水深和堵塞长度对水下钻孔爆破冲击波传播特性影响的模拟研究.pdf

第35卷第4期 2018年12月 Vol. 35 No. 4 Dec. 2018 爆破 BLASTING doi10.3963/j. issn. 1001 -487X. 2018.04.008 水深和堵塞长度对水下钻孔爆破冲击波 传播特性影响的模拟研究* 李春军展立；李红勇；贾钦基代显华宾正春1 1.长江重庆航道工程局，重庆400011；2.中国地质大学武汉，武汉430074 摘要水深和堵塞长度对水下钻孔爆破冲击波压力峰值和衰减速率有直接影响，结合长江上游九龙坡至 朝天门河段建设工程，应用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件建立了不同水深和堵塞长度的水下钻孔爆破模 型，得到了不同条件下水中冲击波压力峰值，绘制了冲击波峰值衰减曲线。借助MATLAB软件对冲击波压 力峰值与爆心距之间的关系进行了非线性拟合，计算得到了不同水深和堵塞长度下冲击波压力峰值的理论 表达值。研究结果显示水深和堵塞长度的增加对冲击波压力峰值有削弱作用，当水深为5-15 m、堵塞长 度为0.4-0.8 m时，水深每增长5 m,冲击波峰值衰减比率最高达到21；堵塞长度每增长0.2 m,冲击波峰 值衰减比率最高达到13,水深和堵塞长度与冲击波峰值衰减速率都呈负相关关系。 关键词 水下钻孔爆破；水中冲击波；衰减特性；ANSYS/LS-DYNA 中图分类号TD235. 1 文献标识码A 文章编号1001 -487X201804 - 0047 - 05 Effect of Water Depth and Stemming Length on Shock Wave Propagation in Underwater Drilling Blasting LI Chun-jun , WU Li2 ,LI Hong-yong ,JIA Qin-ji2 ,DAI Xian-hua1, GONG Zheng-chun 1. Changjiang Chongqing Waterway Engineering Bureau,Chongqing 400011 ,China； 2. China University of Geosciences Wuhan , Wuhan 430074,China Abstract The water depth and stemming length have direct effects on the peak pressure and decay rate of the shock wave in the underwater blasting water. Based on the channel segment construction project from Jiulongpo to Chaotianmen section along the Yangtze River,the ANSYS/LS-DYNA was used to establish underwater drilling blas ting model with different water depth and stemming length, the peak pressure of shock wave attenuation curve in wa ter was obtained. The relationship between the shock wave peak pressure and the distance to explosive center was nonlinearly fitted by using MATLAB software. The theoretical expression of shock wave pressure at different water depth and stemming length was calculated. The results show that the increase of water depth and stemming length have a weakening effect on the peak pressure of shock wave. On the condition of water depth 5 15 m and stemming length 0. 4 0. 8 m,the shock wave peak attenuation ratio rose up to 21 for every increased depth 5 m,and up to 13 for every increased stemming length 0. 