城市爆破拆除的粉尘预测和降尘措施

摘要

提出了正态分布无边界扩散模式粉尘浓度预测法，介绍了广州体育馆爆破拆除时的降尘措施，即清理积尘、楼面蓄水、预湿墙体、屋面敷水袋、建筑外设高压管网喷水、搭设防尘排栅和直升机投水弹并产生下向风流等综合防尘技术，实施后减轻了粉尘危害。

正文

《1 前言》

1 前言

随着社会的发展, 人们日益关注城市建筑物爆破拆除中粉尘对环境的污染问题。2001年5月, 广东省宏大爆破工程公司, 在地处闹市的广州旧体育馆的爆破拆除中, 首次应用降尘和粉尘预测技术, 取得良好效果。

《2 爆破拆除粉尘预测》

2 爆破拆除粉尘预测

《2.1尘源量》

2.1尘源量

爆破拆除的粉尘量Q (g) , 来自爆破直接破碎建筑物的粉尘Q_b、建筑物倒塌粉碎的粉尘Q_d和扬起爆破前堆积在地面、楼面的积尘Q_w, 即:

$Q = Q_{b} + Q_{d} + Q_{w} 。 (1)$ $Q = Q_{b} + Q_{d} + Q_{w} 。 (1)$

《2.1.1 爆破粉尘爆破直接破碎建筑物粉尘:》

2.1.1 爆破粉尘爆破直接破碎建筑物粉尘:

$Q_{b} = q_{b} v_{b} ‚ (2)$ $Q_{b} = q_{b} v_{b} ‚ (2)$

式中:v_b为爆破结构的体积, m³;q_b为单位体积结构物产生的粉尘量, g/m³。

参照文献[1]:

$q_{b} = 149 (a \cdot k_{1})^{2} \cdot k_{2} ‚ (3)$ $q_{b} = 149 (a \cdot k_{1})^{2} \cdot k_{2} ‚ (3)$

a为结构物单位炸药消耗量, kg/m³;k₁为结构物炸药能量利用系数, 地上砼结构k₁应小于土岩, 取0.95～0.98, 钢筋砼因炸药部分能量要破坏钢筋作功, k₁取0.56～0.62, 加密钢筋砼取0.26～0.32, 砖块间的空隙漏了爆生气体, 而减少爆炸对砖砌体的破碎功, 砖砌体取0.3～0.35;k₂为材料产尘系数, 砼和钢筋砼取1, 砖砌体取1.5～3.0。

《2.1.2 坍塌粉尘建筑物坍塌破坏产生的粉尘:》

2.1.2 坍塌粉尘建筑物坍塌破坏产生的粉尘:

$Q_{d} = q_{d} v_{d} ‚ (4)$ $Q_{d} = q_{d} v_{d} ‚ (4)$

式中:v_d为倒塌建筑构件的体积, m³;q_d为单位体积建筑构件的产尘量, g/m³。

$q_{d} = 149 (a_{d} k_{1})^{2} \cdot k_{2} ‚ (5)$ $q_{d} = 149 (a_{d} k_{1})^{2} \cdot k_{2} ‚ (5)$

a_d为单位体积建筑构件落地的冲击功相当的炸药单耗,

$a_{d} = w / J ‚ (6)$ $a_{d} = w / J ‚ (6)$

w为建筑构件落地势能, kg·m;J为炸药的爆热, 2号岩石硝铵炸药取3 655 kJ/kg=373×10³ kg·m/ kg。塌落破坏时用于破碎的能量利用率大于爆破, 对钢筋砼k₁提高到0.95～1.0, 加密钢筋砼提高相同倍数到k₁=0.45～0.5, 对砖砌体k₁取1.5～1.75。

《2.1.3 扬尘积尘飞扬的粉尘量:》

2.1.3 扬尘积尘飞扬的粉尘量:

