肖俊平 中铁广州工程局集团有限公司

吴新强 浙江中水东方建设工程咨询有限公司

1.引言

随着国家基建规模的扩大，尤其是水运交通的大力发展，港口和航道的建设及扩能，大量的水下礁石需要爆破。工程的规模的扩大，在使用炸药进行爆破时，应该注意炸药量的使用量，避免造成较大的冲击。如果炸药使用量过大，不仅会造成水下地震波，破坏区域范围内的海洋生态系统，对海洋动植物造成冲击，还会对海上及海下建筑物等造成破坏，威胁人员的安全。因此，相关专业人员应该提高对于爆破量使用的认知，妥善进行爆破量的安排，避免对海洋生物、建筑及工作人员造成伤害。

2.水下爆炸冲击波传播规律分析和气泡脉动形成的机理

对水下爆炸冲击波传播规律和气泡脉动形成机理分析，把水下爆炸对能量的释放分为三阶段：一是炸药爆轰；二是冲击波产生与传播；三是气泡形成与脉动。

2.1 水下钻孔爆破冲击波传播机理分析

水深是影响炸药爆炸后产生冲击波强度和传播的因素之一，除此之外，水底界面和自由水面处的反射与折射也会对冲击波产生造成影响。微秒级时间是冲击波峰值迅速形成的时间，指数形式是冲击波衰退的量级。因此，冲击波时间长短不是冲击波破坏程度的体现，压力值才是，压力值会随着时间变长和距离增大逐渐变小，其破坏力也会变小。

以岩层与水两种物质而言，冲击波的传播速度有所变化，岩层速度大于水中速度，由此我们可以得出：冲击波在岩层会先达到观测点，先到达的波称为前驱波。而前驱波会在岩层面折射作用下能量减小。如图1，前驱波在到达前的峰值较小，我们可以以此作为分析冲击波峰值的依据。

以下为球形装药爆炸的经验公式，人们对球形装药爆炸的最大超压值与装药和运动距离的关系进行取值，并进行了相应的论证。如：

对某一定点，其压力在冲击波刚到达一瞬间达到最大，然后随时间逐渐减小。某一点的超压峰值可由以下公式得到：

式中：Pm为冲击波的峰值压力，105MPa；Q为水下爆破最大一次性药量，Kg；R为爆源距测点距离，m、K、α值为实验系数，受炸药种类、爆破方法、环境等因素影响。

水中冲击波压力随时间变化的关系可以用以下公式表示：

式中：Pt为水中冲击波压力，Pa；θ为时间衰减常数。

2.2 水下爆炸气泡脉动形成机理分析

图1 水下钻孔爆破冲击波传播示意图

水中炸药在爆炸后会先产生爆炸波，并会造成爆轰产物膨胀，在这个过程中，爆轰产物会由于内部与外部水的压力不断膨胀，在膨胀过程中，爆轰产物的压力会与水的压力相制衡，形成膨胀—压缩—膨胀的环境，进行膨胀循环，这个过程中会产生次级压缩波，它相比第一次的压缩波较小。这个现象产生的原因是由于爆轰产物介质质点向里的运动惯性，使得爆轰产物形成膨胀与压缩的循环。随着爆轰产物循环次数的增加，会产生一个个新的次级压缩波，其压缩波的能力会逐次降低，强度逐渐变小。水中爆炸的炸药第一个次级波可达原生波10%～20%的能量强度，其能量范围也更大。当气泡脉动产生时，稀疏波与压力波将会形成，进而进行水下爆轰开展。由此可见，炸药在水中爆炸的第一次气泡脉动中形成的压力波才能真正发挥作用，具有实际研究意义。

3.水下爆破安全技术及措施

水下爆破具有以下几方面的危害：一是爆破振动对于保护目标的破坏问题；二是在对爆轰过程中形成的冲击波对水下建筑物、工作人员及船只进行保护；三是爆轰过程中所产生的振动和冲击波是否会对水下周边环境造成破坏。只有对以上几方面进行详细的思考与解决，才能保证水下爆破的安全性与环保性。

