引水工程水下鉆孔爆破水擊波特性*

劉屹頎,蔡子勇,2,喬世范,余鵬鯤

(1.中南大學 土木工程學院,長沙 410075; 2.中湘海外建設發展有限公司,長沙 410004)

水下鉆孔爆破炸藥爆炸荷載作用,在水介質中產生的沖擊波能量遠遠大于在巖體介質中應力波能量,極可能對水體及臨近建(構)筑物的穩定性造成不利影響[1]。因此,關于水下爆破爆炸波在水域中傳播所帶來的危害效應問題一直是爆破工程領域研究的重點。

針對水下爆破水擊波傳播特性,Cole介紹了水下爆炸現象、荷載傳播及分布特點[2],提出了水擊波峰值壓力及衰減計算公式。吳志剛[3]、王亞鵬等基于水下爆破現場試驗[4],分別闡明了球形和柱狀藥包爆炸后水擊波傳播衰減規律,反映了其影響效果的不同。此外,Liu等[5]、Wang等[6]、彭亞雄等通過水下爆破現場實測數據[7],研究了水擊波的傳播特性及其峰值壓力隨爆心距的衰減特征。然而,由于水下鉆孔爆破爆炸荷載作用下水擊波的形成與傳播是一個相當復雜的不可逆過程,現場監測和理論研究具有一定局限性。于是,人們開始借助數值分析軟件對水下鉆爆作用機理及傳播規律深入研究,通過從炸藥成分[8]、炸藥包形狀[9,10]、水深[11,12]、爆破延期時間[11]、鉆孔堵塞長度[12]、起爆方式等方面揭示了不同工況下的水擊波的傳播規律、爆破效果及其水擊波動力響應機制[13,14],研究成果豐富了爆破振動在水體中的傳播理論。

總的來說,目前國內外學者對水下爆破水擊波特性研究主要集中在水下炸礁、水下巖塞及水下圍堰拆除等爆破工程,對于引水工程水下鉆孔爆破案例研究相對較少。同時考慮炸藥爆炸能量傳遞、沖擊波的傳播介質以及邊界域等影響,模擬水下爆破水擊波的傳播有一定的難度,特別是目前常用的ANSYS/LS-DYNA軟件分析過程中假定巖-水接觸面為無反射邊界,與實際情況有所差異。因此,本文以桂林市第二水源工程-引水工程子項青獅潭水庫取水工程為背景,通過COMSOL多物理場耦合模擬方法,采用任意拉格朗日-歐拉(ALE)技術處理流體區域的網格以及設置人工低反射邊界,在固體力學系統添加瑞利阻尼模擬土體對爆破荷載的阻尼作用,建立水下鉆孔爆破數值分析瞬態求解模型,研究鉆孔爆破爆炸荷載作用下水擊波傳播特性,并結合現場監測進行評價,研究成果可為類似工程經驗積累及其安全預防提供指導和借鑒。

1 工程概況

依托桂林市第二水源工程-引水工程子項青獅潭水庫取水工程,其包含取水口、引水隧洞建設工程(見圖1)。取水口按照70萬 m3/d設計,引水工程完工后運營期可分別單獨向桂林市西城水廠、城北水廠供水40萬 m3/d,也可同時執行兩個水廠的應急供水任務,是桂林市近年來開工建設的重大民生項目之一,也是周恩來總理親自審定的國家級大型水庫。引水隧洞工程起點為青獅潭水庫大壩右岸溢洪道側山體附近的進水口豎井,沿山脊線向東南方向布置,終點為青獅潭鎮青獅潭社區南側附近山體出洞,引水隧洞全長1.0 km,取水工程主要涉及上、下層取水口水下鉆孔爆破和豎井基坑開挖爆破工程,區域工程地質主要地層分布為:①第四系全新統人工填土層(Q4ml);②第四系殘坡積(Q3el+dl)黏性土層(粉質黏土、含角礫粉質黏土);③泥盆系中統信都組(D2x)泥質砂巖、砂巖等地層。

圖1 引水工程平面圖Fig. 1 Water diversion project planar graph

2 水下鉆孔爆破數值分析

2.1 模型建立

通過采用COMSOL軟件對水下鉆孔爆破進行數值模擬,模型參數及邊界條件選取:①模擬水庫庫水深度取施工期實際水深22 m;②水下鉆孔的形狀采用多孔圓柱體;③模型的所有截斷邊界均設置低反射邊界條件以模擬無限邊界的巖體和大面積水域,與空氣接觸的表面選擇自由邊界;④忽略水流速度與空氣對水下爆破的影響;⑤不考慮沖擊覆蓋物的影響;⑥假設爆炸壓力在炮孔沿孔壁均勻分布;⑦為消除邊界效應,取模型尺寸的長×寬×高=473 m×161 m×91 m。網格劃分采用自由四面體網格,單元大小選擇超細化進行建模。計算模型網格單元數為101206個,水下鉆孔爆破計算模型如圖2所示。

