水下钻孔爆破减震孔与气泡帷幕协同减震效果研究

曹 棉 李嘉龙 邹永胜 李春军 吴 立

(1.长江重庆航道工程局,重庆 400011；2.中国地质大学(武汉)工程学院,武汉 430074)

随着我国“一带一路”倡议的推进,水运事业必将迎来高速发展的时期,此时提高河流航道通航等级就成为亟需解决的问题,而疏通航道一般都会涉及水下爆破,当水下爆破工程紧邻各类建筑物时,爆破时产生的地震波和冲击波等会对建筑物产生一定程度的危害甚至损坏建筑物.合理而有效地控制或减少水下爆破产生的有害效应,保证紧邻重要建筑物的安全和稳定,已成为航道疏通工程中需要解决的一项重要课题[1-4].近年来随着计算机技术的高速发展,一些大型模拟软件应运而生,并且被广泛应用于各种工程项目,例如大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA,它能够模拟各种复杂的高速碰撞、爆炸等非线性动力冲击问题,特别是对于爆破过程的模拟有着较为接近的效果[5].

陈春歌,梁开水[6-7]等利用LS-DYNA 软件,模拟减震沟在水下爆破作业时对陆上建筑的保护,减震效果明显.杨典光[8]运用Midas/GTS软件模拟得出减震孔具有一定的隔震作用.谢达建,刘欣,等[9-10]运用数值模拟方法研究了气泡帷幕对水中冲击波衰减特性,得出气泡帷幕对水中冲击波有明显的削弱效果.邵鲁中,龙源,孙远征,等[11]通过试验得到气泡帷幕手段对特定频率的冲击波有良好的削弱效果.张志波,李春军,李红勇,等[12]通过对三峡大坝水下爆破震动控制工程的实际研究与应用,证明气泡帷幕能有效削减爆破震动所产生的水中冲击波能量.

综上所述,关于水下爆破减震方面的研究仅限于减震孔和气泡帷幕单独作用的情况,对于二者的协同作用并没有相关方面的研究,因此采用ANSYS/LSDYNA 模拟软件[4],建立水下钻孔爆破三维计算模型,对减震孔与气泡帷幕协同作用下的减震效果进行研究,为实际爆破工程中合理而有效地控制或减少水下爆破产生的有害效应提供理论参考.

1 工程概述

万州长江公路大桥位于重庆万州城区,是一座特大跨度钢筋砼箱形拱桥,由于三峡水库的修建,蓄水以后大桥的拱圈将被部分淹没,拱圈与水面斜交,大桥两岸部分立柱处于水中.由于大桥拱圈的防撞能力较弱,而且蓄水后船舶载重增大,一旦船舶失控偏离航道碰撞拱圈,容易引发严重的桥梁安全事故.为了保证桥梁在正常通航情况下的安全使用,拟采取拱形水上升降式防撞装置保护桥梁安全,如图1所示.用水下钻孔爆破的方式进行防撞设施的水下基坑及基槽的开挖,但是爆区距桥梁立柱近,所以爆破施工既要保证爆破效果又要保证紧邻万州长江公路大桥及导向井的安全.

图1 施工现场示意图

2 计算模型与参数

2.1 数值模型的建立

关于减震孔与气泡帷幕协同作用的数值模拟模型,在考虑实际情况的基础上,结合数值模拟技术的特点,建立4个模拟模型,分别为气泡帷幕单独作用的模型、减震孔单独作用的模型、气泡帷幕与减震孔协同作用的模型与无任何措施的对照模型.如图2所示.岩层厚度8 m,根据工程实际爆破施工情况进行简化,炮孔总长度取为6 m,其中钻孔超深为1.5 m,装药高度3.5 m,堵塞长度1 m,孔底部预留2 m 岩体,炮孔直径为100 mm,装药直径为70 mm,使用2号岩石乳化炸药,炮孔孔距2.5 m,排距2.0 m,炮孔和炸药之间采用水耦合,不耦合系数为1.43；其中减震孔直径为110mm,设置4排,每排设置20个减震孔,孔间距为0.5 m,减震孔与炮孔中心的最近距离为15 m；气泡帷幕距离桥墩的距离为5 m.建模过程中水、空气和炸药3种材料采用欧拉建模,岩体和桥墩采用拉格朗日网格建模,单元使用多物质ALE 算法[13].数值模型采用cm-g-μs单位制[4-6],具体数值模拟模型如图2所示.

