水下爆破对水生物的损伤机理及防护技术研究综述

阿比尔的, 蒲运杰*, 刘露, 刘明维, 傅林, 李浩田

(1. 重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心, 重庆 400074; 2. 重庆交通大学山区公路水运交通地质减灾重庆市教委重点实验室, 重庆 400074)

水下爆破原本起源于军事方面的水下爆炸研究,第二次世界大战之后该技术开始逐渐应用于水下清礁、航道疏浚及港口码头等工程的实际应用中。中国的水下爆破技术应用起步较晚,改革开放以来,许多学者也进行了大量的水下爆破工程实践,促进了水下爆破技术的快速发展。但随着人们的环保意识逐渐增强,水下爆破造成的环境污染及生态环境的影响也逐渐为人们所重视。类似气泡帷幕的水下爆破防护技术开始成为学者们研究的重点方向。近年来,随着经济和计算机技术的蓬勃发展,大量的学者利用物理模型和数值模拟手段开展相关研究。水下爆破测试技术、水下爆破数值仿真技术等的研究成果促进了水下爆破技术的快速发展。

现从水下爆破能量释放规律、水下生物损伤机理以及水下爆破防护措施等方面介绍水下爆破技术的研究进展,为水下爆破技术在水利工程的生态防护提供一定参考。

1 水下爆破能释放及传递规律研究

水下炸药引爆后,伴随着高温高压爆炸产物的产生,将在水中释放巨大的能量,爆轰波以极高的速度向周围扩散形成冲击波能和气泡能。冲击波能表征了炸药的冲击作用,气泡能则表征了炸药的气体膨胀作用。冲击波能的大小决定了水生物影响程度和范围,因此大量学者开展水下爆破能释放及冲击波的衰减规律研究,以期更好地评价水下冲击波的生物效应。

1.1 爆破能量释放规律

冲击波的产生机理是由爆炸产物高速扩散导致水被压缩,从而引起密度、温度、压力升高,并在爆炸产物上反射出稀疏波,导致大约一半的化学能能够转化为冲击波[1]。前人做了许多关于水下爆破冲击波及能量传播规律的研究。Гадкин[2]研究了水下爆破产生的地震波效应主要来源于爆破直接作用、冲击波冲击水底边界、爆炸气体在水中的胀缩上浮作用3个方面。在水下爆破装药爆炸时,一种非常陡峭的激波在源处形成[3],并在周围流体中迅速传播。冲击波的传播阶段是毫秒级的,而气泡的膨胀和收缩阶段是秒级的,冲击波在远离爆震源的地方呈球形传播,而在爆震中心形成一个气泡的速度要慢得多,两者在时间尺度上具有较大的差异,典型的水下炸药爆破冲击波压力时程曲线如图1所示。邵蔚等[4]进行了某核电站水下爆破现场试验,发现水下爆破具有明显的滤频效应,具有主频小、频带窄、能量小;水下爆破产生的地震波具有振幅小、衰减慢、振动持续时间长等特点。Koli等[5]和饶国宁等[6]均进行了水池水下爆炸能量输出特性研究,得到了水下爆炸典型冲击波曲线和气泡脉动信号波形曲线,同时发现铝粉的加入会改变炸药的能量输出特性。李雪交等[7]和荣吉利等[8]则分别研究了一种新型含能微球敏化的乳化炸药和新型黑索金(hexogen,RDX)含铝炸药水下爆炸性能,发现含能微球和铝粉二者均会延缓冲击波的衰减速度[9]。Keshavarz等[10]提出了一种预测含铝(Al)和(或)高氯酸铵(AP)复合炸药气泡能量的简便方法,仅需要100 g成分中的nCl、nC和nAl的值即可。

图1 水下爆炸冲击波压力时程曲线[7]

为了得到实际的爆破规律,学者们曾尝试在室内的小范围水池爆破试验。 Wollert-Johansen[11]、Bjarnhol[12]和颜事龙等[13]验证了小水池小药量测量水下爆炸能量的可能性,认为边界效应不影响测试结果,并提出了无限水域中比气泡能的计算公式。汪泉等[14]同样在小水池中实测了几种不同炸药的爆炸参数对比实验测试,结果表明:乳化炸药的水下爆炸峰值压力大于水胶炸药而小于三硝基甲苯(trinitrotoluene,TNT),乳化炸药相比于其他炸药有最理想的爆炸能量输出状况。而苏华等[15]认为小水池炸药输出能量存在边界效应,提出了修正后的有限水域水下爆炸比气泡能和炸药总能量的计算式。