圖2 水下鉆孔爆破計算模型(單位:m)Fig. 2 Calculation model of underwater drilling and blasting(unit:m)

2.2 材料模型及參數

根據物探報告,模型計算區域的巖性主要是泥質砂巖,實際大壩為夯土(內部為C30混凝土芯墻),在進行模型建模時,考慮工程實際情況,選擇合適的力學參數來模擬實際工程中的巖石、土層等。各種材料的屬性如下表1所示。

表1 模型材料參數取值Table 1 Values of model material parameters

同時,建立適當的爆破荷載施加模型是研究建(構)筑物動力響應規律的關鍵。在爆炸過程中,巖體首先受到來自炸藥爆炸急劇上升的壓應力,隨后壓應力快速衰減至零,最后由于溫度下降產生負壓力。為此,選擇在炮孔壁上施加半理論半經驗的爆破荷載壓力曲線,具體如圖3所示。

圖3 爆破荷載時程曲線Fig. 3 Time history curve of blasting load

此外,在水下鉆孔爆破分析模型中,由于炮孔數較少,全部布置為主爆孔,由軟件自動控制時間步,從0 s開始,在爆破荷載的加載時間內,每0.0001 s記錄一次求解結果,其他時程中每隔0.001 s記錄一次求解結果?？紤]爆破施工裝藥量和爆孔深度密切有關,每次爆破裝藥量不同,單孔裝藥量按照孔深2/3控制,實際工程中,為了充分利用炸藥能量,設置孔網參數為1.8 m×1.4 m,按矩形布置2排炮孔,采用分段延時(25 ms)控制爆破技術進行一次起爆方式,模型中炮孔起爆位置設置為藥卷底部,水下鉆孔爆破裝藥參數如表2所示。

表2 水下鉆孔爆破裝藥參數Table 2 Charging parameters of underwater blasting

2.3 模擬工況

為研究水下鉆孔爆破的水擊波傳播衰減規律,在數值分析計算模型上布置5個水擊波測試監測點,水擊波監測點位置在模型中的坐標依次為:監測點1(50,203,25)、監測點2(50,183,25)、監測點3(50,163,25)、監測點4(50,143,25)、監測點5(50,123,25),其距水下鉆孔爆破點位的距離分別為28 m、48 m、68 m、88 m、108 m,如圖4所示。

圖4 數值模型監測點布置(單位:m)Fig. 4 Layout of monitoring points of numerical model(unit:m)

2.4 模擬結果分析

2.4.1 不同時刻水擊波等值面云圖

設置水擊波波速v=0.0001 cm/s,模擬得到t=0.0001 s、t=0.001 s、t=0.003 s時刻的水中水擊波等值面云圖如圖5所示。

圖5 不同時刻水擊波等值面云圖Fig. 5 Contour nephogram of surge wave at different times

從圖5可以看出,水下鉆孔爆破起爆后,水擊波隨時間推移由爆破點逐漸向四周傳播,引起距爆源不同距離區域內的水體介質速度發生變化,與曲艷東等研究結論一致[15]。在t=0.0001 s時形成較完整的水擊波波陣面,水擊波速度形態較為規則,近似球型,主要原因是考慮孔壁均勻施加爆炸荷載,鉆孔內的炸藥爆炸產生沖擊波,迅速從孔口位置向水介質中傳播;當t=0.001 s時,水擊波波陣面不斷擴大,由于巖-水交界面反射與折射等作用,水擊波速度分布開始出現不規則橢球形狀;當t=0.003 s時,水擊波等值面分布復雜程度更高,特別是距離孔口較遠區域。由于炮孔內產生的沖擊波與自由水面反射波聯合作用,水域中形成反射稀疏波。

2.4.2 爆破結束時刻不同水擊波波速等值面云圖

設置爆破結束時刻t=0.0019 s,模擬得到v=0.1 cm/s、v=0.01 cm/s、v=0.001 cm/s、v=0.0001 cm/s、v=0.00001 cm/s時刻水下鉆孔爆破點(見圖4)的水擊波等值面云圖如圖6所示。

圖6 爆破結束時刻不同水擊波速度等值面云圖Fig. 6 Contour nephogram of different surge wave velocities at the end of blasting

從圖6可以看出,爆破作用結束之后,水擊波在水中傳播過程中衰減很快,時效性顯著。隨著水介質速度閾值增大,爆破作用所產生的水擊波作用區域迅速減小,當水介質速度值為1×10-5cm/s時,爆破沖擊波的作用區域勉強到達壩底位置。

