水下爆破技术发展(1).pdf

书书书 第 37 卷 第 1 期 2020 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 37 No. 1  Mar. 2020 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2020. 01. 001 水下爆破技术发展* 赵 根， 黎卫超 （长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室， 武汉 430010） 摘 要 为梳理水下爆破技术的发展脉络， 总结水下爆破技术的最新成果， 在查阅大量文献资料的基础上， 结合参与的大型工程实践经验和研究成果， 从水下爆破机理、 水下爆破器材、 水下爆破设计及优化等方面详 细介绍了水下爆破技术的最新研究进展。重点介绍了各时期水下爆破新技术在水下炸礁爆破、 水下岩塞爆 破、 围堰拆除爆破等工程中应用的典型案例。可为水下爆破新技术在港口码头建设、 水运航道疏浚、 水利水 电水下爆破拆除、 交通桥梁水下爆破施工等工程领域的应用提供参考。 关键词 水下爆破；爆破器材；水下炸礁；围堰拆除爆破；岩塞爆破 中图分类号 TD235 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2020） 01 -0001 -12 Development of Underwater Blasting Technology ZHAO Gen， LI Wei-chao （Changjiang River Scientific Research Institute， Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of MWR， Wuhan 430010， China） Abstract This paper sorts out the development of underwater blasting technology and summarizes the latest a- chievements based on a large amount of literature， large-scale engineering practice experiences and research results. The latest research progress of underwater blasting technology is introduced in detail from the aspects of underwater blasting mechanism， underwater explosive materials， underwater blasting design and optimization， with emphasis on the underwater reef blasting， underwater rock-plug blasting， cofferdam demolition blasting and other typical cases in various periods. This paper can provide reference for the application of new underwater blasting technology on port construction， waterway dredging， underwater blasting demolition of water conservancy and hydropower， underwater blasting construction of traffic bridge and other fields. Key words underwater blasting；explosive materials；underwater reef blasting；cofferdam demolition blasting； underwater rock-plug blasting 收稿日期 2020 -02 -03 作者简介 赵 根 （1965 - ） ， 男， 江苏海门人， 长江科学院水利部岩 土力学与工程重点实验室， 教授级高级工程师、 博士， 主要 从事工程爆破设计、 科研、 安全评估及技术咨询等工作， （E-mail） wuh_zhaogen126. com。 