陳藝 CHEN Yi；肖武寧 XIAO Wu-ning

（①?gòu)V西壯族自治區(qū)航道養(yǎng)護(hù)中心，梧州 543000；②廣西大學(xué)，南寧 530004）

0 引言

航道工程的發(fā)展隨著國(guó)家的發(fā)展、人民的需求，在當(dāng)下愈發(fā)快速，目前我國(guó)多地的河道難以滿(mǎn)足當(dāng)前的運(yùn)輸需求，在難以滿(mǎn)足人民對(duì)更加豐富生活追求的同時(shí)也嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。要大力發(fā)展航運(yùn)就必須對(duì)河道進(jìn)行礁石清理和疏浚，目前采用爆破的形式對(duì)河道進(jìn)行改造是首選方法。雖然我國(guó)的水下爆破技術(shù)起步較晚，但得益于需求大項(xiàng)目多的環(huán)境，水下爆破研究方面進(jìn)展極為迅猛。一大批專(zhuān)家學(xué)者對(duì)水下爆破的理論、機(jī)理及工程實(shí)踐進(jìn)行了大量的研究，取得了大量的成果[1-6]。但研究對(duì)象多數(shù)為裸露爆破，工況條件也較為理想，缺少對(duì)多炮孔下水下鉆孔爆破的研究。迫切需要對(duì)水下鉆孔爆破孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，為水下鉆孔爆破的設(shè)計(jì)與施工提供參考，因此，本文將開(kāi)展相應(yīng)的研究工作。

1 工程概況

“貴梧航道整治水下爆破工程”是廣西自治區(qū)重點(diǎn)工程，其對(duì)于廣西的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、民生福祉具有重要現(xiàn)實(shí)意義。西江航運(yùn)干線(xiàn)貴港至梧州3000 噸級(jí)航道工程項(xiàng)目，主要在原航道基礎(chǔ)之上進(jìn)行航道的拓寬、疏浚以及炸礁。工程具體整治灘段如表1 所示。

表1 西江貴梧航道段整治灘段

表2 傳統(tǒng)水下鉆孔爆破單位炸藥消耗量取值kg/m3

西江貴港至梧州航道整治工程中，長(zhǎng)洲壩段位于梧州市區(qū)域內(nèi)，貴港至桂平航道段全線(xiàn)沿郁江下段彎曲展布，多數(shù)處于郁江流域平原區(qū)內(nèi)，部分為低山丘陵區(qū)，覆蓋層以砂卵礫石為主，局部為基巖裸露，巖體主要為砂巖及灰?guī)r。本航道整治工程內(nèi)水深為4m-15m。

2 爆破參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

未優(yōu)化的水下爆破參數(shù)設(shè)計(jì)：

①炮孔直徑：d=100mm（炮孔直徑通常取75mm-150mm）。

②最小抵抗線(xiàn)：W=（20-30）d=2.0m~3.0m。

③國(guó)內(nèi)水下鉆孔超深值一般取c=1.0m~2.0m，具體取值需要根據(jù)巖石堅(jiān)硬系數(shù)選擇。

④孔距a=2.0m~2.5m、排距b=1.6m~2.4m。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況考慮，本水道孔網(wǎng)參數(shù)為a=2.0m、b=2.0m。

⑤單孔裝藥量。

Q=qabH

q——單位炸藥消耗量，根據(jù)水下巖石破碎，取1.1 kg/m3～1.4kg/m3，本水道取q=1.3kg/m3。

H——孔深（包括超深），m。

可以得到計(jì)算單孔藥量Q=23.4kg，結(jié)合實(shí)際工程情況，可得實(shí)際單孔藥量Q=24kg。

裝藥結(jié)構(gòu)：

雷管采用高精度的數(shù)碼電子雷管，同時(shí)起爆方式采用分段起爆，可在保證爆破效果的同時(shí)也能夠降低爆破振動(dòng)危害。水下爆破通常是將炸藥堵塞體都在船上裝好后再送入水下鉆孔當(dāng)中，能夠同時(shí)保證堵塞長(zhǎng)度和裝藥質(zhì)量。具體裝藥結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