爆破的试验环境苛刻,数值仿真是爆破能量释放研究的重要手段。He等[16]和Tian等[17]则基于数值模型研究了水下爆炸冲击载荷特性,发现气泡脉动载荷和水击波对附近的结构造成更大的非线性的破坏作用。胡冬冬等[18]和于建新等[19]分别基于 LS-DYNA分析了装药耦合方式、起爆方式、爆破距离[20-21]、堵塞材料[22]、水深[23]、堵塞物长度[24]等因素对爆破能量传递、冲击波压力峰值的影响。Phan等[25]对水下爆炸同时发生的热力学和水动力机理进行了数值研究,认为高速射流和气泡崩塌产生的异常热点几乎同时发生,对各种结构会造成重大破坏。

综上所述,对于水下爆破爆炸试验研究上,场地限制明显,现有的水下爆炸能量测试设备相对较少,方法较单一,需要进一步开发更有效的能量测试设备,准确量测爆破所产生的冲击波能、气泡能、声波能。此外现场试验周期长、耗费多、成功率低,所获得的实验数据有限,理论模型和数值模拟是一种理想手段。目前的化学爆破的能量释放主要还是借鉴陆域的JWL状态方程,水环境对炸药当量释放的影响被忽略。水下爆破能量被简单划分为冲击波能、气泡能、声波能等,但各能量的产生、传递和转化机制尚不清晰。目前国内学者大部分采用库尔公式作为水下爆炸能量释放计算式,但库尔公式并未考虑水深及水生物等因素对计算带来的影响。现有研究对水流流态、岩体结构面、水域边界条件的分析不足,具体对于水质、浑浊度、水流等因素对能量释放的影响现阶段仍难探明。因此,建立一套系统的水下爆炸爆炸能量释放仍是未来研究的重点。

1.2 爆破动力衰减规律

水具有密度大、可压缩性小的特点,因此对冲击波的传播效率较高。Petrov等[36]研究显示,冲击波在传递到两种介质的交界面处时,会发生投射和反射现象,而在空气与水的交界面处发生反射,几乎无透射。彭蜀君[37]和陈艳丽等[38]认为水下爆炸冲击波以压力扰动形式在水中传播,并逐渐衰减,受水摩擦力和黏滞力的作用最后变为声波,且声波强度随传播距离的增大而减小,持续时间较长。苏欣等[39]构建了一套水下爆破冲击波的声学监测系统,对厦门港现代码头的水下爆夯进行了现场实时监测,从图2中发现:水深对冲击波能量传播有较大影响。高毅等[40]基于不同水深环境下爆炸(TNT)罐的模拟,得到了水下爆炸冲击波超压峰值和能量流密度的计算模型。李春军等[41]发现水下钻孔爆破的峰值应力在相同水深时,随着测点到爆源距离增大而逐渐减小;不同水深时,冲击波峰值随着水深的增大而逐渐减小。李金河等[42]测量了多种炸药在水中爆破的冲击压力时程曲线,对比高毅等[40]基于TNT炸药发现的水下爆炸冲击波相似律,发现含铝炸药的冲击波远场传播服从指数变化的相似律,其冲击波性能比TNT优越。李雪交等[7]提出的含能微球敏化的新型乳化炸药,可以减慢冲击波衰减速度以及增强气泡脉动。胡伟才等[43]和陈坤鑫等[44]分析了水下钻孔台阶爆破的动力衰减规律,从图2中发现:在炸药爆炸后的短时间内水击波压力迅速升高达到峰值,其后水击波的压力随着时间呈指数衰减规律衰减。

图2 冲击波峰值压力衰减曲线[43]

