水下爆破的危害控制.pdf

2 0 1 0 年8 月水下爆破的危害控制齐世福等 2 5 水下爆破的危害控制’ 齐世福刘新波史 云 解放军理工大学工程兵工程学院 江苏南京，2 1 0 0 0 7 [ 摘要]结合水下工程爆破实践经验和相关理论，分析了水下工程爆破中地震效应、水击波效应、爆破涌浪、爆 破飞石以及爆破污染等危险有害因素产生的原因和判断依据，并针对其成因，提出了相应的安全控制和防护措施， 力求将水下爆破的危害控制到最小程度。 [ 关键词]水下爆破安全爆破危害防护措施 [ 分类号] T D 2 3 5 ．3 引言 安全工程爆破永恒的主题。“安全爆破” 已成为工程爆破行业新的发展方向和面临的新课 题⋯。当前，在航道疏浚整治、港湾码头建设、海洋 开发、水利水电建设以及沉船打捞等方面，水下爆破 技术越来越显示出其不可替代的优势。但水下爆破 工程受周围水环境的影响，而水的可压缩性比空气 小、音速高、密度比空气大等因素决定了水下爆破荷 载作用不同于陆地爆破。实践证明，水下爆破对周 围环境的危害。一般较陆地爆破严重【2 J 。 水下爆破的危害作用主要有地震波作用、水击 波作用、爆破飞石、爆破涌浪以及对水环境的污染 等。研究水下爆破危害产生的机理，针对其产生原 因进行相应的安全防护措施，对提高水下爆破的安 全性和环境保护均具有重要的意义【3 剖。 1 地震效应 1 ．1 水下爆破地震效应的特征 由于水介质在爆破地震效应中特殊作用，使得 水下爆破地震效应极其复杂，它不仅与装药量、爆源 与保护目标的距离有关，而且与传播介质、保护目标 的动力特性等有直接关系。陆地岩土中爆破时，地 震波能量一般不到爆破总能量的1 0 ％，而水介质中 爆破，可达2 0 ％左右⋯。水下爆破地震波能量主要 来自三个方面一是爆破直接作用形成的地震波；二 是冲击波冲击水底边界所产生的冲击地震波；三是 爆炸气体在水中的胀缩上浮所引起的脉动水压力产 生的地震效应1 。 水下爆破作用对结构物的振动影响，一般由低 频波与高频波共同作用，其主要特征是振动频带宽、 高频丰富、振幅大[ 7 】。低频波主要由爆破直接作用 形成；高频波则由水中冲击波的冲击作用形成。振 动在爆源近区以垂直向为主，远区以水平向振动为 主，表现为对结构物基础的水平剪切和扭曲作 用【8J 。水中建筑与岸上建筑不同，地震波通过基础 传到结构物上，另外，水击波通过水介质直接冲击作 用到结构物上。需要说明的是水中爆炸时，水击波 对水中结构物的危害最大．应该引起重视。 1 ．2 振动强度的计算 由于水下爆破介质环境的特殊性，使得评估水 下爆破的地震效应时不能完全照搬陆上爆破的地震 波衰减规律和安全判据。特别是当水下爆破工程临 近重要建 构 筑物时，要根据实测数据来判定震动 的危害。通常，在总结地震波衰减规律的经验公式 时，往往突出药量、距离和测点地质条件三个因素， 而采用以下形式幅J X K Q “r - 式中x 地面运动的物理量参数； Q 一段爆破的总药量，k g ； r 测点至爆源的距离，m ； m ，n 与药量、距离有关的衰减指数； K 测点地质条件影响系数。 1 ．3 地震效应的控制 采用以下方法控制或减弱水下爆破地震效应 1 采用微差爆破。试验证明，当微差时间控 制在1 5 ～5 0 m s 范围内时【8 J ，能较大幅度地抵消和 削弱爆破振动和水中冲击波的波峰值，所以应尽可 能分多段起爆以减少一次齐发爆破药量； 2 采用水下预裂爆破。由于预裂缝内充满着 水，而水的波阻抗约为岩石波阻抗的1 ／8 。试验证 明【9 。3 1 ，水下预裂缝可削弱3 0 ％一4 0 ％的爆破振动 收稿日期2 0 1 0 - 0 3 ．1 7 作者简介齐世福 1 9 5 6 一 ，男，教授。从事爆破教学和科研工作。E m a i l x i n p 0 2 0 0 1 s i t u t ．C O l l l 万方数据 2 6 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第3 9 卷第4 期 强度。