柏 江 源

(湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421001)

0 引言

水路交通在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的價(jià)值不斷凸顯，開(kāi)發(fā)新航道和對(duì)老舊航道進(jìn)行整治愈發(fā)迫切。在新舊航道建設(shè)相關(guān)工程中，水下爆破是極為重要的工程技術(shù)和建設(shè)手段。在水下爆破過(guò)程中，爆炸產(chǎn)生的沖擊波會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生諸多不利影響。除此之外，在爆破過(guò)程中的安全控制也屬于難點(diǎn)問(wèn)題之一。因此，實(shí)踐操作中利用了諸多技術(shù)手段對(duì)水下爆破時(shí)產(chǎn)生的沖擊波進(jìn)行控制和削弱，以減弱對(duì)周邊環(huán)境的影響。本文中討論的氣泡帷幕技術(shù)是在實(shí)踐中運(yùn)用較為廣泛的水下沖擊波削弱技術(shù)，且可以產(chǎn)生較好的控制效果。

1 氣泡帷幕結(jié)構(gòu)及其原理

1.1 氣泡帷幕結(jié)構(gòu)

運(yùn)用該技術(shù)對(duì)水下爆破產(chǎn)生的沖擊波進(jìn)行控制時(shí)，需要一整套系統(tǒng)的協(xié)同工作。該套系統(tǒng)內(nèi)包含了供氣裝置、減壓裝置、管路系統(tǒng)以及其他附屬裝置。通常情況下，水和防護(hù)層波阻抗突變?cè)谒卤飘a(chǎn)生的沖擊波的削弱方面作用關(guān)鍵。兩種介質(zhì)之間存在不同的波阻抗，通常情況下，波阻抗的不匹配程度越大，對(duì)沖擊波的削弱作用越大。氣泡帷幕的形成過(guò)程和方式如圖1所示。

1.2 氣泡帷幕的作用原理

在水下爆破的過(guò)程中，其產(chǎn)生的沖擊波會(huì)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散，如圖1所示，當(dāng)爆破區(qū)域開(kāi)始爆破，其產(chǎn)生的沖擊波會(huì)逐漸傳導(dǎo)至氣泡帷幕處。水下沖擊波在氣泡帷幕中會(huì)產(chǎn)生漫反射現(xiàn)象，此時(shí)會(huì)對(duì)沖擊波有一定的削弱作用。其次，氣泡帷幕中的氣泡在受到水下沖擊波的影響時(shí)會(huì)被壓縮，壓縮的過(guò)程實(shí)質(zhì)上為吸能過(guò)程，此時(shí)可對(duì)水下沖擊波的能量進(jìn)行削弱。除此之外，氣泡與水體之間的聲阻抗會(huì)產(chǎn)生突變，使得壓力不斷降低，達(dá)到削弱水下沖擊波的效果。

在傳統(tǒng)的B.B.加爾基理論中，其參照了聲學(xué)近似原理，使用Bp對(duì)水下沖擊波的削弱程度進(jìn)行了表示。公式如下：

其中，Bp為壓力降低的程度大小；p0為氣泡位置的深度靜水壓力，Pa；ρ1為水密度；φ為空氣在兩相介質(zhì)中的體積比情況。上式的推導(dǎo)過(guò)程中，需要具備一定的假定條件，除此之外，在實(shí)際施工過(guò)程中，除了計(jì)算中有所涉及的影響因素外，還會(huì)根據(jù)實(shí)際工程情況的不同，產(chǎn)生另外的不可預(yù)測(cè)的影響因素，這些因素對(duì)于水下沖擊波的削弱作用都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因此，在實(shí)踐過(guò)程中，根據(jù)上述公式計(jì)算出的結(jié)果僅可以作為參考數(shù)據(jù)使用，更加客觀的數(shù)據(jù)需要通過(guò)工程實(shí)驗(yàn)獲取。