通讯作者 黎卫超 （1987 - ） ， 男， 湖北荆门人， 长江科学院水利部岩 土力学与工程重点实验室， 工程师、 硕士， 主要从事工程爆 破设计、 爆破安全监测、 安全评估等工作。 基金项目 中央基本科研业务费一类项目 （CKSF2019193/ YT） ； 中央 基本科研业务费二类项目 （CKSF2019477/ YT） 爆破介质有一个及以上的临空面在水面以下的 爆破施工称之为水下爆破。水下爆破是爆破工程中 的一个重要分支， 按装药形式与水域条件的差异， 水 下爆破可分为深水爆破、 浅水爆破、 近水面爆破、 水 底裸露爆破、 水下钻孔爆破、 水下硐室爆破以及挡水 体爆破 ［1-3］。水下爆破起源于军事领域的水下爆炸 研究， 美国人 R H Cole 根据大量的水下爆炸试验， 对水下爆炸的物理现象、 化学变化特性、 爆炸机理和 水下爆炸载荷的传播及分布特点进行了研究和总 结， 形成了比较系统的理论， 并于1948 年出版了 水 下爆炸 一书 ［4］。之后几十年， 人们在水下爆炸基 础理论研究方面仅限于局部的修正或补充， 基本上 未突破 水下爆炸 一书所奠定的理论框架， 其总结 万方数据 的半理论半经验公式至今仍被广泛使用。第二次世 界大战以后， 英、 美、 瑞典、 日本等国将水下爆破技术 广泛地应用于港口码头、 航道清礁疏浚和水利水电工 程等建设过程中， 同时积极开展水下爆破技术研究。 1962 年 7 月， 我国山西长治的漳泽水库上游突 降暴雨， 库水位急升至距坝顶 1. 74 m 处， 水利部门 联合部队首次采用水下爆破技术成功拆除进水塔底 部钢筋混凝土结构， 进行应急抢险 ［5］， 从此拉开了 我国水下爆破技术发展的序幕。19681972 年， 广 东航道局等单位组织了专业水下爆破炸礁队， 对黄 埔航道长约 2 km、 49. 6 万 m3的水中礁石首次采用 水下爆破技术进行炸除， 并创造了一套全新的水下 深孔爆破水上作业设计、 施工工艺， 被誉为 “黄埔水 下爆破法” ［6］。1971 年在辽宁省开原县清河水库， 采用硐室与钻孔相结合的方案， 成功实施了我国首 例水下岩塞爆破工程 ［6］， 岩塞厚度 12 m、 直径 6. 0 m， 总装药量 1190. 4 kg。1986 年在葛洲坝水电 站上游围堰防渗墙水下爆破拆除中， 炮孔多达 3548 个， 总装药量 47. 78 t， 最大单段药量为 282 kg， 毫秒微差分段总数达 324 段， 总延时 8. 1 s， 是我国 最早的典型围堰拆除爆破工程， 创当时多项国内爆 破史上新记录 ［7］。虽然我国水下爆破技术的应用 起步较晚， 但随着综合国力和经济的发展， 很多学者 从大量的水下爆破工程实践中进行了研究和总结， 从而促进了水下爆破技术的快速发展， 出现了水上 钻孔爆破平台及漂浮式钻爆船等施工装备， 耐压防 水雷管与防水炸药等新型爆破器材， 以及气泡帷幕 防护技术等， 使深水、 大流速复杂海况以及紧邻建筑 物的水下工程爆破实施成为可能。近年来， 随着计 算机技术和计算方法的发展进步， 水下爆炸数值模 拟研究得到了快速发展， 数值模拟计算结果可指导 或应用于工程实践 ［8， 9］。水下爆炸能量释放及传播 规律、 水下爆炸毁伤机理与效应评估、 水下爆炸测试 技术、 水下爆炸数值仿真技术等方面的研究成果促 进了水下爆破理论研究的快速发展。 1 水下爆破理论 长期以来， 水下爆破的复杂环境导致了实验模 拟观测的可操作性差， 严重阻碍着实验技术的发展， 造成了目前水下爆破理论和实验研究远远落后于工 程应用技术发展的局面 ［10］。由于水下爆破炸药爆 炸的瞬时性， 装药结构、 起爆方式的差异， 水下环境 与水深变化的影响， 水底界面和自由表面对冲击波 的反射、 折射作用等多种因素影响， 水下爆破比陆地 爆破具有更加复杂的作用机理。但水下爆破与陆地 爆破在爆破方法和爆破原理方面是相似的， 因此， 众 多学者从研究水中爆炸、 陆地爆破的作用机理入手， 通过比较水下爆破与陆地爆破的差异， 对水下爆破 的作用机理进行研究。