孔網(wǎng)結(jié)構(gòu)：

因?yàn)樗卤扑捎玫你@孔設(shè)備為水下爆破鉆孔作業(yè)船，因此為方便作業(yè)船操作的同時(shí)提高作業(yè)效率，炮孔的布置選擇矩形布置，每排六個(gè)炮孔，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)置起爆段數(shù)，利用電子數(shù)碼雷管的特性進(jìn)行高精度毫秒微差爆破，段間延時(shí)為50 毫秒，排間延時(shí)時(shí)間為100 毫秒。具體爆破網(wǎng)絡(luò)圖如圖2 所示。

圖2 爆破網(wǎng)絡(luò)示意圖

爆破參數(shù)的優(yōu)化：

在水下爆破工程實(shí)踐中，往往因水深不同而導(dǎo)致待爆巖體的水壓不同，有研究表明水壓對(duì)于水下爆破的爆破效果具有較大影響，水深為10m 以上時(shí)，炸藥的爆速下降11%，猛度下降10%[7]。而本工程中水深為4m-15m，有較大變化，因此在進(jìn)行本工程的水下爆破時(shí)考慮水深條件是十分必要的。

通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)不同水深情況下采用不同爆破參數(shù)的爆破效果進(jìn)行了對(duì)比分析。

數(shù)值模型的建立：

采用爆破工程常用的ANSYS/LS-DYNA 進(jìn)行數(shù)值模擬，LS-DYNA 是一種顯式動(dòng)態(tài)有限元程序，專(zhuān)注于求解高速和大變形問(wèn)題。它廣泛用于模擬汽車(chē)碰撞、空氣襲擊、爆炸、金屬成形等應(yīng)用領(lǐng)域。LS-DYNA 的主要焦點(diǎn)是解決瞬態(tài)問(wèn)題和復(fù)雜非線(xiàn)性現(xiàn)象。

主要特點(diǎn)：

顯式求解器：LS-DYNA 使用顯式求解器來(lái)模擬瞬態(tài)現(xiàn)象，這使得它適用于高速碰撞和爆炸等事件。

大變形材料模型：LS-DYNA 提供多種材料模型，可以準(zhǔn)確地描述大變形、高應(yīng)變率和斷裂等材料行為。

豐富的材料模型：LS-DYNA 支持各種復(fù)雜材料的建模，如復(fù)合材料、泡沫材料等。

多物理場(chǎng)耦合：LS-DYNA 也支持結(jié)構(gòu)-流體耦合、結(jié)構(gòu)-熱耦合等多物理場(chǎng)問(wèn)題。

LS-DYNA 常用的算法有三種，分別是拉格朗日算法（Lagrange）、歐拉算法（Euler）以及流固耦合算法（Arbitrary Lagrange-Euler，ALE）。

拉格朗日算法和歐拉算法是兩種常用的數(shù)值計(jì)算方法，用于求解連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問(wèn)題，如流體動(dòng)力學(xué)、固體力學(xué)等。它們分別基于拉格朗日和歐拉兩種坐標(biāo)系，各自有其適用的領(lǐng)域和優(yōu)缺點(diǎn)。

①拉格朗日算法（Lagrange）。

拉格朗日算法是一種以物體自身的質(zhì)點(diǎn)為基準(zhǔn)的坐標(biāo)系。在拉格朗日算法中，通過(guò)追蹤物體上各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)描述物體的運(yùn)動(dòng)和變形。質(zhì)點(diǎn)的位置由其在初始狀態(tài)的坐標(biāo)和與時(shí)間有關(guān)的位移函數(shù)表示。

主要特點(diǎn)：

自適應(yīng)網(wǎng)格：拉格朗日算法適用于處理大變形和運(yùn)動(dòng)較快的問(wèn)題，因?yàn)榫W(wǎng)格隨著物體的運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)，能夠準(zhǔn)確地跟蹤物體的形狀變化。

容易處理接觸和變形：由于質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡總是與物體自身相關(guān)，因此在處理物體接觸和大變形等問(wèn)題時(shí)比較方便。

②歐拉算法（Euler）。

歐拉算法是一種以固定坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的坐標(biāo)系。在歐拉算法中，計(jì)算域不隨時(shí)間變化，物體的運(yùn)動(dòng)和變形都是相對(duì)于固定的坐標(biāo)系進(jìn)行的。物體上各點(diǎn)的物理量如速度、壓力等是空間和時(shí)間的函數(shù)。

