小水池中水下爆炸地震波測試與分析

摘 要：水下爆炸引起的振動會波及附近建筑物，是爆破安全必須考慮的問題。采用UBOX-5016型爆破震動記錄儀對某一小水池中炸藥爆炸產(chǎn)生的振動效應(yīng)進行了測試和分析，并對所測波形進行頻譜分析，得到該水下爆炸地震波的主震頻率在12～60Hz，大于建(構(gòu))筑物的固有頻率（幾赫茲至十幾赫茲），當(dāng)建（構(gòu)）筑物固有頻率同爆破振動頻率接近時，將會產(chǎn)生共振效應(yīng)，較小的振動也會產(chǎn)生較大的破壞，因此，測試過程不會對火工樓造成太大的影響。研究結(jié)果對類似的新建實驗室及相關(guān)工程實踐具有較大的參考價值。

關(guān)鍵詞：水下爆炸；地震波；頻譜分析

中圖分類號：TD235.14文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1098(2010)04-0047-05

Test and Analysis of Seismic Waves of Underwater Explosion in Small Pool

CAO Zu-gui，GUO Zi-ru，YAO Di，GAO Yu-gang

(School of Chemical Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China)

Abstract: Vibrations induced by underwater explosion can affect neighboring building， which must be taken into account in blasting safety. Dynamite blast vibration effect in small pool was investigated. Seismic waves generated by dynamite blast in the pool were registered by UBOX-blasting vibration recorder and spectrum of the seismic waves was analyzed. The results showed that main frequency of seismic waves induced by the underwater blast is between 12 ~ 60Hz， which is bigger than the natural frequency of building (structure) (a few Hz to more than a dozen Hz). When natural frequency of building (structure) is close to vibration frequency by blasting， resonance effect will occur; smaller vibration will have greater damage. The blast in the experiment didn’t affect the laboratory building. The results are valuable for the construction of the similar laboratory and other practical engineering.

Key words: underwater blast; seismic waves; spectrum analysis

隨著爆破技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們越來越關(guān)注爆破震動對周圍環(huán)境和建（構(gòu)）筑物的影響。爆破震動危害已成為工程和學(xué)術(shù)界越來越關(guān)注的重要安全問題。然而，由于爆破地震波的隨機性、模糊性和不確定性，即便像爆破地震波在巖土介質(zhì)中的傳播規(guī)律這樣簡單的問題也尚未得到完整的認(rèn)識。如何對爆破震動信號進行分析，并在此基礎(chǔ)上將爆破震動災(zāi)害控制在最低程度，已成為爆破領(lǐng)域內(nèi)眾多國內(nèi)外專家研究和探索的重大前沿課題^［1］。

安徽理工大學(xué)爆炸材料與爆炸技術(shù)實驗室的院內(nèi)建有一小型水下爆炸實驗和測試系統(tǒng)，并建有一小型水池。利用此水下爆炸系統(tǒng)，實驗室一直開展著很多水下爆炸方面科學(xué)研究和測試，并取得了一系列的研究成果，其中最重要的成果是炸藥水下爆炸能量測試。然而該水下爆炸測試系統(tǒng)離周圍的建筑物和其他實驗室較近，進行水下爆炸試驗時會產(chǎn)生震動效應(yīng)，為了科學(xué)評價該水下爆炸測試系統(tǒng)的震動危害，同時弄清楚該爆炸條件下地震波的傳播規(guī)律以及對鄰近建筑物等設(shè)施的響應(yīng)，本文作者在實驗室條件下對該小型水池中水下爆炸產(chǎn)生的爆炸震動效應(yīng)進行了測試，并對測得地震波進行頻譜分析，得出了一些有益的結(jié)果。

1 爆破震動測試條件

1.1 測試環(huán)境

水下爆炸是在直徑5.5m，高3.62m的圓柱形爆炸水池中進行的，該爆炸水池位于兩座教學(xué)實驗樓中間的院子里，地面是0.2m厚的素混凝土結(jié)構(gòu)。水池的邊界西、北方向距爆破實驗樓最近，分別是6m和8m，南面距化學(xué)實驗樓30m，水池底部是1m厚的片石墊層和鋼混基礎(chǔ)，為了減小爆炸震動，在基礎(chǔ)上鋪0.4m厚的碎石，碎石上再平鋪二層載重汽車廢輪胎（外胎），最后水池安放在輪胎上。由于長期的承重作用，輪胎已經(jīng)被壓縮，實際上水池的重量已經(jīng)通過磚墻傳導(dǎo)給基礎(chǔ)，水池及基礎(chǔ)情況如圖1所示。水池注滿水后總質(zhì)量110t，每年都要進行約上百次的爆炸實驗。

圖1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 測試過程及條件

測試時，水池裝滿水，然后將一定質(zhì)量的炸藥置于水池的中心，入水深度約2.41m，在距離藥包中心不同水平距離處的地面上布置測點，并安放好傳感器，然后啟動爆破震動記錄儀，起爆藥包進行爆炸震動測試。每一種條件下進行三次爆炸試驗。