另外，在保护目标周围设置防震孔，可以截断 部分地震波和水下冲击波对目标的影响； 3 在保护目标附近的水下抛设土石，以减少 冲击波的破坏作用；起爆前，对离爆源较近的目标进 行加固处理，防止水压力的冲击破坏；控制最小抵抗 线的方向，使保护目标在抵抗线的侧面出现，以此来 减轻爆破振动的危害； 4 设置气泡帷幕。试验证明[ 14 I ，气泡帷幕可 以减小冲击波的压力波峰，而且帷幕中的气泡密度 越大，削弱冲击波的压力越显著。这样就能有效地 降低水中爆破冲击波，从而也能降低水下爆破地震 动效应； 5 采用低威力、低爆速炸药，限制一次爆破的 最大药量，均可以减弱水下爆破地震动效应引。 2 冲击波效应 2 ．1 水下爆破冲击波效应的特征 研究表明，水下工程爆破在水介质中产生的压 力，主要是爆破水击波压力，其次还有高压气体脉动 压力及地震水压力。与陆地爆破相比，水下爆破产 生的冲击波具有以下特征，一是水中爆炸产生的水 中冲击波压力比空气冲击波大得多；二是爆炸产物 的膨胀要比空气牛爆炸慢得多，气泡脉动次数也比 空气中爆炸多；三是在不同的压力段，水的状态方程 不同，因此水冲击波在不同的压力段有不同的传播 特征口’1 8 1 。水击波的冲击作用特性以及幅值大、 传播远的特点决定了它是水下工程爆破的一种主要 危害作用，必须引起足够重视。 2 ．2 水击波相关参数 水中传播的冲击波性质与药量和传播距离有 关。水深不大于3 0m ，一次齐爆药量大于1 0 0 0k g 时，按下式计算水中冲击波的最小允许距离R ，【4 J R ． K 沲 式中Q 次齐爆最大炸药量，k g ； K 经验系数。取值见表1 。 表1 系数K 值 水深不大于3 0m ，一次齐爆药量不大于1 0 0 0 k g 时，按表2 确定水中冲击波的最小允许距离 R 。‘4 1 当水深大于3 0m 时，应通过现场试验确定合 理的水中冲击波安全允许距离。试验时，可以参考 以下两个水中冲击波超压峰值公式。 表2 水中冲击波的安全允许距离 m 基尔克乌特一别泽等人【2J ，遵循质量守恒、动 量守恒和能量守恒3 大定律，得出水中爆炸超压峰 值P 。 n 1 ／3 P 。 K 等 4 式中，各系数均与爆源性质和炸药品种有关。 目前，各国采用的库尔经验公式为 n 1 ／3n l ／3 P 。 t o 管 。 5 3 3 K 等 “1 3 式中是以’I N T 在深水区爆炸得到的相应压力 常数K 和衰减指数值a 。 试验表明，库尔公式只有计算静水中爆炸时与 实测值相近，其余相差甚远。爆破方式及水流速度 对水击波的传播特性有较大影响。因此，在内河或 近岸浅海中进行水下工程爆破，不宜都采用库尔公 式来计算水击波压力，而应该根据实际情况选用合 适的经验公式。 2 ．3 水中冲击波的控制 1 采用帷幕气泡削弱水中冲击波刚； 2 控 制水中爆破一次起爆药量；尽量减少向水域抛掷岩 块总量和一次抛落量； 3 爆破前对水击波进行安 全评估，通过试验确定水中冲击波的安全药量和安 全距离，然后进行正式爆破； 4 爆破前发布爆破施 工通告，将人员、船舶限定在安全警戒线以外。 3 爆破涌浪 3 ．1 爆破涌浪特征 在靠近水域地带实施硐室爆破，在爆破拆除大 江围堰等在江河湖海边实施大规模土石方爆破时， 爆炸瞬间能把大量的土岩抛入水中，压缩水介质，激 起水中冲击波及其后急速运动的水流，推动水面形 成波浪，涌向岸边，这种现象称为涌浪【3 】。涌浪随 地形条件、爆破参数、水域条件及岸堤边界条件的不 同而呈现不同的状态。涌浪的高度估算公式[ 3 】 l ，个 △H 0 ．4 5 兰L ；／h 2 R B 万方数据 2 0 1 0 年8 月水下爆破的危害控制齐世福等 2 7 式中 △日涌浪高度，m ； A 抛掷体前沿宽度，I T I ； r 抛掷体厚度，m ； ￡抛掷体滑动距离，m ； B 抛掷堆积水面宽度，m ； 水深，m ； 尺离开抛掷源的距离，m 。 涌浪具有极大的冲击动能，对水域中的生物、养 殖网箱、船只产生很大的危害，对岸堤上的护坡、绿 化带等防护设施造成损坏，当涌浪爬上岸后还可能 对岸边建筑物造成破坏。 