2 m. Water depth and stemming length were negatively correlated with shock wave attenuation rate. Key words underwater drilling blasting； water shock wave； attenuation law； ANSYS/LS-DYNA 收稿日期2O18-O8-O9 作者简介李春军1972 -,男，新疆昌吉人，硕士、高级工程师，从 事水下爆破施工及技术研究，E-mail455046492qq. como 通讯作者吴 立1963 -,男，湖南株洲人，博士、博士生导师，从 事地下及爆破工程技术研究，E-maillwu cug. edu. cn0 基金项目国家自然科学基金项目41672260 随着我国港口、航运事业的蓬勃发展，航道整治 工程越来越多，水下钻孔爆破工程呈现大体积、大药 量的趋势。爆破产生的水中冲击波具有压力峰值 大、传播距离远等特点，巨大的水中冲击波压力将对 48爆破2018年12月 周围环境产生较大的威胁。 水中冲击波在水体中传播具有冲量大,衰减慢 的特点⑴。水中冲击波的传播衰减是一个复杂的 过程，容易受到自然水域环境、具体的施工方式等因 素的影响⑵。针对水中冲击波传播衰减特性，部分 学者从理论上对水中冲击波的传播特性进行了研 究5］。邵鲁中利用海水涨退潮时水深变化的特点， 研究了水中冲击波衰减特性受水深变化的影响⑷， 由于研究的水深较浅，不能充分地反映实际工程条 件。而大部分学者都是依靠数值模拟方法来研究水 中冲击波的传播衰减特性⑺⑴。炮孔堵塞是水下钻 孔爆破的重要工序，也是影响爆破效果的重要因素。 部分学者研究了堵塞长度对振动效应的影响⑴何。 依托长江上游九龙坡至朝天门河段航道建设工 程，利用ANSYS/LS - DYNA软件建立水下钻孔爆 破数值模型，研究不同水深和堵塞长度对水中冲击 波传播衰减特性的影响。 1工程概况 长江上游九龙坡至朝天门河段建设工程砖灶子 炸礁区位于重庆主城区河段内，部分炸礁区域位于 李家沱长江大桥主跨下（航道里程约676.7 km）,距 大桥南北主桥墩最近距离分别为228 m、166m。约长 210 m、宽90 m、顶高程171 m,为孤礁石盘坐落于河 心，包括砖灶子与鱼鍬石礁石，将枯水河槽分为左右 两槽。左槽水流紊乱，河槽弯曲，下游有丁坝阻碍，不 通航。右槽通航，但航道窄、流速急、坡降陡、泡漩汹 涌，为急险滩,是砖灶子滩段最主要的碍航特性。 工程河段水位受上下游枢纽调度影响而发生变 化，水深对水下钻孔爆破会存在明显影响，此外，堵塞 长度也是影响深水爆破效果及水中冲击波特征的重要 因素。鉴于此，结合该工程实例,通过建立不同水深和 堵塞长度的数值模型研究水下钻孔爆破水中冲击波传 播特性,为现场水中冲击波安全控制提供依据。 2数值模型 2.1模型的建立 根据工程现场爆破特点,建立与工程现场尺寸 相一致的双排双孔水下钻孔爆破数值计算模型，该 模型空气层厚度为2 m,水深为10 m,岩体厚度为 8 m,炮孔直径（f 100 mm,采用0. 6 m的水堵塞, 装药高度5 m,使用2岩石乳化炸药，单孔总药量为 40 kg。采用线型起爆方式,起爆位置位于炮孔底 部。模型尺寸如图1所示。 图1模型尺寸（单位m） Fig. 1 Model size（unitm） 为研究水深及堵塞长度条件对水下钻孔爆破水 中冲击波传播特性特征的影响，在上述计算模型的 基础上，采用单因素控制法，分别设置水深为5 m、 10 m、15 m 和堵塞长度为 0.4 m、0.6 m、0.8 m 共 2 组6个计算模型。 用实体单元Solidl64划分岩石、炸药、水、空气 和堵塞物这5个组成模型材料的网格。不同的组成 部分在模型中有不同的特点，根据组成部分的特性, 拉格朗日网格是岩石材料建模的网格，欧拉网格是 炸药、水、空气和堵塞物材料建模的网格。 2.2计算参数的选取 通过对长江上游九龙坡至朝天门河段航道建设 工程进行原位实验及室内实验，获得了实践工程中 的中风化砂岩的材料参数，如表1所示。施工采用 的2岩石乳化炸药的参数如表2所示。 表1岩石的计算参数 Table 1 Calculation of rock parameters 密度p/ g cm-3 弹性模量 E/GPa 泊松比“ 屈服应力 a/MPa 切线模量 Eg/GPa 硬化系数0 2.56340. 183404.30.5 表2炸药的计算参数 Table 2 Calculation of explosive parameters 密度p/ g cm-3 爆速“/ m s 1 C -J压力 P/GPa 4/GPaB/GPa 初始比内能 F0/GPa 1.340009.8214.40. 1824. 150.950.15 4.192 注A、B、R］、/2 e为材料常数。 第35卷 第4期李春军，吴 立,李红勇，等 水深和堵塞长度对水下钻孔爆破冲击波传播特性影响的模拟研究49 3水深因素对水中冲击波传播特性的 影响 水深的变化引起炮孔上方静水压力的变化，当 水深越深时，静水压力越大。静水压力的增加可能 使得炸药的部分能量消耗在克服水压上，从而降低 了炸药的能量利用率。 为了研究不同水深对水中冲击波衰减特性的影 响，仅改变图1中的水深条件，分别建立了水深为 5 m、10 m、15 m的3个水下钻孔爆破模型。 3.1水中冲击波压力峰值衰减特性 水中冲击波压力峰值是衡量水中冲击波作用极 限的重要物理参数，压力峰值的大小取决于药包装 药量及测量的地点。在水下钻孔爆破中，由于炮孔 具有方向性，水中冲击波也具有方向性皿。