爆破冲击波压力、作用时间、冲量参数等计算模型研究一直是各位学者努力的主要方向。20世纪60年代,中外学者开展了大量的试验和理论研究。库尔模型是最普遍认可的计算模型。周方毅等[45]基于库尔提出的无限水域球形TNT药包的水下爆破峰值压力公式,导出了7个不同压强,不同爆炸范围的超压计算公式。Li等[46]则基于康姆莱特半经验公式,设计了一种球形装药水下爆炸测试系统—压导式连续电阻丝探针,提供了一种野外大药量的水下爆炸近场测试手段。张杰等[47]提出的一种基于Kirkwood-Bethe理论的改进计算模型。齐世福等[48]认为受到爆破方式及水流速度的影响,库尔公式计算冲击波峰值压力在内河近岸不宜采用,考虑炸药量、距离和测点地质条件3个因素,给出了水下爆破地震波衰减经验公式。李强等[49]结合库尔公式,得出了介质中冲击波超压的计算方法,并根据最小二乘法的原理,得到了有限水域较远距离处冲击波超压的计算公式。寇晓枫等[50]建立了水下自由场爆破的数值计算模型,并利用库尔公式验证了计算的正确性,得到了冲击波压力时程曲线。He等[16]利用可压缩欧拉有限元法建立了水下爆炸瞬态数值模型,实现了近自由水面水下爆炸的长时间模拟,同样仅验证了现有模型的正确性。姜聪宇等[51]利用LS-DYNA软件建立水下爆破模型所需的合适的算法和材料方程,给出了岩石、炸药、水和空气合适的状态方程。

综上,针对爆破冲击波的分析主要以现场试验测试和数值仿真为主,多数结合冲击压力时程曲线进行衰减规律的定性分析,并考虑装药量、水深、距离等因素的影响,但水下地形地质环境异常复杂,但鲜有考虑该因素的影响,水域环境和施工方式的影响分析也不足。在缺乏现场试验数据的情况下,数值仿真是一种重要手段,但目前流固耦合界面的应力传递模型建立、水和炸药状态方程、阻尼系数的确定等限制了数值模型的可靠性。因此,如何准确描述各种影响因素对于爆破动力的衰减影响是未来的研究重点。目前的水下冲击波计算模型多基于库尔公式、Kirkwood-Bethe模型等现有模型建立,但该模型基本属于半经验半理论的公式,模型的经验参数确定较为困难,目前主要是通过试验数据获得,如何揭示水的摩擦力和黏滞力等对冲击波的衰减作用,建立严格基于理论模型的计算公式仍是一个难点。如果考虑水环境,如水深、水流速度、含沙量、微生物密度等因素影响,则计算模型将更为复杂。

2 水下爆炸损伤机理研究

2.1 水下爆破的生物损伤机理

水下爆破对水生生物和水生态环境都有较大影响。爆破的危害源主要包括:①水下炸药爆炸产生的冲击波;②水下爆炸产生的气泡脉冲;③冲击波边界反射形成声场。爆破形成的冲击波对鱼类、浮游动物、底栖动物都有不同程度的损伤,特别是高强度的声压冲击会损坏其生物内部组织器官,也可能会对其身体外部造成损伤。早期国外学者进行过水中爆炸试验,Keevin等[52]曾经专门对蓝鳃太阳鱼进行过鱼群吊笼试验,研究结果表明,鱼鳔和体内血管受到的影响比其他器官要大;爆炸对鱼类的杀伤力主要取决于爆炸产生的压力、冲量和能量通量密度这 3 个因素。晏正碧等[53]和陈艳丽等38]的研究中显示,由于鱼体的密度和水的密度接近,当炸药在水中爆炸产生的冲击波到达鱼体与水交界面时会直接通过鱼体向前传播,而冲击波穿过流体组织 (如脂肪组织、血液)与气腔的界面时,会导致空腔壁的撕裂或破碎,进一步挤压周围的其他组织,导致鱼鳔撕裂[54]、眼睛充血、血管受损,体腔出血等[55],如图3所示,甚至出现畸变[56]。且相较于大型幼鱼和成年鱼,幼鱼更容易受到水下爆破冲击波的影响,特别是有鱼鳔的幼鱼[57]。赵根等[58-59]实测发现水击波压力值在0.6 MPa以上可使各类鱼内脏产生轻微及以上损伤,0.3 MPa的水击波压为鱼类的临界水压。

图3 严重损伤鱼类及鱼鳔撕裂损伤示意图[54]

