水下钻孔破岩爆破振动衰减规律试验研究

姚方明，范怀斌，杨 超，覃 峰，陈其龙

（1.广西新港湾工程有限公司，广西南宁 530200；2.广西壮族自治区水下破岩工程研究中心，广西南宁 530200；3.桂林理工大学材料科学与工程学院，广西桂林 541004；4.广西交通职业技术学院，广西南宁 530023)

引言

水下钻孔爆轰过程中冲击会冲出介质面在水中形成冲击波，是水下爆破最主要的有害效应。在已有文献中，周方毅等对无限水介质中爆炸的冲击波压力计算公式在实际应用中应如何选用进行了辨析，提出了不同条件下推荐使用的公式；周俊祥等基于理论研究计算分析了铝化炸药水下爆炸冲击波特征参数对反应速率的依赖关系；Swisdak 等通过理论计算分析了水深对冲击波影响规律；周睿等研究了条形药包各部分爆炸产生的冲击波的衰减特性；李春军等针对水下爆破多样性影响因素，运用层次分析法和模糊数学评价法，建立了水下爆破最优设计方案模型[1-7]。

通过对诸多研究成果分析得知: 国内外学者在水下爆破冲击波方面进行了一些探索。然而，到目前为止,大部分的研究都是理论推导和试验室研究为主，缺乏工程实践中水击波超压峰值传播衰减规律的分析。本文以新港湾工程有限公司贵港二线船闸下游船墩工程爆破实际检测数据为支撑，对水击波传播衰减规律展开系统研究。

1 工程概况

新港湾贵港二线船闸下游靠船墩前沿爆破施工区域为船墩前沿线外5.5 m 至9.5 m 处12#和13#位置，爆破面积约160 m²，水深在3 至5 m，水流平缓，爆区地质属白云岩、石灰岩，现场实况如图1。

图1 试验区域实况图

乳化炸药爆破试验，每次试验起爆12 个炮孔，炮孔直径115 mm，孔距1.25 m，炮孔至临空面距离1.25 m，每孔装乳化炸药2.3～2.7 公斤，装药结构为不耦合装药形式，采用毫秒延时逐孔起爆方式，每孔为一个段别，采用并联起爆网路连接。

2 试验检测

2.1 检测仪器

试验采用Blast-Pro 型冲击测试系统。检测水下乳化炸药爆破的水击波超压，根据检测的水击波超压峰值、装药及测距进行水击波传播衰减规律的回归计算。

地震波检测仪器采用TC-4850 爆破测振仪检测地震波振速。检测水下乳化炸药爆破的地震波峰值，根据检测的地震波峰值分析振动数值。

2.2 检测内容

为降低水击波在各种界面反射波叠加作用的影响，计算水击波超压的衰减规律，保证检测数据的准确性，本次试验布置5 个水击波测点位置，各测点呈直线布置，水击波传感器布置在水面下2 m位置，距水下岩面大于2 m；此外，布置两个地震波测点，其中一个测点DC1#布置在靠船墩顶，另一个测点DC2#布置在靠船墩底部临水面位置；现场测点布置如图2 所示。

图2 水击波和地震波测点布置图

2.3 检测结果

水下钻孔乳化炸药爆破水击波超压检测试验，试验检测结果如表1 所示，典型波形图如图3～5 所示。

图3 1#测点水击波历时曲线

表1 水击波检测成果表（12 个炮孔）

图4 3#测点水击波历时曲线

图5 3#测点水击波历时曲线

进行水下钻孔乳化炸药爆破地震波振动检测，检测结果见表2，波形图见图6～7 所示。

表2 地震波振动数值检测成果表（12 个炮孔）

图6 靠船墩顶-1#测点地震波波形图

图7 靠船墩临水面-2#测点地震波波形图

3 试验结果分析

乳化炸药水下钻孔不耦合装药爆破水击波检测数据如表3 所示。

表3 检测数据统计表

从检测结果可知，水击波超压峰值最大值为1.8649 MPa，最小值为0.1451 MPa。比较3 个测点的至爆区距离和水击波超压，1#测点、3#测点、5#测点至爆区距离分别为6 m、12.1 m、21 m，水击波超压值分别为 0.7238 MPa、0.3284 MPa、0.1853 MPa，水击波超压因距离增加下降趋势明显，最大变化幅度达3.9 倍。

第一次试验的 1#测点水击波超压为 0.0366 MPa，第二次试验的1#测点水击波超压为0.0142 MPa，至爆区的距离同为1 m，其它条件也基本一样，但是水击波超压变化达2.58 倍。第一次试验的5#测点至爆区的距离为13 m，水击波超压为0.0067 MPa，第四次试验的1#测点至爆区的距离为12.5 m，水击波超压为0.0021 MPa，3#测点至爆区的距离为13.1 m，水击波超压为0.0010 MPa，3 个测点至爆区距离基本相同，其它条件也基本一样，第一次试验12 孔爆破，第四次试验1 孔爆破，水击波超压变化达3.19～6.7 倍。

4 水击波超压衰减规律回归计算

对表3 水下钻孔乳化炸药爆破水击波检测成果统计表的数据进行线性回归计算，计算结果如表4。

表4 数据进行线性回归计算

经计算，乳化炸药水下钻孔爆破水击波超压衰减规律经验公式：

式中：

P 为水击波超压峰值，Mpa；

Q 为乳化炸药装药量，kg；

L 为炮孔至水击波测点的水平距离，m。

由于爆破边界条件、水击波传播方向、路径差异以及结构边界条件影响，本公式具有一定局限性，使用时应注意自变量的取值方法及范围，取值只宜内插、不宜外推。即乳化炸药距离取值范围为6～23 m，单段装药量取值范围为2～3 kg。

5 结论

本文以解决实际工程问题为基本出发点，在研究水下钻孔爆破水击波传播规律的基础上，进行超压峰值传播衰减规律回归计算，综合分析水中冲击波有害效应影响规律，进而对水下钻孔爆破有害效应传播衰减规律展开系统深入研究，其结果不仅对保护水中环境安全具有重要促进意义，同时对进一步补充、丰富、完善水下爆破基本理论，具有积极推动作用。

大量实践表明，乳化炸药在经受压力作用时，其爆炸敏感性会下降，爆炸产生的能量也会受到影响。乳化炸药在受到外界静压作用时，油膜发生收缩变形，水相和油相平衡遭到破坏，乳胶基质流入气泡内，这种流动导致乳胶基质本身黏滞温升和对气泡的压缩，气泡体积减小，气泡温度因而升高并高于其周围的基质。因此，所产生的热量从气泡散逸到乳胶基质中。同时界面上的敏化气泡受到挤压和压缩，并有一小部分逸出，气泡表面积减小，接收冲击波面积减少，形成热点能力下降，如果是膨胀系珍珠岩会有一部分被压碎，在受压状态下的乳化炸药爆轰性能下降，当压力解除后由于被压缩的气泡体积恢复，爆炸性能会由于被压缩的气泡体积恢复，爆炸性能会有一定程度上的复原。