吴从清¹  牛德光²  宋晓华²

( 1 长江科学院，武汉430010；2 海军37492部队，青岛266102)

摘 要   对水下钻孔爆破施工中的宏观效应进行了初步分析，包括水中冲击波、水冢及水柱、冒泡及鼓水、爆破质点振动、炮烟等，施工中可根据爆破宏观效应的观测结果初步判别爆破效果，便于及时调整爆破参数及爆破方法。

关键词  水下爆破，宏观效应，爆破效果

1  前言

水下钻孔爆破较多应用于航道加深、港区加深、近岸取排水管道基槽开挖等工程。与陆上一般土岩爆破作业相比，因为多了中间水介质的影响，水下爆破钻孔、装药、起爆、出渣等都变得复杂，特别是爆后不能肉眼直接观察爆破效果，有时甚至无法估计钻孔内药包是否全部安全起爆，由于大型钻爆设备与挖渣设备多采用比较繁杂的锚机定位方式，不可能在每次爆破后立即挖渣并从中观测爆破块度、爆破深度及宽度等爆破效果。当爆破效果不好时，二次钻爆易于发生卡钻、残眼钻爆事故，工期加长、成本加大。因此，如何及时判别水下钻孔爆破施工过程中的爆破效果并及时调整爆破参数、减少二次钻爆工作量是我们关心的问题。

在长江航道清淤应急工程沌口炸礁工程、秦山核电三期工程取水口管槽开挖爆破及三峡工程导流明渠及永久船闸航道加深等水下钻孔365体育中，由于爆区与重要建筑物距离较近，分别进行了爆破质点振动、水中冲击波危害效应的监测工作，同时也对有关爆破宏观效应，如水柱高度、涌浪高度及时问、冒泡鼓水范围与时间、炮烟等进行了观察，结合爆破宏观效应机理的分析，认为根据水下爆破宏观效应初步判断爆破效果是一种简单可行的方法。

2  水下爆破宏观效应的观测与分析

2.1  水中冲击波

根据水中爆破冲击波理论，水下爆炸高温、高压爆炸产物对周围水介质的强烈压缩，使其压力、密度和温度突跃升高，形成初始冲击波，其后爆炸产物在水中以气泡形式存在并产生气泡脉动压力，直至气泡浮出水面，其中气泡脉动压力约为冲击波峰压的16％。

水下钻孔爆破产生的水中冲击波主要由两部分组成，主要部分为地一水冲击波，炸药在钻孔内爆炸后，基岩中产生的应力波到达基岩和水的分界面后经透射到水中形成冲击波，地一水冲击波衰减较水中裸露爆破快，持续时间长(约1ms)；另一部分是气体冲击波，由高压爆炸气体膨胀时从炮孔中冲出在水中形成，其强弱与炮孔堵塞、岩石完整性有直接关系。水下钻孔爆破冲击波波阵面压力可按铁道科学研究院提供的下列公式估算：

P_m=31.0ρ^1.45    (1)

式中：P_m为水击波波阵面峰值压力，kg／cm²；ρ为比例药量，式中ρ值范围0.066～0.196，ρ=Q^1/3／R，R为测点与药包的距离，m；Q为药包重量，kg。

通过上式计算P_m范围为0.6～2.9 kg/cm²，实测水中冲击波的压力上升时间为微秒量级，在不到l毫秒的时间内压力即降低一般。因此水下钻孔爆破只要不发生殉爆，应以最大单响药量来估算水中冲击波峰值压力。

水中冲击波压力测试系统包括：水击波传感器、电荷放大器及动态信号记录分析仪。实际工程观测过程中，应根据水中冲击波的衰减规律及量值大小确定传感器的布置位置及记录仪器量程，并采取必要的衰减或放大，以便监测到清晰的水中冲击波波形，判读判读冲击波波形基本特征及峰压值是否合理。

在测试系统准确无误的情况下，若测试值极大于预计值，可以考虑堵塞是否良好、或孔内装药段是否过长等；若测试值极小于预计值，可以考虑炸药防水性能是否适合或装药时间时间是否过长、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气体直接喷出或水中冲击波及气泡作用的结果，当冲击波到达水面并被反射时，由于空气的声阻抗远小于水的声阻抗，水中冲击波传到水面时，反射系数为一1，透射系数为0。自由面存在使得水面的冲击波压力为零，质点的速度为2倍自由场时的速度。水体表面层向上的最大运动速度为：

υ₀=2cosαP_m/ρ_wC_D    (2)

式中：υ₀为水面表层向上运动的速度，m／S；P_m为至水面表层的冲击波峰值压力10^-15MPa；ρ_w为水的密度，取ρ_w=1.0kg／m³；C_D为水中冲击波的传播速度，m／s；α为测点抛掷方向与铅垂方向的夹角。

大气对水体的阻力很小，炸药爆炸以后首先看到水表面的质点向上运动形成水冢，当运动速度极大时向上飞溅形成水柱。水冢及水柱上升的最大高度为：

H=ƒV₀² /2g   (3)