声学指标作为评估鱼类损伤的重要数据,包括峰值压力、声音暴露水平和随时间变化的综合压力。对于水下爆破产生的声波对水生物的影响的研究也是中外学者研究的重点之一。早期学者们只是进行简单的水下噪声驱赶试验,Bagocius等[60]和Engås等[61]均基于简单的现场试验,得出水下脉冲噪声或气爆产生的声波均会对海洋生物造成影响[62]。Dahl等[63]评估了声波对鱼类可能造成的内损伤,鱼的器官的损伤率在声波的作用下并非呈现一个随距离增加而减小的单调模式。王克雄等[64]分析了航道整治对长江江豚产生的影响。认为水下声环境质量下降、噪音过大以及部分庇护所消失是江豚消失的主要原因。此外文献[65-66] 认为噪音声波也会对鱼卵造成一定影响。Kostyuchenko[67]进行了3种常见家鱼鱼卵爆破试验,得出在20 m距离外鱼卵才不会有明显损伤,不同鱼卵对噪音的敏感程度不同,但并未提出噪音对鱼卵造成损伤的具体损伤机理。

许多学者研究认为,鱼类存在一种感知水动力特征和声波的侧线系统,水下爆破产生的声波[68]水流紊动和切应力[69]对鱼类的损伤源于侧线系统功能的损伤,导致灵敏度下降[70]、行动缓慢麻木[71]。根据Knudsen 等[72]的研究显示,水下爆破产生的高声压会导致外伤性脑损伤,有明显鱼鳔或者在耳朵附近有气囊组织的鱼类是最容易出现神经外伤的鱼类。

水下爆破引起的水质变化[73]也会影响水下生物[74],导致水中生物的游泳能力下降,行动缓慢。影响范围大概在2 000 m。水含沙量的上升会影响鱼类每博输出量和心供血量[75]。韩雪慧等[76]认为爆破施工对于水体理化指标(pH、硬度等)以及浮游动物生物影响不大,但对于底栖动物、一定范围内的鱼卵和渔获物会有较大的影响。尚龙生等[73]认为高浓度悬浮物质对于游泳能力较强的成鱼有驱赶作用,但含量过高时,悬浮颗粒会进入鱼鳃并沉积在鳃部,影响鱼的呼吸和滤水功能,造成呼吸困难。

上述研究说明,冲击波会直接对鱼类的肝、脾、肾等内部器官造成巨大伤害。爆炸产生的声波使鱼类无法辨别声音信号,破坏鱼类的听力和神经系统,从而影响鱼类的正常生活。水下爆破还会使水体中的重金属、有机物、无机氮、悬浮物、浑浊度、pH等指标发生变化从而影响成鱼的呼吸、摄食以及鱼类的孵化率和成活率,对水生物造成间接的持续损伤,然而目前相关研究较少。由于爆破对水体环境影响的持续时间较长,需要长时间跟踪监测才可获得精确数据,但受限于监测设备和实验器材,目前尚未进行监测,且数值模拟方面所做的研究较少。目前提出冲击波可能会对鱼的神经系统造成损伤,但是还不能准确探究神经系统的损伤情况。因此,后期可尝试探究更详细全面的冲击波对鱼体各器官带来的刺激,分析不同器官抵抗冲击波后对鱼类正常生活带来的改变。开发有效、准确的水环境监测设备,监测爆破后水体的理化指标,从而探究水环境的改变对鱼体损伤机理。从上述研究看来,相关生物数值模拟方面较难建立较准确的损伤模型,后期可尝试建立相关的数值模型探究冲击波损伤鱼类神经系统的原理。

2.2 水下爆破的损伤计算模型

建立一个正确的鱼群损伤计算模型,可以更直观地分析水下爆破对鱼类的损伤效应,因此探索水下爆破的鱼类损伤计算模型也是许多学者研究的方向之一。

20世纪60年代,Young[77]总结了一个可以估计有鳔鱼类安全距离的公式,但该公式仅仅基于水深较浅区域。国外学者考虑到了鱼体损伤与鱼鳔受到冲击波的影响,提出过3种模型用于水下爆破炸药损伤半径的估算,分别为能量通量密度模型[78]、冲击强度模型[79]和动力模型[80]。基于库尔公式的安全距离[81]和损伤半径常用水生物的损伤评估[82]。

