水下钻孔爆破水中冲击波有害效应对周围环境影响研究
代显华
摘 要：本文针对水下钻孔爆破的特点，为研究水下钻孔爆破水中冲击波有害效应影响规律，建立临近桥墩和临近船舶多孔水下钻孔爆破三维计算模型，采用ANSYS/LS-DYNA爆破模拟软件，获取水中结构速度、加速度、应力以及应变等动力响应特征，得到水下钻孔爆破水中冲击波有害效应影响规律，为现场实施提供理论参考。
关键词：水下钻孔爆破；水中冲击波；有害效应；周围环境；影响
中图分类号：X57 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）3-0076-02
水下钻孔爆破产生的水中冲击波对周围的建筑群、船舶乃至渔业等都会产生比较大的影响。为了研究水下钻孔爆破水中冲击波有害效应，本文将以桥墩、船舶、鱼群等为研究内容，深入全面探讨水中冲击波的有害效应。
1 水中冲击波有害效应对桥墩影响分析
相对于陆地上的多种钻孔方式，水下钻孔爆破的钻孔方式比较单一，为了钻孔方便，水下钻孔爆破基本是垂直钻孔方式，此时炮孔内炸药产生的能量是向四周均匀的传播，水中冲击波传播规律具有对称性。水中冲击波对桥墩的影响是比较大的，它的有害效应，直接威胁着桥墩的整体安全与可靠性。
1.1 水中冲击波的传播规律
临近桥梁水下钻孔爆破不同时刻水中冲击波压力不同，柱状药包在0μs时刻由药卷中部起爆后；在t=49.935μs时刻，爆轰应力波迅速向药柱两端扩展；在t=99.958μs时刻，爆轰压力冲出炮孔，能量释放在水域中形成水中冲击波，在药柱两端爆轰压力是以球状向四周扩散，而中间以轴对称柱状向外扩散；在t=599.94μs之后，随着距离的增大，柱状药包爆轰压力逐渐变成球状向外扩散。炸药爆炸后，桥梁受到地震波与水中冲击波的协同作用，导致了桥墩端部明显的较大压力。因此，水下钻孔爆破有害效应对于桥梁结构安全的影响应该考虑两者的协同作用。
1.2 桥墩速度、加速度响应分析
由于桥墩受到地震波和水中冲击波的协同作用，协同作用下桥墩各个方向的响应均有不同程度的增大，而以沿水中冲击波的传播方向增大最多。由于冲击波本身具有瞬间脉冲响应的特征，若结构受到的响应以冲击波为主，则结构响应亦具有瞬间脉冲响应的特征。另外，研究发现桥墩速度响应在各个方向的值均以桥墩脚趾最大，其次为迎爆面，主要是由于桥墩趾受到地震波影响最大，同时受到冲击波作用，协同作用下速度响应最大；而迎爆面主要受到水中冲击波作用，同时受到地震波作用影响，速度响应也相应较大。
1.3 桥墩应力分析
在水下钻孔爆破时，会产生地震波和水中冲击波。由于地震波传播速度远大于水中冲击波传播速度，因此桥墩会首先受到地震波作用，迎爆面桥墩趾受到较大压力作用。地震波不会停留一定时间，随着地震波在桥墩传播，在背爆面桥墩趾出现较大拉应力。之后水中冲击波作用于桥墩，迎爆面中部受到压力作用，脚趾出现拉应力，而在背爆面脚趾部分为压力。之后在冲击波和地震波共同作用下，桥墩迎爆面脚趾受到拉应力作用，背爆面脚趾受到压力作用。可见，桥墩主要是迎爆面受水中冲击波影响较大，因此所受有效应力较大。
2 水中冲击波有害效应对船舶影响分析
相对于陆地上的多种钻孔方式，水下钻孔爆破的钻孔方式比较单一，为了钻孔方便，水下钻孔爆破基本是垂直钻孔方式，此时炮孔内炸药产生的能量是向四周均匀的传播，水中冲击波传播规律具有对称性。水下钻孔爆破水中冲击波对船舶有害效应影响研究与其对桥墩的影响分析大同小异，唯一的差别在于需要探讨水中冲击波有害效应对钢结构船舶的影响。
2.1 水中冲击波有害效应