式中：H为水柱最大高度，m；ƒ为水体摩擦阻力系数，约0.2～0.3。

存在入射偏角时，冲击波的全反射效应明显减弱，且入射波与反射波存在时间差异，叠加效应明显减弱，因此水面可见水柱高度以中部最高，旁侧急剧降低，水柱回落会产生较大涌浪。

在秦山工地泵房小围堰基坑(面积4m×7m，水深6m，外侧水深高出5m)外侧进行水下钻孔爆破同时拆除小围堰时，孔深12m，孔底高程与基坑底部相同，基坑内水的整体运动受边界约束转化为向上的势能，产生约30m高的水柱并携带部分石块，因基坑较深且狭窄，水柱范围较小，幸未造成危害。

2.3  冒泡鼓水

炸药完全反应时产生最大体积的气体，气体产物最终升至水面，在水面产生冒泡鼓水现象，同时在水域产生波浪。冒泡的范围应与水下药包布置范围一致；冒泡时间与水深及钻孔深度、爆破块度等有关。由于爆渣的掩盖，爆生气体运动距离较长，冒泡时间可长达十几分钟。同一365体育中，多次观测相同爆破条件下冒泡鼓水范围及时问的差异，如果局部爆破区域未有冒泡鼓水现象发生，可初步判断该区域爆炸未完成。

2.4  爆破振动

水下钻孔爆破地震波效应同样在爆源近区衰减快、远区衰减慢，其衰减规律符合一般陆地爆破振动通用公式表达式。由于水介质的耦合作用，水下爆破地震波效应具有以下特点：

(1)由于水体覆盖、堵塞作用及抛掷阻碍影响，水下钻孔爆破的地震波效应比同量级陆地土岩爆破大；

(2)水下钻孔爆破地震波衰减较慢，爆破振动影响范围也较大。

爆破远区质点振动速度可按下式估算：

V=K(Q^1/3／R)^α    (4)

式中：v为质点振动速度，cm／s；Q为水下钻孔爆破最大单响药量，k；R为测点与爆源距离，m；K为场地系数，不同爆破方式及地质条件下各不相同，可按K=200、α=2估算。

爆破质点振动速度测试系统包括：拾震器、动态信号记录分析系统。较大时差微差爆破(约50～100ms)，可根据爆破质点振动波形的相应激振时间明确判别各段药包是否起爆或殉爆：在其它条件相同时，若质点振动峰值极小，应考虑药包是否反应完全；若质点振动速度极大，则应考虑是否发生殉爆或分段不合理。

在秦山工地的一次爆破中，爆破排数6排，每排4孔，孔、排间距3m×2.5m，孔深约10m，水深15m，设计爆破延时为MSl～MSl5，根据岸区爆破质点振动速度(距离爆区约30m)时间历程分析可知，其中MS9、MSl0、MSl2～MSl5段所在排在时间历程中均未有相应起爆时间的明显激振现象，分析为后排的孔排间时差较大，孔间挤压拉裂破坏较大(破坏距离为2～3排孔距)，同时也注意到孔内起爆雷管分布较少的缺陷。

2.5  炮烟

水下钻孔爆破常用炸药有硝化甘油类胶质炸药及混合炸药、乳化炸药等，硬质塑料外壳包装，密度大，爆炸威力大，抗水性强，正氧平衡炸药，适合于水下爆破使用，正常爆炸的炮烟为白色雾状，炸药反应完全。大面积水下钻孔爆破的钻孔装药时间较长，炸药浸水时间一般在l～2天以上，若炸药性能较差或起爆能力不足时，爆破后产生黄色、红褐色炮烟，含有大量CO、NO₂、SO₂、H₂S等有害气体成分，其中红褐色的NO₂是炸药爆炸反应不完全的产物。

在秦山工地的一次水下爆破钻孔爆破中，因钻孔直径较小，装药困难，装药中较多炸药被炮棍捅出包装筒，浸泡时间3天，表层炸药失效，爆后产生较多黄色、红褐色炮烟，长时间弥漫水面，同时监测爆破振动速度也较小，可以认为爆破效果不十分理想。

3  结果与讨论

水下爆破的各种宏观效应，包括水中冲击波、水冢及水柱、冒泡鼓水、爆破振动、熄烟等，是水下爆炸能量直接作用的结果，与爆炸释放能量的大小有近似的计算关系及估算值，可进行仪器监测。因此，通过估算及观测宏观效应，综合分析水下爆破效果是一种简便有效的方法，便于及时指导设计及施工。施工中还可将根据宏观效应判断的爆破效果与整体365体育完成后的实际挖渣效果及验收情况进行比较，不断积累爆破过程中根据宏观效应判断爆破效果的经验。

现阶段水下钻孔爆破施工及科研工作中对爆破宏观效应的系统观测仍较少，特别是有目的地观测，分析判断施工过程中爆破效果，并用于指导施工的较少，本文提出了的一些初步意见可供参考。

参考资料

1  杨光煦．水下工程爆破．海洋出版社．1992

2   P．库尔．水下爆炸．国防工业出版社．1960

3  刘殿中．工程爆破实用手册．冶金工业出版社．1999

4  吴新霞．水压控制爆破机理及装药量计算．研究生论文．1987