目前对水下爆破水中冲击 波、 地震波的理论研究还比较少， 所能参考的资料大 多是水下爆破工程实例的中远区水中冲击波、 地面 地震波监测数据的分析和归纳， 或是通过数值仿真 对某些单一影响因素进行探索性的研究， 得到的结 果可能有一定的偶然性和随机性， 还不能得出精准 的理论模型， 但可为降低水下爆破的负面效应提供 依据。 1. 1 水下爆破冲击波传播理论 忽略水介质的粘滞性和热传导性， 基于质量守 恒、 动量守恒和能量守恒三大定律， 可得到能描述水 下爆炸现象的流体动力学基本方程组 ［11］。但水下 爆炸极为复杂， 想要得到符合实际情况的精确解十 分困难。目前， 国内外学者均对水下爆破进行大量 简化， 采用理论分析、 实验研究和数值计算三种方法 对水下爆破冲击波传播理论进行综合性探索 ［9］。 钱胜国对自由水面中冲击波及其反射的变化规律进 行实验研究 ［12］， 利用爆炸深度与爆炸能量逸出的关 系修正了库尔公式。孙远征和陶明分别采用试验和 数值计算研究了水下钻孔爆破水中冲击波的传播特 性和衰减规律 ［13， 14］； 刘志利用高速摄影技术研究了 水下爆炸冲击波波阵面传播规律， 得出了小药量水 下爆炸冲击波压力计算经验公式 ［15］； 司剑锋通过对 静水、 动水、 水下裸爆、 水下钻孔等不同条件下的爆 破水击波进行现场测试， 研究了水下炸礁工程爆破 水击波特性及衰减规律 ［16］； 柴修伟采用数值模拟方 法对水下爆破在单自由面、 双自由面条件下， 炸药在 水下岩石中爆炸后产生的水中冲击波的传播特性和 衰减规律进行研究， 得出水中冲击波的衰减规律具 有方向性 ［3， 17］。曲艳东采用数值模拟方法研究了冰 体覆盖的相对封闭条件下水下爆破冲击波传播规 律 ［18］， 认为冰盖的存在可以削弱水下爆炸冲击波能 量的耗散， 和常规水下爆炸相比， 峰值压力较小， 衰 减速度较慢。 1. 2 水下爆破地震波传播理论 水下爆破的地震效应主要来自三个方面 一是 炸药爆炸直接作用形成的地震波； 二是水击波冲击 水底边界所产生的冲击地震波； 三是爆生气体在水 中作胀缩上浮运动形成的脉动水压力引起地震效 应 ［19-21］。詹发民对水底岩石的振动信号进行监 测 ［22］， 通过小波分析得出大部分能量集中在 100 Hz 以下， 振动强度与测点的位置有关 爆心距相同时， 2爆 破 2020 年 3 月 万方数据 随着药量增大， 能量更多集中在低频部分； 爆区水越 深， 振动能量的低频部分越大， 沟槽效应的影响与陆 地爆破地震波的传播规律一致的结论。邵蔚通过现 场实测爆破振动速度数据分析 ［23］， 认为水下爆破具 有明显的滤频效应， 具有主频小、 频带窄和能量小等 特点。王振雄对不同水深条件下的质点振速进行数 值模拟分析 ［24］， 认为初次振速基本一致， 但二次峰 值出现的时间及峰值大小均有较大区别。彭亚雄认 为水下钻孔爆破随单段最大药量的增加， 地震波低 频带能量比增大， 地震波能量随爆心距呈指数衰减， 同时地震波能量向低频带富集 ［25］。胡春红通过数 值仿真分析， 认为水下炸礁产生的爆破地震加速度 时程可作为工程结构响应计算时的激励 ［26］。钟东 望以长江太子矶航道疏浚爆破工程为例， 通过对水 下爆破地震波的测试与分析， 认为地面振动的主振 频率应是低频波和高频波的叠加， 低频波占主要部 分， 而水冲击波引起的地面振动高频波的冲击作用 并不明显 ［27］。沈蔚等人运用灰色关联理论， 结合工 程实践经验， 分析指出 最大段药量对爆破地震波的 振动峰值和主频有着主要的影响作用 ［28， 29］。 1. 3 水下爆破破岩机理 水下爆破孔内一般都有水， 装药后孔内炸药处 于水耦合状态， 当炸药爆炸时， 由于水的耦合作用， 削减了爆轰波的初始冲击压力， 使孔内爆轰波的压 力处于比较均匀的状态， 炮孔内壁一般不会出现粉 碎性的压缩圈。通常认为在炸药爆炸应力波传播到 岩石与水的分界面前， 岩石的破碎作用机理与陆地 爆破的作用机理是相同的， 一旦爆炸应力波传播到 岩石与水的分界面时， 应力波将在二种介质的界面 处出现反射和透射现象， 此时既会出现透射到水中 的压缩波， 也会出现反射至固体介质中的拉伸波， 这 与陆地岩石爆破时入射波几乎全部反射形成拉伸波 不同。同时， 由于水压力的作用， 相当于给岩石临水 自由面增加了一个预应力， 也会抵消一部分反射拉 应力的作用， 因此， 水下岩石爆破临水自由面的反射 破坏作用没有陆地爆破的明显， 并随着水深的增加， 爆破漏斗半径将变小。 