主要特點(diǎn)：

網(wǎng)格固定：歐拉算法適用于穩(wěn)態(tài)和緩變形問(wèn)題，網(wǎng)格不隨時(shí)間變化，因此適用于研究物體在靜止或緩慢運(yùn)動(dòng)情況下的行為。

簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)：歐拉算法的算法較為簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，并且計(jì)算效率較高。

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

流固耦合算法是一種用于模擬流體和固體之間相互作用的數(shù)值計(jì)算方法。這種方法結(jié)合了拉格朗日（Lagrange）和歐拉（（Euler）兩種坐標(biāo)系的優(yōu)點(diǎn)，使得它在處理流體和固體之間的運(yùn)動(dòng)和變形時(shí)具有很好的適應(yīng)性。

在傳統(tǒng)的歐拉算法中，計(jì)算域隨時(shí)間固定，流體和固體的運(yùn)動(dòng)和變形都是相對(duì)于固定的坐標(biāo)系進(jìn)行的。這對(duì)于處理固體問(wèn)題非常有效，但在模擬流體的運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)遇到一些困難，尤其是在涉及大變形和運(yùn)動(dòng)較快的情況下。

相比之下，拉格朗日算法將計(jì)算域與物體一起運(yùn)動(dòng)，使得它對(duì)于模擬大變形和運(yùn)動(dòng)較快的問(wèn)題非常有效。然而，拉格朗日算法在處理自由表面和流體結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)可能會(huì)有一些困難。

ALE 方法通過(guò)將拉格朗日算法和歐拉算法結(jié)合起來(lái)，克服了單一方法的局限性。它采用了以下主要思想：

流體區(qū)域：在流體區(qū)域中，使用歐拉坐標(biāo)系，通過(guò)求解Navier-Stokes 方程來(lái)描述流體的運(yùn)動(dòng)和變形。

固體區(qū)域：在固體區(qū)域中，使用拉格朗日坐標(biāo)系，通過(guò)求解固體的運(yùn)動(dòng)方程來(lái)描述固體的運(yùn)動(dòng)和變形。

插值技術(shù)：在流固界面上，通過(guò)插值技術(shù)將流體和固體之間的物理量進(jìn)行交換，實(shí)現(xiàn)流體和固體之間的信息傳遞。

坐標(biāo)網(wǎng)格更新：在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，對(duì)流體區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行更新，以適應(yīng)固體的運(yùn)動(dòng)和變形。

ALE 方法的優(yōu)勢(shì)在于它能夠處理流體和固體之間的相互作用，同時(shí)允許流體網(wǎng)格和固體網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)和變形。因此，ALE 方法在模擬涉及流體-結(jié)構(gòu)相互作用的問(wèn)題時(shí)非常有用，如液體中的結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)、船舶的波浪荷載、流體中的運(yùn)動(dòng)物體等。

綜上所述，流固耦合算法更適合應(yīng)用于爆破工程當(dāng)中，因此選擇流固耦合算法進(jìn)行模擬。

同時(shí)，因?yàn)閷?shí)際工程實(shí)踐當(dāng)中，影響因素非常多，情況非常復(fù)雜，普通計(jì)算機(jī)的算力無(wú)法進(jìn)行模擬工作，因此必須對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，只考慮水深和待爆巖體（連續(xù)且各向均勻），并且將復(fù)雜的河床面設(shè)置為光滑的曲面或者平面。如此將復(fù)雜的實(shí)際工況抽象為較為理想的狀態(tài)進(jìn)行模擬工作。

邊界條件：

通過(guò)在水面施加一個(gè)大氣壓力來(lái)模擬空氣對(duì)模型的影響，采用*DEFINE_CURVE 關(guān)鍵詞實(shí)施。

狀態(tài)方程和模型材料：

本模型一共三種材料，分別為巖體、水和炸藥，三種材料的本構(gòu)模型和狀態(tài)方程如下所述。

①巖體材料。

巖體的本構(gòu)模型采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC相應(yīng)材料。巖體的屈服應(yīng)力σy和應(yīng)變率ε 之間存在如下式所述的關(guān)系。

