提出来的, 并应用于加拿大Ortario水电站的水下爆破中[11]。周睿等[11]在实验基础上采用爆炸相似律理论推导得到经验计算公式，并引入气泡帷幕的消波系数。彭亚雄等[17-18]研究了水击波特性及气泡帷幕对冲击波的消弱作用，结果表明冲击波峰值压力降低率达到90%以上。刘天云等[13]利用LS-DYNA软件对水下钻孔爆破水击波的传播规律和气泡帷幕对水击波的消减作用进行了数值模拟，结果表明气泡帷幕离爆源较近时效果更好。朱安周等[14]研究了气泡帷幕的层数、气泡孔径等参数对冲击波的消减效果。谢达建等[15]结合炸礁工程，用LS-DYNA 模拟软件建立了水下钻孔爆破模型，对比分析了气泡帷幕不同的设置距离对消弱作用效果的影响，结果发现当气泡帷幕距离被保护对象 5 m时，消弱效果最好。刘欣等[16]对气泡帷幕对深水下岩石钻孔爆破冲击波的消减特性进行了理论分析，建立了简化的数值模型，得到了冲击波压力时程曲线。王兴雁等[17]采用正交实验的方法，对气泡帷幕消减水中爆炸冲击波压力作用效果的主要影响因素进行了研究，发现距离是最显著的影响因素。

本研究在某内河水域开展了气泡帷幕消减水下爆炸冲击波现场试验，测试了冲击波压力，并以冲击波穿过气泡帷幕后峰值压力的下降幅度为判别依据，研究了不同供风量形成的气泡帷幕对水中冲击波的消减效果，研究结果对于气泡帷幕技术的现场应用具有指导意义。

1 现场试验

1.1 试验仪器

试验用仪器和传感器的规格型号和主要参数如表1所示。水下冲击波测试仪和PCB水下冲击波压力传感器，分别如图1和图2所示。

表1 实验用仪器和传感器

图1 冲击波测试仪

图2 PCB水下冲击波传感器

1.2 试验过程

试验地点在广西西江航运干线贵港航运枢纽二线船闸下引航道段，水深9 m，水面宽300 m左右，水流速度0.5 m/s。气泡帷幕的产生装置由供气、减压、管道和附属装置等组成。将4根气泡发生管并排放置于水底，如图3所示，相邻两管等间隔0.5 m，每根管长40 m，上侧开一排气孔，孔径2 mm，孔间距2 cm。管两端各设置一个阀门，用于与空压机连接。

图3 现场布置的气泡发生管

试验采用2#岩石乳化炸药作爆炸源，一次起爆药量300 g，即将300 g乳化炸药做成药包，悬吊在水下4.5 m的深度，与气泡帷幕发生器的水平距离为4 m。在药包两侧水平距离12 m处，各悬吊1支PCB传感器，悬吊高度也是水下4.5 m。药包与2支传感器处于一条水平直线上，且与水流方向垂直。药包、传感器与气泡发生管的空间布置，如图4所示。

图4 实验布置

1.3 试验结果

在不同供风量形成的气泡帷幕条件下，2支PCB压力传感器测试的冲击波峰值压力数据，以及有气泡帷幕一侧相比于无气泡帷幕一侧冲击波峰值压力下降幅度，如表2所示。与表2部分数据对应的冲击波波形如图5所示(风量3.75 m3/min)。将冲击波峰压的下降幅度用R表示，R值可由下式计算：

图5 冲击波波形

表2 不同供风量气泡帷幕水下冲击波峰压测试数据

(1)

式中：R为冲击波峰值压力下降幅度，%；p0为无气泡帷幕一侧的冲击波峰值压力，MPa；p1为有气泡帷幕一侧的冲击波峰值压力，MPa。

不同供风量与冲击波峰值压力及冲击波峰压下降幅度的对应关系曲线，如图6所示。由表2数据、图5波形和图6曲线可以看出，气泡帷幕一侧的冲击波峰值压力比无气泡帷幕一侧小得多。而且随着供风量的增加，冲击波峰压的下降幅度也增加。当供风量由0.938 m3/min增加到7.5 m3/min时，冲击波峰压的下降幅度由77.507%增加到88.554%，下降幅度增加了11.047%；当供风量由7.5 m3/min继续增加到29.1 m3/min时，冲击波峰压的下降幅度由88.554%缓慢增加到90.102%，下降幅度增加了1.548%。可见，在本试验条件下，供风量由0.938 m3/min增加到7.5 m3/min，冲击波下降幅度增加明显，而继续增加风量冲击波下降幅度增加不再明显。

图6 供风量与冲击波峰值压力及峰值压力下降幅度的对应关系

2 气泡帷幕消波机理分析

气泡帷幕对于水下冲击波的消减作用机理主要有3个方面[15]，即：冲击波在气泡帷幕中产生漫反射，由单一传播方向变为向整个空间扩散，从而分散稀释了冲击波阵面的能量；冲击波对气泡帷幕内部的气泡产生压缩作用，产生热能使冲击波能量降低；由于气泡与水体之间的声阻抗相差较大，因此使冲击波压力突变式降低。压力下降值可由公式(2)进行计算[17]：

(2)

式中：Bp为压力降低值，MPa；ρ0为水的密度，g/cm3；c0为水中的声速，m/s；p0为气泡所在位置的静水压力，MPa；φ为空气在两相介质中的体积比。

气泡帷幕的气泡数量会随着供风量增加而增加[18]，而且气泡产生速度也增加。而气泡数量大量增加，对冲击波的漫反射、压缩升温吸能和产生的压力降等作用，均更加明显，此即为供风量对气泡帷幕消波效应影响的内在原因。

3 结论

1)现场试验结果表明，供风量由0.938m3/min增加到7.5 m3/min，冲击波峰压的下降幅度由77.507%增加到88.554%，增幅11.047%；供风量由7.5 m3/min继续增加到29.1 m3/min，冲击波峰压的下降幅度由88.554%增加到90.102%，增幅1.548%。

2)气泡帷幕对水下冲击波的消波效果随着供风量的增加而增加。供风量决定着气泡帷幕的气泡数量，供风量越大气泡数量越多，对冲击波的消减效果就越好。综合考虑电能消耗和消波效果，在本试验条件下，供风量7.5 m3/min最可取。