破碎后的岩块运动由于受到水的阻力， 其运动 距离将大大缩小， 这也是水下爆破当达到一定的水 深， 一般不会产生爆破飞石的原因。炸药能量在破 碎岩石的同时， 有部分炸药能量通过破碎岩石的缝 隙作用到水体中， 产生水击波或动水压力， 并产生涌 浪， 出现炸药水中爆炸的很多物理现象 ［30］。李春军 认为水越深， 炸药要抵抗水压越大 ［31］， 导致破岩岩 体的体积越小， 破坏范围越小。时立国说明了爆炸 冲击波到达水面时反射生成的拉伸波能量比在空气 中的反射拉伸波能量小得多， 这极大减弱了自由面 的反射拉伸波对岩石的破坏效应 ［32］。此外， 由于被 爆岩体表面产生变形需克服静水压力， 水的阻力也 会影响破碎岩体的抛掷运动， 从而导致水下钻孔爆 破的炸药单耗比陆地爆破的炸药单耗大。殷秀红运 用数值仿真技术研究水下钻孔爆破岩石各区的应力 响应 ［33］， 认为水介质的存在增加了爆炸应力波与爆 生气体的作用时间， 当炸药性能不变时， 与陆地爆破 相比， 爆炸初始阶段在冲击波作用下形成的粉碎区 范围相近， 而裂隙区的范围更广。唐玉成 ［34］、 白杨 在爆炸罐内施加不同压强 ［35］， 模拟不同水深梯度， 发现随着水深增大岩石的大块率增加， 且水深是主 要影响因素。 由于水介质的压力作用， 改变了岩石中的轴向 压力作用， 受到水的围压作用， 炸药爆炸后需分配一 部分能量用于克服水压作用， 而且水深越大， 岩石外 部围压越大， 因此破碎程度远不如同等条件下的陆 地爆破， 得到相同破碎程度， 需要更大的单耗， 水深 越大所需单耗越大。李伦认为由于水介质的存在， 水下爆破冲击波作用时间更长、 应力峰值更高 ［36］， 这也使得水下爆破冲击波对岩石的损伤破坏作用更 强。刘美山采用混凝土试件进行陆地和水下爆破效 果的对比试验 ［37］， 认为水深 25 m 左右时， 水下爆破 要达到陆地爆破的效果其单耗应增加 2 4 倍。 综上所述， 由于水压力的作用， 减小了爆破的破 裂半径， 降低了破碎效果， 削短了抛掷距离， 水越深 影响越大， 因此， 水下爆破欲取得与陆地爆破同样的 破岩效果， 水下爆破炸药单耗约是陆地炸药单耗的 2 倍以上。 2 水下爆破器材 现如今， 工业炸药的技术水平主要表现在粉状 乳化炸药、 无梯炸药和现场混装炸药三个方面； 工业 雷管发展最迅速的是塑料导爆管雷管和数码电子雷 管 ［38］。但在水下爆破工程中， 特别是深水 （水深超 过 20 m） 环境爆破时常出现爆轰性能下降， 甚至出 现半爆或拒爆现象， 严重影响水下爆破工程的效果。 因此， 水下爆破应采用具有抗水抗压性能的爆破 器材。 2. 1 起爆器材 水下爆破起爆网路随起爆器材的发展而发展， 最初多采用导爆索结合继爆管进行小规模的水下爆 破； 随着电雷管的应用， 水下爆破逐步开始使用电雷 管起爆网路， 但分段较少， 一次爆破规模也不大； 后 3第 37 卷 第 1 期 赵 根， 黎卫超 水下爆破技术发展 万方数据 来导爆管雷管， 特别是高精度导爆管雷管的应用， 水 下爆破开始采用微差起爆技术， 一次爆破规模基本 不受起爆网路的限制； 目前， 随着电子雷管的普及应 用， 水下爆破逐步走向精细化。 对于水下爆破起爆器材最重要指标是雷管的抗 水抗压性能， 一般而言， 工业雷管金属外壳具有很好 的抗水抗压能力， 而雷管脚线卡扣处的塑料塞则是 抗水薄弱部位。钟帅在自己设计的高压容器中对工 业 8 号雷管进行了 80. 65 150. 65 m 模拟水深试 验 ［39］， 结果表明 在该水深范围内随着水深的增加， 雷管能够完全爆轰， 冲击波峰值压力和能量并不发 生明显变化。徐圆圆通过试验发现单发导爆管雷管 在 200 m 以内的水深中可以正常起爆， 比冲击波能 总体上是微量下降， 比气泡能在总体上是微量上 升 ［40］。在实际水下爆破工程应用中， 工业雷管均正 常起爆 ［41-43］， 因此， 在水下爆破工程中仅需从起爆 网路可靠性方面进行雷管的选择， 但不管采用何种 起爆网路， 都需要考虑雷管卡扣的薄弱处， 其能承受 的拉力较小， 特别是在深水环境中， 更是要避免拉扯 雷管脚线， 要对起爆网路进行加固， 要保证起爆网路 不受力， 以防被风浪、 水流拉断破坏。 2. 2 抗水性炸药 水下爆破最初多采用 TNT 等单质军用炸药、 胶 质炸药以及铵梯炸药， 或者在药卷上涂沥青、 石蜡、 焦油、 松香等防水剂， 或者将炸药装在防水容器内， 随着炸药技术发展以及安全、 环保的要求， 逐步开始 使用乳化炸药、 水胶炸药等抗水性炸药， 或是直接将 炸药装入塑料壳体内形成震源药柱类防水炸药， 而 目前胶质炸药、 含梯炸药已逐渐停产。 