针对水环境改变下的鱼群损伤模型。赵英杰等[83]根据库尔水流模型结合悬浮物扩散模型,提出了预测悬浮物质对生态环境影响程度的评价方法。沈新强等[84]基于国内学者提出的鱼群数量变动与死亡率的关系,建立了污染引起的年渔获损失量的计算式以及鱼类种群受污染总死亡率函数形式。任敏等[85]总结渔业资源损失量计算公式以及鱼卵长成成鱼的损失量计算方法,提出了以现存渔业资源密度和影响体积为主导的水下炸礁工程渔业资源损失量的评估公式。黄梓荣等[55]提出了不考虑中上层水域鱼类、甲壳类视为鱼类的游泳生物损失量计算公式。

前人对于水下爆破水生生物的损伤计算模型研究较少,目前主要以鱼鳔损伤为基础,建立水生生物安全距离和死亡率模型。但有关冲击波具体作用于鱼体各器官的详细数学模型尚未建立。大部分学者建立的损伤计算公式针对不同类型的鱼类或水生物,但不同体型的鱼抵抗冲击波的能力也具有较强的研究价值。因此,未来可尝试建立鱼类体型分级标准,并以此建立不同体型级别鱼类对冲击波的损伤计算模型。目前的损伤模型主要以部分成鱼的损伤为主,但针对幼鱼、鱼卵的损伤分析不足,此外尚缺乏如浮游生物、游泳动物和底栖生物等不同种类水生物的损伤模型。爆破引起的水中悬浮物含量增加对游泳能力较差的鱼卵或虾蟹带来的损伤较大,可能会导致鱼卵的大量死亡从而造成渔业资源的损失。爆破引起的水环境的变化对鱼群的长期影响评价不足。后期研究可尝试建立依据爆破后水体悬浮物或含沙量的改变引起的幼鱼、虾蟹等生物损失的计算模型,将鱼卵、虾蟹、不同品种的鱼类结合不同体型的鱼类建立完整分级标准,综合上述不同类型的水生物的损伤半径,损伤持续时间和水环境改变带来的损失可建立较完整的水下爆破生物损伤计算模型。

3 水下爆破的防护措施

为了控制水下爆破冲击波对生物的危害作用,应充分考虑对水生物的致伤以及致死效应,提出相应的防护措施。在浙江某海域的航道水下炸礁爆破,就曾发生过致使距爆破区域400～500 m范围内的近万只网箱中的养殖鱼类,出现大面积死亡,造成经济损失1 000多万元的爆破事故。当前水下爆破防护方式主要有主动和被动两种方式。

3.1 水下爆破的主动防护措施

主动防护措施的防护理念包括:①将爆破产生的冲击波压力控制在水下生物安全临界压力以下;②对工程进行合理设计保证鱼类处于安全距离之外。

早期国内学者提出的安全防护措施主要着眼于炸药药量和距离控制上[86]。随着研究的不断深入,有学者逐渐提出微差爆破[87-88]或对柱状装药加强充填、反向起爆、间隔装药[51]以及浅孔爆破[89]等改变装药结构方式[85]削弱冲击破的强度等的主动防护措施。如洋山深水港航道工程炸礁爆破[82]就采用延时爆破在大洋山附近的泥石礁进行,让鱼群远离爆破区域,从而避免更多的损害。条帚门航道工程水下炸礁[85]同样提出建议采用微差毫秒起爆技术进行炸礁工作,严格控制炸药使用量,减少炸礁作业产生的冲击波对鱼类的影响。厦门港现代码头在进行水下爆破冲击波声学监测时提出爆破时尽量采用小药量爆破和毫秒微差爆破技术,以减小对中华白海豚和其他海洋渔业资源的伤害。长江上游九龙坡至朝天门河段航道炸礁工程,同样采用设置合理的起爆顺序以及采取延时起爆,使总爆炸能量在 时间上合理分布,从而减少大药量引起的冲击波超压积累,从源头上降低冲击波能量。厦门港招银航道扩建一期工程(后续工程)(航道炸礁及清礁部分)[81]则在工程实际中通过优化爆破操作技术,使用无堵塞爆破同时改进装药方式,同时爆破不同重量的药包,达到了有效保护工程区域内白海豚的目的。以上主动防护措施以冲击波压力控制为目标。

