建筑物對(duì)爆炸地震波傳播的影響

馬 坤，陳亞紅，陳 潔，曾 丹，張樹(shù)海*，茍瑞君

(1.中北大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，太原 030051；2.中國(guó)兵器工業(yè)火炸藥工程與安全技術(shù)研究院，北京 100053)

近年來(lái)各種意外爆炸事故仍是最嚴(yán)重的災(zāi)害事故之一，2020年6月浙江溫嶺一液化氣罐車(chē)在行駛路面發(fā)生爆炸，并引發(fā)附近一間廠房發(fā)生二次爆炸，造成周?chē)ㄖ锊煌潭葥p壞以及巨大經(jīng)濟(jì)損失；2019年3月江蘇鹽城一化學(xué)儲(chǔ)存?zhèn)}庫(kù)發(fā)生爆炸，爆炸事故波及到周?chē)用穹课菁岸嗨鶎W(xué)校，造成不同程度的損害[1-2]。炸藥在生產(chǎn)及儲(chǔ)存過(guò)程中發(fā)生意外爆炸多為地面爆炸，爆炸過(guò)程中絕大部分部分能量會(huì)以熱能、地震波和沖擊波等形式釋放，可能造成爆炸振動(dòng)、空氣沖擊波、噪聲等公害。其中特別是爆炸產(chǎn)生的地震波。爆炸地震波的主頻率一般較低，與周?chē)ㄖ锖驮O(shè)施相近，有可能引起共振從而對(duì)周邊建筑產(chǎn)生不良影響，嚴(yán)重的話有可能會(huì)給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成危害和損失[3-4]。

對(duì)爆炸地震波傳播規(guī)律分析是控制其危害的重點(diǎn)。盧文波等[5]通過(guò)對(duì)巖土爆破地震波主頻分析，認(rèn)為其主頻衰減存在離散性；閆常陸等[6]通過(guò)對(duì)巖石爆破地震波峰值速度進(jìn)行擬合回歸，得到地震波振動(dòng)幅值的衰減規(guī)律；林大超等[7]采用多種變換方法對(duì)爆炸地震波信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，認(rèn)為小波變換方法可以更好地給出爆炸地震波的細(xì)節(jié)信息；李松[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證說(shuō)明地震波以不同角度穿過(guò)不同介質(zhì)時(shí)其振速會(huì)發(fā)生改變。田運(yùn)生等[9]和魏曉林等[10]通過(guò)研究建筑結(jié)構(gòu)對(duì)地震波的響應(yīng)來(lái)分析地震波的危害，但未對(duì)建筑結(jié)構(gòu)對(duì)地震波傳播的影響進(jìn)行討論。唐海等[11]研究了復(fù)雜地形下地震波的傳播規(guī)律，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式得到符合高程放大效應(yīng)的振動(dòng)公式。張永哲[12]根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析了地表斷層對(duì)地震波傳播的影響。鐘冬望等[13]結(jié)合邊坡模型試驗(yàn)，認(rèn)為爆炸地震波在邊坡坡體處傳播時(shí)與在平地傳播時(shí)有較大差異。通過(guò)以上研究表明，地震波的傳播規(guī)律不但與起爆藥量、傳播距離有關(guān)，還受到地質(zhì)地形等因素的影響。

由于在爆破工程方面的廣泛應(yīng)用，巖土中爆炸所誘發(fā)的地震波得到了廣泛研究，而實(shí)際發(fā)生意外爆炸時(shí)多為地表爆炸，因此對(duì)地表爆炸地震波的傳播規(guī)律有待進(jìn)一步研究與完善。同時(shí)較多研究主要討論建筑物對(duì)地震波的響應(yīng)，關(guān)于建筑物的存在會(huì)對(duì)地震波傳播和衰減造成的影響目前尚不明確。將通過(guò)對(duì)建筑物內(nèi)部及外部進(jìn)行爆炸試驗(yàn)，采集所形成的地震波信號(hào)，總結(jié)出建筑結(jié)構(gòu)對(duì)地面爆炸地震波傳播規(guī)律的影響，為實(shí)際生產(chǎn)和炸藥儲(chǔ)存廠房的安全距離判定提供合理的依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)修建鋼筋混凝土建筑模型，側(cè)翼兩面為磚墻，朝向爆心一面的墻為鋼筋混凝土墻，此墻高7 m，跨度9 m，頂部為現(xiàn)澆鋼筋混凝土屋蓋。地基向下埋深1.5 m，地基結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)，混凝土標(biāo)號(hào)C30，鋼筋標(biāo)號(hào)二級(jí)鋼Q235b，持力層(地基與環(huán)境介質(zhì)接觸的層面為持力層)為粉質(zhì)黏土，地表回填土及砂石約800 mm厚。建筑物的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 建筑物結(jié)構(gòu)模型平面圖