3 ．2 涌浪的控制 1 设计上尽量减少一次抛落土岩总量，从源 头上控制涌浪强度； 2 在涌浪易爬上岸的岩滩上 设置削波块或树木组成的减波屏障，在岸上保护对 象前面设置挡墙； 3 对可能危及的水产养殖事先 进行转移，规定船只在安全距离范围以外航行； 4 对涌浪进行安全评估，提前做好防范准备。 4 爆破飞石 据文献记载[ 2 J 9 1 ，当水深大于6 m 时，一般没有 飞石产生，当水深为3 6n l 时，会有飞石产生，但飞 石随着水柱升起，又随着水柱回落，不会飞散。因 此，普遍认为由于水的覆盖，水下爆破的飞石安全距 离比陆地爆破小很多，其实不然，在一些浅水爆破 中，飞石距离不比陆上爆破短，甚至超过陆上爆破。 水下爆破个别飞石飞散过远的原因主要有以下几个 方面一是水下布孔不当，由于水下爆破看不清河底 状况，误把孔位布置于抵抗线小的地方，在同等药量 的情况下，爆破作用指数成倍增加，导致爆破岩块获 得较大初速而飞散较远；二是河床表面有碎石、小岩 块存在，且填塞质量不高，容易产生飞散较远的飞 石心】。水下钻孔爆破当中，要根据实际情况仔细分 析，确定合理的飞石安全距离。 5 对环境的污染 水下爆破时，爆破气体中的N O 、S O 、H S 、N H 3 等溶解于水中，减少了水中含氧量，增大了有害气体 含量，恶化了水生物生存条件Ⅲ3 ；爆破过后，导爆 管、胶带等杂质留存在水中，造成水环境的“白色污 染”[ 扯2 1 1 ；另外，施工过程中的空压机、钻机高速运 转对周围环境产生机械噪音。可采取以下方法对爆 破污染进行控制 1 选定炸药合理配方，使其尽量接近零氧平 衡； 2 增大起爆能，保证炸药完全爆轰； 3 加强 炸药的质量管理，注意防水、防潮，禁用过期变质的 炸药； 4 爆破过后对水中残留爆炸物进行打捞； 5 加强对施工过程中机械噪音的控制，严格落实 作业时间，杜绝扰民事件的发生。 6 结束语 随着海运、水运事业的快速发展以及国家开发 海洋力度的不断加大，水下爆破技术的运用越来越 广泛，而水下爆破环境异常复杂，不确定因素比较 多。因此，如何做好水下爆破的安全工作，已经成为 爆破专家和工程技术人员急需解决的难题。文中分 析了水下爆破危害产生的原因及预防控制措施，在 施工过程中，通过精心设计，严谨施工，可以将水下 爆破的危害控制在最低限度，保证周围环境的安全。 参考文献 [ 1 ] B ．B ．加尔基，等．水下爆破工程[ M ] ．王中黔，吕毅，张 旭，等，译．北京人民交通出版社，1 9 9 2 ． [ 2 ]水下爆破文集[ M ] ，北京人民交通出版社，1 9 8 0 ． [ 3 ] 顾毅成，史雅语，金骥良．工程爆破安全[ M ] ．合肥中 国科技大学出版社，2 0 0 8 ． [ 4 ] 刘殿中，杨仕春．工程爆破实用手册[ M ] ．北京冶金 工业出版社，2 0 0 4 ． [ 5 ] 杨光煦．水下工程爆破[ M ] ．北京海洋出版社，1 9 9 2 ． [ 6 ] 刘殿书．中国爆破新技术Ⅱ[ M ] ．北京冶金工业出版 社，2 0 0 8 ． [ 7 ] 潘旭新．提高水下钻孔爆破效果的探讨[ J ] ．水运工 程，1 9 9 9 5 4 8 4 0 ． [ 8 ] 王德胜，龚敏，李景顺．深水炮孔爆破效果的优化技术 [ J ] ．金属矿山，2 0 0 8 9 1 7 - 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f j d l e dc o n d i t i o n ．T h ec h a r a c t e r i s t i c so fd e t o n a t i o nn e t w o r ku n d e r w a t e rw e r ea n a l y z e d ，a n d s e l e c t i o no fp r i m i n gm a t e r i a l ，s o a k i n gw a t e rp r e s s u r et e s ta n dt h es e c u r i t yp r o t e c t i o nI n e a , s t l l “ 嘴o fb i t t i n gn e t w o r ki nt h e p r o j e c tp r o c e s sW e l r ed i s c u s s e d ．