我国 工 业 类 抗 水 炸 药 的 抗 水 标 准 一 般 为 0. 2 MPa， 也就是说常规工业抗水炸药只能适用于 小于 20 m 水深条件下爆破。当水下爆破工程的水 深大于 20 m 时需设计采用深水爆破专用炸药。金 鹏刚采用密封容器注水加压的方法模拟一定水深的 工况 ［44］， 对 某 型 号 的 乳 化 炸 药 和 水 胶 炸 药 在 1. 0 MPa 水压力 （模拟 100 m 水深） 下放置 7 d 后， 在水中 1. 0 MPa 压力下进行爆轰试验， 试验结果表 明这两种炸药在 1. 0 MPa 水压力下全部正常爆轰。 适合于深水条件下 （水深大于 20 m） 的炸药主要为 非常规抗水类工业炸药， 主要包括乳化炸药、 水胶炸 药等。 （1） 乳化型深水爆破专用炸药。乳化炸药的敏 化方式有物理敏化、 化学敏化和物理化学联合敏化 三种方式， 主要依靠小气泡或微气泡的 “敏化热点” 起爆机理形成爆轰。在深水条件下， 常规乳化炸药 受先起爆炸药的水击波 “减敏” 作用影响， 容易导致 “压死” ， 产生拒爆现象。刘磊研究发现 ［45］， 在深水 压力长时间作用下， 化学敏化的乳化炸药爆炸性能 下降主要是渗透溶胀和气泡逃逸引起 “敏化热点” 减少造成的， 珍珠岩敏化的乳化炸药爆炸性能下降 主要是渗透溶胀和珍珠岩破碎与失效引起 “敏化热 点” 减少造成的， 玻璃微球敏化的乳化炸药爆炸性 能下降主要是渗透溶胀引起的。乳化炸药的密度需 控制在合理范围， 其爆炸性能才能达到最佳， 但化学 敏化、 珍珠岩敏化的乳化炸药密度随水深增加而增 大， 其爆炸性能随水深的增加而逐步降低， 达到一定 水深时甚至出现拒爆； 而玻璃微球敏化的乳化炸药， 由于单位体积的 “敏化热点” 相对较多， 在一定的压 力作用下， 炸药密度即使增大， 其炸药爆轰性能依然 下降不明显。徐乾 ［46］、 侯志明对乳化炸药的配方进 行了研究 ［47］， 均获得了以玻璃微球作为敏化剂的深 水抗压型乳化炸药。因此， 采用玻璃微球为主的敏 化方式制备的乳化炸药更适用于深水爆破。 （2） 水胶型深水爆破专用炸药。水胶炸药通常 采用硝酸甲胺为主的水溶性敏化剂和密度调节剂， 同时采用膨胀珍珠岩作为次要敏化剂并辅助调节密 度。硝酸甲胺是一种爆炸性敏化剂， 以液态形式存 在， 其物理状态与水相似， 可近似看作不可压缩的物 质， 在体系内硝酸甲胺以分子状态与硝酸铵、 硝酸钠 等氧化剂分子在溶液中进行充分接触， 与水胶炸药 本身的水凝胶体系具有良好的匹配相容性。通过提 高硝酸甲胺和铝粉的含量比例， 适当降低膨胀珍珠 岩的含量， 可有效减少深水静压力和渗透作用的影 响， 提高激发爆轰的灼热核， 改善整体爆炸性能， 解 决常规抗水工业炸药在深水爆破作业中不耐压、 拒 爆、 半爆或炸药威力小等问题。因此， 硝酸甲胺、 铝 粉含量高， 膨胀珍珠岩含量低的水胶炸药更适用于 深水爆破。马亚以 2 号岩石型水胶炸药为模型， 在 提高硝酸甲胺和铝粉的含量比例的同时， 对有机添 加物的比例进行调整以改善深水中的起爆感度， 通 过试验获得了深水爆破用水胶炸药的配方 ［48］。如 福建港航局在水深达40 m 的海上航道清理时， 使用 该产品爆破后岩石块度小， 清运方便； 安徽繁昌县在 水深达30 m 的长江中夯实桥墩基桩时使用该产品， 大大提高了工程进度， 缩短了工期。 汪齐通过改变静水表面的压力模拟深水装药环 境， 对化学敏化的乳化炸药和煤矿许用水胶炸药进 行试验 ［49］， 试验结果表明 这两种含水炸药的爆速 随着水深的增大而降低； 乳化炸药受静态压力的影 响较大， 在静压力为0. 3 MPa 下会发生拒爆， 水胶炸 4爆 破 2020 年 3 月 万方数据 药爆速下降率比较平缓稳定。因此， 在深水区进行 爆破作业时， 需对炸药进行试爆， 测试炸药在深水区 的起爆性能， 保证炸药在水中安全准爆。 3 水下爆破设计方法 水下爆破设计方法、 装药量计算所用的基础理 论与陆地爆破相同， 只是深水影响了炸药的性能指 标， 减弱了水下破岩能力， 致使水下爆破炸药单耗选 取与陆地爆破有差异。而炸药单耗是爆破设计的核 心， 因为孔径、 孔距、 孔深以及堵塞长度等爆破参数 设计都与单耗有关。