50 t科学爆破振动的衰减特征及地形效应*

刘爱文,俞言祥,付长华,吕红山,陈 鲲,赵纪生,周正华,王 伟

（1.中国地震局地球物理研究所,北京 100081;

2.中国地震局工程力学研究所,黑龙江哈尔滨 150081）

1 引 言

以地球物理科学研究为目的,中国地震局地球物理研究所于2007年12月12日在河北怀来县实施了一次人工爆破。不同于一般的工程爆破,科学爆破主要利用爆破震源的准确位置和激发时间已知这2个特点,通过分析华北盆地和周边的359个地震观测台站获得的爆破记录,探测华北盆地的地下深部结构、华北地区走时表、爆破振动的波场效应。此次科学爆破的单次爆炸药量达到50 t,远大于一般工程爆破的单次爆炸药量,北京地震台网测定的近震震级ML为2.8。为了研究爆破点附近地区的振动特征以及监测此次科学爆破对周围民房的影响,同时开展了强震监测。根据爆破周围的场地特点,爆破振动的衰减观测台站架设,如图1所示。S0为距离爆破峒口最近的台站,S1～S7为其他7个衰减台站;同时选择了一个相对独立的山包,从山脚至山顶布设了5个观测地形效应的台站D1～D5。

图1 振动衰减观测台站分布示意图Fig.1 Distribution of observatories for vibration attenuation

爆破振动波的能量可由质点振动强度衡量,振动强度可以用振动的位移、速度或加速度来表示,进而对爆破采用有效控制。在前苏联和瑞典使用速度判据,在英国使用位移判据,在法国使用加速度判据,美国矿务局标准RI 8507采用质点振动的峰值速度和相应的频率联台作为判据[1-3]。中国国家标准GB 6722-2003《爆破安全规程》规定:对于地面建筑物采用保护对象所在地的峰值振动速度和主振频率作为爆破振动判据[4]。目前计算爆破质点振动速度常用萨道夫斯基公式。萨道夫斯基公式描述了爆破地震波强度随传播距离的增加而呈幂函数衰减的基本规律:随着传播距离的增加,能量衰减速度减慢。假如测点非常接近爆心时,上述爆破衰减普适公式存在一定的误差。在爆破近区,波阵面上的压力、密度很大,致使地震波强度（能量）衰减很快。黄永祥等[5]根据大姚铜矿的大药量爆破振动效应观测,发现在爆心的正上方实测的振动参数值往往比按爆破衰减普适公式的计算值大。因此把临近爆心正方的振动强化现象称为极震效应,极震效应与爆心距的地面投影r和爆心深度h的比值r/h有关[5]。

另外,由于爆破振动具有持时短、突变快等特点,是一种典型的非平稳随机信号,需要对爆破振动信号进行时频局域化分析。在众多的时频分析手段中,以小波变换的时频局域化功能最为突出,算法也比较简单。近年来不少学者利用小波变换的方法,将质点振动速度信号在时频域上展开,计算信号在各个频带上的主震相的能量,并尝试采用爆破振动不同频率段所包含的能量作为爆破安全的判据[6-7]。

本文中,根据50 t科学爆破的强震观测数据,探讨此次大当量爆破振动的幅值衰减规律及地形效应,利用中国地震烈度表估计爆炸周围地区的烈度分布,并应用小波分析等方法研究爆破振动主振频率随距离变化的特征。

2 爆破振动衰减规律

表1为本次爆破观测的数据,R为各台站与爆心的距离,aew、asn和al分别为东西向、南北向和垂直向的峰值加速度,vew、vsn和vl分别为东西向、南北向和垂直向的峰值速度。在爆心附近观察到显著的极震效应,距离爆心217.7 m的台站S0记录的垂直向峰值加速度达到1.38g,而在沟口的台站S1（距离爆心1 055 m）,爆破振动的垂直向峰值加速度则迅速衰减至0.038g。在爆破近区,振动峰值衰减很快,随着爆心距离的增加衰减速度变慢。

表1 各台站的峰值加速度和峰值速度Table 1 Peak ground acceleration and velocity of each observatory

利用萨道夫斯基衰减公式对表1中各台站的垂直向峰值速度进行拟合

式中:Q为爆破的药量,kg;R为爆心距,m。本次爆破中,Q=50 t,可得kv=200 cm/s,β=1.6,n=1/3。由此可见,这次爆破地区为中等强度的岩石,这与现场所观察层状岩石且裂隙较多是一致的。