主要研 究水中冲击波压力峰值在水平方向的传播衰减特 性,故设置距离水底深度分别为1 m和3 m的两条 水平测线，每条测线共选取6个测点，分别为距炮孔 轴线为1 m、3 m、5 m、10 m、20 m和30 m处。将所 取单元的压力峰值P与爆心距R的对应关系如 表3表4所示。冲击波压力衰减曲线如图2所示。 表3不同水深下距水底1 m测线的压力峰值P单位MPa Table 3 Peak pressure of measurii line with distance of 1 m from water bottom at different water depths Punit MPa 水深/m 爆心距R/m 135102030 58.5115. 1313.4852.0200.5960.280 107.8744.4143.1451.3100.4240. 172 157.0314.0892.3870.8260.3840. 102 表4距水底3m不同水深下不同测点的 压力峰值P单位MPa Table 4 Peak pressure of measuring line with distance of 3 m from water bottom at different water depths Punit MPa 水深/m 爆心距R/m 135102030 55. 1684. 1713.1201.8900.5640.250 104.4143.6812.8791.2510.3910. 168 154.0892.8772. 1020.7600.3320. 156 0 8 6 4 2 0 0 8 6 4 2 0 Bdw、 赳窖只 HaHa 水深5 m ♦永猱10 m t-水深15 m 0 5 10 15 20 25 30 爆心距/m a距离水底lm测线 a 1 m line from the bottom of the water b距离水底3 m测线 b 3 m line from the bottom of the water 图2水中冲击波压力峰值随距离变化 Fig. 2 Peak pressure of shock wave varies with distance 为了更直观的研究冲击波压力峰值在水平方向 上传播衰减特性，通过MATLAB软件对表3 表4 中的数据进行非线性拟合得到不同水深下水中冲击 波压力峰值P与Q1/3/R的线性关系表达式1 3如下 水深5 m时 P 4. 450 1/3/70 7821 0. 113 Ql/3/R 2.419,2 0.9688 1 水深为10 m时 P 3. 943 C/3/0 8385 0. 113 Q“/R 2.419,/2 0. 9625 2 水深为15 m时 P 3. 217 01/3//0 9292 0. 113 Ql/i/R 0.95时,说明拟合结果具有很好的相关性。 3.2结果分析 在研究水深对于水中冲击波衰减特性影响时, 通过选取3种不同水深5 m、10 m和15 m,对不 同水深条件下水中冲击波压力峰值随爆心距变化展 开数值模拟研究,得到以下研究结论 1从表3 表4中数据对比同一水深情况下 水平方向上冲击波压力峰值可知冲击波压力衰减十 分迅速,5 m水深条件下1 m测深冲击波压力峰值 衰减比率达到97。对比不同水深下爆源近区压 50爆破2018年12月 力峰值数据可知水深对冲击波初始峰值有削弱作 用，水深变化幅度为5 m时冲击波削弱比率最高达 到21 左右，而爆源近区冲击波的削弱使炸药爆炸 破岩机理和岩石破坏范围等数据存在差异。 2从图2中冲击波衰减曲线可知同一水深情 况下冲击波衰减曲线在爆破近区冲击波压力峰值衰 减速率较快，爆破远区衰减速率较慢。对比不同水 深情况下3 m测深曲线图,水深从5 m变化至10 m 的压力峰值衰减程度比水深从10 m变化至15 m时 大。这说明水深对冲击波压力峰值的影响与水深增 加范围有关，当药量、堵塞长度等数据一致的情况 下，静水压力的增加对冲击波压力峰值的削弱作用 减小，不同的爆破参数对应不同的水深影响范围。 从图2中也可发现水深越深，冲击波进入平缓衰减 期的距离越短。 4堵塞长度对水中冲击波传播特性的 影响 爆破对岩石介质的破坏过程分为爆炸应力波将 岩石介质产生爆破破裂区、塑性区以及弹性区和爆 生气体的气楔作用两个过程W炮孔堵塞是水下 钻孔爆破施工中的一个重要环节，直接影响着炸药 能量的利用率和爆破效果[1617]o不同的炮孔堵塞 长度能获得良莠不齐的爆破效果，合理的的堵塞长 度不但使炸药能量大部分运用于岩石破碎，还能有 效的减少冲击波的强度，既避免了爆能的浪费同时 规避了爆破体积不充分的麻烦氏a。 为了研究不同堵塞长度对水中冲击波衰减的影 响，仅改变图1中的炮孔堵塞长度，分别建立了堵塞 长度0.4 m、0.6 m、0.8 m的3个水下钻孔爆破模型。 4.1冲击波压力峰值衰减特性 通过改变堵塞长度这一单一变量，以此研究水 中冲击波压力峰值随堵塞长度变化下的衰减特性。 设置距离水底深度分别为1 m和3 m的两条水平测 线，每条测线共选取6个测点，分别为距炮孔轴线为 1 m、3 m、5 m、10 m、20 m和30 m处。将所取单元 的压力峰值P与爆心距R的对应关系如表5 表6 所示。