水下钻孔爆破水击波衰减规律及大坝动力响应特征分析

周 杜，杨遵俭，刘运雄，贾 旭，刘 雄

（湖南建工集团有限公司，长沙 410075）

在水利工程建设中，水下钻孔爆破是一种先进、实用的水下爆破施工方法。目前，许多学者针对水下钻孔爆破对临近建筑物的影响进行相关研究。 在试验研究中，刘文华和罗松林［1］通过对单个球形装药浅水层中爆炸的试验研究， 得到在边界条件影响下的水中爆炸冲击波参数的分布和变化规律， 获得相应的拟合公式。赵根和季荣［2］对水击波的传播规律进行分析，在爆破试验的基础上获得高能、普通乳化炸药水击波传播规律。在数值模拟方面，李春军等［3］结合长江上游九龙坡至朝天门河段建设工程， 使用ANSYS/LS-DYNA 数值模拟软件模拟， 得到不同条件下水击波冲击波峰值， 并绘制水击波峰值衰减曲线。彭亚雄等［4］以水下钻孔爆破地震波和水击波的协同作用为主，对紧邻桥墩的水下钻孔爆破进行研究，得到水下钻孔爆破地震波和水击波协同作用下的桥梁动力响应过程，分析最大药量、爆心距和水深对桥墩动力响应的影响。

虽然水下钻孔爆破的研究具有较高的广度和深度，但水下钻孔爆破的动态响应是一个复杂过程，仍有许多问题亟待解决。 本文运用多物理场仿真软件COMSOL 数值模拟技术，结合现场工况对水下钻孔爆破过程进行模拟， 得到水下钻孔爆破水击波的衰减规律和大坝动力响应特征，可为现场安全施工提供指导。

1 水下钻孔爆破工程概况

引水工程水下钻孔爆破区域位于广西壮族自治区灵川县青狮潭镇青狮潭水库。该水库是具有工业、农业及旅游业综合应用价值的大型水库， 水库大坝现状坝顶高程232.4 m，坝顶长度232 m，宽度7.0 m，最大坝高62.0 m，大坝坝顶距取水口距离385.1 m，坝脚距竖井距离261.2 m，水库总库容6 亿m3，是广西壮族自治区内第四大水库、桂北地区的最大水库。现拟在水库附近修建引水隧洞， 引水隧洞取水口采用竖井式双层取水口实现分层取水的功能目标， 并与竖井相连。双层取水口均采用水下钻孔爆破施工，在水下钻孔爆破过程中， 分析距离爆破中心不同距离处水的介质速度， 对评估水下钻孔爆破过程中水中建（构）筑物的稳定性至关重要，分析地震波的传播衰减规律，研究地震波引起岩土体及建（构）筑物的振动速度，对评估水库附近岩土体及既有建（构）筑物的安全十分重要。 水库引水隧洞取水口爆破施工区域如图1。 大坝在水下钻孔爆破的水击波和地震波共同作用下的安全稳定性至关重要，关乎下游广大人民群众生命和财产安全。

图1 引水隧洞水下钻孔爆破区域实景

2 数值模拟试验

2.1 建模思路及模型建立

采用COMSOL Multiphysics 软件对广西桂林青狮潭水库水下钻孔爆破过程进行数值模拟， 数值计算模型采用m-s-kg 单位制，建立的数值分析模型主要包括岩层、炸药、库水、大坝、岩塞体等部分。根据对施工现场的实地勘察， 建立水下钻孔爆破数值模拟模型时， 模型参数及边界条件按如下原则选取：①数值模型中水库库水深度取22 m； ②水下钻孔的形状采用圆柱体， 直径3.2 m，长10 m；③数值模型的所有截断边界均设置为低反射边界条件，以模拟无限边界的岩体和大面积水域； ④忽略水流速度与空气对水下爆破的影响；⑤不考虑冲积覆盖物的影响； ⑥假设爆炸压力沿炮孔孔壁均匀分布。 基于现场勘测结果和上述建模原则，建立水下钻孔爆破数值分析模型，如图2，数值模型的尺寸为473 m（长）×161 m（宽）×91 m（高）。