控制安全距离,将水生物驱离爆破影响半径区域是学者们是另一种手段。通过 “小药量警示爆破”[90]。人工声墙驱赶[81]、高压电磁脉冲驱赶[91]、调整水体流态[65]是比较常用的手段。在美国的伊利诺斯、新泽西、罗得岛和华盛顿4个州都利用噪声驱鱼的方式,对爆破施工区域持续驱鱼。厦门港招银航道扩建一期工程(后续工程)(航道炸礁及清礁部分)[81]工程中通过设置人工声墙成功驱赶了爆破区域内的白海豚,达到了保护的目的。在三峡三期RCC围堰拆除爆破中,采用声纳探测结合高压电脉冲驱鱼技术,有效地保护了长江中的白鲟、达氏鲟、胭脂鱼等珍稀鱼类的安全。

综上所述,目前对于水下爆破保护水生物的措施研究主要集中于对装药结构起爆方式的改进以及对水生物的驱赶。然而改进装药结构的适用范围有限,对爆破效果产生消极影响仍需要进一步关注。目前基于声学的驱鱼方式是主要手段,但仅能将水中游泳能力较强的成鱼驱离爆破区域,幼鱼及虾蟹等游泳能力弱的水生物仍会受到爆破影响;利用脉冲电流驱鱼是否会对鱼体造成损伤、对成鱼的驱赶效果也缺乏有效的探测手段进行验证。因此后期研究可着眼于开发更环保有效的爆破材料,如利用二氧化碳起爆,或选用效率更高的改进型炸药;驱鱼方式上,后期可结合人工智能技术,对爆炸驱鱼的水生物进行可视化“清场”处理。

3.2 水下爆破的被动防护措施

水下爆破由于作业的特殊性,即使进行药量控制、装药结构优化等措施,但其效果有限,同时过低的装药量又会影响爆破施工效率,故水下爆破的安全防护措施还需要配合冲击波的被动消减措施。

由于冲击波传播到两种介质交界面时会发生反射和透射现象,而两种介质的波阻抗之比对冲击波传播具有重要的影响,因此在水下冲击波传递过程中添加一种介质是一种可行的研究方向[36]。空气隔层是常用的一种手段[92]。空气隔层的主要应用形式有气泡帷幕[93]、减振沟槽以及舰船的防雷舱。气泡帷幕技术原理如图4所示。胡伟才等[43]分析显示:气泡帷幕的设置可削减高达到65.74%～86. 13%冲击波作用。彭蜀君[1]、齐世福等[48]和陈春歌等[94]分析了包括气泡帷幕、减振沟槽等的水下爆破的防护效应;Salomons等[95]同样就曾针对大型未爆弹药在远距离上对生物听力的影响提出建议采取设置气泡帷幕作为缓解措施。邵鲁中等[24]发现如果将气泡帷幕与延时爆破相结合,可显著地将水下爆破危害发生的可能性降低。长江三峡水利枢纽工程下游泄水箱涵出口的水下爆破开挖工程中,对气泡帷幕使用效果进行了实践应用,证实气泡帷幕能削减85%～95%的冲击波。长江上游九龙坡至朝天门河段航道建设工程砖灶子台段炸礁工程如图5所示,同样采用气泡帷幕实现了爆破冲击波控制。

图4 气泡帷幕形成示意图[93]

图5 现场气泡帷幕效果图[24]

除了设置气泡帷幕外,水下预裂爆破也是有效的被动防护手段之一。该法极大地降低了爆破振动对周围的影响,同时可提高工效[88]。试验表明,水下预裂缝可削弱 50%～70%的爆破震动强度。齐世福等[48]认为在保护目标附近的水下抛设土石也可以减少冲击波的破坏作用。

综上所述,目前水下爆破冲击波的被动防护手段大多基于两种介质交界面处的冲击波反射透射原理建立,利用最多的是气泡帷幕。但目前防护手段较单一,且在水底安装空压机等设备较为繁琐、成本高且安全性较低,后期可尝试研发泡沫、海绵等低成本高安全性的防护屏障。目前有关冲击波被动防护手段的物理实验成本高,缺乏有效的理论模型,后期可开发便捷的物理模型设备,提出相应的理论模型。

