水下控制爆破隔振气泡帷幕管减震技术

陈 理

（湖南水利水电职业技术学院，湖南 长沙 410131）

水下控制爆破是一种常见的水下工程施工技术，广泛应用于水下隧道、桥梁、码头等工程的建设中。然而，水下爆破施工过程中产生的冲击波和震动会对周围环境和结构物造成不可忽视的影响，因此如何有效减震成为水下工程施工中的一项重要挑战[1]。近年来，随着科技的不断进步和工程技术的发展，水下控制爆破隔振气泡帷幕管减震技术应运而生[2]。该技术利用气泡帷幕管在水下形成一道气泡屏障，通过阻挡冲击波的传播路径，起到减缓冲击波能量传播和减震的效果。与传统的减震手段相比，水下控制爆破隔振气泡帷幕管减震技术具有操作灵活、减震效果显著、环境友好等优势，逐渐成为水下工程施工中的一种重要方法[3]。

1 气泡帷幕结构及原理

1.1 气泡帷幕结构

水下爆破主要是指在水域制约区中放置爆源以后，与水体介质之间互相作用而达到爆破的效果。在水下施工和水下资源开发时，水下爆破发挥着十分重要的作用。气泡帷幕的具体位置为水下建筑物与爆破点之间的水底位置处，在建筑物前的钢管或者是塑料管上横向铺设好，将钻眼顺着钢管的两侧钻好；并在管道底部钻出小孔眼，实现对管道中积水的高效排出，在工作的过程中，从管道的一端或者是两端将压缩空气通入，压缩空气经过小孔眼喷射后，会有大量的小气泡升出水面，使得帷幕状的气泡和水混合而成“气泡帷幕”。对空气的可压缩性进行合理化的使用，水下爆炸产生的冲击波向气泡帷幕靠近时，空气与水介质密度存在着很大的差别，传递压力波速度相差很多倍，气泡就会吸收掉大量的能量，气泡会在几分之一毫秒或者是几毫秒之内被快速地压缩，对冲击波压力进行高效的吸收，几毫秒内完成膨胀后，接着向四周释放出全新峰值的低压力波，与原来没有受到干扰的冲击波比较，表现出来的主要特点为防护效果好、衰减快和削减多等，使得水下爆破给四周建筑物造成的影响被控制到最低。国内外在针对气泡帷幕开展研究工作时，具体的体现为工程实例研究和理论分析，表现出了较强的局限性，而针对数值计算的研究也少之又少。

使用气泡帷幕结构来控制水下爆破产生的冲击波时，整个工作过程表现出了较强的协同性和系统性，包含的主要内容有管理系统、减压装置、供气装置和其他附属装置等。在削弱水下爆破产生的冲击波时，水和防护层波阻抗突变发挥出了重要的作用。两种介质之间存在的波阻抗表现出了较强的不同性特点，随着波阻抗的不匹配程度逐渐变大，其给冲击波带来的削弱作用也会随之增加。气泡帷幕的形成过程及方式详见图1。

图1 气泡帷幕的形成过程及方式

1.2 气泡帷幕的作用原理

水下爆破时，冲击波会向外扩散，爆破区域开始爆破施工时，产生的冲击波会向气泡帷幕处不断地传导。气泡帷幕中的水下冲击波会有漫反射现象出现，削弱了冲击波的作用。气泡帷幕中的气泡在受到水下冲击波的作用以后，会有压缩的情况发生，压缩过程也就是吸收过程，不同程度地削弱了水下冲击波。传统的加尔基BB 理论里，对声学近似原理给予了合理化的使用，在表示水下冲击波的削弱程度时，使用的Bp公式为：

式中 Bp——压力降低程度的大小；

P0——气泡位置的深度静水压力（Pa）；

ρ1——水密度（kg/m3）；

c1——介质1 中波速（m/s）；

φ——空气在两个质中的体积比。

在推导上式时，需要将假定条件设置好，此外，在具体施工时，不仅要对计算中的影响因素给予充分的考虑，还要依据具体的施工内容，对可能会出现的不可预测性影响因素进行综合分析，高效地削弱了水下冲击波的作用。在具体实践的过程中，使用上述公式计算出来的结果仅作为参考，需要依据工程项目的具体试验结论来实现对客观数据信息的准确获取。