图2 水下钻孔爆破数值计算模型

2.2 材料模型及参数

有限元模型包括岩层、炸药、水层、堵塞、竖井、大坝及引水支洞。在模型材料方面，根据施工现场的物探报告，赋予相应的杨氏模量E、密度ρ、泊松比μ，以获得最佳的模拟效果。爆破荷载的确定是进行爆破动力学分析的前提条件， 爆破模型加载需确定的几个参数包括确定水下爆破产生的冲击力大小，荷载的施加位置、施加方向，冲击力的持续时间（包括冲击力上升时间与下降时间）等内容。选择在炮孔壁上施加半理论半经验的爆破荷载压力曲线， 使用这种方法施加爆破荷载可以简化建模工作量， 并保证结果的准确性， 数值计算采用的荷载时间历程曲线如图3。

图3 数值模型中施加的爆炸荷载时间历程曲线

该荷载形式的确定需要两大要素： ①爆破荷载的升压时间和正压作用时间；②爆破荷载峰值。对于爆破荷载作用时间， 一般认为炸药爆炸时产生的爆轰波持续时间为1.0×10-6～0.1 s， 既有相关研究表明炮腔压力在数百微秒内衰减。 因此数值模拟中取几百微秒的持续时间较为合理， 在本次数值模拟中每个单元上作用的爆破荷载压力上升时间为500 μs。

数值模型中各种材料的参数如表1，水下钻孔爆破装药参数如表2。

表1 数值计算模型材料参数

表2 水下钻孔爆破装药参数

2.3 数值模拟监测点布置

水下钻孔爆破数值模型计算过程中，水中监测点和大坝迎爆面监测点布置如图4。

图4 水下钻孔爆破模型中水击波压力监测点

3 结果分析

3.1 水下钻孔爆破水击波传播衰减特征

图5（a）～（f）为水下钻孔爆破作用时间范围内，不同爆破时刻水的介质速度为1e-6 m/s 的等值面图。

图5 水下钻孔爆破不同时刻水介质速度1e-6 m/s 的等值面

从图5 可看出，水下钻孔爆破起爆后，水击波由水下岩塞体端部向四周传播， 引起距爆源不同距离区域内的水体的介质速度发生变化。在t=2e-4 s 时，水击波的传播作用范围达100 m，并且在爆破作用初期， 水击波在深水区域的传播距离要略大于浅水区域的传播距离。 在爆破作用时间t=0.001～0.1 s 过程中，水击波的传播作用范围逐渐延伸，影响范围接近200 m，在爆破作用时间t=0.5～1 s 时，水击波的传播作用范围趋于稳定。图5 的分析结果表明，以爆破作用时水击波引起的水库中库水介质速度1e-6 m/s 为界限值， 下层取水口水下钻孔爆破水击波的影响范围为200 m。

图6 为水下钻孔爆破区域监测点水击波应力时程曲线， 图7为水下钻孔爆破水体区域监测点水击波的峰值应力随爆心距的衰减曲线。 图6 应力的正负值代表着应力的拉压情况， 由COMSOL软件的一般设定， 正值为拉应力， 负值为压应力。 在水下钻孔爆破地震波和水击波作用下，临近水域拉应力大于压应力。由图7 可知，随爆心距增加，水击波峰值应力逐渐减小，相应水域受到水击波的冲击作用效应逐渐减弱。相关理论研究表明，水击波的峰值应力在传播过程中呈指数形式衰减。 将不同监测点的峰值应力用曲线拟合， 得到函数y=0.709e-1.199x，相关系数R2=0.9849，该曲线对峰值应力拟合精确度较高，也说明此次数值模拟的合理性，可以利用该曲线预测不同爆心距测点位置的峰值应力。同时由图7 可知，随着爆心距的增加，水击波峰值应力逐渐降低，其降低的速率也呈指数下降，仅在爆心距较小时，水击波峰值应力下降速度明显，在爆心距达到一定距离后， 水击波峰值应力下降将变得很小，峰值应力也趋向稳定。