柱状药包由药卷中部起爆后，爆轰应力波迅速向药柱两端扩展。爆轰压力冲出炮孔，能量释放在水域中形成水中冲击波，在药柱两端爆轰压力是以球状向四周扩散，而中间以轴对称柱状向外扩散；随着距离的增大，柱状药包爆轰压力逐渐变成球状向外扩散。若船舶处于爆破近区，将承受水中冲击波压力和气泡脉动的共同作用，导致船舶损失破坏。当船舶处于爆破远区，船舶处于水中部分将直接受到水中冲击波的冲击影响，造成结构的振动乃至损失破坏；处于空气中的部分，冲击压力会通過船舶下部结构的衰减后向上传递，尽管强度有所减少，仍会对船舶上仪器造成影响。
2.2 船舶速度、加速度响应分析
由于船舶受到水中冲击波的作用，船舶各个方向均存在不同程度结构动力响应。但通过实际测算，发现结构振动速度最大值均出现在水平径向方向，说明沿冲击波的传播方向的结构动力响应最大。由于冲击波本身具有瞬间脉冲响应的特征，船舶结构受到的响应以冲击波为主，其结构响应也具有瞬间脉冲响应的特征。此外，船舶底板速度响应比甲板大，主要是由于船舶底板直接受到水中冲击波作用，而冲击波经过传播衰减后，导致甲板测点速度响应减小。船舶船首速度响应比船尾大，主要是船首距离爆源近，所受水中冲击波作用影响较大。因此，水下钻孔爆破水中冲击波有害效应对船舶水平方向的影响最大。
2.3 船舶应力分析
以船首正面面向爆源为例，由于船首距离爆源较近，最先受到水中冲击波的影响。船首很容易受到较大的冲击压力作用，随着冲击波在船舶传播，在甲板中部出现较大拉应力。之后在水中冲击波作用下，船舶整体受力情况基本一致，即船底板直接受到水中冲击波的压力，出现较大的压力，而在船甲板中部受到较大的拉应力作用。通过实际测算，主要由于船首底板直接受水中冲击波作用，因此所受有效应力较大。
3 水中冲击波有害效应对鱼类影响分析
爆炸物爆炸时，会在瞬间变成高温高压的气体，随后产生强大的冲击波。这种冲击波会使周围产生瞬时的高压，并以波动的形式向外传播，对波及到的生物产生影响。
3.1 水中冲击波对鱼类的损伤机理
在水中和在空气中爆炸时，所产生的冲击波对动物的影响与以上是不同的。当在空气中发生爆炸时，冲击波在空气中传播到动物身体时，由于动物身体和空气密度不同，因而大部分会在动物体表面产生反射，对动物的伤害都是通过动物的耳朵、鼻子和嘴对身体内部造成伤害。而在水中爆炸时，由于鱼体的密度和水的密度类似，冲击波在到达鱼体与水交界面时一般会直接通过鱼体向前传播。但是，当鱼体内有空气腔时，由于空气的可压缩性，冲击波通过时会导致空腔壁的撕裂或破碎。鱼体内最容易受到损伤的是有膘鱼类的膘，除此之外，还有鱼类的肝、脾、肾等内部器官。当鱼离爆炸源比较近时，除了对鱼类的内部器官造成损害以外，对鱼的身体外部也会造成损伤。另外水中冲击波还会对鱼的神经系统造成冲击损伤，使鱼呈麻痹状态，表现为鱼腹部向上，侧浮于水面，完全或部分丧失游泳能力，有些可逐步恢复，有些则会出现死亡。
3.2 水中冲击波对鱼类的致死率研究
爆炸对生物的杀伤力，主要取决于爆炸产生的压力，冲量和能量通量密度这三个因素。一般认为，爆炸时产生的过高压和超低压更替变换所产生的振动，是爆炸中导致生物死亡的主要原因。对距爆破中心不同距离各测站的受试生物的总死亡率进行统计，发现致死率随着爆心距的增大而逐渐减小。不同鱼类对爆破后水下冲击波的忍受能力有较大差异，鱼类的致死率最高，其次是虾类，蟹类和贝类的致死率最低。这种现象可能与他们的生理结构特征有关，蟹贝类的胸壳坚硬，对冲击波的抗震性较强。而鱼体中的鳔对于产生的水中冲击波非常敏感，极易震破或发生畸变而影响鱼体正常的生理活动。受爆破冲击的鱼，其游泳能力大大下降，表现为缓慢乏力，呈麻痹状态；而有些鱼腹部向上，侧游于水面，完全失去了游泳能力，这种现象是由于鱼的神经系统遭到破坏的结果。鱼类在爆破后，鱼体中的鳔因存在空气腔，而空气具有可压缩性，当冲击波通过时会导致空腔壁的撕裂或破碎或发生畸变，但这种变化反应不一定马上发生，而是经过一段时间后，才逐渐表现出来，并且此时开始陆续出现死亡。有些鱼可以逐步恢复到原来的鳔形，有些则不能恢复。
