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水下鉆孔爆破宏觀效應的觀測與分析

2010-03-12 12

 

吳從清1  牛德光2  宋曉華2

( 1 長江科學院,武漢430010;2 海軍37492部隊,青島266102)

 

摘 要   對水下鉆孔爆破施工中的宏觀效應進行了初步分析,包括水中沖擊波、水冢及水柱、冒泡及鼓水、爆破質點振動、炮煙等,施工中可根據爆破宏觀效應的觀測結果初步判別爆破效果,便于及時調整爆破參數及爆破方法。

關鍵詞  水下爆破,宏觀效應,爆破效果

 

1  前言

水下鉆孔爆破較多應用于航道加深、港區加深、近岸取排水管道基槽開挖等工程。與陸上一般土巖爆破作業相比,因為多了中間水介質的影響,水下爆破鉆孔、裝藥、起爆、出渣等都變得復雜,特別是爆后不能肉眼直接觀察爆破效果,有時甚至無法估計鉆孔內藥包是否全部安全起爆,由于大型鉆爆設備與挖渣設備多采用比較繁雜的錨機定位方式,不可能在每次爆破后立即挖渣并從中觀測爆破塊度、爆破深度及寬度等爆破效果。當爆破效果不好時,二次鉆爆易于發生卡鉆、殘眼鉆爆事故,工期加長、成本加大。因此,如何及時判別水下鉆孔爆破施工過程中的爆破效果并及時調整爆破參數、減少二次鉆爆工作量是我們關心的問題。

在長江航道清淤應急工程沌口炸礁工程、秦山核電三期工程取水口管槽開挖爆破及三峽工程導流明渠及永久船閘航道加深等水下鉆孔爆破工程中,由于爆區與重要建筑物距離較近,分別進行了爆破質點振動、水中沖擊波危害效應的監測工作,同時也對有關爆破宏觀效應,如水柱高度、涌浪高度及時問、冒泡鼓水范圍與時間、炮煙等進行了觀察,結合爆破宏觀效應機理的分析,認為根據水下爆破宏觀效應初步判斷爆破效果是一種簡單可行的方法。

 

2  水下爆破宏觀效應的觀測與分析

2.1  水中沖擊波

根據水中爆破沖擊波理論,水下爆炸高溫、高壓爆炸產物對周圍水介質的強烈壓縮,使其壓力、密度和溫度突躍升高,形成初始沖擊波,其后爆炸產物在水中以氣泡形式存在并產生氣泡脈動壓力,直至氣泡浮出水面,其中氣泡脈動壓力約為沖擊波峰壓的16%。

水下鉆孔爆破產生的水中沖擊波主要由兩部分組成,主要部分為地一水沖擊波,炸藥在鉆孔內爆炸后,基巖中產生的應力波到達基巖和水的分界面后經透射到水中形成沖擊波,地一水沖擊波衰減較水中裸露爆破快,持續時間長(1ms);另一部分是氣體沖擊波,由高壓爆炸氣體膨脹時從炮孔中沖出在水中形成,其強弱與炮孔堵塞、巖石完整性有直接關系。水下鉆孔爆破沖擊波波陣面壓力可按鐵道科學研究院提供的下列公式估算:

Pm=31.0ρ1.45    (1)

式中:Pm為水擊波波陣面峰值壓力,kgcm2;ρ為比例藥量,式中ρ值范圍0.0660.196,ρ=Q1/3R,R為測點與藥包的距離,m;Q為藥包重量,kg。

通過上式計算Pm范圍為0.62.9 kg/cm2,實測水中沖擊波的壓力上升時間為微秒量級,在不到l毫秒的時間內壓力即降低一般。因此水下鉆孔爆破只要不發生殉爆,應以最大單響藥量來估算水中沖擊波峰值壓力。

水中沖擊波壓力測試系統包括:水擊波傳感器、電荷放大器及動態信號記錄分析儀。實際工程觀測過程中,應根據水中沖擊波的衰減規律及量值大小確定傳感器的布置位置及記錄儀器量程,并采取必要的衰減或放大,以便監測到清晰的水中沖擊波波形,判讀判讀沖擊波波形基本特征及峰壓值是否合理。

在測試系統準確無誤的情況下,若測試值極大于預計值,可以考慮堵塞是否良好、或孔內裝藥段是否過長等;若測試值極小于預計值,可以考慮炸藥防水性能是否適合或裝藥時間時間是否過長、起爆方式是否可靠等。

2.2  水冢及水柱高度

水下爆破水冢及水柱是爆炸氣體直接噴出或水中沖擊波及氣泡作用的結果,當沖擊波到達水面并被反射時,由于空氣的聲阻抗遠小于水的聲阻抗,水中沖擊波傳到水面時,反射系數為一1,透射系數為0。自由面存在使得水面的沖擊波壓力為零,質點的速度為2倍自由場時的速度。水體表面層向上的最大運動速度為:

υ0=2cosαPmwCD    (2)

式中:υ0為水面表層向上運動的速度,mS;Pm為至水面表層的沖擊波峰值壓力10-15MPa;ρw為水的密度,取ρw=1.0kgm3;CD為水中沖擊波的傳播速度,ms;α為測點拋擲方向與鉛垂方向的夾角。

大氣對水體的阻力很小,炸藥爆炸以后首先看到水表面的質點向上運動形成水冢,當運動速度極大時向上飛濺形成水柱。水冢及水柱上升的最大高度為:

H=ƒV02 /2g   (3)