4 结论

4.1 水下爆破能量释放及传输规律研究

水下爆破能量是水生物损伤的动力来源,深入了解水下爆破的能量释放及冲击波衰减规律,是水生物安全防护的基础。大量学者针对水下爆破能量释放及衰减规律做了大量的研究。

物理试验的方法测定周期比较长,耗时费力,且试验受限于试验设备、场地等限制,较难准确量测水下爆破能量传输的全过程,开发能够监测水下爆破产生的以多种形式释放的能量的监测设备是未来研究的重要方向之一。目前的化学爆破的能量释放主要还是借鉴陆域的JWL状态方程,水环境对炸药当量释放的影响被忽略。水下爆破能量被简单划分为冲击波能、气泡能、声波能等,但各能量的产生、传递和转化机制尚不清晰。目前国内学者大部分采用库尔公式作为水下爆炸能量释放计算式,但库尔公式并未考虑水深及水生物等因素对计算带来的影响,对水流流态、水中含沙量、岩体结构面、河床地形及水域边界条件对能量释放的影响现阶段仍难探明。因此,建立一套系统的水下爆炸的爆炸能量释放仍是未来研究的重点。

冲击波随着距离呈指数衰减,多数结合冲击压力时程曲线进行衰减规律的定性分析,并考虑装药量、水深、距离等因素的影响,但水下地形环境和地质条件是异常复杂的,水域环境和施工方式的影响分析也不足。目前的水下冲击波计算模型基本基于库尔公式建立,但改模型基本属于半经验半理论的公式,模型的经验参数确定较为困难,目前主要是通过试验数据获得,如何揭示水的摩擦力和黏滞力等对冲击波的衰减作用,建立严格基于理论模型的计算公式仍是一个难点。如果考虑水环境,如水深、水流速度、含沙量、微生物密度等因素影响仍是难点。

4.2 水下爆炸损伤机理研究

爆破产生的冲击波、声波冲均会对鱼类的肝、脾、肾等内部器官造成不同程度的伤害,甚至破坏鱼类的听力和神经系统,从而影响鱼类的正常生活。爆破对鱼群的听力、神经系统等生理效应的影响计算模型有待深入。前人对于水下爆破水生生物的损伤计算模型主要以鱼鳔损伤为基础,但不同鱼群的易损器官不同,其损伤模型也应是不同的。冲击波作用于鱼体不同器官的详细数学模型尚未建立。此外不同种类、不同体型的鱼抵抗冲击波的能力也是不同的,目前的损伤模型主要以成鱼的损伤为主,但针对幼鱼、鱼卵的损伤分析不足,此外尚缺乏如浮游生物、游泳动物和底栖生物等不同种类水生物的损伤模型。

水下爆破除了对水生物造成直接物理伤害外,还会对水环境造成持续影响。噪音会使水环境变得十分嘈杂,使鱼类无法辨别声音信号。水体中的重金属、有机物、无机氮、悬浮物、浑浊度、pH等指标发生变化从而影响成鱼的呼吸、摄食以及鱼类的孵化率和成活率。但爆破引起的水环境的变化对鱼群的长期影响评价不足,需要长时间跟踪监测才可获得精确数据。爆破引起的水环境变化对鱼类生存、繁殖的影响规律亟待深入研究,以便于合理评价水下爆破的生物长期效应。除了鱼群,水生物群落是一个综合体,水下爆破对生物多样性的影响也颇具研究意义。

4.3 水下爆破的防护措施

目前对于水下爆破的防护的主要手段为从爆破源头减小产生的冲击波和在冲击波传播过程中削弱水击波的能量两个重要理念。

主动防护措施主要集中在装药结构起爆方式的改进以及对水生物的驱赶。然而改进装药结构的适用范围,对爆破效果产生消极影响仍需要进一步关注。后期研究可着眼于开发更环保有效的爆破材料。目前基于声学的驱鱼方式是主要手段,但仅能将水中游泳能力较强的成鱼驱离爆破区域,幼鱼及虾蟹等游泳能力弱的水生物仍会受到爆破影响。对成鱼的驱赶效果也缺乏有效的探测手段进行验证。后期可结合人工智能技术,对爆炸驱鱼的水生物进行可视化“清场”处理。

被动防护手段大多基于两种介质交界面处的冲击波反射透射原理建立,气泡帷幕技术是一种切实可行的、被广泛应用于水下爆破手段。但由于使用气泡幕的成本高。预裂缝、减振沟槽也能减轻爆破振动的危害,而泡沫、海绵等轻质材料帷幕也是一种理想的选择,但缺乏相关的试验和理论研究。此外研究表明主动和被动多手段联合防护的会有较好的防护效果。从爆源减少冲击波的同时,开发多样、经济的被动效能措施可以实现高效的安全防护。主被动的安全防护协同机制是研究的重要方向。