3.3 爆破对渔业资源影响的类比分析
在大型水下钻孔爆破施工中，往往会对周围环境造成一些不利影响，所以控制爆破规模，保证安全，不断优化爆破方案，达到减少对周围环境及渔业资源的影响成为水下爆破研究的发展趋势。前采用较多的爆破方式一般有两种，一种是延时爆破，一种为齐发爆破。延时爆破就是指毫秒微差爆，炸药分时段进行间隔引爆，齐发爆破是指炸药同时起爆。延時爆破由于采用了分段起爆，各药包间的协同作用较齐发爆破减小，因而在相同药量的情况下，采用延时爆破较齐发爆威力要小些，即冲击波压力较小。研究结果表明两种爆破方式对渔业生物的影响，在一次总起爆药量不变的情况下，采用孔间毫秒微差顺序起爆。合理控制起爆药量及微差起爆时间，可有效降低爆破水中冲击波及爆破地震波动水压力的影响，从而减少对渔业资源的危害损失。在炸药选择上，建议在不影响爆破效应的情况下，使用成本低的乳化炸药进行水下爆破作业，可减少环境污染及渔业资源损失，以取得最佳爆破效果。
4 结论
水下钻孔爆破水中冲击波有害效应对桥墩、船舶、鱼类等都会产生比较大的影响。桥墩各个方向的响应均有不同程度的增大，而以沿冲击波的传播方向增大最多。桥墩速度响应在各个方向的值均以船舶底板最大，主要是由于船舶底板直接受到水中冲击波作用。此外，强大的水中冲击波压力是导致鱼类损伤及死亡的主要原因。
摘 要：本文针对水下钻孔爆破的特点，为研究水下钻孔爆破水中冲击波有害效应影响规律，建立临近桥墩和临近船舶多孔水下钻孔爆破三维计算模型，采用ANSYS/LS-DYNA爆破模拟软件，获取水中结构速度、加速度、应力以及应变等动力响应特征，得到水下钻孔爆破水中冲击波有害效应影响规律，为现场实施提供理论参考。
关键词：水下钻孔爆破；水中冲击波；有害效应；周围环境；影响
中图分类号：X57 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）3-0076-02
水下钻孔爆破产生的水中冲击波对周围的建筑群、船舶乃至渔业等都会产生比较大的影响。为了研究水下钻孔爆破水中冲击波有害效应，本文将以桥墩、船舶、鱼群等为研究内容，深入全面探讨水中冲击波的有害效应。
1 水中冲击波有害效应对桥墩影响分析
相对于陆地上的多种钻孔方式，水下钻孔爆破的钻孔方式比较单一，为了钻孔方便，水下钻孔爆破基本是垂直钻孔方式，此时炮孔内炸药产生的能量是向四周均匀的传播，水中冲击波传播规律具有对称性。水中冲击波对桥墩的影响是比较大的，它的有害效应，直接威胁着桥墩的整体安全与可靠性。
1.1 水中冲击波的传播规律
临近桥梁水下钻孔爆破不同时刻水中冲击波压力不同，柱状药包在0μs时刻由药卷中部起爆后；在t=49.935μs时刻，爆轰应力波迅速向药柱两端扩展；在t=99.958μs时刻，爆轰压力冲出炮孔，能量释放在水域中形成水中冲击波，在药柱两端爆轰压力是以球状向四周扩散，而中间以轴对称柱状向外扩散；在t=599.94μs之后，随着距离的增大，柱状药包爆轰压力逐渐变成球状向外扩散。炸药爆炸后，桥梁受到地震波与水中冲击波的协同作用，导致了桥墩端部明显的较大压力。因此，水下钻孔爆破有害效应对于桥梁结构安全的影响应该考虑两者的协同作用。