使用TNT炸藥在地面引爆，分別測(cè)量在建筑物外部進(jìn)行爆炸(結(jié)構(gòu)被爆)及建筑物內(nèi)部進(jìn)行爆炸(結(jié)構(gòu)主爆)時(shí)的地震波信號(hào)，藥量分別為1 000 kg、200 kg。主裝藥采用袋裝TNT包堆放，包裝規(guī)格為50 kg/袋，為了方便TNT包堆放，設(shè)定方形交錯(cuò)堆垛方式，擴(kuò)爆藥柱置于藥包堆垛的頂面中心處。試驗(yàn)采用“雷管→傳爆藥→擴(kuò)爆藥→主裝藥”傳爆序列，起爆點(diǎn)設(shè)在主裝藥上部中心，采用電雷管起爆，傳爆藥柱插入擴(kuò)爆藥柱的傳爆藥孔內(nèi)，擴(kuò)爆藥柱埋入主裝藥上表面內(nèi)。試驗(yàn)均為地表爆炸。

試驗(yàn)測(cè)震系統(tǒng)選用成都中科測(cè)控有限公司生產(chǎn)的TC-4850型便攜數(shù)據(jù)采集儀，傳感器選用TCS-B3型三軸振動(dòng)速度傳感器，該傳感器具有體積較小、便于安裝、抗干擾能力較強(qiáng)、測(cè)試精度高等特點(diǎn)。由于試驗(yàn)場(chǎng)地為沙土場(chǎng)地，土質(zhì)疏松，考慮到炸藥爆炸時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的地震波與沖擊波，使用傳統(tǒng)的地表石膏粉或鋼釬固定傳感器會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)傳感器松動(dòng)[14]。因此測(cè)試時(shí)將傳感器埋于地下50 cm處，傳感器放置的平面壓平，x方向指向爆源中心，用信號(hào)線連接采集信號(hào)儀器輸入口，將數(shù)據(jù)采集儀埋于旁邊70～100 cm處防止爆炸產(chǎn)生的碎片將儀器損壞。試驗(yàn)采用16 kHz采樣率。為保證不丟失觸發(fā)前的信號(hào)頭，設(shè)置采樣負(fù)延時(shí)為-2 000 ms。信號(hào)采集儀器與傳感器布置如圖2所示。

采集地震波信號(hào)時(shí)通常是沿爆源中心的徑向或環(huán)向布置一條或幾條測(cè)線。在一條測(cè)線上測(cè)點(diǎn)數(shù)一般不少于5個(gè)。限于試驗(yàn)場(chǎng)地原因，測(cè)點(diǎn)位置間隔采用對(duì)數(shù)間隔會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)距離測(cè)點(diǎn)地質(zhì)環(huán)境改變，為了測(cè)距及記錄與計(jì)算準(zhǔn)確，測(cè)點(diǎn)間距采用等差數(shù)設(shè)置。不同工況下的測(cè)點(diǎn)布置如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況測(cè)點(diǎn)位置

2 爆炸地震波信號(hào)分析

2.1 爆炸地震波峰值速度變化規(guī)律

使用相關(guān)分析軟件，讀取采集到的爆炸地震波信號(hào)，得到結(jié)構(gòu)被爆和結(jié)構(gòu)主爆地震波徑向、切向和垂向三個(gè)方向的地震波波形圖，如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4所示波形圖可以看出，地震波的振動(dòng)由不規(guī)則的強(qiáng)烈振動(dòng)轉(zhuǎn)化為較為規(guī)則的阻尼振動(dòng)，地震波振動(dòng)速度衰減快，持續(xù)時(shí)間短，一般來(lái)說(shuō)，選取地震波振幅相中的最大振幅作為研究對(duì)象，即波形圖中的最大偏移位置。由于此次試驗(yàn)為地面爆炸，故主要以表面波為主，所以三個(gè)方向的速度分量中垂直方向峰值速度更大，其次是水平徑向。隨著測(cè)點(diǎn)到爆心距離的增加，爆炸地震波的峰值速度逐漸降低，表明爆炸地震波在由近及遠(yuǎn)傳播過(guò)程中振動(dòng)強(qiáng)度不斷減小，但由于主爆與被爆測(cè)試距離與藥量不同，為對(duì)其進(jìn)行更詳細(xì)的分析，通過(guò)分析軟件BVA(blasting vibration analysis)得到主爆與被爆地震波各個(gè)方向的峰值速度如表2、表3所示。

