供風量與氣泡帷幕層數協同下水中爆炸沖擊波的削波效果

杜明燃，陳智凡，陸少鋒，梁 進，李基銳，王尹軍，王天照，陳宇航

（1.安徽理工大學化學工程學院, 安徽 淮南 232001；2.廣西壯族自治區水下破巖工程研究中心, 廣西 南寧 530200；3.廣西新港灣工程有限公司, 廣西 南寧 530200；4.礦冶科技集團有限公司, 北京 100160）

隨著基礎建設規劃的持續推進，我國對水路交通的要求越來越高。水下爆破技術因其成本低、效率高等特點，被廣泛運用于港口、橋梁等水利水電工程建設。與其他介質中的爆炸沖擊波不同，水下爆炸產生的沖擊波具有峰值壓力更高、影響范圍更廣和毀傷效應更強的特性[1-2]，成為水下爆破技術的主要危害因素之一。如何減小水中沖擊波對周圍環境的影響是目前水下爆破工程領域亟待解決的主要問題之一[3-4]。

為減少水中沖擊波對周圍環境的危害，加拿大的Adolph 工程師在Oratario 核電站的水下爆破施工中采用了氣泡帷幕技術，由于其對水中沖擊波優異的削減效果，得到了行業內的廣泛認可和應用[5]。國內學者也對氣泡帷幕的削波作用開展了研究。賈虎等[6]采用小波包分解技術分析了氣泡帷幕試驗，發現氣泡帷幕能有效衰減爆炸沖擊波壓力峰值。司劍峰[7]分析了氣泡帷幕防護機理與氣泡之間的關聯，發現單位區域內的氣泡數量越多，防護效果越好，當氣泡數量增加到一定值后，防護效果趨于穩定。陸少鋒等[8]開展了氣泡帷幕現場試驗，發現氣泡帷幕對水下沖擊波的削弱效果與供風量成正比。謝金懷等[9]研究了氣泡帷幕對聲波的衰減效果，發現氣泡帷幕的氣流量越大，氣泡帷幕對聲波的衰減效果越強。范懷斌等[10]研究了一管多排孔氣泡帷幕發生器的削波情況，發現增加氣孔排數能提高氣泡帷幕的阻波率。劉欣等[11]建立了氣泡帷幕防護的簡化深水巖石鉆孔爆破數值模型，通過分析峰值壓力和比沖量得到了氣泡帷幕對水中沖擊波的衰減特性。張成興等[12]和魯天龍[13]利用數值模擬得到了靜水中氣泡帷幕產生水平流的特性和氣泡的流動特性。劉天云等[14]利用LS-DYNA 軟件對水下鉆孔爆破進行數值模擬，發現氣泡帷幕離爆炸源較近時，對水中沖擊波的削減效果更好。謝達建等[15]利用LS-DYNA 軟件建立了水下鉆孔爆破模型, 據此分析了長江九朝段炸礁工程中氣泡帷幕的設置距離對削波效果的影響，發現離被保護對象較近處設置氣泡帷幕的防護效果更好。胡亞峰等[16]針對爆炸試驗水池強度設計問題，利用非線性動力學程序LS-DYNA 對10 kg TNT 爆炸后的水中沖擊波傳播規律及爆炸水池結構的動態響應情況進行了數值模擬，對空氣桶和氣泡帷幕削弱水中沖擊波的能力進行了定量計算，為相關爆炸水池的工程設計提供了參考。

綜上所述，氣泡帷幕的削波效果與眾多因素有關，其中氣泡帷幕供風量和層數作為工程實踐中常被考慮的因素，在操作過程中往往會產生協同作用。為此，本研究將綜合考慮實際工程的經濟效益與水下復雜環境問題，分析氣泡帷幕供風量與層數對水中沖擊波的衰減效果，以期找到最優的衰減方案以保護水下生態環境及水下建筑。

1 現場試驗

1.1 試驗儀器

試驗儀器包括American company of LeccoHD4096 型示波器、PCB-MODEL-482-SERIES 型恒流源和MODEL-138A05 Serial-12275 型傳感器。

氣泡帷幕發生器進氣口與空壓機出氣口相連，它們之間有用于計量供風量的氣體流量計。氣泡帷幕發生管兩端均連接分流器，分流器上配備獨立閥門，使每個氣泡帷幕發生管獨立開啟或同步開啟，如圖1 所示。分流器進出氣口、直角三通、氣泡帷幕發生管的內徑均為10 mm，外徑均為12 mm。供風軟管的內徑為12 mm，外徑為14 mm。氣泡帷幕發生管長為1 m，鉆單排孔，孔距為0.040 m，孔徑為0.002 m。氣泡帷幕發生管之間的距離為7 cm。

