爆破地震波研究及其防護

傅磊張可玉

1.海軍潛艇學院研究生隊;2.海軍潛艇學院防險救生系 266071

爆破地震波研究及其防護

傅磊1張可玉2

1.海軍潛艇學院研究生隊;2.海軍潛艇學院防險救生系 266071

爆破地震波波壓低、速度慢，其傳播能量僅為爆炸總能量的很少部分，但由其所致周圍建（構）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）筑物所產(chǎn)生的共振，對建（構）筑物能產(chǎn)生致命的毀傷。本文簡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，重點探討了爆破地震波的防護，并提出了其在軍事領域的應用。

爆破地震波；防護

1 引言

爆破地震波是爆炸能量引起爆區(qū)周圍介質點相繼沿其平衡位置發(fā)生振動而形成的地震波。盡管爆破地震波波壓低、速度慢，其傳播能量僅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）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）筑物所產(chǎn)生的共振，對建（構）筑物能產(chǎn)生致命的毀傷。目前對于爆破地震波的研究主要是在防護方面，目的是為了減小在工程實踐中爆破地震的危害。然而，作為具有毀傷效應的爆破地震波，在軍事中的運用還并不多見。相關研究證明，將爆炸頻譜特性控制技術與目標動力響應相聯(lián)系，能大幅度提高武器的戰(zhàn)斗威力；同時，通過人為增加譜能內(nèi)耗，主動改造來襲載荷的頻譜特性來降低毀傷優(yōu)勢譜能的宏觀破壞能力，又可用于提高武器裝備及一些防護工程設施的抗爆能力。因此，充分利用爆破地震波的現(xiàn)有研究成果，進一步研究爆破地震效應特別是其頻譜特性及調控規(guī)律具有非常深遠的意義。

2 爆破地震波特性研究

2.1 爆破地震波的形成及分類

當炸藥在巖體中爆炸時，一部分能量使炸藥周圍的介質引起擾動，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、應力波，地震波由應力波在傳播遠區(qū)到達界面產(chǎn)生反射和折射疊加而形成，它包括在介質內(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；面波特點是周期長、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

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

對爆破地震而言，爆破地震波參數(shù)——幅值、頻譜和持續(xù)時間能較全面地反映地震波的特性，但其影響因素復雜。概括來說爆破地震波特性主要受爆源和地質地形因素的影響。文獻[3]提出爆源的因素包括爆破方法、延期爆破的段間時差、藥量以及裝藥的形狀、結構等；齊寶欣等人[4]總結出爆源特性，傳播介質特性及局部場地條件三個影響因素，并提出在一定的爆破方式和傳播介質條件下，藥量和距離對地震動的影響是主要因素。文獻[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有害效應，主要是通過合理選擇爆破參數(shù)來實現(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。在理論研究的基礎上，建立合理的數(shù)學模型，對爆破地震波的傳播過程進行數(shù)值模擬計算，然后通過實驗數(shù)據(jù)驗證理論計算模型及計算結果，這對工程應用有著重要的指導意義。

2.3 爆破地震波信號分析

通過國內(nèi)外大量實測結果分析，大致可總結得出以下形式的經(jīng)驗公式：

A=KQmRn

式中

A——反映爆破振動強度的物理量（振動加速度或速度）；

Q——炸藥量，kg；

R——測點到爆源中心距離，m；

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

爆破地震波是一種短時非平穩(wěn)隨機波形，其復雜性是無法用單一諧波描述的。爆破震動波形可以直觀的分析出爆破震動強度的物理量，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

3.1 爆破震動安全判據(jù)

早期的安全判據(jù)制定一般都根據(jù)單一強度參數(shù)來制定，我國1986年頒布的《爆破安全規(guī)程》就是以地面質點振動速度作為安全判據(jù)的。但隨著爆破技術的深入研究，美國、德國、瑞典等一些國家已經(jīng)考慮了振動速度和對應頻率的綜合影響。文獻[7]就此問題闡述了同時采用質點振速和頻率兩個指標作為爆破震動安全判據(jù)的必要性、可行性，并介紹了爆破震動頻率的計算公式。文獻[8]提出應用頻響效應原理和藥量等級系數(shù)評判振動安全。

實踐證明：被保護的結構物的破壞是與結構響應有關的多種因素綜合作用的結果，它除了與爆破地震引起的質點振動速度、加速度、位移、頻率以及持續(xù)時間有關外，與結構物本身對于爆破地震波的動力響應特性也有著很大的關系?？傮w來說，爆破地震效應安全判據(jù)正在由獨立閾值理論向多因素綜合判據(jù)發(fā)展。

3.2 爆破地震波的防護與利用

為了降低爆破地震效應，國內(nèi)外進行了長期的探討和研究。較為普遍的觀點認為，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的矛盾。

文獻[9]提出從能量源、能量傳播介質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。文獻[10]從微差爆破實現(xiàn)爆破震動災害主動控制入手，研究并得到了微差爆破的較優(yōu)微差延期時間。周國祥[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，還有大量關于預裂縫、減震溝等措施的文獻，在此不再贅述。

總結起來，對爆破地震的防護主要從兩方面著手：一是在傳播途徑中加以控制，開挖預裂縫或減震溝；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)時間以及傳播等方面來下工夫。

前已述及，對于在工程爆破而言，人們一般只認識到爆破地震波的危害，從而在防護方面研究較多。而在軍事領域，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，人們開始著力于對炸藥爆炸能量破壞規(guī)律進行研究，通過分析爆破地震波的振動傳播規(guī)律，了解和控制地震破壞特性，使之應用于對軍事目標的破壞。

4 結束語

隨著爆炸頻譜特性控制技術的問世，長期以來立足于爆炸振動“幅值域”研究的人們，目光已經(jīng)轉向“頻率域”的研究。不斷深入地研究爆破地震波，實現(xiàn)對爆破地震效應的頻譜特性控制，一方面可以使得爆破地震波發(fā)揮最大毀傷效能，另一方面又可指導我們加強對重點設施的防護。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2010.21.021

傅磊（1987-），男，海軍潛艇學院在讀碩士，研究方向為水下爆破裝備技術與應用