式中:H為水柱最大高度,m;ƒ為水體摩擦阻力系數,約0.20.3。

存在入射偏角時,沖擊波的全反射效應明顯減弱,且入射波與反射波存在時間差異,疊加效應明顯減弱,因此水面可見水柱高度以中部最高,旁側急劇降低,水柱回落會產生較大涌浪。

在秦山工地泵房小圍堰基坑(面積4m×7m,水深6m,外側水深高出5m)外側進行水下鉆孔爆破同時拆除小圍堰時,孔深12m,孔底高程與基坑底部相同,基坑內水的整體運動受邊界約束轉化為向上的勢能,產生約30m高的水柱并攜帶部分石塊,因基坑較深且狹窄,水柱范圍較小,幸未造成危害。

2.3  冒泡鼓水

炸藥完全反應時產生最大體積的氣體,氣體產物最終升至水面,在水面產生冒泡鼓水現象,同時在水域產生波浪。冒泡的范圍應與水下藥包布置范圍一致;冒泡時間與水深及鉆孔深度、爆破塊度等有關。由于爆渣的掩蓋,爆生氣體運動距離較長,冒泡時間可長達十幾分鐘。同一爆破工程中,多次觀測相同爆破條件下冒泡鼓水范圍及時問的差異,如果局部爆破區域未有冒泡鼓水現象發生,可初步判斷該區域爆炸未完成。

2.4  爆破振動

水下鉆孔爆破地震波效應同樣在爆源近區衰減快、遠區衰減慢,其衰減規律符合一般陸地爆破振動通用公式表達式。由于水介質的耦合作用,水下爆破地震波效應具有以下特點:

(1)由于水體覆蓋、堵塞作用及拋擲阻礙影響,水下鉆孔爆破的地震波效應比同量級陸地土巖爆破大;

(2)水下鉆孔爆破地震波衰減較慢,爆破振動影響范圍也較大。

爆破遠區質點振動速度可按下式估算:

V=K(Q1/3R)α    (4)

式中:v為質點振動速度,cms;Q為水下鉆孔爆破最大單響藥量,k;R為測點與爆源距離,m;K為場地系數,不同爆破方式及地質條件下各不相同,可按K=200、α=2估算。

爆破質點振動速度測試系統包括:拾震器、動態信號記錄分析系統。較大時差微差爆破(50100ms),可根據爆破質點振動波形的相應激振時間明確判別各段藥包是否起爆或殉爆:在其它條件相同時,若質點振動峰值極小,應考慮藥包是否反應完全;若質點振動速度極大,則應考慮是否發生殉爆或分段不合理。

在秦山工地的一次爆破中,爆破排數6排,每排4孔,孔、排間距3m×2.5m,孔深約10m,水深15m,設計爆破延時為MSlMSl5,根據岸區爆破質點振動速度(距離爆區約30m)時間歷程分析可知,其中MS9、MSl0、MSl2MSl5段所在排在時間歷程中均未有相應起爆時間的明顯激振現象,分析為后排的孔排間時差較大,孔間擠壓拉裂破壞較大(破壞距離為23排孔距),同時也注意到孔內起爆雷管分布較少的缺陷。

2.5  炮煙

水下鉆孔爆破常用炸藥有硝化甘油類膠質炸藥及混合炸藥、乳化炸藥等,硬質塑料外殼包裝,密度大,爆炸威力大,抗水性強,正氧平衡炸藥,適合于水下爆破使用,正常爆炸的炮煙為白色霧狀,炸藥反應完全。大面積水下鉆孔爆破的鉆孔裝藥時間較長,炸藥浸水時間一般在l2天以上,若炸藥性能較差或起爆能力不足時,爆破后產生黃色、紅褐色炮煙,含有大量CO、NO2、SO2、H2S等有害氣體成分,其中紅褐色的NO2是炸藥爆炸反應不完全的產物。

在秦山工地的一次水下爆破鉆孔爆破中,因鉆孔直徑較小,裝藥困難,裝藥中較多炸藥被炮棍捅出包裝筒,浸泡時間3天,表層炸藥失效,爆后產生較多黃色、紅褐色炮煙,長時間彌漫水面,同時監測爆破振動速度也較小,可以認為爆破效果不十分理想。

 

3  結果與討論

水下爆破的各種宏觀效應,包括水中沖擊波、水冢及水柱、冒泡鼓水、爆破振動、熄煙等,是水下爆炸能量直接作用的結果,與爆炸釋放能量的大小有近似的計算關系及估算值,可進行儀器監測。因此,通過估算及觀測宏觀效應,綜合分析水下爆破效果是一種簡便有效的方法,便于及時指導設計及施工。施工中還可將根據宏觀效應判斷的爆破效果與整體爆破工程完成后的實際挖渣效果及驗收情況進行比較,不斷積累爆破過程中根據宏觀效應判斷爆破效果的經驗。

現階段水下鉆孔爆破施工及科研工作中對爆破宏觀效應的系統觀測仍較少,特別是有目的地觀測,分析判斷施工過程中爆破效果,并用于指導施工的較少,本文提出了的一些初步意見可供參考。

 

參考資料

 

1  楊光煦.水下工程爆破.海洋出版社.1992

2   P.庫爾.水下爆炸.國防工業出版社.1960

3  劉殿中.工程爆破實用手冊.冶金工業出版社.1999

4  吳新霞.水壓控制爆破機理及裝藥量計算.研究生論文.1987


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