$Q_{w} = q_{w} \cdot s_{w} ‚ (7)$ $Q_{w} = q_{w} \cdot s_{w} ‚ (7)$

式中:s_w为楼面和地面积尘面积, m²;q_w为单位面积的扬尘量, g/m²。

当建筑物坍塌产生的风速u_w大于扬尘风速3～6 m/s时, 将积尘吹起。当建筑物的运动速度小于音速的1/3或者建筑物内风速小于20 m/s, 可假设空气为不可压缩流体进行计算, u_w可以用气流出口局部阻力和沿程阻力计算。广州旧体育比赛馆塌落2 s内, 在1.755 s时风速达最大, u_w约可达7.65 m/s, 因此, 足以将积尘扬起。

《2.2爆破拆除的烟云》

2.2爆破拆除的烟云

拆除时的烟云V (m³) 可由建筑周边构件爆破直接产生的烟云V_s、建筑物内的尘云V_in和倒塌时带动的后方气流尘云V_ou组成。即

$V = V_{s} / 2 + V_{i n} + V_{o u} ‚ (8)$ $V = V_{s} / 2 + V_{i n} + V_{o u} ‚ (8)$

式中周边构件爆破烟云体积

$V_{s} = 44 000 A^{1.08 [1]} ‚ (9)$ $V_{s} = 44 000 A^{1.08 [1]} ‚ (9)$

A为周边构件爆破的炸药量, 10³ kg。

当建筑物周边构件爆破时, 在建筑物外形成的烟云为爆破烟云体积V_s的一半, 而另一半则混入建筑物内空间并占用了V_in中的部分体积;建筑物内爆破的烟云计入建筑物空间体积V_in之中。一般来说, V_in为建筑物内空间体积, m³。而V_ou由后方气流结构形成, 当建筑物塌落运动行程大于运动横截面积S_u半径的6.0倍时, 后方涡流区可充分形成, V_ou为涡流区体积;但建筑物倒塌时往往行程短, 涡流区并未充分形成, 因而, 在建筑物完全破坏时V_ou+V_in可按建筑物行程h (m) 的K_s倍计, K_s<6, 广州体育馆K_s取3.2, 即

$V_{o u} + V_{i n} = S_{u} \cdot Κ_{s} \cdot h 。 (10)$ $V_{o u} + V_{i n} = S_{u} \cdot Κ_{s} \cdot h 。 (10)$

《2.3烟云浓度扩散》

2.3烟云浓度扩散

烟云的扩散规律可按正态分布无边界扩散模式计算, 见文献[2]。粒径小于10 μm的尘粒基本上不沉降, 其地面浓度 (z=0, H=0)

$\begin{array}{l} C_{1} (x, y, z, t, Η) = C_{1} (x, y, 0, t, 0) = \\ \frac{2 Q (d_{2}) ϕ_{1}}{(2 π)^{1.5} σ_{x} σ_{y} σ_{z}} \cdot \exp {- (x - u t)^{2} / (2 σ_{x}^{2})} \cdot \\ \exp {- y^{2} / 2 σ_{y}^{2}} ‚ (11) \end{array}$ $\begin{array}{l} C_{1} (x, y, z, t, Η) = C_{1} (x, y, 0, t, 0) = \\ \frac{2 Q (d_{2}) ϕ_{1}}{(2 π)^{1.5} σ_{x} σ_{y} σ_{z}} \cdot \exp {- (x - u t)^{2} / (2 σ_{x}^{2})} \cdot \\ \exp {- y^{2} / 2 σ_{y}^{2}} ‚ (11) \end{array}$

式中:x、y、z分别为空间坐标点, m;H为粉尘排放高度, m;t为粉尘扩散时间, s;σ_x、σ_y 、σ_z、分别为x、y、z方向上的扩散参数, σ_x=σ_y· (x + x_o) , σ_y=σ_y (x + x_o) , σ_z =σ_z (x + x_z) , x_o 、x_z为计算初始水平和垂直扩散参数时, 面单元中心到虚拟点源距离, m;σ_x =σ_y, σ_y、σ_z 按国家标准《GB3840-83》规定取值计算;

