西江航道水下爆破参数优化研究

陈艺 CHEN Yi；肖武宁 XIAO Wu-ning

（①广西壮族自治区航道养护中心，梧州 543000；②广西大学，南宁 530004）

0 引言

航道工程的发展随着国家的发展、人民的需求，在当下愈发快速，目前我国多地的河道难以满足当前的运输需求，在难以满足人民对更加丰富生活追求的同时也严重制约当地经济的发展。要大力发展航运就必须对河道进行礁石清理和疏浚，目前采用爆破的形式对河道进行改造是首选方法。虽然我国的水下爆破技术起步较晚，但得益于需求大项目多的环境，水下爆破研究方面进展极为迅猛。一大批专家学者对水下爆破的理论、机理及工程实践进行了大量的研究，取得了大量的成果[1-6]。但研究对象多数为裸露爆破，工况条件也较为理想，缺少对多炮孔下水下钻孔爆破的研究。迫切需要对水下钻孔爆破孔网参数进行优化研究，为水下钻孔爆破的设计与施工提供参考，因此，本文将开展相应的研究工作。

1 工程概况

“贵梧航道整治水下爆破工程”是广西自治区重点工程，其对于广西的经济建设、民生福祉具有重要现实意义。西江航运干线贵港至梧州3000 吨级航道工程项目，主要在原航道基础之上进行航道的拓宽、疏浚以及炸礁。工程具体整治滩段如表1 所示。

表1 西江贵梧航道段整治滩段

表2 传统水下钻孔爆破单位炸药消耗量取值kg/m3

西江贵港至梧州航道整治工程中，长洲坝段位于梧州市区域内，贵港至桂平航道段全线沿郁江下段弯曲展布，多数处于郁江流域平原区内，部分为低山丘陵区，覆盖层以砂卵砾石为主，局部为基岩裸露，岩体主要为砂岩及灰岩。本航道整治工程内水深为4m-15m。

2 爆破参数优化设计

未优化的水下爆破参数设计：

①炮孔直径：d=100mm（炮孔直径通常取75mm-150mm）。

②最小抵抗线：W=（20-30）d=2.0m~3.0m。

③国内水下钻孔超深值一般取c=1.0m~2.0m，具体取值需要根据岩石坚硬系数选择。

④孔距a=2.0m~2.5m、排距b=1.6m~2.4m。结合现场实际情况考虑，本水道孔网参数为a=2.0m、b=2.0m。

⑤单孔装药量。

Q=qabH

q——单位炸药消耗量，根据水下岩石破碎，取1.1 kg/m3～1.4kg/m3，本水道取q=1.3kg/m3。

H——孔深（包括超深），m。

可以得到计算单孔药量Q=23.4kg，结合实际工程情况，可得实际单孔药量Q=24kg。

装药结构：

雷管采用高精度的数码电子雷管，同时起爆方式采用分段起爆，可在保证爆破效果的同时也能够降低爆破振动危害。水下爆破通常是将炸药堵塞体都在船上装好后再送入水下钻孔当中，能够同时保证堵塞长度和装药质量。具体装药结构如图1 所示。

图1 装药结构示意图

孔网结构：

因为水下爆破所采用的钻孔设备为水下爆破钻孔作业船，因此为方便作业船操作的同时提高作业效率，炮孔的布置选择矩形布置，每排六个炮孔，根据现场情况设置起爆段数，利用电子数码雷管的特性进行高精度毫秒微差爆破，段间延时为50 毫秒，排间延时时间为100 毫秒。具体爆破网络图如图2 所示。

图2 爆破网络示意图

爆破参数的优化：

在水下爆破工程实践中，往往因水深不同而导致待爆岩体的水压不同，有研究表明水压对于水下爆破的爆破效果具有较大影响，水深为10m 以上时，炸药的爆速下降11%，猛度下降10%[7]。而本工程中水深为4m-15m，有较大变化，因此在进行本工程的水下爆破时考虑水深条件是十分必要的。

