摘要
随着海洋开发战略的逐步实施，水下工程逐渐由内河走向近海、浅海走向深海，深水爆破是未来水下爆破工程发展的必然趋势。复杂多变的海洋环境（风、浪、流）以及水深的变化给水下爆破施工器材、施工工艺、安全防护等都提出了新的要求。水下爆破冲击波效应既是水下岩石破碎的基础，也是水下爆破危害效应的主要来源。如何利用爆炸冲击波实现有效破岩、降低基岩损伤、削弱其危害效应，一直是水下爆破领域研究的热点和难点。因此，研究深水条件下水下爆破冲击波基本特性，提高冲击波水下破岩能力以及寻求有效的深水爆破冲击波安全防护理论和方法具有重要的理论意义和工程价值。 论文以《甬舟铁路西堠门公铁两用大桥金塘岛侧主塔基础爆破工程》为背景，围绕深水条件钻孔爆破冲击波基本特性及防护问题开展了一系列理论、试验、仿真分析，尤其是在基岩损伤的防护和深水水中冲击波气泡帷幕防护方面，提出了“基于孔内复合消聚能结构的深水钻孔爆破基岩损伤防护方法”和“基于高压气体瞬时释放型气幕的深水冲击波防护方法”，开展了水下钻孔爆破孔内消聚能理论和随机分布式气幕阻波理论的研究，分别对其防护机理、防护效果与评价办法进行了深入的研究和探索。 (1)分析了40m、65m、90m深水环境下水下钻孔爆破水中冲击波传播衰减规律以及不同静水压力对水底层冲击波传播衰减的影响规律。研究发现:在水平方向和竖直方向上冲击波峰值衰减随距离的增加呈指数衰减形式;不同水深工况下，冲击波衰减速度随着水深的增加而增加，在靠近水底位置，炮孔附近水域中的初始冲击波峰值较大，但随着传播距离的增加其衰减的也最快，但200m范围内靠近水底位置冲击波峰值基本都高于其上方水域;基于EMD方法并结合Hilbert变换，对深水钻孔爆破水中冲击波信号进行了分析，揭示了其时频特性和能量分布规律。 (2)根据应力波在介质中传播的透射、反射作用理论，对“基于孔内复合消能结构的深水钻孔爆破基岩损伤防护方法”进行了理论研究，并开展了水深40m环境下的室内模拟试验，通过对试样外观、裂纹分布和炮孔爆腔形状及尺寸的分析验证了高阻抗球体和粗砂垫层组成的复合消结构在水下钻孔爆破中可有效减少孔底基岩损伤，提高上部岩体破碎效果的防护作用。提出了一种基于PZT压电陶瓷主动监测的波动分析方法，建立了基于波能量RMSD的混凝土损伤指标，定量分析了在有无消能结构防护下的混凝土损伤范围和孔底损伤深度。研究发现，水下钻孔爆破中爆破介质会在炮孔底部发生损伤的突变，具有消能结构的炮孔其突变程度更大，且突变点更靠近炮孔底部;结合损伤深度测试和计算，具有消能结构的试样其最小损伤点出现在孔底20mm处，比无消能结构的试样损伤深度减小了25％。目前，该研究成果已运用于《甬舟铁路西堠门公铁两用大桥金塘岛侧主塔基础爆破工程》。 (3)在传统气泡帷幕防护技术基础上，提出了一种“基于高压气体瞬时释放型气幕的水中冲击波防护方法”。基于气幕形态特性的考虑，细化了气幕对水中冲击波的透、反射系数公式。在此基础上，构建了室内小型高压气幕发生装置，进行了气幕形态高速摄影和冲击波压力测试试验研究。研究发现，随着气源压力的增加，气幕连续性增强且具有更高的气体能流密度和抵抗外载荷干扰的能力，气幕持续时间也相应增加;根据冲击波测试结果，结合信号分析，发现不同高压气幕对爆源50cm处冲击波峰值衰减率在32.3％～76.7％，总能量衰减率在32.7％～71.4％，气源压力越大，防护效果越好。 (4)考虑形态对气幕阻波效果的影响，提出了一种基于随机分布形式的水中气泡帷幕计算模型的构建方法，实现了气泡在气幕区域内的随机投放，该方法突出了气幕区域气液共存、边界轮廓多变且气体分布高度不连续和非均匀性的特点，丰富和完善了水下爆破冲击波气幕数值计算模型的构建方法。
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