$\begin{array}{l} σ_{y o} = B / 4.3^{[2]} ‚ σ_{z o} = Η_{平均} / 2.15^{[2]} ‚ (12) \\ x_{0} = (σ_{y 0} / r_{1})^{1 / α_{1}}, x_{z} = (σ_{z 0} / r_{2})^{1 / α_{2}} 。 (13) \end{array}$ $\begin{array}{l} σ_{y o} = B / 4.3^{[2]} ‚ σ_{z o} = Η_{平均} / 2.15^{[2]} ‚ (12) \\ x_{0} = (σ_{y 0} / r_{1})^{1 / α_{1}}, x_{z} = (σ_{z 0} / r_{2})^{1 / α_{2}} 。 (13) \end{array}$

r₁、α₁、r₂、α₂、为扩散系数, 见σ_y、σ_z计算。B为烟云团初始平均宽度, m;H_平均为烟云团初始高度的平均值, m。Φ₁为粒径10 μm以下尘粒在烟尘Q中所占质量比;u为风速, m/s; Q (d₂) 为最大粒径d₂以下的粉尘量, g。

对大于10 μm以上尘粒, 因有明显的重力沉降, 其地面浓度:

$\begin{array}{l} C_{2} (x, y, 0, t, 0) = \int_{d_{1}}^{d_{2}} C F (d) d d = \\ \int_{d_{1}}^{d_{2}} \frac{Q (d_{2}) ϕ (1 + α_{h})}{(2 π)^{1.5} σ_{x} σ_{y} σ_{z}} \cdot \exp {- (x - u t)^{2} / (2 σ_{x}^{2})} \cdot \\ \exp {- (u_{s} x / u)^{2} / (2 σ_{z}^{2})} \cdot \exp {- y^{2} / (2 σ_{y}^{2})} d d (14) \end{array}$ $\begin{array}{l} C_{2} (x, y, 0, t, 0) = \int_{d_{1}}^{d_{2}} C F (d) d d = \\ \int_{d_{1}}^{d_{2}} \frac{Q (d_{2}) ϕ (1 + α_{h})}{(2 π)^{1.5} σ_{x} σ_{y} σ_{z}} \cdot \exp {- (x - u t)^{2} / (2 σ_{x}^{2})} \cdot \\ \exp {- (u_{s} x / u)^{2} / (2 σ_{z}^{2})} \cdot \exp {- y^{2} / (2 σ_{y}^{2})} d d (14) \end{array}$

式中:α_h为地面的反射系数^[3] , 因地面下垫层不是全反射, 0<α_h<1;ϕ为各粒径的尘粒频度, ϕ=dΦ/dd, Φ为各粒径以下的尘粒累计重量比例, 按高登-安德列耶夫-舒曼粒度特征方程, Φ= (d/d₂) ^α 近似描述, α为系数, 本例取1.12;d₂为最大粒径, m;d为尘粒径, m;

u_s为粒子沉降速度 (m/s) , 按斯托克斯公式:

$u_{s} = g (ρ_{p} - ρ_{g}) d^{2} / (18 μ) ‚ (15)$ $u_{s} = g (ρ_{p} - ρ_{g}) d^{2} / (18 μ) ‚ (15)$

式中:ρ_p为尘粒物密度, 取2 400 kg/m³;ρ_g为空气密度, 1.25 kg/m³;g为重力加速度, 9.81 m/s²;μ为空气动力粘度, 1.715×10^-5kg.m^-1.s^-1;d₁为粒径下限取0.000 01 m;按 (15) 式计算出u_s, 以下风向警戒线距爆破拆除中心距离x_w, 计算u·x_w/u_s=H_平均确定d₂。而Q (d₂) = (d₂/d ) ^αQ, Q是粒径d以下的粉尘量。由 (14) 、 (15) 式可预计地面粉尘浓度

$C = C_{1} + C_{2} + C_{3} ‚ (16)$ $C = C_{1} + C_{2} + C_{3} ‚ (16)$

式中:C₃为外围流入爆区粉尘浓度, g/m³。

《3 降尘措施》

3 降尘措施

广州旧体育馆爆破拆除时, 采取了清理残渣积尘、淋湿地面、预湿墙体、屋面敷水袋、楼面蓄水、建筑物外设压力喷水系统、搭设防尘排栅、直升飞机投水弹等综合除尘措施。

《3.1清理残渣积尘和淋湿地面》

3.1清理残渣积尘和淋湿地面

将预拆除时堆积在楼面、地面的残渣碎块、积尘清理干净, 爆破前淋湿地板, 尽量减少扬起积尘, q_w=8×10^-3g/m²。

《3.2预湿墙体》

3.2预湿墙体

在爆破前5天, 向披挡物、砖墙和砖柱不断淋水, 在楼面砌10～15 cm高的埂以蓄水, 并往下墙滴水, 以使其湿透。该措施能降低砖砌体的粉尘量达75%, 体育馆采取本措施的降尘率r₂=20%。今后应改进为提前浸水, 多用蓄水下漏湿墙。