冲击波压力衰减曲线如图3所示。 表5距水底1m不同堵塞长度下不同测点的 压力峰值P单位MPa Table 5 Peak pressure of measuring line with distance of 1 m from water bottom at different length of stemming Punit MPa 堵塞 爆心距R/m 长度/m 135102030 0.410.2341.7150.5840. 1560.0650.044 0.69.7111.5580.8770.0970.0520.034 0.88.4430.7340.3860.0950.0430.033 表6距水底3 m不同堵塞条件下不同测点的 压力峰值P单位MPa Table 6 Peak pressure of measuring line with distance of 3 m from water bottom at different length of stemming P unit MPa 堵塞 长度/m 爆心距R/m 135102030 0.45.2291.3650.3960. 1360.0440.030 0.64.8221.0920.3120.0960.0380.026 0.83.9830.9260.2810.0550.0350.023 Bdw、 赳型只出 2 o 2 o t-堵塞长度0.4 m --堵塞长度0.6 m * 堵塞长度0.8 m 0 5 10 15 20 25 30 爆心距/m a距离水底lm测线 a 1 m line from the bottom of the water 爆心距/m b距离水底3 m测线 b 3 m line from the bottom of the water 图3水中冲击波压力峰值随距离变化 Fig. 3 Peak pressure of shock wave varies with distance 堵塞长度的变化能改变炮孔壁的摩擦阻力，炸 药在堵塞长度变化的合理范围内能提高岩石爆破 率,有效减少水中冲击波强度。通过MATLAB软件 对表5 表6中的数据进行非线性拟合得到不同堵 塞长度下水中冲击波压力峰值P与Q“/R的线性 关系表达式4 6如下 第35卷第4期李春军，吴立,李红勇，等水深和堵塞长度对水下钻孔爆破冲击波传播特性影响的模拟研究 51 堵塞为0.4 m时 P 1. 048 QS/R1.332 0. 113 /3/R 2. 419,R2 0. 9813 4 堵塞为0.6 m时 P 0. 8937 QS/R 0. 113 Ql/3/R 2. 419，疋o. 9765 5 堵塞为0.8 m时 P 0. 798 Q173//1255 0. 113 Q/3/R 0.95时,说明拟合结果具有很好的相关性。 4.2结果分析 在研究堵塞长度对于水中冲击波传播衰减特性 影响时，通过选取3种不同堵塞长度0.4 m、0.6 m 和0.8 m,对不同堵塞长度条件下水中冲击波压力 峰值随爆心距变化展开数值模拟研究，得到以下研 究结论 1 从表5表6中数据对比同一堵塞长度情 况下水平方向上冲击波压力峰值数据，冲击波压力 峰值衰减比率最高达到99 ,这说明爆源远区完全 可以忽略水中冲击波的影响。对比不同堵塞长度下 爆源近区压力峰值数据可知水深对冲击波初始峰值 有削弱作用,堵塞长度变化幅度为0. 2 m时冲击波 削弱比率最高达到13左右。 2 从图3中冲击波衰减曲线可知同一堵塞长 度情况下冲击波衰减曲线在爆源近区冲击波压力峰 值衰减速率较快，爆破远区，水中冲击波压力峰值基 本相同，但当堵塞长度较长时,水中冲击波衰减速率 变得缓慢。对比不同堵塞情况下冲击波衰减曲线， 冲击波压力峰值在爆源近区出现明显地落差，但在 爆源远区为接近重合的直线。这说明在远区冲击波 压力峰值数值基本不变,堵塞长度的影响微乎其微。 而且堵塞长度增长幅值与冲击波压力峰值基本呈线 性负相关。不同堵塞长度情况下冲击波衰减曲线进 入衰减平缓期的距离基本一致。 5结语 水中冲击波是通过炸药炮轰能量破碎岩石介质 后传递到水介质中而形成的冲击波，所以水中冲击 波既具有冲击波的性质，又具有不同于空气冲击波 的传播特性。本文通过数值模拟软件ANSYS/LS- DYNA建立水下钻孔爆破模型对比分析水深和堵塞 长度对于水中冲击波压力峰值衰减特性的影响，得 到以下结论 1 水深对冲击波初始压力峰值有削弱作用, 水深变化幅度为5 m时冲击波削弱比率最高达到 21左右。可以综合考虑爆破参数的情况下确定影 响冲击波压力峰值的水深范围。为工程实际提供 参考。 2 堵塞长度对冲击波初始压力峰值同样有削 弱作用，堵塞长度变化幅度为0.2 m时冲击波削弱 比率最高达到13左右。 3 水深和堵塞长度与冲击波衰减速率都呈负 相关，水深和堵塞长度的增加使冲击波衰减速率变 得越平缓。 4 受限于工程实际情况，未进行不同水深及 堵塞长度条件下水中冲击波压力测试，有待进一步 开展研究。 参考文献References [1] P库尔.水下爆炸[M].北京国防工业出版社,1960. 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