, a l n l y ，w i t ht h ee x p e c t e dr e s u l t sa c h i e v e d ． [ K E YW O R D S ] d o c kc o f f e r d a m ，b l a s t i n gn e t w o r k ，w a t e r - 6 d l e d ，c o n s t r u c t i o na n dp r o t e c t i o n 上接第2 7 页 边影响的防治[ J ] ．辽宁工程技术大学学报自然科学 版，2 0 0 8 ，2 7 增刊 1 5 1 ．1 5 3 ． [ 2 0 ] 佟锦狱。石教往，熊长汉，等．水下工程爆破对环境影 响规律研究 上 [ J ] ．爆破，2 0 0 0 ，1 7 3 6 - 1 2 ． [ 2 t ] 佟锦狱，石教往，熊长汉．水下工程爆破对环境影响 规律研究 下 [ J ] ．爆破，2 0 0 0 ，1 7 4 1 4 ． S e c u r i t yC o n t r o li nU n d e r w a t e rB l a s t i n g Q lS h i f u ，L I UX i n l o ，S i l lY 吼 E n g i n e e r i n gI n s t i t u t eo fE n g i n e e rC o r p 6 ，P L AI J n i v e 玛i t yo fS c i e n c e ＆T e c h n o l o g y J i a n g s ur 恻i n g ，2 1 0 0 0 7 [ A B S T R A C T ] T h ep a p e ra n a l y s e st h el ℃a s o n 8a n dj u d t 弦n to fb l a s t i n gv i b r a t i o n ，s h o c kw a v ei nw a t e r ，b l a s t i n gs w e l l ， n y i r I gr o c ka n db i t t i n gp o l l u t i o ni nu n d e r w a t e rb l a s t i n ge o r m e c t i n t gw i t hp r a c t i c a le x p e r i e n c ea n dr d a t i v et h e o r y ．I ta 1 8 0 p r o p 0 6 e sc o r r e s p o n d i n gs a f e t yc o n t r o la n dp r o t e c t i o nm e a s u r e 8a c c o r d i n gt oi t sf o r m a t i o ni no r d e rt od e c r e a s ei t sd a n g e rt O t h em i n i m u m ．伽8p a p e rc 卸b eu s e d ∞ar e f e r e n c et ou n d e r w a t e rb l a s t i n gp r o j e c t ． [ K E YW O R D S ] u n d e r w a t e rb l a s d n gs a f e t y ，b l a s t i n gd a n g e r ，p r o t e c t i o nm e l E l s u l - 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