表2 工況1各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度

表3 工況2各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度

圖3 被爆測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度波形圖

圖4 主爆測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度波形圖

試驗(yàn)中記錄了試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭鞅捅槐瑑煞N工況各個(gè)信號(hào)采集點(diǎn)三個(gè)方向的分量振動(dòng)速度:水平徑向(x)、水平切向(y)以及垂直方向(z)。由于測(cè)得的地震波信號(hào)為地面爆炸所產(chǎn)生，所以表面波對(duì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度影響很大，其中垂直方向的速度分量主要是由表面波引起，由波形圖和表中數(shù)據(jù)也可以看出垂直方向振動(dòng)峰值速度更大，故對(duì)垂直方向質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)峰值速度進(jìn)行線性擬合。將爆炸地震波的衰減影響因素用質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度來(lái)描述，一般體現(xiàn)形式為

(1)

式(1)中:v為質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，cm/s；Q為爆炸最大裝藥量，kg；R為測(cè)點(diǎn)到爆心距離，m；K是與爆炸方式、環(huán)境介質(zhì)等有關(guān)的系數(shù)；α表示地震波隨傳播距離衰減的指數(shù)。對(duì)式(1)中的K、α進(jìn)行線性擬合，得到符合本次試驗(yàn)的地震波傳播規(guī)律，對(duì)式(1)兩邊取對(duì)數(shù)得

(2)

(3)

通過(guò)對(duì)模型結(jié)構(gòu)被爆的峰值速度線性擬合，得到符合本實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境的K和α值，因?yàn)镵和α是與環(huán)境介質(zhì)有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，此次實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境介質(zhì)為土質(zhì)較為松軟的沙土介質(zhì)，由于鋼筋混凝土地基向下埋深1.5 m，改變了地質(zhì)條件,外加實(shí)驗(yàn)為地面爆炸，故建筑物地基顯著影響了地震波傳播的環(huán)境介質(zhì)。為了進(jìn)一步比較建筑物對(duì)地震波傳播造成的影響，同時(shí)也為了便于不同藥量爆炸之間相互比較，把距爆心的實(shí)際距離轉(zhuǎn)化為比例距離處理，將比例距離公式定義為

(4)

式(4)中:R是爆心距，m；結(jié)合式(1)，爆炸振動(dòng)速度的表達(dá)式為

(5)

不考慮爆炸地震波傳播過(guò)程中發(fā)生的折射和反射，只考慮振動(dòng)速度幅值的衰減。取上述結(jié)構(gòu)被爆擬合出來(lái)的公式，求解速度-比例距離曲線，再將結(jié)構(gòu)主爆的峰值速度與比例距離的關(guān)系在圖中標(biāo)記，如圖5所示。

圖5 被爆擬合曲線、被爆及主爆振幅-比距離關(guān)系

在相同比例距離的條件下，結(jié)構(gòu)主爆的爆炸振動(dòng)峰值速度比結(jié)構(gòu)被爆振動(dòng)峰值速度下降更快，所以爆炸地震波在傳播過(guò)程中，建筑物地基結(jié)構(gòu)會(huì)改變地質(zhì)條件，引起地震波的反射、折射及散射，從而使地震波的衰減更快。在靠近爆心位置結(jié)構(gòu)主爆峰值速度會(huì)迅速下降，建筑結(jié)構(gòu)對(duì)地震波傳播的峰值速度有著顯著的削弱作用。

2.2 爆炸地震波頻率分析

爆炸地震波造成的危害還與其振動(dòng)頻率密切相關(guān)，爆炸地震波振動(dòng)頻率也是描述地震波信號(hào)的一個(gè)重要因素。有必要了解爆炸地震波振動(dòng)信號(hào)的頻率變化規(guī)律，頻譜分析能夠求得爆炸地震波信號(hào)中各種頻率成分以及它們的能量分布情況。