2 气泡帷幕削减作用

2.1 峰值压力衰减

分析气泡帷幕给水下爆破产生的冲击波峰值压力的削弱效果时，需要将监测点设置在水底不同的位置处。在设置水下监测点的具体位置时，需要将水下监测点设置在与气泡帷幕背爆面相距1 m 和3 m 的位置处；并在气泡帷幕迎爆面的1 m、3 m、6 m 和12 m 位置处设置水下监测点。经过综合分析和模拟计算以后，炮孔附近范围之内与水下爆破位置的距离比较短时，脉动压力、动水和水下冲击波会同时发挥一定的作用，其所产生的峰值压力值会表现出相对比较高的情况，经过一段时间以后，会出现再次的削弱。随着爆心距离的增加，与水下气泡帷幕迎爆面距离比较近的位置，受界面反射作用的影响会有很大的浮动出现。水下爆破产生的冲击波在气泡帷幕折射作用、吸收作用和反射作用的影响下，峰值压力数值也会出现不断地降低，使得削弱效果达到最理想的状态。

2.2 冲量缩减

对已经设置好的监测点进行充分的利用，实时监测和分析气泡帷幕给冲量衰减作用造成的影响，使用软件设备来模拟爆破过程和削弱产生的效果，全面而细致地分析气泡帷幕两侧监测点监测到的水下冲击波压力时程曲线信息，实现对气泡帷幕的高效监管。

3 创建气泡帷幕模型

以水下钻孔爆破的特征为基础，仔细研究气泡帷幕对水中冲击波相关参数起到的削减作用，积极开展水下钻孔爆破三维模型和气泡帷幕模型的创建工作。

3.1 基本假定

在对水中冲击波峰值压力和冲量进行计算时，使用的主要软件类型为AN-SYS/LS-DYNA 动力显式分析软件，实现对气泡帷幕条件下水中冲击波衰减规律的准确获取，为现场施工做好充分的准备工作。水下钻孔爆破环境的情况具有较强的复杂性特点，会受到水底覆盖层、水流速度的影响，数值模拟无法对所有的因素进行全面的考虑，所以要简化数值模型，将难以计算的次要因素忽略掉。

在对水下钻孔爆破模型进行综合分析以后，设置了以下假定条件：①对水底覆盖层的影响不予考虑；②对潮汐和水流速度不予考虑，同时对外力作用下的水面波动不予以考虑；③对介质均匀、持续和各向同性进行假定；④气泡膨胀和炸药爆炸过程要保持绝热过程；⑤不考虑系统热力学参数；⑥物体宏观几何特性要保持曲面或者是平面特点；⑦水介质和爆轰产物无需对其黏性进行考虑，全部都是可压缩流体。

3.2 材料模型

1）炸药的材料模型。材料模型的主要类型为MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型，JWL状态方程为：

式中JWL 状态方程的参数使用A、B、R1、R2和ω 表示；当前的相对体积使用V 表示。具体情况详见表1。

表1 炸药计算参数的具体情况

2）气泡帷幕材料模型。使用空气层等效简化气泡帷幕，MAT_NULL 模型是材料模型的具体情况，线性多项式状态方程EOS_LINEAR_POLYNOMIAL 的具体情况为：

式中 ρ——材料密度设置；

ρ0——材料初始密度设置；

E——材料的内能设置；

状态方程参数分别设置为C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6，其数值分别为-1.0×10-6、0、0、0、0.4、0.4、0。

3）岩石材料模型。对于岩石材料模型来说，使用的主要类型为塑性动力学MAT_PLASTIC_KINEMATIC 模型，在开展研究工作时，使用的模型为CowpeSymonds 模型，屈服应力σy与应变率ε 关系的具体情况为：

式中 ε——加载应变率设置（s-1）；

σ0——岩体初始屈服应力设置（Pa）；

E0——杨氏模量设置（Pa）；

C、P——Cowper Symonds 的应变率参数设置；

β——硬化参数设置，具体数值为0≤β≤1；

Etan——切线模量设置（Pa）；

εPe——有效塑性应变设置。

4）桥墩材料模型。对于桥墩的变形幅度来说，要保持在弹性范围以内，以此来当作弹性体。在开展模拟工作时，使用的材料模型类型为MAT_ELASTIC，材料密度值为2.65 g/cm3。