《3.3馆外压力喷水降尘》

3.3馆外压力喷水降尘

在馆外四周离地面6 m高挂设ϕ75 mm水管, 沿管每0.15 m装喷嘴, 以1.0～1.2 MPa水压, 喷射形成“水雾膜墙”。普通喷雾洒水降尘率可达50%, 由于馆南、东管网, 在爆破建筑倒塌时损坏, 因此, 本馆喷水降尘率取r₃=20%。今后改进应提高水压到10 MPa, 水管可埋在地沟从下向上喷水, 水也可顺排栅防护网从顶流下形成水膜。

《3.4屋面水袋降尘》

3.4屋面水袋降尘

比赛馆屋面放置了3 000个水袋, 当屋面着地后破裂, 让水流入构件破碎部位, 以减少倒塌后方风流带起的粉尘。本措施降尘率取r₄=10%。

《3.5防尘排栅》

3.5防尘排栅

排栅高8～12 m, 设两层, 里层挂防护网, 外层挂三色塑料彩布, 可防飞石, 也能阻止粉尘向外扩散。本馆爆破时因北、东和西面排栅部分倒塌, 因此, 阻止粉尘扩散作用减小, 计算时忽略。今后改进要防止建筑物倒塌时, 后座推倒排栅。

《3.6直升飞机投水弹》

3.6直升飞机投水弹

本次爆破租用米-171型直升飞机, 装载水约2.5×10³ kg, 爆破瞬间在馆上空200 m高, 投放水弹降尘。该措施降尘不明显, 降尘率取r₆=3.4%。今后改进应水泡沫降尘, 增加水的表面积以增大降尘效果。直升机要适当低飞, 在不吹倒排栅条件下, 以下向风流控制粉尘向上扩散。

《4 计算结果》

4 计算结果

本馆爆破粉尘量计算参数见表1, 建筑周边炸药量441.8 kg, 总炸药量525.5 kg。

经 (2) , (3) , (4) , (5) , (6) 式计算爆破砼粉尘量Q_b.c=7 048 g, 砖砌体Q_b.b=19 262 g;建筑物塌落砼粉尘Q_d.c=1 004 g, 砖砌体Q_d.b=3 630 g, 爆破时加密钢筋砼k₁=0.27, 钢筋砼k₁=0.57, 砖k₁=0.315, 坍落时加密钢筋砼k₁=0.45, 钢筋砼k₁=0.95, 砖k₁=1.62;砖的k₂=1.58;经 (6) 式计算, 地面扬尘Q_w=0.008×7 335=58.7 g, 以上粉尘量为对应粒径d₂=112 μm以下的粉尘量。

表1爆破参数

Table 1 Blasting coefficients

《表1》

材料及强度	钢筋砼柱C₁₄	梁C₁₇	加密钢筋砼C₂₀	砖M10	灰浆M2.5
爆破体积/m³	29.40	4.30	371.60	92.40	15.50
炸药单耗/kg·m^-3	1.36	1.05	1.03	0.938	0.75

采取降尘措施后粉尘量Q (d₂) =[ (Q_b.b+Q_d.b) (1-r₂) + (Q_b.c+Q_d.c+Q_w) ] (1-r₃) . (1-r₄) . (1-r₆) =18 374 g。

烟云体积计算如下:建筑物周边炸药爆炸烟云体积V_s=4 400×0.441 8^1.08=18 209.40 m³, 建筑物内体积V_in=85 145.5 m³, 建筑物运动后方风流区体积V_ou= V_in× (3.2-1) =187 320 m³, 总计烟云体积V=V_s/2+ V_in+ V_on=281 570 m³;