2.4.3 不同監測點處水擊波的應力時程曲線

提取水下不同鉆孔爆破監測點處水擊波有效應力,得到其隨爆心距的衰減曲線如圖7所示。

圖7 不同監測點處水擊波應力時程曲線Fig. 7 Stress time history curve of surge wave at different monitoring points

從圖7可以看出,每個監測點的應力時程曲線均存在多個波峰,主要原因是本模型中的水下鉆孔爆破采用的是毫秒延時爆破,孔間起爆延時為25 ms,由于裝藥不同部位起爆的時間差,導致水下爆炸荷載作用水擊波傳播在不同位置出現疊加效應,這意味著各個監測點的水擊波峰值應力不一定是由某段爆破引起的,而是多段爆破的疊加效應產生的結果。

從圖8可以看出,隨著監測點爆心距增加,水擊波峰值應力呈先加速下降后緩慢下降趨勢,受到的鉆孔爆破影響逐漸減小。對不同監測點的峰值應力進行曲線擬合,得到指數函數y=0.0208e-0.04855x,相關系數R2=0.9986,具有較強的相關性,水擊波的峰值應力傳播符合指數形式衰減規律,王亞鵬等佐證了這一觀點[4],進一步說明了此次數值模擬的合理性,可以利用該曲線預測不同爆心距對應測點位置的水擊波峰值應力。同時,隨著爆心距的增加,水擊波峰值應力降低的速率也呈指數下降,在爆心距較小時,水擊波峰值應力下降速度明顯,當爆心距達到68 m時,水擊波峰值應力下降變得很小,可以基本忽略。

圖8 不同監測點水擊波峰值應力隨爆心距變化曲線Fig. 8 Curve of peak stress of surge wave varying with explosion center distance at different monitoring points

2.4.4 不同監測點處水擊波振動速度時程曲線

提取水下不同鉆孔爆破監測點處水擊波的峰值振動速度得到其隨爆心距的衰減曲線如圖9所示。

圖9 不同監測點處水擊波振動速度時程曲線Fig. 9 Time history curve of surge wave vibration velocity at different monitoring points

從圖9可以看出,隨著監測點1～5的爆心距依次增加,每個監測點位水擊波振動速度達到峰值的時間逐漸增加,分別為0.006 s、0.021 s、0.025 s、0.028 s、0.031 s,水擊波峰值速度出現的時間隨著爆心距的增加也依次增加,表現出同步性。此外,爆破振動速度峰值在靠近爆源處最大,主要原因是炸藥在水域中爆炸產生的水擊波壓力以背向炸藥的方向向外傳播。爆心距越大,爆破振動速度越小,水擊波的影響范圍就越小。

從圖10可以看出,各測點水擊波峰值速度擬合曲線為y=1.6402e-0.1284x,相關系數R2=0.9994,說明該曲線擬合精度高,可以較好地反映出水擊波的峰值速度隨爆心距變化呈指數衰減規律,可為預防爆破水擊波災害效應提供依據。同時,在當前的炸藥當量下,所布置的監測點水擊波振動速度總體較低,爆心距從28 m增加到48 m時,水擊波峰值振動速度下降較快,以監測點1峰值振動速度為基準,在爆心距48 m時其峰值振動速度下降到僅為爆心距28 m處監測點處峰值振動速度的7.3%,衰減率達到了92.7%;爆心距為68 m處的監測點3峰值振動速度衰減為2.6%,衰減率為97.4%;到爆心距為108 m處的監測點5時,其振動速度僅為監測點1振動速度的0.37%,衰減率達到96.3%;從爆心距48 m的監測點2處開始,水擊波峰值振動速度的下降幅度較小,到爆心距108 m的監測點5,水擊波振動速度已經可以忽略,不會對建(構)筑物產生影響。

圖10 水擊波峰值振動速度隨爆心距變化曲線Fig. 10 Curve of peak vibration velocity of surge wave varying with distance between explosion centers

3 現場監測

根據地質勘查資料,結合現場考察調研,在壩體上方布置5個監測點,分別距離水庫邊緣1.3 m(1#)、5.4 m(2#)、7.7 m(3#、4#、5#),水下爆破鉆孔點到大壩的距離為18 m,每個監測點處布置一臺L20-N型爆破振動儀,且X方向指向爆破點。主要參數為:采樣頻率為10 200 Hz,觸發方式為電平內觸發,觸發電平為0.050 cm/s,存儲時長為2 s。同時,在水域中布置3個監測點,距離爆破點的直線距離由近到遠分別為5.1 m、10.6 m、15.3 m,每個監測點處布置一臺LS1206B明渠流速計(采樣頻率為每隔2 s采集1 s,觸發方式為機械觸發,靈敏度為0.001 m/s,存儲時長為1 h)和一臺M20液位水壓力計(采樣頻率為4 Hz,觸發方式為機械觸發,靈敏度為1 Pa,存儲時長為4 h),水壓力計和明渠流速計垂直布置,三個水壓計分別固定在距離水面1.8 m、4.0 m和6.0 m處,明渠流速計固定在距離水面1.8 m處?，F場照片如圖11所示。