峰值加速度的衰减公式通常采取与速度衰减关系类似的形式,令ka=2πf kv,f为爆破振动的主振频率。根据此次爆破记录的频谱分析,距离爆心较近的主振频率f为约10 Hz。

图2 垂直方向峰值速度和峰值加速度的衰减规律Fig.2 Attenuations of peak velocity and peak acceleration

如图2所示,通过与实测数据的比较,当爆心距较大时,由这种方法得到的峰值加速度衰减理论曲线（f=10 Hz）与实测数据存在一定的偏差,这是因为爆破振动的高频成分比低频成分衰减更快,随着爆心距的增大主振频率减小。如图3所示（阻尼比ξ=5%）,爆心距为376和900 m的主振频率均为约10 Hz（0.1 s）,而爆心距为2 101 m时主振频率为约1.67 Hz（0.6 s）。

图3 不同爆心距的速度反应谱Fig.3 Velocity response spectra for different distances from the explosion center

在工程地震学中,通常采用地震烈度评价地震引起的地面震动及其影响的强弱程度。评定地震烈度大小的依据包括2类:1类是宏观震害描述,如人的感觉、建筑物的破坏程度、物体的反应以及自然状态的变化;另1类则是物理标准,如仪器记录到的水平向峰值速度、峰值加速度,根据这些仪器记录得到的地震烈度又称为振动烈度[8]。根据中国地震烈度表,由各个台站得到的水平向速度峰值和加速度峰值的大小可以评价出各点的振动烈度。此次爆破的近爆心区振动烈度可以达到Ⅶ度,距离此次爆心最近的村庄龙宝山旧村（约1 000 m）位于Ⅴ度区。由此可见,相对于天然地震的烈度衰减,爆破振动烈度的衰减较快。

3 爆破振动的小波分析

爆破振动信号属于强非平稳过程,具有持时短、突变快等特点,需要采用小波变换进行时频分析。目前,爆破振动信号的离散小波变换通常采用db8小波基函数。爆破振动信号分解的层数视具体信号及采用的爆破振动记录仪的工作频带而定。本次爆破采用强震记录仪的频带范围为0～200 Hz,采样间隔为0.05 s。根据采样定理,此次爆破记录的Nyquist频率为100 Hz。利用db8小波基函数对此次爆破记录进行9个层次10个频率带的离散小波分解。

如图4,距离爆心217.7 m的台站S0的能量主要集中在1.56～25 Hz的频率范围,3.13～6.25 Hz频段所包含的能量占总能量的72%,持续时长仅约0.4 s;而距离爆心2 101 m的台站S7的能量则主要集中在0.4～12.5 Hz的频率范围,78%的能量集中在1.56～3.13 Hz更低的频段,持续时长达约5 s。由此可见,在近爆心处,爆破振动的能量主要集中在频率较高的频段范围内;而在远处主要集中在频率较低的频段内,振动的持续时间相对增加。

图4 垂直向速度记录各频段能量分布Fig.4 Energy distributions of frequency band for the vertical velocity records

4 爆破振动的地形效应

山区地形对震害的影响比较普遍,许多地震的震害都证实了这一点[9-10]。为了研究局部地形对地震动的影响,在此次爆破中布设了由5台强震仪组成的地形效应台站（如图5所示）,研究由于地形差异引起的地面运动参数放大和地面运动频谱特征的变化。

图5 地形效应观测台阵的布设示意图Fig.5 Instrument layout for the observations of topographic effect

这里主要讨论山顶D1、山腰D3和山脚D5等3个观测点（相对高度分别为14、9和0 m）的记录分析结果。这3个观测点的垂直向加速度、速度、位移以及5%阻尼比的反应谱如图6所示。沿山包作垂直剖面,可以看到此次爆破振动在山顶D1有明显的放大作用,垂直向加速度峰值达1.2g,是山脚 D5的2.4倍。根据振动能量时频分布（如图7所示）,山顶的放大效应也很明显,而且反应了山顶对地震动的放大是有频率选择的,主要集中在中低频率段内。但是,山腰D3的峰值加速度、速度和位移均比山脚D5小,从速度反应谱也可以看到,在周期小于0.2 s时D3的谱值小于D5。这与2008年5·12汶川大地震震害调查过程中发现有些地方山腰房屋震害比山脚震害轻的现象是一致的。