式中，σ0為巖體初始屈服強(qiáng)度極限；C、P 為應(yīng)變率參數(shù)；E0為楊氏模量；E1為切線(xiàn)模量；β 為各向同性參數(shù)；εp為有效的塑性變形。

長(zhǎng)洲樞紐位于龍圩水道上游，根據(jù)第二章巖芯采樣數(shù)據(jù)，可以得到模擬巖石計(jì)算參數(shù)。具體巖石材料模型參數(shù)如表3 所示。

表3 巖石材料及計(jì)算參數(shù)

巖石破壞準(zhǔn)則采用拉剪破壞形式進(jìn)行描述，采用*MAT_ADD_EROSION 關(guān)鍵字進(jìn)行描述。

②爆炸介質(zhì)及狀態(tài)方程。

爆炸介質(zhì)采用炸藥燃燒材料模型*MAT_HIGH_EXP LOSIVE_BURN，結(jié)合JWL 狀態(tài)方程描述炸藥產(chǎn)生的爆轟壓力。具體如下式所示。

式中，參數(shù)A、B、R1、R2、ω 為JWL 特征參數(shù)；E 為炸藥蘊(yùn)含內(nèi)能；V 為相對(duì)體積。

實(shí)際爆破工程中，炸藥采用的是2#巖石乳化炸藥，其模型炸藥材料參數(shù)以及狀態(tài)方程，如表4 所示。

表4 2# 巖石乳化炸藥及計(jì)算參數(shù)

③水介質(zhì)及狀態(tài)方程。

水介質(zhì)采用*MAT_NULL 描述，用*EOS_GRUNEIS EN 表征水的狀態(tài)方程，密度為1000kg/m3，如圖3 所示。

圖3 水下巖體破壞過(guò)程數(shù)值模擬

圖4 優(yōu)化爆破參數(shù)后爆破效果

得出了如下結(jié)論：

①當(dāng)單耗不變的情況下，水越深爆破效果越差；

②炮孔的孔排距與炮孔直徑呈正比關(guān)系；

③在考慮經(jīng)濟(jì)效益比的情況下，本工程的最佳炮孔直徑為115mm；

④在水深5m 以?xún)?nèi)時(shí)，最佳單耗取1.3kg/m3，孔排距為2.2m*2m；水深8m 時(shí)，最佳單耗取1.7kg/m3，孔排距為2m*2m；水深12m 時(shí)，最佳單耗取2.0kg/m3，孔排距為2m*1.7m；水深15m 時(shí)，最佳單耗取2.1kg/m3，孔排距為2m*1.5m。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的參數(shù)如下：

①炮孔直徑：d=115mm（炮孔直徑通常取75mm-150mm）。

②最小抵抗線(xiàn)：當(dāng)水深8m 以?xún)?nèi)時(shí)取2m，水深12m 取1.7m，水深15m 取1.5m。

③水下鉆孔超取值，5m 以?xún)?nèi)取1.5m，8m 以及12m 和15m 取2m。

④孔距水深5m 以?xún)?nèi)取2.2m，水深8m 取2m，水深12m 和15m 取2m。

⑤單孔裝藥量。

Q=KqabH

K 為水深影響系數(shù)取1.2。q 根據(jù)模擬水深5m 以?xún)?nèi)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 爆破結(jié)果對(duì)比分析

采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的爆破參數(shù)對(duì)該工程進(jìn)行水下爆破施工后，施工效率大為提升，相比之前的水下爆破施工作業(yè)，極大減少了返工的頻次，一次清理到位的情況大為提升。爆破后大塊率明顯下降，大大降低了后續(xù)清理成本，工期較原計(jì)劃提前三個(gè)月完工，實(shí)現(xiàn)了較為明顯的降本增效作用。

4 總結(jié)

①通過(guò)進(jìn)行不同水深條件下爆破數(shù)值模擬，得出了水深對(duì)于爆破效果具有極大影響；

②得出了在水深5m，8m，12m 以及15m 條件下該項(xiàng)目的最佳爆破參數(shù)；

③通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬應(yīng)用與水下爆破工程的可行性；

④對(duì)比得出了傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式在水下爆破的應(yīng)用當(dāng)中確實(shí)存在一定的不足之處。