2.2 材料计算参数

1)炸药、水与空气的材料模型

建模时炸药、水与空气的材料模型参照参考文献[1].

2)岩石

经过现场实验及室内力学实验,水下爆破岩体为中风化砂岩,具体物理力学参数见表4.

3)钢筋混凝土

万州公路长江大桥的钢筋混凝土材料物理力学参数见表5.

图2 水下爆破数值模型

表4 中风化砂岩岩体物理力学参数

表5 钢筋混凝土桥梁材料参数

3 计算结果及分析

3.1 气泡帷幕单独作用效果

为研究气泡帷幕单独作用时的减震效应,沿桥梁从上至下依次选取8个特征单元A-H 作为当前活动单元(如图3所示),以分析它们振动速度随时间变化特征.图4、图5分别为气泡帷幕单独作用时特征单元A 的振动速度随时间的变化图以及A-H 号特征单元峰值合成振动速度变化图.

图3 特征单元位置图

图4 气泡帷幕单独作用时特征点A速度-时间变化图

图5 气泡帷幕单独作用时A-H 号特征单元峰值合成振动速度图

图6、图7分别为无任何减震措施时特征单元A的振动速度随时间的变化图以及A-H 号特征单元峰值合成振动速度变化图.

图6 无减震措施时特征点速度-时间变化图

图7 无减震措施时A-H 号特征单元峰值合成振动速度图

根据数值模拟结果,无减震措施时桥梁处特征点的峰值合成振动速度在起爆后迅速增大并达到峰值0.605 cm/s,随后在小于0.25 cm/s的范围内上下波动,并于0.07 s左右开始趋于收敛.气泡帷幕单独作用时峰值合成振动速度仍然在起爆后迅速增大并达到峰值0.252 cm/s,随后在小于0.15 cm/s的范围内上下波动,并于0.06 s左右开始趋于收敛.由于高程放大效应的存在,无论是无减震措施时还是气泡帷幕单独作用的情况下,A-H 号特征单元的峰值合成振动速度都随着高程的降低有所减小.通过对比图4～7可以得出,桥梁处特征点峰值合成振动速度在气泡帷幕存在时有明显的减小,采取气泡帷幕措施后A～H 号特征单元峰值合成振动速度平均减小率为46.33%,符合理论分析结果,说明采用气泡帷幕措施对桥梁振动速度有明显的减小作用.

3.2 减震孔单独作用效果

继续选取图3中A-H 8个特征点,研究减震孔单独作用时的减震效应.图8、图9分别为减震孔单独作用时特征单元A 的振动速度随时间的变化图以及A-H 号特征单元峰值合成振动速度变化图.

图8 减震孔单独作用时特征单元速度-时间变化图

图9 减震孔单独作用时A-H 号特征单元峰值合成振动速度图

根据数值模拟结果,减震孔单独作用时峰值合成振动速度在起爆后迅速增大并达到峰值0.195 cm/s,随后在小于0.1 cm/s的范围内上下波动,并于0.05 s左右开始趋于收敛.A-H 号特征单元的高程放大效应依然存在.而且桥墩处特征单元峰值合成振动速度比无减震措施存在时有明显的减小,采取减震孔措施后A-H 号特征点峰值合成振动速度平均减小率为57.86%,对比气泡帷幕单独作用的平均减小率46.33%,说明减震孔的减震效果优于气泡帷幕.