我国爆破学者在长期理论工作 和实践中结合国外已有成果， 总结了一些行之有效 的水下爆破参数计算公式， 近年来， 也有不少学者采 用数值仿真进行水下爆破参数优化设计。 3. 1 经验公式法 国内外关于水下爆破装药量计算的经验公式有 很多， 但大都只适用于特定的水下爆破环境和施工 条件， 且不同公式间的计算结果差异很大， 无法得到 任何情况都适合的计算方法。日本炸药协会公式、 瑞典公式、工程爆破实用手册 计算公式和我国水 利系统常用的计算公式是目前常用的经验公式 ［36］， 其中我国水利系统常用的计算公式、 瑞典公式和日 本炸药协会公式三者比较相似， 均考虑了水深、 覆盖 层的影响， 前两者还考虑了梯段高度的影响， 应该说 涉及到影响水下爆破效果的各种因素， 比较全面， 但 在确定基本炸药单耗时存在一定的差异。 此外， 由于这些经验公式没有考虑炸药性能受 水深影响而降低的因素， 2008 年长江科学院基于我 国水利系统常用的计算公式， 引入受水深影响的炸 药爆速降低系数， 提出了如下修正公式 ［50］ q水＝ q陆 k2 D 0. 01H水 0. 02H覆 0. 03H梯（1） 式中 q水为水下钻孔爆破的炸药单耗， kg/ m3； q陆为相同介质的陆地爆破炸药单耗， kg/ m3； H水为 覆盖层以上的水深， m； H覆为覆盖层厚度， m； H梯为 钻孔爆破的梯段高度， m； kD为水下炸药爆速降低系 数， 即爆破介质所处水深条件下实测炸药爆速与陆 地上实测炸药爆速之比。 该公式考虑比较全面， 解决了实际施工所遇到的 大部分问题， 该公式也因此成为我国水利系统水下和 半水下爆破常用的计算公式， 在国内外多个水电站的 围堰拆除爆破和岩塞爆破中获得了成功应用。 此外， 近年来也有学者对水下爆破的单耗确定 做了一定的研究。李泉对国内外的几种水下钻孔爆 破炸药单耗计算公式进行了分析比较 ［51］， 结合工程 实际， 在长江科学院水下爆破公式的基础上， 提出了 基于清渣设备能力的水下爆破炸药单耗计算公式 q水＝ f （n） q陆 k2 D 0. 01H水 0. 02H覆 0. 03H 梯 （2） 式中f （n） 为爆破作用指数的函数， 其表达式 为 f （n）＝0. 4 0. 6n3； n 值可根据挖泥船的类型及 大小选取， 根据多个类似工程的经验， 铲斗挖泥船的 n 值可取 1 左右， 抓斗挖泥船的 n 值应在 1 3 之 间； 其余符号同前。 3. 2 数值仿真分析法 水下爆破装药量计算经验公式是在工程实践基 础上归纳总结所得， 实践经验的成分更浓。利用计 算仿真技术可对水下爆破工程中的具体问题进行分 析， 对水下爆破参数进行优化， 从而指导实际施工， 加快施工进度、 降低成本、 提高爆破质量。 王宏对影响水下钻孔爆破效能的因素进行数值 仿真研究， 得到了不同堵塞长度、 不同起爆位置、 不 同装药条件对水下爆破冲击波参数的变化影响 ［52］。 齐世福通过数值仿真分析发现， 水层消耗了部分炸 药能量， 但水介质提高了炸药能量利用率使水下钻 孔爆破岩石块度更均匀， 得出的压力时程曲线可作 为水下 钻 孔 爆 破 单 耗 设 计 的 计 算 依 据 ［53］。郭 强 ［54］、 殷秀红均采用数值仿真技术对水下钻孔爆破 的孔网参数优化进行了研究 ［55］， 获得了优化设计后 的炸药单耗及孔网参数， 降低了施工成本。梁禹以 长江太子矶航道炸礁工程为例 ［56］， 对不同堵塞长度 进行数值仿真分析， 得到了破碎均匀、 块度适中、 方 便清淤等爆破效果好的合理堵塞长度。 通过数值仿真， 可以更加细致地描述水下爆破 各物理参量的变化过程， 得到大量的动态数据及分 布曲线； 将爆破过程中的物理现象以图像的形式直 观地展现出来， 克服了以往研究方法 “只闻其声， 难 见其貌” 的不足； 作为一种很好的辅助手段， 科研人 员通过计算机即可对实际工程进行指导。 4 水下爆破技术 水下爆破技术已被广泛应用于码头与船坞建 设、 航道疏浚、 水下石方开挖、 挤淤筑堤、 水下爆夯、 水下爆破拆除等工程领域。从爆破效果来看， 钻孔 爆破法的炸药利用率高、 安全性好、 爆破有害效应易 于控制、 开挖形状与爆破块度容易得到保证， 且随着 安全环保意识的增强和钻孔机械设备的不断改进， 水下钻孔爆破以爆破负面效应小的优势逐渐代替水 中爆炸和水下裸露爆破， 成为水下爆破工程的主要 5第 37 卷 第 1 期 赵 根， 黎卫超 水下爆破技术发展 万方数据 施工方法。