1.2 桥墩速度、加速度响应分析
由于桥墩受到地震波和水中冲击波的协同作用，协同作用下桥墩各个方向的响应均有不同程度的增大，而以沿水中冲击波的传播方向增大最多。由于冲击波本身具有瞬间脉冲响应的特征，若结构受到的响应以冲击波为主，则结构响应亦具有瞬间脉冲响应的特征。另外，研究发现桥墩速度响应在各个方向的值均以桥墩脚趾最大，其次为迎爆面，主要是由于桥墩趾受到地震波影响最大，同时受到冲击波作用，协同作用下速度响应最大；而迎爆面主要受到水中冲击波作用，同时受到地震波作用影响，速度响应也相应较大。
1.3 桥墩应力分析
在水下钻孔爆破时，会产生地震波和水中冲击波。由于地震波传播速度远大于水中冲击波传播速度，因此桥墩会首先受到地震波作用，迎爆面桥墩趾受到较大压力作用。地震波不会停留一定时间，随着地震波在桥墩传播，在背爆面桥墩趾出现较大拉应力。之后水中冲击波作用于桥墩，迎爆面中部受到压力作用，脚趾出现拉应力，而在背爆面脚趾部分为压力。之后在冲击波和地震波共同作用下，桥墩迎爆面脚趾受到拉应力作用，背爆面脚趾受到压力作用。可见，桥墩主要是迎爆面受水中冲击波影响较大，因此所受有效应力较大。
2 水中冲击波有害效应对船舶影响分析
相对于陆地上的多种钻孔方式，水下钻孔爆破的钻孔方式比较单一，为了钻孔方便，水下钻孔爆破基本是垂直钻孔方式，此时炮孔内炸药产生的能量是向四周均匀的传播，水中冲击波传播规律具有对称性。水下钻孔爆破水中冲击波对船舶有害效应影响研究与其对桥墩的影响分析大同小异，唯一的差别在于需要探讨水中冲击波有害效应对钢结构船舶的影响。
2.1 水中冲击波有害效应
柱状药包由药卷中部起爆后，爆轰应力波迅速向药柱两端扩展。爆轰压力冲出炮孔，能量释放在水域中形成水中冲击波，在药柱两端爆轰压力是以球状向四周扩散，而中间以轴对称柱状向外扩散；随着距离的增大，柱状药包爆轰压力逐渐变成球状向外扩散。若船舶处于爆破近区，将承受水中冲击波压力和气泡脉动的共同作用，导致船舶损失破坏。当船舶处于爆破远区，船舶处于水中部分将直接受到水中冲击波的冲击影响，造成结构的振动乃至损失破坏；处于空气中的部分，冲击压力会通過船舶下部结构的衰减后向上传递，尽管强度有所减少，仍会对船舶上仪器造成影响。
2.2 船舶速度、加速度响应分析
由于船舶受到水中冲击波的作用，船舶各个方向均存在不同程度结构动力响应。但通过实际测算，发现结构振动速度最大值均出现在水平径向方向，说明沿冲击波的传播方向的结构动力响应最大。由于冲击波本身具有瞬间脉冲响应的特征，船舶结构受到的响应以冲击波为主，其结构响应也具有瞬间脉冲响应的特征。此外，船舶底板速度响应比甲板大，主要是由于船舶底板直接受到水中冲击波作用，而冲击波经过传播衰减后，导致甲板测点速度响应减小。船舶船首速度响应比船尾大，主要是船首距离爆源近，所受水中冲击波作用影响较大。因此，水下钻孔爆破水中冲击波有害效应对船舶水平方向的影响最大。
2.3 船舶应力分析
以船首正面面向爆源为例，由于船首距离爆源较近，最先受到水中冲击波的影响。船首很容易受到较大的冲击压力作用，随着冲击波在船舶传播，在甲板中部出现较大拉应力。之后在水中冲击波作用下，船舶整体受力情况基本一致，即船底板直接受到水中冲击波的压力，出现较大的压力，而在船甲板中部受到较大的拉应力作用。通过实际测算，主要由于船首底板直接受水中冲击波作用，因此所受有效应力较大。
3 水中冲击波有害效应对鱼类影响分析