圖11 現場監測點布置示意圖Fig. 11 Layout of on-site monitoring points

為驗證數值模型的可靠性,將現場測試工況瞬態求解模型結果與現場監測數據進行對比。測試工況瞬態求解模型根據圖11的現場測點布置進行對應模型點添加,并按施工工況布設了爆破荷載進行求解。重點選取距離壩體較近的1#與2#測點進行對比分析,得到數值模擬與現場實測的X、Y、Z三個方向的峰值振速和合振速的對比結果(見表3)。顯然,遠離爆破點的2#測點相比1#測點的合速度峰值和Z方向速度峰值有所減少,但X方向和Y方向的振動速度峰值則有所增加,主要原因是由于爆破能量傳播擴散造成的,遠處測點的彈性波與X、Y方向的夾角更小,更多地分解為X、Y方向振動速度。此外,取更靠近爆破點1#測點的現場測試與數值模擬速度時程曲線進行對比分析,如圖12所示。

表3 現場測試與數值模擬峰值振動速度對比Table 3 Comparison of peak particle velocity between field test and numerical simulation

圖12 現場測試與數值模擬速度時程曲線對比Fig. 12 Comparison of velocity time curve between field test and numerical simulation

從圖12可以看出,數值模擬與現場監測結果具有較好的一致性,數值模擬中Z方向振動速度和合速度時程與現場監測結果變化規律高度相似且峰值略大于現場測試結果,但X、Y方向的振動速度波形相似度相對較低,可能原因是數值模擬中沒有考慮現場測試所在區域的泥盆系基巖節理裂隙發育以及工程填土的復合作用,而Z方向的速度因為工程巖土質在垂直方向上較密集,具有較高的準確度。比較發現監測點的合振速最大誤差為2.1%,認為在可接受的允許誤差范圍內,進一步說明了數值模擬結果的可靠性。

進一步地,水域各監測點的水下鉆孔爆破監測結果如表4所示?？梢钥闯?兩次水下爆破監測的水流速度峰值基本接近且都很小,最大值為0.007 m/s,說明在距離爆破點較遠的地方,水的流動性很小,可以忽略水流速度對水下爆破的影響。此外,水下鉆孔爆破荷載作用下水擊波的峰值壓力均隨爆心距、測深的增加而逐漸減小,爆心距越大,爆破產生的水壓力峰值越小,與數值模擬結果變化趨勢相同,主要原因是由于爆破產生的沖擊能量隨著傳播而分散,再加上阻尼作用的影響所致。

表4 水下鉆孔爆破水域監測結果統計Table 4 Statistics of monitoring results of underwater drilling and blasting water area

4 結論及討論

(1)水下鉆孔爆破荷載作用實質是以爆破點為中心向四周傳播,引起爆破點不同距離區域內的水體介質速度發生變化,隨著時間的推移,水擊波等值面由規則圓球形向非規則橢球形演變,在距離爆破點較遠的水域中形成反射稀疏波。隨著水介質速度閾值增大,爆破產生的水擊波作用區域迅速減小,水擊波影響范圍較小。

(2)水擊波應力傳播在爆破分段延時情況下的不同位置具有疊加效應,存在多個峰值,隨爆心距的增加呈指數衰減規律,且衰減速率也呈指數下降。當爆心距越小,水擊波峰值應力下降速度越明顯,當爆心距達到68 m時,水擊波峰值應力下降變得很小,可以基本忽略。

(3)水擊波振動速度隨爆心距的增加呈指數衰減,在當前的炸藥當量下,所布置的監測點水擊波振動速度總體較低,當爆心距從28 m增加到108 m,水擊波峰值振動速度衰減率達到96.3%,基本上不會對構筑物產生影響。此外,水擊波振動達到峰值速度出現的時間隨爆心距的增加也逐漸增大,分別為0.006 s、0.021 s、0.025 s、0.028 s、0.031 s,表現出同步性。

(4)數值模擬結果與現場監測對比分析得出模擬誤差較小,且爆破振動速度變化規律大致相同,本文建立的數值模型具有可靠性。但考慮水下鉆孔爆破施工的復雜性及不可預見性,爆破參數、巖體損傷與發育程度、水位變化、炸藥包及裝藥量等對水擊波傳播規律影響較大,后續將進一步開展水下鉆孔爆破多因素耦合作用下數值仿真分析,使計算結果更接近實際情況,更好地指導爆破施工。