3.3 气泡帷幕与减震孔协同作用效果

继续选取图3中A-H 8个特征点,研究气泡帷幕与减震孔协同作用的效果.图10、图11 分别为气泡帷幕与减震孔协同作用时,特征单元振动速度随时间的变化特征.

图10 气泡帷幕与减震孔协同作用时特征单元速度-时间变化图

图11 气泡帷幕与减震孔协同作用时A-H 号特征单元峰值合成振动速度图

根据数值模拟结果,减震孔和气泡帷幕协同作用下,桥梁处特征点的峰值合成振动速度在起爆后迅速增大并达到峰值0.094 9 cm/s,随后在小于0.06 cm/s的范围内上下波动,并于0.08 s左右开始趋于收敛.减震孔与气泡帷幕协同作用下A-H 号特征单元峰值合成振动速度平均减小率为77.63%.对比气泡帷幕单独作用的减小率46.33%和减震孔单独作用的平均减小率57.86%,同时采用两种措施使桥墩特征单元峰值合成振动速度降低幅度更大.说明减震孔与气泡帷幕协同作用效果较单独一种措施效果更好,减震孔和气泡帷幕同时使用,将大大提高单独作用的减震效果.工程中为了更好地削弱水下爆破产生的有害效应,建议将减震孔和气泡帷幕两种措施同时使用,提高减震效果,保证紧邻重要建(构)筑安全.

4 现场监测以及效果评价

现场采用爆破参数如下：工程采用冲击潜孔钻进方法,钻孔直径D=100 mm,总长度为6 m,其中钻孔超深2 m,装药高度3.2 m,装药直径为70 mm,堵塞长度0.8 m,炮孔孔距2.5 m,排距2.0 m,孔内设置两个起爆体,起爆体用乳化炸药,长0.3 m,直径70 mm,每个起爆体中安放两发相同毫秒延时电雷管.

水下爆破施工环境复杂,为了能全面掌握和控制爆破开挖对万州长江大桥的影响,对爆破施工全过程进行现场监测,在桥梁布设了监测点,监测仪器则采用TC-4850型爆破测振仪,如图12所示,监测结果见表6.

图12 监测仪器及监测示意图

表6 现场监测数据

对表6的试验实测与预测结果进行对比分析可知,振速实测结果与预测值相对误差最大为17.52%,最小为8.12%,振动速度对比曲线如图13所示,误差范围未超过20%,说明预测结果具有一定的可靠性.振速实测结果最大值为0.117 cm·s-1,最小为0.092 8 cm·s-1,远小于规范要求,说明在减震孔与气泡帷幕的协同减震作用下万州长江公路大桥能够安全服役.

图13 监测结果示意图

5 结 论

通过对万州长江公路大桥水下钻孔爆破防撞设施水下爆破工程数值模拟计算结果和爆破振动监测结果进行分析,可得到以下结论：

1)桥梁处特征单元的峰值合成振动速度在起爆后迅速增大并达到峰值,随后在远小于峰值的范围内持续波动,最后在0.05～0.08 s的时间内开始收敛.由于高程放大效应,合成振动速度峰值大小随着高程的降低逐渐减小.

2)减震孔和气泡帷幕单独作用时桥梁处特征单元峰值合成振动速度都比无减震措施存在时有明显的减小,并且减震孔单独作用时特征点峰值合成振动速度平均减小率大于气泡帷幕单独作用时的减小率,说明减震孔对地震波削弱作用优于气泡帷幕.

3)减震孔和气泡帷幕协同作用时,桥墩特征单元峰值合成振动速度的降低幅度明显大于两种减震措施单独作用时的降低幅度.说明减震孔与气泡帷幕协同减震效果明显优于单一措施.在实际监测中,减震孔与气泡帷幕的协同作用有效地减弱了水下钻孔爆破工程对大桥的影响,使万州长江公路大桥处于安全状态.