图7 垂直向速度记录能量的时频分布图Fig.7 Distributions of energy in time and frequency domains

图8为各个地形效应台站的水平向振动轨迹图。位于山脚D5的记录显示,地面运动主要沿爆心方向的往返振动为主。随着高度的增加,侧向摆动和转动逐渐增强。

由此可见,入射波经山体坡形表面反射后能量向坡顶汇集,呈现聚焦效应,因而地形放大效应在山顶最显著。根据山体大小和高度,地形效应是对某频率段内的振动有选择的放大。在爆破振动作用下,山体还将出现摆动,呈现摆动效应。

图8 地形效应台站的水平运动轨迹图Fig.8 Particle motions produced at the observatories for topographic effect

5 结 论

通过分析50 t爆破的强震记录基础,垂直向速度峰值随爆心距的衰减规律显示此次爆破振动衰减较快,爆破地区为中等强度的层状岩石且当地地形沟壑纵横是此次振动能量衰减较快的原因。虽然此次在距离爆心217.7 m处有加速度达1.38g的强震记录,但是持续时间短,振动烈度（Ⅶ度）并不是特别高。利用离散小波变换分析爆破振动能量的时频分布规律显示,在爆源近处爆破振动的能量主要集中在频率较高的频带范围内;在远处则主要集中在频率较低的频带内,振动的持续时间则相对增加。在山顶,爆破振动的地形效应特别显著,由于聚焦效应山顶的加速度峰值是山脚的2.4倍,且地形效应是对某频率段内的振动有选择的放大,该频率段与山体大小和高度有关。

[1] 吴德伦,叶晓明.工程爆破安全振动速度综合研究[J].岩石力学与工程学报,1997,16（3）:266-273.

WU De-lun,YE Xiao-ming.A comprehensive review and commendation of blast vibration safety velocity[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,1997,16（3）:266-273.

[2] 阳生权,廖先葵,刘宝琛.爆破地震安全判据的缺陷与改进[J].爆炸与冲击,2001,21（3）:223-228.

YANG Sheng-quan,LIAO Xian-kui,LIU Bao-chen.Default of the judging standard of blasting vibration safety abstract[J].Explosion and Shock Waves,2001,21（3）:223-228.

[3] 于海英,于双久.工程爆破场地地震动强度预测研究[J].地震工程与工程振动,2004,24（1）:122-129.

YU Hai-ying,YU Shuang-jiu.Study on forecasting intensity of ground motion induced by engineering explosion[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2004,24（1）:122-129.

[4] GB 6722-2003,爆破安全规程[S].北京:中国标准出版社,2003:45-46.

[5] 黄永祥,黄浩雄,李雄,等.建筑物下爆破地震效应的研究[J].地震研究,2002,25（3）:82-89.

HUANG Yong-xiang,HUANG Hao-xiong,LI Xiong,et al.Study on explosion vibration effect under buildings[J].Journal of Seismological Research,2002,25（3）:82-89.

[6] 黄文华,徐全军,沈蔚,等.小波变换在判断爆破地震危害中的应用[J].工程爆破,2001,7（1）:24-27.

HUANG Wen-hua,XU Quan-jun,SHEN Wei,et al.Application of wavelet transform in evaluation of blasting vi-bration damage[J].Engineering Blasting,2001,7（1）:24-27.

[7] 中国生,徐国元,熊正明.基于小波变换的爆破地震信号能量分析法的应用研究[J].爆炸与冲击,2006,26（3）:222-227.

ZHONH Guo-sheng,XU Guo-yuan,XIONG Zheng-ming.Application research of the energy analysis method for blasting seismic signals based on wavelet transform[J].Explosion and Shock Waves,2006,26（3）:222-227.

[8] GB/T 17742-1999,中国地震烈度表[S].北京:中国标准出版社,1999:1-2.

[9] 王海云,谢礼立.近断层地震动模拟现状[J].地球科学进展,2008,23（10）:1043-1049.

WANG Hai-yun,XIE Li-li.A review on near fault ground motion simulation[J].Advances in Earth Science,2008,23（10）:1043-1049.

[10] Spudich P,Hellweg M,Lee W H K.Directional topographic site response at Tarzana observed in aftershocks of the 1994 Northridge,California,earthquake:Implications for mainshock motions[J].Bulletin of the Seismological Society of America,1996,86:S193-S208.