通过数值模拟，对不同水深情况下采用不同爆破参数的爆破效果进行了对比分析。

数值模型的建立：

采用爆破工程常用的ANSYS/LS-DYNA 进行数值模拟，LS-DYNA 是一种显式动态有限元程序，专注于求解高速和大变形问题。它广泛用于模拟汽车碰撞、空气袭击、爆炸、金属成形等应用领域。LS-DYNA 的主要焦点是解决瞬态问题和复杂非线性现象。

主要特点：

显式求解器：LS-DYNA 使用显式求解器来模拟瞬态现象，这使得它适用于高速碰撞和爆炸等事件。

大变形材料模型：LS-DYNA 提供多种材料模型，可以准确地描述大变形、高应变率和断裂等材料行为。

丰富的材料模型：LS-DYNA 支持各种复杂材料的建模，如复合材料、泡沫材料等。

多物理场耦合：LS-DYNA 也支持结构-流体耦合、结构-热耦合等多物理场问题。

LS-DYNA 常用的算法有三种，分别是拉格朗日算法（Lagrange）、欧拉算法（Euler）以及流固耦合算法（Arbitrary Lagrange-Euler，ALE）。

拉格朗日算法和欧拉算法是两种常用的数值计算方法，用于求解连续介质力学问题，如流体动力学、固体力学等。它们分别基于拉格朗日和欧拉两种坐标系，各自有其适用的领域和优缺点。

①拉格朗日算法（Lagrange）。

拉格朗日算法是一种以物体自身的质点为基准的坐标系。在拉格朗日算法中，通过追踪物体上各个质点的运动轨迹来描述物体的运动和变形。质点的位置由其在初始状态的坐标和与时间有关的位移函数表示。

主要特点：

自适应网格：拉格朗日算法适用于处理大变形和运动较快的问题，因为网格随着物体的运动而移动，能够准确地跟踪物体的形状变化。

容易处理接触和变形：由于质点的运动轨迹总是与物体自身相关，因此在处理物体接触和大变形等问题时比较方便。

②欧拉算法（Euler）。

欧拉算法是一种以固定坐标系为基准的坐标系。在欧拉算法中，计算域不随时间变化，物体的运动和变形都是相对于固定的坐标系进行的。物体上各点的物理量如速度、压力等是空间和时间的函数。

主要特点：

网格固定：欧拉算法适用于稳态和缓变形问题，网格不随时间变化，因此适用于研究物体在静止或缓慢运动情况下的行为。

简单易实现：欧拉算法的算法较为简单，容易实现，并且计算效率较高。

③流固耦合算法（Arbitrary Lagrange-Euler，ALE）。

流固耦合算法是一种用于模拟流体和固体之间相互作用的数值计算方法。这种方法结合了拉格朗日（Lagrange）和欧拉（（Euler）两种坐标系的优点，使得它在处理流体和固体之间的运动和变形时具有很好的适应性。

在传统的欧拉算法中，计算域随时间固定，流体和固体的运动和变形都是相对于固定的坐标系进行的。这对于处理固体问题非常有效，但在模拟流体的运动时会遇到一些困难，尤其是在涉及大变形和运动较快的情况下。

相比之下，拉格朗日算法将计算域与物体一起运动，使得它对于模拟大变形和运动较快的问题非常有效。然而，拉格朗日算法在处理自由表面和流体结构相互作用时可能会有一些困难。

ALE 方法通过将拉格朗日算法和欧拉算法结合起来，克服了单一方法的局限性。它采用了以下主要思想：

流体区域：在流体区域中，使用欧拉坐标系，通过求解Navier-Stokes 方程来描述流体的运动和变形。

固体区域：在固体区域中，使用拉格朗日坐标系，通过求解固体的运动方程来描述固体的运动和变形。

插值技术：在流固界面上，通过插值技术将流体和固体之间的物理量进行交换，实现流体和固体之间的信息传递。

坐标网格更新：在每个时间步长，对流体区域的网格进行更新，以适应固体的运动和变形。

ALE 方法的优势在于它能够处理流体和固体之间的相互作用，同时允许流体网格和固体网格的运动和变形。因此，ALE 方法在模拟涉及流体-结构相互作用的问题时非常有用，如液体中的结构物运动、船舶的波浪荷载、流体中的运动物体等。