排栅面积S_w = 7 335 m², 烟云高度H_平均= V/ S_w=38.4 m, 与摄象记录烟云高是一致的;排栅面积长宽平均B=104 m。

越秀公园1^#监测点粉尘浓度计算如下;爆破拆除时风向西偏南30°, 从图1中算得1^#坐标x=151 m, y=5 m;风速u=3.76 m/s;阴天间小雨天气稳定度D级, 查“GB3840-83”标准, 得σ_y=r₁x^α₁_y;σ_z=r₂x $_{z}^{α_{2}}$ $_{z}^{α_{2}}$ ; r₁=0.110 726, α₁=0.929 418, r₂=0.104 634, α₂=0.826 212,

$\begin{array}{l} x_{y} = x - u t + x_{o} = 151 + [B / (r_{1} 4.3)]^{1 / α_{1}} - u t ； \\ x_{z} = 151 + [Η_{平均} / (r_{2} \times 2.15)]^{1 / α_{2}} - u t 。 \\ α = 1.12 ‚ α_{h} 取 0.2 ‚ d_{2} = 0.000 112 m ‚ \end{array}$ $\begin{array}{l} x_{y} = x - u t + x_{o} = 151 + [B / (r_{1} 4.3)]^{1 / α_{1}} - u t ； \\ x_{z} = 151 + [Η_{平均} / (r_{2} \times 2.15)]^{1 / α_{2}} - u t 。 \\ α = 1.12 ‚ α_{h} 取 0.2 ‚ d_{2} = 0.000 112 m ‚ \end{array}$

d₁=0.000 01 m, 以 (11) 、 (14) 和 (15) 式计算C₁、C₂, 当爆后t=30 s, 1^#测点外区吹入爆区粉尘浓度取C₃=0.15 mg/m³时, 粉尘浓度C=28.25 mg/m³;t=600 s, C=0.15 mg/m³;见图

2。从图2中可见C超过1 mg/m³的时间t约在第17～57 s。

《图1》

图1爆区周围环境平面

Fig.1 Environment around sport building

计算平均粉尘浓度C_c:

爆后t=30 s, 1^# 测点

$\begin{array}{l} C_{c} = C_{3} + t^{1} \cdot \int_{o}^{t} C_{1} (t) d_{t} + \\ t^{- 1} \cdot \int_{o}^{t} \int_{d 1}^{d 2} C F (d, t) d d d t = \\ 0.15 + 0.57 + 3.32 = 4.04 m g; \end{array}$ $\begin{array}{l} C_{c} = C_{3} + t^{1} \cdot \int_{o}^{t} C_{1} (t) d_{t} + \\ t^{- 1} \cdot \int_{o}^{t} \int_{d 1}^{d 2} C F (d, t) d d d t = \\ 0.15 + 0.57 + 3.32 = 4.04 m g; \end{array}$

爆后t=600 s

$C_{c} (t) = 0.15 + 0.4 + 2.23 = 2.78 m g / m^{3} 。$ $C_{c} (t) = 0.15 + 0.4 + 2.23 = 2.78 m g / m^{3} 。$

均与广州环境监测中心实测数据相同, 可见作者的预测是正确。

《5 结论》

5 结论

1) 爆破拆除的粉尘灾害是可以实施降尘措施来克服的。在降尘措施还不完善情况下, 可以进行粉尘预测预报, 以减轻爆破粉尘的危害。

2) 作者提出的“清理积尘、淋湿地面、预湿墙体, 屋面敷水袋、楼面蓄水、建筑外设高压喷水系统、搭设防尘排栅和直升机投水弹”等综合降尘措施, 经实践证明是有效的, 可行的。

3) 正态分布无边介扩散模式粉尘浓度计算法, 经实测证明理论上是正确的, 可以用作爆破拆除的粉尘浓度扩散的预测预报用。

《图2》

图21^#测点粉尘全浓度C

Fig.2 Dust concentration of point 1^#

由于粉尘实测数据还少, 预算参数的选取还应斟酌, 因此本文的具体计算仅是抛砖引玉。

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