图6 水下钻孔爆破监测点水击波应力时程曲线

图7 水下钻孔爆破监测点水击波的峰值应力曲线

3.2 水下钻孔爆破坝体动力响应特征

在水下钻孔爆破数值模型中， 分别在大坝迎爆面的底部、中部、上部设置应力测试点，通过监测数据分析水下钻孔爆破爆炸时大坝坝身的应力响应特征，进而评估水库大坝坝体的安全性。大坝迎爆面不同高程测点的Von-Mises 应力时程曲线图和峰值应力曲线，如图8，图9。

图8 水下钻孔爆破大坝迎爆面监测点应力时程曲线

图9 水下钻孔爆破大坝迎爆面监测点峰值应力曲线

从图8 可得，由于水击波的直接作用，坝底监测点的应力最大， 由于延时效应引起的爆破地震波在传播过程中的叠加效应，坝底、坝中、坝顶监测点应力均随着时间增加而增加。 从图9可得，在水下钻孔爆破地震波和水击波作用下，随着高程增加，3 组监测点中峰值应力整体呈现减小—增大情况。其中应力最大的位置为迎爆面底部，其最大Von-Mises 应力值很小， 仅0.013 MPa。 主要原因是大坝迎爆面和爆破点间距离较远，爆炸冲击波以地震波和水击波的形式传播至大坝处时，能量已急剧耗散。同时由于坝体填筑材料为混凝土心墙与土体，爆破时产生的峰值压力远达不到大坝的破坏强度，故本次爆破对大坝的影响非常小，不会影响其正常使用。

大坝迎爆面不同高程测点的振动速度时程曲线和峰值速度曲线， 如图10 和图11。

图10 水下钻孔爆破大坝不同位置处速度响应曲线

图11 水下钻孔爆破大坝不同高程处峰值速度曲线

由图10、图11 可知，由于大坝底部受水击波作用较大， 大坝迎爆面的峰值振动速度出现在大坝底部。其中，由于延时效应引起的爆破地震波在传播过程中的叠加效应， 大坝不同位置处的质点振动速度随爆破时间的增大而逐渐增大，大坝坝底、坝中、坝顶质点振动速度峰值依次0.201，0.084，0.104 cm/s。同时，由于大坝顶部的截面较小，在振动叠加效应下后期振动速度略大于大坝中部。由图11 可得，水下钻孔爆破作用过程中大坝质点振动速度均不大于规范要求的爆破安全振动值， 按中国地震烈度表换算为地震烈度均小于Ⅴ度， 可以判断大坝不会受到水下钻孔爆破的明显影响。

4 结语

（1）运用多物理场仿真软件COMSOL 建立与实际方案相仿的模型，进行数值模拟分析，在爆破施工前预测爆破结果，评估爆破设计的可行性，为实际施工提供指导，保证爆破施工过程的顺利进行。

（2）在水下钻孔爆破的水击波传播模拟中，获得可视化的水击波传播过程。 在炮孔最近的监测点水击波应力峰值最大， 并随着爆心距增加而呈指数型衰减。将不同监测点的峰值应力用曲线拟合，得到拟合函数y=0.709e-1.199x，相关系数R2=0.9849。

（3）大坝峰值应力随坝体高程增加呈现减小—增大的趋势，其中大坝底部峰值应力最大，为0.013 MPa，此峰值应力远达不到大坝的破坏强度。同时，由于延时效应引起的地震波在传播过程产生中的叠加效应， 大坝不同位置处的质点振动速度随爆破时间的增大而增大。由于水击波直接作用在大坝底部，大坝底部峰值振动速度最大，为0.201 cm/s，均不大于规范要求的爆破安全振动值， 故本次爆破对大坝的影响非常小，不会影响其正常使用。