下文将从水下炸礁爆破、 水下岩塞爆破、 围堰拆除爆破三个方面重点介绍水下钻孔爆破技术 的应用与发展。 4. 1 水下炸礁爆破技术 自 1968 年广州黄浦港航道整治水下炸礁爆破 以来， 水下炸礁爆破技术在港口建设、 内河航道疏 浚、 海底输油管道沟槽开挖、 海港航道整治等工程中 运用日益广泛。水下炸礁爆破技术的新发展主要表 现在以下几个方面 （1） 严寒季节水下深孔爆破技术的应用 ［57］。在 引松 （松花江） 入长 （长春） 工程中， 对水下基岩 1 万 余 m3的开挖， 分别于 1997 年 2 月 14 日和 3 月 22 日， 成功地进行了两次大规模水下深孔爆破。采 用钢管脚手架钻孔平台， 孔距为 3. 6 5. 0 m， 排距 为 1. 0 m， 两次爆破的炮孔分别为 360 个、 504 个， 药 量为 6. 1 t、 10. 7 t。 （2） 复杂海况条件深水炸礁技术的应用 ［58］。上 海洋山深水港炸礁工程所在水域水文条件复杂， 爆 破厚度达 21 m、 施工水深 25 m， 该工程是当时国内 难度最大的炸礁工程。施工中采用了自升式炸礁平 台船， 钻孔直径115 mm 和165 mm 两种， 孔距2. 3 3. 5 m， 排距2. 0 2. 8 m， 钻孔超深3 m， 采用高能乳 化炸药， 单耗 1. 8 1. 95 kg/ m3， 采用粒径小于 3 cm 的石子进行堵孔， 堵塞长度 0. 5 1. 0 m， 防止药柱 拉出孔外。洋山港水下炸礁爆破的成功为我国深水 港的水下炸礁积累了经验。 （3） 深水管沟爆破技术的应用 ［59］。福炼深水管 沟爆破工程为线型管沟式炸礁， 炸礁沟底宽度为 6 m， 长度 2588 m。施工区域处于湄洲湾风口区， 风 大浪高， 涌浪高达 2 3 m， 流速 2 m/ s， 爆破施工最 大水深达 51 m。每个船位设计爆破面积为 12 m 9 m， 每船位布置4 排孔， 每排布3 个孔， 孔距3. 0 m， 排距 3. 0 m， 超深 3. 5 m。采用高密度系列震源药 柱， 单耗 2. 0 kg/ m3。该工程的成功标志着我国在 深水礁石区进行管沟施工实现突破。 （4） 复杂环境内河航道疏浚水下炸礁技术的应 用 ［60］。长湖申线湖州段航道疏浚工程周围环境复 杂， 水深 2. 0 3. 5 m， 不能用钢管架搭建作业平台， 大型钻爆船也不适用， 只能采用自制的浮筒式水上 钻孔平台。采用 2. 0 m 2. 0 m 的小孔网参数减少 单孔装药量来控制爆破振动， 超深 2. 0 m。孔内 MS12 导爆管雷管， 孔间 MS2、 MS3 导爆管雷管接力， 排间 MS5 导爆管雷管， 从中间以 V 型逐孔起爆， 起 爆方向朝向原河道， 成功地将爆破有害效应控制在 安全允许范围之内。 （5） 现场混装炸药技术在海上炸礁工程中的应 用 ［61］。斯里兰卡汉班托塔港项目， 是国际影响力比 较大的一项大型海外基建项目。由于斯里兰卡国内 没有自己的工业炸药生产厂， 所需炸药全部依赖进 口， 不仅综合使用成本高， 对施工进度也会有很大影 响。将采矿工程中广泛应用的露天炸药现场混装技 术， 移植到了海上炸礁作业中， 在钻爆施工船上实现 了水下钻孔、 炸药生产、 机械化装药、 爆破等一体化 功能。 （6） 数码电子雷管在水下炸礁工程中的应 用 ［42］。陆丰核电厂北导流堤基槽水下炸礁， 爆破振 动控制要求严， 非电导爆管起爆网路不能满足要求。 该工程采用矩形布孔， 孔距、 排距取 1. 5 1. 8 m， 超 深 2. 0 m， 每孔装 2 发数码电子雷管， 孔间延时设为 30 ms。首次爆破共钻孔 207 个， 由 3 台起爆器连接 并通过主机及起爆控制软件进行起爆。通过合理地 控制延时时间， 设计合理的爆破参数和起爆网路， 以 毫秒延时爆破的方式， 逐孔、 逐排进行起爆， 成功地 实现大规模单孔单段的水下炸礁微差爆破。 4. 2 水下岩塞爆破技术 我国从 1971 年在清河 “211” 工程取水口采用 岩塞爆破技术之后， 到目前已成功实施了 30 多个规 模较大的岩塞爆破工程。岩塞爆破方法主要有 集 中药包爆破法、 钻孔爆破法、 集中药包与钻孔爆破结 合法。岩塞爆破实施前， 一般需在实际岩塞部位附 近进行 1∶ 1 或 1∶ 2 的岩塞爆破原型模拟试验， 不仅 成本高、 施工难度大， 而且风险高。