爆破地震波研究及其防護(hù)

傅磊張可玉

1.海軍潛艇學(xué)院研究生隊(duì);2.海軍潛艇學(xué)院防險(xiǎn)救生系 266071

爆破地震波研究及其防護(hù)

傅磊1張可玉2

1.海軍潛艇學(xué)院研究生隊(duì);2.海軍潛艇學(xué)院防險(xiǎn)救生系 266071

爆破地震波波壓低、速度慢，其傳播能量?jī)H為爆炸總能量的很少部分，但由其所致周圍建（構(gòu)）筑物的毀傷效果卻不容忽視，特別是其低頻部分能量引起建（構(gòu)）筑物所產(chǎn)生的共振，對(duì)建（構(gòu)）筑物能產(chǎn)生致命的毀傷。本文簡(jiǎn)析了爆破地震波的形成，分類及傳播過程，分析了其影響因素，重點(diǎn)探討了爆破地震波的防護(hù)，并提出了其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。

爆破地震波；防護(hù)

1 引言

爆破地震波是爆炸能量引起爆區(qū)周圍介質(zhì)點(diǎn)相繼沿其平衡位置發(fā)生振動(dòng)而形成的地震波。盡管爆破地震波波壓低、速度慢，其傳播能量?jī)H為爆炸總能量的很少部分，在巖石和干土中，約為2%～6%，在濕土中約為5%～6%，在水中約為20%[1]，但由其所致周圍建（構(gòu)）筑物的毀傷效果卻不容忽視，特別是其低頻部分能量引起建（構(gòu)）筑物所產(chǎn)生的共振，對(duì)建（構(gòu)）筑物能產(chǎn)生致命的毀傷。目前對(duì)于爆破地震波的研究主要是在防護(hù)方面，目的是為了減小在工程實(shí)踐中爆破地震的危害。然而，作為具有毀傷效應(yīng)的爆破地震波，在軍事中的運(yùn)用還并不多見。相關(guān)研究證明，將爆炸頻譜特性控制技術(shù)與目標(biāo)動(dòng)力響應(yīng)相聯(lián)系，能大幅度提高武器的戰(zhàn)斗威力；同時(shí)，通過人為增加譜能內(nèi)耗，主動(dòng)改造來襲載荷的頻譜特性來降低毀傷優(yōu)勢(shì)譜能的宏觀破壞能力，又可用于提高武器裝備及一些防護(hù)工程設(shè)施的抗爆能力。因此，充分利用爆破地震波的現(xiàn)有研究成果，進(jìn)一步研究爆破地震效應(yīng)特別是其頻譜特性及調(diào)控規(guī)律具有非常深遠(yuǎn)的意義。

2 爆破地震波特性研究

2.1 爆破地震波的形成及分類

當(dāng)炸藥在巖體中爆炸時(shí)，一部分能量使炸藥周圍的介質(zhì)引起擾動(dòng)，并以波的形式向外傳播。在爆破近區(qū)、中區(qū)傳播的依次是沖擊波、應(yīng)力波，地震波由應(yīng)力波在傳播遠(yuǎn)區(qū)到達(dá)界面產(chǎn)生反射和折射疊加而形成，它包括在介質(zhì)內(nèi)部傳播的體波和沿分層巖石層面?zhèn)鞑サ拿娌?。體波可分為縱波（P波）、橫波（S波）；面波主要有Rayleigh波（R波）和Love波（L波）。

體波具有周期短、振幅小、衰減快的特點(diǎn)；面波特點(diǎn)是周期長(zhǎng)、振幅大、傳播速度慢、衰減慢和攜帶的能量大。體積波特別是其中的P波能使巖石產(chǎn)生壓縮和拉伸變形，它是爆破時(shí)造成巖石破裂的主要原因，其在爆破近區(qū)起主要作用；表面波特別是其中的R波，由于它的頻率低、衰減慢、攜帶較多的能量，是造成地震破壞的主要原因，其在爆破遠(yuǎn)區(qū)起主要作用。

2.2 爆破地震波的傳播特性及影響因素

由于爆源的復(fù)雜性，傳播介質(zhì)的物理力學(xué)特性和地形地貌的多變性，使得爆破地震波具有隨時(shí)間作復(fù)雜變化的隨機(jī)不可重復(fù)的特性。文獻(xiàn)[2]指出爆破地震波富含各種頻率成份，具有瞬態(tài)性、隨機(jī)性和危害性的特征。在傳播過程中，波的有關(guān)參數(shù)和時(shí)頻特征常與爆源條件、傳播介質(zhì)的物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征及地形地貌等因素密切相關(guān)。

對(duì)爆破地震而言，爆破地震波參數(shù)——幅值、頻譜和持續(xù)時(shí)間能較全面地反映地震波的特性，但其影響因素復(fù)雜。概括來說爆破地震波特性主要受爆源和地質(zhì)地形因素的影響。文獻(xiàn)[3]提出爆源的因素包括爆破方法、延期爆破的段間時(shí)差、藥量以及裝藥的形狀、結(jié)構(gòu)等；齊寶欣等人[4]總結(jié)出爆源特性，傳播介質(zhì)特性及局部場(chǎng)地條件三個(gè)影響因素，并提出在一定的爆破方式和傳播介質(zhì)條件下，藥量和距離對(duì)地震動(dòng)的影響是主要因素。文獻(xiàn)[5]從微差爆破、藥包埋深和裝藥形式三方面闡述了爆破地震的影響因素，提出要控制爆破震動(dòng)有害效應(yīng)，主要是通過合理選擇爆破參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