3.3 创建模型

模型的炮孔设置为Φ100 mm，水介质是主要的炮孔堵塞材料类型，孔深设置为7.6 m，装药高度要保持在5 m 左右，孔底预留的岩体为2 m，使用的炸药类型为2 号岩石乳化炸药，单个炮孔的总用药量设置为40 kg，起爆位置与孔底的距离保持为3.1 m。在模型中，被保护目标桥墩与炮孔轴线距离要保持20 m，使用空气层等效简化气泡帷幕，被保护目标与气泡帷幕的距离设置为5 m，建模计算采用cm、μs、g 单位制。在开展求解活动时，在对模型开展分析运算工作时，使用的主要程序为ANSYS/LSDYNA 程序，在LS-PREPOST 中导入结果后，完成分析工作。创建的三维有限元模型的具体情况详见图2。

图2 三维有限元模型

4 气泡帷幕结构形式及使用工艺实践应用

4.1 工程概况

核电厂的位置地势无起伏，三面环海，地形标高保持在40 m 以内，海岸斜坡具有较好的稳定性。爆破区域的具体情况为取水明渠渠内礁石水下爆破施工，爆破深度保持在8 m 以内，中风化-微风化花岗岩是地质结构的主要类型。

4.2 传感器布置及连接

通过设置传感器实现了对爆炸冲击波的高效监测，使用抛锚方式将重物固定在水面上，在浮体平台上悬挂传感器时，要使用尼龙绳、竹竿或者是钢筋完成悬挂任务。将一只传感器设置在帷幕前与爆炸中心设计距离处，帷幕后结合设计的具体情况来对传感器数量进行设置，每个间隔与帷幕前距离爆炸中心的距离相同。

4.3 爆破参数

每个礁区的炸礁船在施工的过程中，具体采用的施工方法为沿着渠道横向断面线，以梅花的形状进行布置。在垂直钻孔施工时，使用分层施工的理念来对底标高-10 m 开展设计工作。结合爆破工程的具体要求、岩石破碎块度、地质地形条件和松散度等信息，综合考虑钻机类型，实现对排距、孔距和抵抗线的合理化确定。药卷直径设置为11 cm，每米药卷的重量大约达到了10 kg，在药包引爆施工时，具体的起爆元件为非电雷管。在爆破施工时，使用单孔、单响与传爆网络并联的形式，在水下中深孔爆破施工时发挥出了最佳的作用。

4.4 水中冲击波

水属于不可压缩介质的范畴，所以需要对水下爆破产生的冲击波和安全问题给予重点的关注。水中爆破产生的水中冲击波会不断地向外传输，会有爆炸气态产物出现，从而使高气压脉动形成。气团在脉动的过程中，水中会有压力波和稀疏波出现。稀疏波的产生与气团体积达到的最大值比较接近，压力波则会与最小值相呼应。水下爆破还会给潮汐作业带来不同程度的影响，在作业时，要与相关单位保持紧密的联系，在爆破施工以前，要拉好警戒线来对取水明渠取水口靠大海方向进行围封，确保来往船只和人员的安全。

4.5 安装气泡帷幕管

在安装好防护钢闸门上的气泡帷幕管以后，启动喷气管，使气流不断地向水中喷射，并以气泡流形式存在，从而使气泡帷幕得以快速的形成，在气泡上升时，随着水压的逐渐减小，气泡会出现不同程度增大的情况，气泡浮出水面以后，会慢慢地破裂，使得被保护物得到有效防护。

4.6 气泡帷幕工作参数

气泡帷幕管的管径设置为5 cm，每片闸门的竖向管长度设置为16 m，横向管的数量设置为4 条，长度设置为4 m，通气孔设置在钢管上方。

5 结 语

在对水下爆炸冲击波进行削减时，气泡帷幕爆破技术发挥着重要的作用，削减效果非常理想，且效率比较高，能够达到九成以上，在水下爆破施工控制水中冲击波所造成的各种危害时发挥出了重要的作用。在有鱼类生态保护要求的情况下，采取气泡帷幕防护措施，能够将水下爆炸冲击波的危害衰减到最低，将给鱼类造成的危害程度控制到最小，实现对鱼类生态的高效保护，具有超强的可操作性。