2012 年长江科 学院开创性地提出了隧洞环境下进行岩塞爆破模拟 试验的方法， 即利用工程本身的水工隧洞开挖， 在大 断面隧洞环境下， 模拟岩塞条件， 开展钻孔岩塞爆破 试验， 此种试验方法与传统的原型模拟试验方法相 比具有如下优势 ①成本低 结合输水隧洞正常钻爆 开挖施工进行试验， 无需专门开挖试验洞； ②风险 小 可预先对岩塞爆破关键技术分解模拟； ③可进行 多次试验。该试验方法已成功推广应用 ［62， 63］。随 着钻爆设备更新换代以及起爆器材的不断创新， 采 用数码电子雷管可以实现任意分段， 近年来国内实 施的岩塞爆破多采用深孔钻孔爆破。水下岩塞爆破 技术的进展如下 （1） 丰满水电站泄洪洞进水口是我国规模最大 的水下岩塞爆破工程 ［64］， 于 1979 年 5 月 28 日爆破 成功。该岩塞轴线倾角 60， 设计直径为 11 m， 厚度 为 18. 5 m （包括 3. 5 m 厚的覆盖层） ， 岩石厚度与直 径比为 1. 36， 岩塞爆破方量为 3794 m3， 其中岩石方 量 2690 m3， 覆盖层 1104 m3。采用开启闸门集渣爆 6爆 破 2020 年 3 月 万方数据 破方式， 岩塞分三层布置 8 个集中药室， 形成 “王” 字形， 选用胶质炸药， 总装药量 4075. 6 kg， 最大一段 药量 1979 kg。为有效控制岩塞轮廓及减小振动， 轮 廓面上布置104 个预裂孔， 孔径40 mm， 孔距30 cm， 孔深 8. 0 m， 线装药密度 270 g/ m， 预裂孔装药量为 201. 4 kg。采用毫秒电雷管微差起爆网路， 预裂孔、 1 2 号药室和 3 8 号药室的起爆时间分别为 0 ms、 25 ms、 75 ms。 （2） 长甸水电站改造工程取水口是我国目前最 大的全排孔岩塞爆破工程 ［65， 66］， 于 2014 年 6 月 16 日爆破成功， 它的成功从工程层面填补了我国大 直径全排孔岩塞爆破的技术空白， 使我国的岩塞爆 破技术达到国际领先水平。该岩塞位于水库正常蓄 水位以下 63. 3 m， 岩塞中心轴线与水平夹角 43， 岩 塞段厚度为 12. 5 m， 岩塞外口直径为 14. 6 m， 岩塞 内口直径为 10 m， 扩散角 10， 岩塞厚度与直径比为 1. 25， 岩塞体设计方量 1419 m3。采用 “气垫式” 闭 门集渣、“中导洞” 全排孔爆破方案， 分为中导洞区、 扩大区、 轮廓区三个区域， 共布置 9 圈炮孔 钻孔直 径均为 90 mm， 中导洞区布置 5 圈炮孔， 共计 6 个空 孔和 32 个爆破 （掏槽、 辅助掏槽） 孔； 扩大区布置 3 圈炮孔， 共计 69 个爆破孔； 轮廓区布置 1 圈炮孔， 共计 48 个光爆孔。孔底抵抗线按 1. 5 m 进行设计， 由于漏水或地质缺陷等原因部分炮孔不能继续钻 进， 实际孔底抵抗线在 1. 1 4. 5 m 范围内， 80炮 孔的孔底抵抗线小于 2. 5 m。中导洞区和扩大区的 爆破孔采用 φ 60 mm 乳化炸药连续装药， 轮廓区光 爆孔采用 φ 32 mm 乳化炸药间隔装药， 总装药量 2839. 8 kg。 采用数码电子雷管与高精度导爆管雷管 复复式微差起爆网路， 圈间延时 100 ms， 段间延时 17 ms。 （3） 刘家峡洮河口排沙洞进水口是我国淤泥最 厚的岩塞爆破工程 ［67］， 于 2015 年 9 月 6 日爆破成 功。该岩塞位于刘家峡水库正常蓄水位以下 70 m 处， 淤泥的厚度达 27 m， 岩塞轴线倾角 45， 设计内 口直径 10. 0 m， 厚度12. 3 m， 厚度与直径比为1. 23。 采用开启闸门集渣爆破方式， 岩塞共布置 7 个药室， 呈 “王” 字形， 在岩塞周边布置 121 个预裂孔， 钻孔 直径为 76 mm。为避免厚淤泥影响爆破效果， 在岩 塞口上部的淤泥层中布置 12 个淤泥扰动孔， 分布在 进水口轴线上和左右两侧， 呈菱形布置， 钻孔直径 110 mm，孔 间 距 1. 8 m，岩 塞 合 计 装 药 量 为 7373. 25 kg。 采用数码电子雷管复式微差起爆网路， 淤泥扰动孔、 预裂孔、 4 号药室、 1 3 及 5 号药室和 6、 7 号药室的起爆时间分别为 0 ms、 25 ms、 75 ms、 100 ms、 125 ms。 （4） 某省重点输水工程取水口是进口段最长的 岩塞爆破工程， 于 2018 年 9 月 30 日