爆破冲击波的生物影响效应研究进展

彭蜀君

（四川大学建筑与环境学院，成都，610065）

随着社会经济的发展，对城市的旧房屋、障碍物等进行拆除的过程中以及交通工程中对岩石的爆破、或是海洋工程中的水下爆破等都越来越多的采用炸药施工，在爆破过程中会产生一些对周围生态环境影响极大的因素。而随着使用药量的增加，爆破冲击波的危害也越来越引起人们的关注，研究冲击波对生物的影响效应具有重大的意义。

1 爆破冲击波的产生机理

根据爆炸介质的不同，爆破中的冲击波可分为水中冲击波、空气冲击波以及岩石冲击波。

当炸药在水中爆炸时，会瞬间释放出大量能量，其周围介质会直接受到具有高温、高速、高压的爆炸产物作用。在药包与介质的界面处，爆炸产物如同一个超音速活塞一样以极高的速度向四周扩散，强烈地压缩着附近的水，从而导致水的密度、压力、温度突然升高，这就形成了初始的冲击波，在爆炸产物上反射出稀疏波［1］。国内外学者研究表明，深水爆破时，炸药在水中爆炸能量可得到充分发挥，大约有一半的炸药化学能转化为水中冲击波，其他能量以热能和气泡脉动等形式消耗［2］。当炸药在空气或岩石中爆炸时，其高温高压的爆炸产物就会直接作用在气体介质上或在岩石破裂的瞬间冲入周围空气中，强烈地压缩邻近的空气，使其密度、压力、温度都突然升高，形成空气冲击波［3］。

2 爆破冲击波的特点

爆破冲击波的特征是有一个陡峭的波阵面，在波阵面处，介质状态参数发生突变，波阵面后边质点运动方向和冲击波传播方向一致，在传播过程中，冲击波能量耗散，波头压力逐渐衰减，由于摩擦力和粘滞力的作用最后变为声波。声波在水中存在传播损失，其强度随传播距离的增大而减小；同时，声波随传播距离的增大经历的反射次数越多，声压的持续时间越长［4］。冲击波压缩相作用时间在传播过程中逐渐拉长，在介质分界面上可发生透射和反射。

冲击波的特点：水的密度和波阻都比空气大，爆炸产物在水中膨胀速度比在空气中慢得多；水下爆破时，地震波衰减比陆地爆破慢，水下爆破时产生的地震效应比同量级陆地岩土爆破大。冲击波在空气中传播时，将会形成压缩区和稀疏区，而压缩区因空气受压，导致压力大大超过当地大气压，即为超压；稀疏区由于紧随爆炸产物的脉动，其压力低于当地大气压，即为负压［3］。

3 爆破冲击波对生态环境的影响

3.1 水下冲击波对水生生物（鱼类）的影响

爆破形成的冲击波对鱼类［5］、浮游动物、底栖动物都有一定的损伤，特别是高强度的声压冲击会损坏其内部组织器官，当鱼类离爆炸物较近时，也可能会对其身体外部造成损伤。在许鹭芬［6］的研究中指出，水下爆破后大黄鱼头腹面的颏部、喉部及腮盖下缘因充血而呈微红色，尤其是内耳椭圆囊、球囊等部位明显充血；鲍会出现性腺及其它脏器萎缩、体质消瘦，活力差甚至死亡。研究表明，石首鱼科的鱼类由于有耳石存在，故对爆破震动的冲击波反应敏感，易昏迷死亡［7］。另外，气体器官鳔和血管对爆破产生的冲击波亦非常敏感，极易被震破或者发生畸变，这是因为冲击波通过鱼体时会导致空腔壁的撕裂或破碎，以及气体器官震动，从而挤压其周围的组织。受冲击波影响的水中生物的游泳能力大大下降，行动缓慢麻木，这极有可能是其神经系统遭受破坏导致的［8］。而虾蟹贝类具有体壳，且体壳坚硬，从而对冲击波的抗震性较强。据日本和美国学者的相关试验［8，9］研究表明，不同鱼类对冲击波的敏感度不同，即在相同的冲击波作用下不同的鱼类所受得伤害及死亡率差别很大。

3.2 空气冲击波的危害

空气冲击波对人和动物的伤害发生在正压或正压作用消失后的负压期，其不同强度的冲击波对不同的建筑物也有不同的损害程度。空气冲击波对人和建筑物的危害情况见表1和表2［3］。

表1 汽油及常用甲醇汽油燃料的主要性能参数

表2 空气冲击波超压、冲量与建筑物破坏程度关系

4 对爆破冲击波的防护措施

4.1 对空气冲击波的控制措施

由于冲击波强度与炸药能量的利用程度有关，可采用微差爆破或对柱状装药加强充填以及反向起爆等方式削弱冲击破的强度。除了常规防护措施，亦可在爆炸区域附近构筑阻波墙，可使空气冲击波产生后立即被减弱［10］。另外是可在爆炸物品上添加防爆罐、防爆毯和防爆盖等，可减少爆炸对人体或是建筑物的伤害。

4.2 对水下冲击波的控制措施

水下爆破由于作业的特殊性，即为了达到工程目的采用的药量都是保证充足的，这就表示危险源的控制作用非常微小；同时水下爆破冲击波的危害对象非常复杂，对危害对象的保护措施也增加了难度。故水下爆破的安全控制措施主要应放在冲击波的传播过程中［11］。采用的技术措施主要有：气泡帷幕防护技术和减振沟槽的减振作用［12］。气泡帷幕对水中特别是高频、短波长的冲击波具有较强的消减分压效果，但对低频动水压力和比冲量的削弱作用有限。此外，选择合适的延时起爆，可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［13］。如果将气泡帷幕与延时爆破相结合，就可显著地将水下爆破危害发生的可能性降低。

5 结论与建议

总的来说，为了控制水下爆破冲击波对生物的危害作用，应充分考虑对海洋生物的致伤以及致死效应，故水下爆破作业应该尽量避免禁渔期和捕捞旺季，另一方面，海洋生物的养殖区也应远离爆破作业区域或在作业期间暂时转移。再者，在大型爆破作业前可先采用小型的爆破措施，让鱼群远离作业区域，起到伤害程度较低的驱赶作用，从而减少对渔业资源的影响。另外，对于空气冲击波的安全技术措施主要有：一是要按设计药量装药，避免麻痹大意造成的装药量过大而出现的飞石、地震效应等；二是尽量采用微差爆破或齐发爆破，防止覆盖物被冲击波冲开；三是避免在封闭空间中爆破加强冲击波的反射作用和正压作用的时间。

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