图2 发射孔

图3 气泡帷幕技术

3.1 水下爆破对水工构筑物的影响及防护

水工构建物会受到水下爆破的影响，因此要对其进行保护，可以从控制产生源、改变传播途径、对需要保护的对象进行个别防护。

（1）微差爆破技术。控制生产源是指对炸药的使用量进行调整，从源头上降低因炸药爆炸对水工构建物的影响，保护水工构建物的安全。因此，相关工作人员在进行水下炸药量调整的过程中，既要考虑到对水工构建物进行保护的因素，又要减少经济投入，提升工作效率。为了科学进行水下爆炸，相关工作人员引入了微差爆破技术，并取得了相应的效果。

微差爆破技术是通过炸药分段起爆的方式，进行单响药量的控制，每段起爆时间相距10ms以上，不仅减少了单响药量的数量；还能使冲击波峰值不会重复叠加，从源头上控制了水下爆炸对于水工构建物的破坏，得到了相关工作人员的认同，并广泛运用。

（2）气泡帷幕技术。气泡帷幕技术是一种通过阻隔传播路径从而减小水下爆破冲击波危害的方法。

如图2所示是发射孔示意图，把一定数量的钢管架设在爆破点与被防护对象之间。气泡帷幕技术的主要工作原理是管体上会设置很多的发射孔，当爆破时，相关工作人员可以打开空压机，使得管中的气体排出，水涌入其中，形成了气泡帷幕，不仅降低了冲击波对于周边环境的破坏力度，还保护相关工作人员的安全。

3.2 水下爆破对水生物的安全影响及控制

随着我国渔业的不断发展，人们对于海产品的需求逐渐增加，海产养殖业得到大幅度发展。目前，我国部分水下爆破区域与海产养殖之间的距离较近，水下爆破会对海产生存环境造成一定的影响。根据调查显示，水下爆破所产生的冲击波在水中传播时，有些海洋动物对于冲击波的感应度较强，冲击波会使这类生物出现受伤、生长畸形或死亡的现象，对我国海洋养殖业带来极大的破坏。因此，对水下爆破进行安全控制十分必要。

（1）改变传统作业方式。目前，我国在进行岩石处理的过程中会采用膨胀剂破碎法、凿岩作业、绞吸作业，这三种作业方式较为环保，对于环境污染较小，可以在大规模疏浚和回填项目绞吸船中使用，其环保价值大于水下爆破，具有极高的环保价值，但有时成本较高或实施难度大。

（2）使用低爆速炸药和毫秒微差爆破。低爆速炸药和毫秒微差爆破是根据环保要求进行了爆破技术创新，其水下爆破的能力与冲击波小于传统水下爆炸，做到了经济、环保，降低了对于爆破周边环境及动植物的破坏。

（3）驱赶爆区鱼群。鱼群是水下爆破周边存在的主要生物群体，因此在进行水下爆破前应该对鱼群进行驱赶，降低水下爆破对鱼群的伤害。相关工作人员可以运用物体运动、撞击、声音等现象对鱼群进行驱赶，然后在进行爆破，有助于降低水下爆破冲击波对于鱼群的冲击。虽然在这个过程中，会有鱼群因驱赶造成受伤或失去生命的现象，但是保护了大多数鱼群的安全，降低鱼群的损失。

（4）气泡帷幕对爆区封闭性保护的方法。利用气泡帷幕保护海洋生物保护的原理气泡帷幕是为了将爆区中心一直到设计安全区内的海洋生物利用气泡运动性现象将生物驱赶到安全区,然后制造爆区与安全区之间的隔离,从而形成封闭保护区域使得所有影响约束和控制在封闭区内。

4.结束语

在降低水下炸礁过程中爆炸的用害效应的影响中每种方法有一定局限性。如：简单的改变作业方式并不是岩石预处理中解决工程建设需求与保护海洋生物要求之间矛盾的最终方法；采用微差爆破技术，爆破影响中虽然减少了直接死亡率，但是间接死亡、对鱼卵和幼鱼影响、变异和物种敷衍的明显影响还是存在。科研人员和工程师们一直在致力提出解决问题的办法，如：引进数码电子雷管起爆技术来消除微差爆破的误差，采用间隔消能爆破技术减少炸药的使用量等，但使水下炸礁施工与环境保护和生态和谐还任重道远。