圖1 氣泡帷幕發生器Fig.1 Bubble curtain generator

首先將氣泡帷幕發生器的進氣口與爆炸水箱側邊空壓機連接，然后打開2 個分流器上1 排管對應的2 個閥門，再將氣泡帷幕發生器置于爆炸水箱底部，固定位置后打開空壓機進行供風，約1 s 后氣泡帷幕發生管就充滿空氣，空氣從氣泡帷幕發生管孔洞中排出形成氣泡，氣泡由小變大慢慢上升，最終形成一層氣泡帷幕。同理，打開2 排或3 排氣泡帷幕發生管的閥門，通氣后距離通氣口最近的氣泡帷幕發生管先產生氣泡，2～3 s 后其余氣泡帷幕發生管產生氣泡，待氣泡穩定后，便形成2 層或3 層氣泡帷幕?，F場試驗中，氣泡帷幕發生器的作用效果如圖2 所示。

圖2 現場試驗中氣泡帷幕發生器的作用效果Fig.2 Effect of bubble curtain generator in field test

1.2 試驗過程

為了研究氣泡帷幕的供風量和層數對水中沖擊波衰減作用的協同關系，設置氣泡帷幕發生器的供風量（v）為30、60、90 L/min，氣泡帷幕層數（n）分別為1、2、3，觀察其對水中沖擊波的衰減效果。試驗在邊長為1.20 m 的立方體水箱中進行，由于水箱所能承受的TNT 當量有限，因此采用一枚1.02 g TNT 當量的標準8 號電雷管作為爆炸源。爆炸源距水箱邊緣0.20 m，懸吊在距水箱上支撐架0.60 m 的位置，爆炸源與傳感器位于同一水平線上[17]。氣泡帷幕中心位置與藥包的距離為0.45 m，在距爆心0.90 m 處布置傳感器。試驗布置如圖3 所示。試驗設計方案如表1 所示。

表1 試驗設計方案Table 1 Design scheme of field test

圖3 現場布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test arrangement

2 試驗結果與數據分析

2.1 供風量對削波效果的影響

為研究供風量對氣泡帷幕削波效果的影響，首先設置無氣泡帷幕的空白對照組。由于試驗在邊長為1.20 m 的立方水箱中進行，存在邊界條件，因此水下沖擊波會產生一些不規則的折射或反射，導致氣泡脈動的壓力波形出現波動?？紤]到本研究主要探討氣泡帷幕對沖擊波峰值壓力的削減作用，未涉及氣泡脈動壓力，因而在討論沖擊波壓力時程曲線時不考慮氣泡脈動。試驗測得的沖擊波壓力時程（p-t）曲線如圖4 所示?？梢?，試驗1 和試驗2 的沖擊波峰值壓力分別為3.907 和4.158 MPa，取其平均值4.033 MPa 作為對照。爆炸沖擊波的衰減公式[18-19]為

圖4 空白對照組的沖擊波壓力時程曲線Fig.4 Time histories of shock wave pressure in blank control group

式中:pm為水下爆破沖擊波的峰值壓力，Q為水下裸爆裝藥量，R為爆心距（爆炸中心到測點的距離），α為與爆區水體環境有關的衰減指數。由式(1)可以看出，在常規條件下，水下沖擊波的峰值壓力僅與藥量和爆心距有關。

定義沖擊波峰值壓力的衰減率A

式中：pb為無氣泡帷幕（空白組）時的沖擊波峰值壓力，pt為有氣泡帷幕時的沖擊波峰值壓力。本試驗中pb=4.033 MPa。

按照圖3 所示，設置單排管（即氣泡帷幕數n=1），選取30、60、90 L/min 3 個供風量，每組試驗測試2 次，所得沖擊波壓力時程曲線如圖5 所示，沖擊波峰值壓力和平均峰值壓力pm列于表2。

表2 不同層數氣泡帷幕條件下水下沖擊波峰值壓力Table 2 Peak pressure of underwater explosion shock wave under different layers of bubble curtains

圖5 供風量為30、60、90 L/min 時的沖擊波壓力時程曲線Fig.5 Time histories of shock wave pressure with air supply volume of 30，60 and 90 L/min

當供風量為30、60、90 L/min 時，沖擊波峰值壓力的平均值分別為2.030、1.524、0.778 MPa，平均衰減率分別為49.67%、62.21%、80.71%，即隨著供風量的增加，氣泡帷幕的削波效果增強。這說明對于單層氣泡帷幕，提高氣泡密度可以很好地增強削波效果。從圖5 還可以看出，隨著供風量的增加，沖擊波壓力時程曲線的振蕩明顯增強，沖擊波持續時間也明顯延長。這是因為氣泡密度隨著供風量的增加而增大，當水下沖擊波遇到密度增大的氣泡墻時，發生的不規則反射和折射也會越來越明顯，導致傳感器測得的壓力時程曲線振蕩增強，與馮沐樺[20]得到的多層氣泡帷幕削波效果隨供風量的增加而增大的結果一致。