以上研究成果表明，影響地震波傳播的主要因素在不同的條件下各有不同。在理論研究的基礎(chǔ)上，建立合理的數(shù)學(xué)模型，對(duì)爆破地震波的傳播過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，然后通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證理論計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果，這對(duì)工程應(yīng)用有著重要的指導(dǎo)意義。

2.3 爆破地震波信號(hào)分析

通過國(guó)內(nèi)外大量實(shí)測(cè)結(jié)果分析，大致可總結(jié)得出以下形式的經(jīng)驗(yàn)公式：

A=KQmRn

式中

A——反映爆破振動(dòng)強(qiáng)度的物理量（振動(dòng)加速度或速度）；

Q——炸藥量，kg；

R——測(cè)點(diǎn)到爆源中心距離，m；

K、m、n——反映不同爆破方式、地質(zhì)、場(chǎng)地條件的系數(shù)和指數(shù)。

爆破地震波是一種短時(shí)非平穩(wěn)隨機(jī)波形，其復(fù)雜性是無(wú)法用單一諧波描述的。爆破震動(dòng)波形可以直觀的分析出爆破震動(dòng)強(qiáng)度的物理量，但像頻率的高低，分布情況，能量的大小等物理量從波形圖中很難得到。只有經(jīng)過頻譜分析才能獲得振動(dòng)各參量中的各頻率成分和分布范圍，得到主振幅的頻率值。目前進(jìn)行頻譜分析的主要方法有FFT法、小波分析法、HHT分析方法。

3 爆破地震波的防護(hù)

3.1 爆破震動(dòng)安全判據(jù)

早期的安全判據(jù)制定一般都根據(jù)單一強(qiáng)度參數(shù)來制定，我國(guó)1986年頒布的《爆破安全規(guī)程》就是以地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度作為安全判據(jù)的。但隨著爆破技術(shù)的深入研究，美國(guó)、德國(guó)、瑞典等一些國(guó)家已經(jīng)考慮了振動(dòng)速度和對(duì)應(yīng)頻率的綜合影響。文獻(xiàn)[7]就此問題闡述了同時(shí)采用質(zhì)點(diǎn)振速和頻率兩個(gè)指標(biāo)作為爆破震動(dòng)安全判據(jù)的必要性、可行性，并介紹了爆破震動(dòng)頻率的計(jì)算公式。文獻(xiàn)[8]提出應(yīng)用頻響效應(yīng)原理和藥量等級(jí)系數(shù)評(píng)判振動(dòng)安全。

實(shí)踐證明：被保護(hù)的結(jié)構(gòu)物的破壞是與結(jié)構(gòu)響應(yīng)有關(guān)的多種因素綜合作用的結(jié)果，它除了與爆破地震引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、加速度、位移、頻率以及持續(xù)時(shí)間有關(guān)外，與結(jié)構(gòu)物本身對(duì)于爆破地震波的動(dòng)力響應(yīng)特性也有著很大的關(guān)系?？傮w來說，爆破地震效應(yīng)安全判據(jù)正在由獨(dú)立閾值理論向多因素綜合判據(jù)發(fā)展。

3.2 爆破地震波的防護(hù)與利用

為了降低爆破地震效應(yīng)，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了長(zhǎng)期的探討和研究。較為普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，降震的目的是解決炸藥爆炸能量最大限度利用與爆破地震效應(yīng)的矛盾。

文獻(xiàn)[9]提出從能量源、能量傳播介質(zhì)和能量傳播過程三方面，來考慮減少炸藥剩余爆炸能量的有害效應(yīng)。文獻(xiàn)[10]從微差爆破實(shí)現(xiàn)爆破震動(dòng)災(zāi)害主動(dòng)控制入手，研究并得到了微差爆破的較優(yōu)微差延期時(shí)間。周國(guó)祥[11]等人介紹了縮量減震法、截波減震法、爆源分散減震法及不耦合裝藥減震法。此外，還有大量關(guān)于預(yù)裂縫、減震溝等措施的文獻(xiàn)，在此不再贅述。

總結(jié)起來，對(duì)爆破地震的防護(hù)主要從兩方面著手：一是在傳播途徑中加以控制，開挖預(yù)裂縫或減震溝；二是控制爆破參數(shù)及爆破方式等，主要都是在控制爆破地震波的振幅、頻率、持續(xù)時(shí)間以及傳播等方面來下工夫。

前已述及，對(duì)于在工程爆破而言，人們一般只認(rèn)識(shí)到爆破地震波的危害，從而在防護(hù)方面研究較多。而在軍事領(lǐng)域，由于近年來軍用高能炸藥發(fā)展緩慢，提高武器爆炸威力的兩個(gè)手段：增加裝藥量和提高炸藥比威力都受到了制約。因此，人們開始著力于對(duì)炸藥爆炸能量破壞規(guī)律進(jìn)行研究，通過分析爆破地震波的振動(dòng)傳播規(guī)律，了解和控制地震破壞特性，使之應(yīng)用于對(duì)軍事目標(biāo)的破壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著爆炸頻譜特性控制技術(shù)的問世，長(zhǎng)期以來立足于爆炸振動(dòng)“幅值域”研究的人們，目光已經(jīng)轉(zhuǎn)向“頻率域”的研究。不斷深入地研究爆破地震波，實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破地震效應(yīng)的頻譜特性控制，一方面可以使得爆破地震波發(fā)揮最大毀傷效能，另一方面又可指導(dǎo)我們加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)設(shè)施的防護(hù)。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2010.21.021

傅磊（1987-），男，海軍潛艇學(xué)院在讀碩士，研究方向?yàn)樗卤蒲b備技術(shù)與應(yīng)用