2 氣泡帷幕削減作用

2.1 對(duì)峰值壓力的衰減

為了研究氣泡帷幕對(duì)水下爆破產(chǎn)生的沖擊波的峰值壓力進(jìn)行削弱的效果，需要在水底的不同位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。水下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體設(shè)置方法為：在距離氣泡帷幕的背爆面的1 m和3 m的位置分別設(shè)立一個(gè)水下監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在距離氣泡帷幕迎爆面1 m，3 m，6 m以及12 m的位置分別設(shè)置一個(gè)水下監(jiān)測(cè)點(diǎn)。通過(guò)模擬計(jì)算和分析可以得出以下結(jié)論：在炮孔附近的范圍內(nèi)，如果該范圍離水下爆破位置的距離較短，其會(huì)受到水下沖擊波、動(dòng)水以及脈動(dòng)壓力的共同作用。因此，其產(chǎn)生的峰值壓力的數(shù)值相對(duì)較高，而后在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生衰減情況。但是，爆心距不斷增大，在水下氣泡帷幕的迎爆面較近的范圍內(nèi)，在界面反射作用的影響下，將出現(xiàn)較大的浮動(dòng)。其后，水下爆破產(chǎn)生的沖擊波會(huì)受到氣泡帷幕中氣泡的漫反射作用、吸收作用以及折射作用的影響，其峰值壓力數(shù)值將快速下降，產(chǎn)生較好的削弱效果。

2.2 對(duì)沖量的縮減

在已經(jīng)設(shè)置好的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將繼續(xù)對(duì)氣泡帷幕對(duì)沖量的衰減作用進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，同樣將利用軟件對(duì)爆炸過(guò)程以及削弱效果進(jìn)行模擬。首先，需要對(duì)氣泡帷幕兩側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)到的水下沖擊波壓力時(shí)程曲線(xiàn)進(jìn)行分析計(jì)算。圖2～圖4分別為不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的水下沖擊波沖量時(shí)程示意圖。

結(jié)合圖示數(shù)據(jù)所顯示的模擬計(jì)算結(jié)果，水下爆破產(chǎn)生的水下沖擊波的峰值壓力較高的區(qū)域一般都聚集在炮孔附近，該區(qū)域的峰值壓力增長(zhǎng)速度快，但是在隨后會(huì)出現(xiàn)峰值壓力的快速下降，此時(shí)時(shí)間積分值仍然會(huì)繼續(xù)上升，但是上升速度有所減弱。距離爆心越遠(yuǎn)的位置，由于水下爆破產(chǎn)生的沖擊波會(huì)在水下傳導(dǎo)的過(guò)程中不斷被削弱，因此，其壓力峰值也會(huì)不斷下降。之后，水下沖擊波會(huì)在水下傳導(dǎo)至氣泡帷幕區(qū)域，沖擊波在經(jīng)過(guò)氣泡帷幕時(shí)同樣會(huì)受到氣泡帷幕內(nèi)氣泡產(chǎn)生的壓縮作用、漫反射作用的影響，導(dǎo)致其壓力峰值會(huì)快速下降。因此，通過(guò)分析可知，氣泡帷幕對(duì)水下沖擊波沖量的縮減效應(yīng)明顯。

3 結(jié)論

本文主要針對(duì)氣泡帷幕對(duì)水下爆破過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊波的削弱作用進(jìn)行了模擬計(jì)算和研究，并根據(jù)模擬分析的結(jié)果得出了以下結(jié)論：

1)氣泡的帷幕的設(shè)計(jì)位置將直接影響到其對(duì)水下沖擊波削弱作用的大小。通常情況下，氣泡帷幕在距離爆破點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置時(shí)，對(duì)沖擊波的削弱作用越小，即水下氣泡帷幕與爆破點(diǎn)的距離越近，對(duì)沖擊波的削弱作用越強(qiáng)。但是，仍需要對(duì)兩者的距離進(jìn)行一定的限制，氣泡帷幕不能無(wú)限接近于爆破點(diǎn)。根據(jù)模擬結(jié)果顯示，在氣泡帷幕距離爆破位置5 m時(shí)，對(duì)水下沖擊波的削弱作用將達(dá)到最佳狀態(tài)。

2)為了減弱水下爆破活動(dòng)對(duì)周邊物體產(chǎn)生不利影響，氣泡帷幕技術(shù)是一種實(shí)用性較強(qiáng)，作用較為顯著的水下沖擊波削弱技術(shù)。因此，在相關(guān)工程項(xiàng)目中，應(yīng)當(dāng)充分利用氣泡帷幕技術(shù)以減弱水下爆破帶來(lái)的不利影響。

3)本文中的結(jié)論是基于模型假設(shè)得出的，在具體施工的過(guò)程中，仍然會(huì)出現(xiàn)其他因素對(duì)實(shí)際削弱作用產(chǎn)生影響，因此，實(shí)際施工中要結(jié)合具體情況進(jìn)行模擬和分析。