(1） 測震儀主要參數(shù)設(shè)置 采樣頻率10kHz；采樣時間1s；觸發(fā)電平50mV；觸發(fā)方式：通道出窗觸發(fā)方式；通道耦合：一般設(shè)置成直通方式，但現(xiàn)場直流偏置嚴(yán)重的，可以使用隔直；預(yù)采樣長度：記錄觸發(fā)前的數(shù)據(jù)，設(shè)置成256個樣點；傳感器采用磁電式速度傳感器。

(2） 測點布置 沿水池半徑的東西方向的東側(cè)選擇5個測點，離水池邊界（水池直徑5.5m）的距離分別為8m、10m、12m、14m、16m，每個測點之間的間距為2m，5個測點分別編號依次為1#、 2#、 3#、4#、5#測點。圍繞測點分別布置徑向、切向、垂直方向的傳感器，用石膏漿液將傳感器與地面密實耦合(見圖2)。

圖2 環(huán)境平面及傳感器位置

（3） 爆炸藥包 爆炸藥包裝藥為10 gTNT當(dāng)量的黑索金（含8號工業(yè)雷管的裝藥當(dāng)量）。將爆炸藥包固定在懸掛鐵架中央，根據(jù)該水池通常水下爆炸能量測試的條件，藥包入水深度為水池水深的2/3（2.41 m）。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 測試獲得的數(shù)據(jù)及典型原始波形

由爆破震動記錄儀得到數(shù)據(jù)，經(jīng)BM View分析軟件得到的三個方向最大速度值及主震相頻率列于表1中，典型的爆破震動波形如圖3所示。

t/s

圖3 2#測點垂直方向上的原始波形

2.2 數(shù)據(jù)分析及波形處理

(1) 數(shù)據(jù)分析 從表1可以看出，在同一測點處的水平切向速度、水平徑向速度遠小于垂直振動速度，且垂直振速呈現(xiàn)一定的衰減規(guī)律，而切向、徑向振動速度較小又無一定衰減規(guī)律，為了探究單藥包同藥量、同深度在不同水平距離下的爆炸地震波衰減規(guī)律，以垂直振速為例（見表2）并繪出其曲線（見圖4）。在爆炸近區(qū)（10 m內(nèi)）振速急劇衰減，爆炸遠區(qū)(10 m外)振速衰減趨于緩慢。

R/m

圖4 平均垂直振動速度V與水平距離R的關(guān)系

(2） 波形處理 通過測試獲得的三個方向上的波形，運用BM View 分析軟件進行分析時發(fā)現(xiàn)， 水平徑向和水平切向的振動較小， 圖形不規(guī)則， 垂直方向上的波形較為一致。 對五個測點垂直震動波形進行FFT（Fouriertransform）變換， 得到速度-頻率波形及相位-頻率波形分別如圖5、 圖6所示。

在圖5中幾組數(shù)據(jù)均當(dāng)頻率范圍大約在12～60Hz時震動幅度最大，這是由于各測點之間相距較近，因此，主頻范圍差別并不明顯。并且各個頻譜范圍隨距離衰減并不明顯。此外，從5組幅度譜還可以看出，幅值均集中在低頻部分，除了一個最高峰值外，還有若干個次高峰值。

圖6中各頻率的相位都不相同，且有正負(fù)。若考慮采用微差爆破減振，那么這一特性將使微差爆破降振作用成為可能。

3 結(jié)論

從數(shù)據(jù)分析與波形頻譜分析可以直觀的看出不同情況下所獲得的震動情況，以及頻率分布狀況。

（1） 該實驗室條件下水池中裝藥爆炸產(chǎn)生的地震波地面振動速度隨著距離的增加而發(fā)生的衰減，在爆炸近區(qū)（10m以內(nèi)）振速急劇衰減，爆炸遠區(qū)（10m以后）振速衰減緩慢，衰減符合薩道夫斯基公式的震動規(guī)律。

（2） 從本文的測試結(jié)果看，該水下爆炸地震波的主震頻率在12～60Hz之間，大于建(構(gòu))筑物的固有頻率（幾赫茲至十幾赫茲之間）。當(dāng)建（構(gòu)）筑物固有頻率同爆破振動頻率接近時，將會產(chǎn)生共振效應(yīng)，較小的振動也會產(chǎn)生較大的破壞，同時測試得到的震動速度小，因此，測試過程不會對火工樓造成太大的影響。

（3） 爆破振動波包含豐富的諧波頻率，有一頻帶寬度。其諧波頻率的能量雖然低于主頻率的能量，但各諧波頻率的能量之和卻較大，因此，僅用主頻率來描述爆破振動波的頻率特性，是不全面的，而且在實測波形中，往往有若干個能量較大的頻率，只取其中最大的一個作為主頻率而不考慮其它頻率成分對爆破振動破壞的影響作用是不恰當(dāng)?shù)?。采用主頻帶分析的方法，更能說明爆破振動波的頻譜特性。

參考文獻：

［1］ 李夕兵，凌同華，張義平.爆破震動信號分析理論與技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2009：5-6.

［2］ 張立.有限水域的爆炸振動效應(yīng)與減振措施［J］.噪聲與振動控制，2003，2(2)： 31-35.

［3］ 顏事龍，張金城.小水池黑索金水下爆炸能量測試影響因素的研究［J］.爆破器材，1991，62（1）：13-17.

(責(zé)任編輯：何學(xué)華 吳曉紅)