爆炸物爆炸时，会在瞬间变成高温高压的气体，随后产生强大的冲击波。这种冲击波会使周围产生瞬时的高压，并以波动的形式向外传播，对波及到的生物产生影响。
3.1 水中冲击波对鱼类的损伤机理
在水中和在空气中爆炸时，所产生的冲击波对动物的影响与以上是不同的。当在空气中发生爆炸时，冲击波在空气中传播到动物身体时，由于动物身体和空气密度不同，因而大部分会在动物体表面产生反射，对动物的伤害都是通过动物的耳朵、鼻子和嘴对身体内部造成伤害。而在水中爆炸时，由于鱼体的密度和水的密度类似，冲击波在到达鱼体与水交界面时一般会直接通过鱼体向前传播。但是，当鱼体内有空气腔时，由于空气的可压缩性，冲击波通过时会导致空腔壁的撕裂或破碎。鱼体内最容易受到损伤的是有膘鱼类的膘，除此之外，还有鱼类的肝、脾、肾等内部器官。当鱼离爆炸源比较近时，除了对鱼类的内部器官造成损害以外，对鱼的身体外部也会造成损伤。另外水中冲击波还会对鱼的神经系统造成冲击损伤，使鱼呈麻痹状态，表现为鱼腹部向上，侧浮于水面，完全或部分丧失游泳能力，有些可逐步恢复，有些则会出现死亡。
3.2 水中冲击波对鱼类的致死率研究
爆炸对生物的杀伤力，主要取决于爆炸产生的压力，冲量和能量通量密度这三个因素。一般认为，爆炸时产生的过高压和超低压更替变换所产生的振动，是爆炸中导致生物死亡的主要原因。对距爆破中心不同距离各测站的受试生物的总死亡率进行统计，发现致死率随着爆心距的增大而逐渐减小。不同鱼类对爆破后水下冲击波的忍受能力有较大差异，鱼类的致死率最高，其次是虾类，蟹类和贝类的致死率最低。这种现象可能与他们的生理结构特征有关，蟹贝类的胸壳坚硬，对冲击波的抗震性较强。而鱼体中的鳔对于产生的水中冲击波非常敏感，极易震破或发生畸变而影响鱼体正常的生理活动。受爆破冲击的鱼，其游泳能力大大下降，表现为缓慢乏力，呈麻痹状态；而有些鱼腹部向上，侧游于水面，完全失去了游泳能力，这种现象是由于鱼的神经系统遭到破坏的结果。鱼类在爆破后，鱼体中的鳔因存在空气腔，而空气具有可压缩性，当冲击波通过时会导致空腔壁的撕裂或破碎或发生畸变，但这种变化反应不一定马上发生，而是经过一段时间后，才逐渐表现出来，并且此时开始陆续出现死亡。有些鱼可以逐步恢复到原来的鳔形，有些则不能恢复。
3.3 爆破对渔业资源影响的类比分析
在大型水下钻孔爆破施工中，往往会对周围环境造成一些不利影响，所以控制爆破规模，保证安全，不断优化爆破方案，达到减少对周围环境及渔业资源的影响成为水下爆破研究的发展趋势。前采用较多的爆破方式一般有两种，一种是延时爆破，一种为齐发爆破。延时爆破就是指毫秒微差爆，炸药分时段进行间隔引爆，齐发爆破是指炸药同时起爆。延時爆破由于采用了分段起爆，各药包间的协同作用较齐发爆破减小，因而在相同药量的情况下，采用延时爆破较齐发爆威力要小些，即冲击波压力较小。研究结果表明两种爆破方式对渔业生物的影响，在一次总起爆药量不变的情况下，采用孔间毫秒微差顺序起爆。合理控制起爆药量及微差起爆时间，可有效降低爆破水中冲击波及爆破地震波动水压力的影响，从而减少对渔业资源的危害损失。在炸药选择上，建议在不影响爆破效应的情况下，使用成本低的乳化炸药进行水下爆破作业，可减少环境污染及渔业资源损失，以取得最佳爆破效果。
4 结论
水下钻孔爆破水中冲击波有害效应对桥墩、船舶、鱼类等都会产生比较大的影响。桥墩各个方向的响应均有不同程度的增大，而以沿冲击波的传播方向增大最多。桥墩速度响应在各个方向的值均以船舶底板最大，主要是由于船舶底板直接受到水中冲击波作用。此外，强大的水中冲击波压力是导致鱼类损伤及死亡的主要原因。