综上所述，流固耦合算法更适合应用于爆破工程当中，因此选择流固耦合算法进行模拟。

同时，因为实际工程实践当中，影响因素非常多，情况非常复杂，普通计算机的算力无法进行模拟工作，因此必须对模型进行合理简化，只考虑水深和待爆岩体（连续且各向均匀），并且将复杂的河床面设置为光滑的曲面或者平面。如此将复杂的实际工况抽象为较为理想的状态进行模拟工作。

边界条件：

通过在水面施加一个大气压力来模拟空气对模型的影响，采用*DEFINE_CURVE 关键词实施。

状态方程和模型材料：

本模型一共三种材料，分别为岩体、水和炸药，三种材料的本构模型和状态方程如下所述。

①岩体材料。

岩体的本构模型采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC相应材料。岩体的屈服应力σy和应变率ε 之间存在如下式所述的关系。

式中，σ0为岩体初始屈服强度极限；C、P 为应变率参数；E0为杨氏模量；E1为切线模量；β 为各向同性参数；εp为有效的塑性变形。

长洲枢纽位于龙圩水道上游，根据第二章岩芯采样数据，可以得到模拟岩石计算参数。具体岩石材料模型参数如表3 所示。

表3 岩石材料及计算参数

岩石破坏准则采用拉剪破坏形式进行描述，采用*MAT_ADD_EROSION 关键字进行描述。

②爆炸介质及状态方程。

爆炸介质采用炸药燃烧材料模型*MAT_HIGH_EXP LOSIVE_BURN，结合JWL 状态方程描述炸药产生的爆轰压力。具体如下式所示。

式中，参数A、B、R1、R2、ω 为JWL 特征参数；E 为炸药蕴含内能；V 为相对体积。

实际爆破工程中，炸药采用的是2#岩石乳化炸药，其模型炸药材料参数以及状态方程，如表4 所示。

表4 2# 岩石乳化炸药及计算参数

③水介质及状态方程。

水介质采用*MAT_NULL 描述，用*EOS_GRUNEIS EN 表征水的状态方程，密度为1000kg/m3，如图3 所示。

图3 水下岩体破坏过程数值模拟

图4 优化爆破参数后爆破效果

得出了如下结论：

①当单耗不变的情况下，水越深爆破效果越差；

②炮孔的孔排距与炮孔直径呈正比关系；

③在考虑经济效益比的情况下，本工程的最佳炮孔直径为115mm；

④在水深5m 以内时，最佳单耗取1.3kg/m3，孔排距为2.2m*2m；水深8m 时，最佳单耗取1.7kg/m3，孔排距为2m*2m；水深12m 时，最佳单耗取2.0kg/m3，孔排距为2m*1.7m；水深15m 时，最佳单耗取2.1kg/m3，孔排距为2m*1.5m。

根据数值模拟结果，对爆破参数进行优化，优化后的参数如下：

①炮孔直径：d=115mm（炮孔直径通常取75mm-150mm）。

②最小抵抗线：当水深8m 以内时取2m，水深12m 取1.7m，水深15m 取1.5m。

③水下钻孔超取值，5m 以内取1.5m，8m 以及12m 和15m 取2m。

④孔距水深5m 以内取2.2m，水深8m 取2m，水深12m 和15m 取2m。

⑤单孔装药量。

Q=KqabH

K 为水深影响系数取1.2。q 根据模拟水深5m 以内取1.3kg/m3，水深8m 取1.7kg/m3，水深12m 取2.0kg/m3，水深15m 取2.1kg/m3。

3 爆破结果对比分析

采用经过优化后的爆破参数对该工程进行水下爆破施工后，施工效率大为提升，相比之前的水下爆破施工作业，极大减少了返工的频次，一次清理到位的情况大为提升。爆破后大块率明显下降，大大降低了后续清理成本，工期较原计划提前三个月完工，实现了较为明显的降本增效作用。

4 总结

①通过进行不同水深条件下爆破数值模拟，得出了水深对于爆破效果具有极大影响；

②得出了在水深5m，8m，12m 以及15m 条件下该项目的最佳爆破参数；

③通过现场试验验证了数值模拟应用与水下爆破工程的可行性；

④对比得出了传统经验公式在水下爆破的应用当中确实存在一定的不足之处。