近年來(lái)，小波包變換理論在頻譜分析中得到廣泛應(yīng)用，能夠更好地反映地震波信號(hào)在不同頻率帶上的能量分布情況。采用db8小波基本函數(shù)更適合處理類(lèi)似于地震波這樣的短時(shí)非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)[15]。利用編程分析軟件對(duì)本次試驗(yàn)的地震波信號(hào)進(jìn)行小波包分析，試驗(yàn)采樣頻率為16 kHz，則其奈奎斯特(Nyquist)頻率為8 000 Hz。分解層次為9層，其頻帶寬為15.625 Hz，優(yōu)勢(shì)頻率主要分布范圍在0～125 Hz，所以提取前8個(gè)頻帶的小波包頻帶能量譜圖，將8個(gè)頻帶標(biāo)號(hào)為1～8，頻率范圍分別為0～15.625 Hz、15.625～31.250 Hz、31.250～46.875 Hz、46.875～62.500 Hz、62.500～78.125 Hz、78.125～93.750 Hz、93.750～109.375 Hz、109.375～125 Hz。取結(jié)構(gòu)被爆于結(jié)構(gòu)主爆的1號(hào)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)得到小波包頻帶能量譜如圖6所示。不同工況下各頻帶能量占比如表4所示。

圖6 測(cè)點(diǎn)1、4小波包頻帶能量譜

表4 工況1、2各頻帶能量占比

通過(guò)小波包變換能量頻譜可以看出，爆炸地震波的能量分布在0～125 Hz內(nèi)，但主要能量多集中在相對(duì)固定的頻率范圍。隨著地震波的傳播及時(shí)間的推移，結(jié)構(gòu)被爆的振動(dòng)傳播在沒(méi)有建筑物的影響下其振動(dòng)所攜帶的能量有向高頻發(fā)展的趨勢(shì)，優(yōu)勢(shì)頻率在46.875～62.500 Hz能量占比增加，使爆炸地震波能量分布具有多峰值特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)主爆的地震波能量分布則多集中在低頻成分，隨著地震波的傳播能量分布沒(méi)有往高頻發(fā)展的趨勢(shì)，說(shuō)明建筑物影響了地震波傳播的環(huán)境介質(zhì)，使高頻分量的能量衰減更快，信號(hào)主要以0～31.250 Hz的低頻成分為主。利用小波包變換的分析方法研究短時(shí)非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)的能量分布情況具有可行性。

3 結(jié)論

通過(guò)建立鋼筋混凝土模型，引爆不同藥量的TNT炸藥，對(duì)測(cè)得的地震波信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合以及小波包變換分析，得到以下結(jié)論。

(1)地震波振動(dòng)的三個(gè)方向速度分量中垂直方向速度峰值更大，振動(dòng)速度衰減快，持續(xù)時(shí)間短，隨著測(cè)點(diǎn)到爆心距離的增加，爆炸地震波的速度峰值降低，表明爆炸地震波在由近及遠(yuǎn)傳播過(guò)程中隨著地震波的振動(dòng)強(qiáng)度不斷減小，峰值速度也相應(yīng)降低。

(2)對(duì)結(jié)構(gòu)被爆垂直方向上的峰值速度進(jìn)行了線性擬合，在相同比例距離條件下，由于建筑物地基的存在會(huì)改變傳播介質(zhì)的均一性，引起地震波的反射、折射及散射，從而使傳播峰值速度衰減更快。建筑物地基對(duì)地震波傳播的峰值速度有削弱作用，會(huì)使其在經(jīng)過(guò)地面建筑物后以較低峰值速度傳播。

(3)利用小波包分析方法得到爆炸地震波能量在0～125 Hz不同頻帶上的能量分布情況。在沒(méi)有建筑物的影響下，隨著地震波的傳播在46.875～62.500 Hz頻帶上能量占比增加，當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑ソ?jīng)過(guò)建筑物時(shí)，建筑物改變了其傳播的環(huán)境介質(zhì)，使高頻成分能量衰減，振動(dòng)信號(hào)能量分布以0～31.250 Hz為主。

通過(guò)研究建筑物對(duì)爆炸地震波傳播的影響，補(bǔ)充了地震波的傳播規(guī)律，為實(shí)際廠房生產(chǎn)和倉(cāng)庫(kù)炸藥儲(chǔ)存安全距離的判定提供重要參考依據(jù)。