2.2 氣泡帷幕層數對削波效果的影響

在供風量為30、60 和90 L/min 的條件下，分別開啟1、2、3 層氣泡帷幕發生管，傳感器測得的沖擊波峰值壓力及其衰減率如表2 所示。圖6 給出了供風量為30 L/min、不同氣泡帷幕層數時的沖擊波壓力時程曲線。

圖6 供風量為30 L/min、不同氣泡帷幕層數時的沖擊波壓力時程曲線Fig.6 Time histories of shock wave pressure under different layers of bubble curtains with the air supply volume of 30 L/min

由表2 和圖6 可以看出：氣泡帷幕可以很好地削弱水中沖擊波，衰減率最大可以達到90%以上；隨著供風量的提高，衰減效果越來越好；在相同的供風量下，隨著氣泡帷幕層數增加，氣泡帷幕對水中沖擊波的衰減效果越來越好，說明增加氣泡帷幕寬度可以很好地緩沖水下沖擊波。

2.3 供風量與氣泡帷幕層數的協同關系

在固定供風量的情況下，設有i層氣泡帷幕時的峰值壓力為pi，有i+1 層氣泡帷幕時的峰值壓力為pi+1，則相鄰氣泡帷幕層數之間的峰值壓力衰減效率Bi可以表示為

式中：i取1 和2。

由表2 得到Bi與供風量v的關系，如圖7 所示?？梢钥闯?，當供風量較?。ㄈ?0、60 L/min）時，隨著氣泡帷幕層數的增加，B2小于B1，即衰減效率越來越低；當供風量較大（如90 L/min）時，隨著氣泡帷幕層數的增加，B2大于B1，即衰減效率越來越高。

圖7 相鄰層數之間的衰減效率BiFig.7 Attenuation efficiency Bi between adjacent layers

在固定氣泡帷幕層數的情況下，設供風量為j的峰值壓力為pj，供風量為(j+30) L/min 時的峰值壓力為pj+30（j=30, 60），則相鄰梯度供風量之間的峰值壓力衰減效率Cj可以表示為

由表2 得出的Cj隨氣泡帷幕層數的變化如圖8 所示?？梢钥闯?，2 層氣泡帷幕時，隨著供風量的增加，沖擊波峰值壓力的衰減效率都較小，衰減效果的增加不明顯。

圖8 相鄰梯度供風量之間的衰減效率CjFig.8 Attenuation efficiency Cj between adjacent air supply volumes

由表2 可知，單層氣泡帷幕在低供風量時的削波效果有限，并且考慮到實際工程實踐中的布置環境復雜，無法保證氣孔均朝上，甚至有的氣孔被水底淤泥堵塞，因此采用多層氣泡帷幕更合理。2 層或3 層氣泡帷幕都可以達到很好的衰減效果，結合氣泡帷幕發生器的成本問題，采取2 層氣泡帷幕將獲得更好的實際效益。通過圖8 可知，在形成2 層氣泡帷幕的情況下，隨著供風量的增加，沖擊波峰值壓力衰減率的增加不明顯，所以不建議選擇90 L/min 的供風量。從圖7 可以看出，當供風量較小時，隨著氣泡帷幕層數的增加，衰減效率越來越低，因而3 層氣泡帷幕不適用。通過表2 可知，2 層氣泡帷幕、供風量為30 和60 L/min 時的衰減率分別為76.74%和79.62%，相差不大，因此，選擇30 L/min 的供風量比較合適。綜上所述，設置2 排氣泡帷幕發生管，選擇供風量為30 L/min 時，所產生的氣泡帷幕兼具較好的衰減效果和較低的經濟成本。

3 結 論

在供風量為30、60、90 L/min 的條件下分別設計1、2、3 層氣泡帷幕的水下爆炸試驗，對比分析了氣泡帷幕層數和供風量的協同作用對水中沖擊波的削弱效果，得到以下結論：

(1) 隨著供風量增加，單層氣泡帷幕的削波效果越來越好，多層氣泡帷幕也有相同的規律；

(2) 在供風量一定的條件下，削波效果隨著氣泡帷幕層數的增加而增強；

(3) 當供風量較小時，隨著氣泡帷幕層數的增加，相鄰層數之間峰值壓力的衰減效率越來越差，當供風量較大時，隨著氣泡帷幕層數的增加，相鄰層數之間峰值壓力的衰減效率越來越高；

(4) 綜合考慮經濟效益和水下復雜環境，供風量為30 L/min 的2 層氣泡帷幕方案是本試驗的最優衰減方案，研究結果可為相關的實際工程問題提供參考和新思路。