水下鉆孔爆破水底振動(dòng)信號(hào)的頻帶能量分布研究

詹發(fā)民,王振雄,趙守田,顧文彬,李 磊,余留芳

(1.海軍潛艇學(xué)院， 山東 青島 266042； 2.軍事科學(xué)院防化研究院， 北京 102205；3.陸軍工程大學(xué)， 南京 210007)

水下鉆孔爆破作為一種行之有效的水下巖土開(kāi)挖方式廣泛應(yīng)用于港口碼頭和海洋水利電力設(shè)施的興建改造、海洋水利電力設(shè)施的修建、海下石油管道的鋪設(shè)、現(xiàn)有航道的疏浚加深等工程[1,2]。水下鉆孔爆破危害效應(yīng)主要有地震波、水中沖擊波、爆破涌浪、飛石、噪音等。其中地震波的振幅大、頻帶寬、高頻成分豐富，嚴(yán)重危及水工構(gòu)筑物，及近岸建筑物，破壞性極大，是水下鉆孔爆破危害效應(yīng)中最需要關(guān)注的。水體、水底沉積層和水飽和巖體的影響使水下鉆孔爆破與陸地上的巖石鉆孔爆破的特性有很多不同，除了爆炸的物理現(xiàn)象不同以外，水下鉆孔爆破對(duì)周圍介質(zhì)所產(chǎn)生的直接沖擊、水中爆破沖擊波對(duì)水底邊界的沖擊以及水波脈動(dòng)對(duì)岸坡的振蕩沖擊都會(huì)產(chǎn)生地震波。其地震波的傳播規(guī)律以及爆破造成的其他危害形式和程度都有很大的不同[3]。隨著廣大工程技術(shù)人員和科研學(xué)者的研究，發(fā)展了許多有效的水下爆破環(huán)境振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)和破壞效應(yīng)評(píng)估方法，并取得了大量研究成果[4-6]。但由于缺乏可靠的水下爆破水底振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備和測(cè)試技術(shù)，當(dāng)前的研究工作主要集中在爆破振動(dòng)對(duì)陸地和岸邊建筑的破壞效應(yīng)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估上，對(duì)水下爆破引起水底振動(dòng)的研究還是空白[7]。顧文彬等自主研發(fā)了一套可用于監(jiān)測(cè)水底巖石振動(dòng)信號(hào)的自主采集儀，成功用于水下鉆孔爆破水底巖石地震波強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)，可獲得水底巖石測(cè)點(diǎn)的可靠振動(dòng)信號(hào)，為研究水下鉆孔爆破產(chǎn)生地震波在水底中的傳播規(guī)律研究提供了基礎(chǔ)[8]。采用小波變換和小波包分析技術(shù)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，對(duì)設(shè)置在水底巖石測(cè)點(diǎn)采集爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解，研究水底巖石測(cè)點(diǎn)的爆破振動(dòng)能量分布特征以及爆破參量對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)能量分布的影響，從能量角度對(duì)爆破地震波在水底的傳播機(jī)制和行為特征進(jìn)行探討。

1 試驗(yàn)概況

結(jié)合浙江象山港航道開(kāi)挖擴(kuò)建項(xiàng)目，根據(jù)工程量以及工程的周邊環(huán)境，選取在金龍礁和石攔礁區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)研究。該區(qū)域水底地形條件復(fù)雜，可以結(jié)合不同因素的影響程度開(kāi)展試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖1。

由于在爆破區(qū)域的近區(qū)遠(yuǎn)區(qū)，不同地質(zhì)條件和爆炸參數(shù)，爆破振動(dòng)的頻率和振幅是不同的，選用的水下爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的頻響范圍應(yīng)該與被測(cè)信號(hào)的振動(dòng)頻率相匹配。為了滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的要求，測(cè)振儀還應(yīng)該具有自觸發(fā)、負(fù)延時(shí)以及多通道，可多次采集的特點(diǎn)。水下測(cè)點(diǎn)則采用自主研制的水下爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[8]如圖2。

圖2 水下爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

2 爆破振動(dòng)信號(hào)能量分布規(guī)律的小波包分析

2.1 爆破振動(dòng)信號(hào)的小波包分解

對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波包分析時(shí)，首先必須確定小波包分解的層數(shù)。任何記錄儀都存在最小工作頻率的問(wèn)題，超出最小工作頻率范圍的這部分信號(hào)已不能真實(shí)代表原始信號(hào)。因此爆破振動(dòng)信號(hào)小波包分解的層數(shù)視具體信號(hào)以及采用的爆破振動(dòng)分析儀器的工作頻率而定。對(duì)于一個(gè)能量有限信號(hào)，小波包基可利用各個(gè)頻帶子帶上信息提供一種特定信號(hào)編碼和重構(gòu)信號(hào)方法[9]。一個(gè)給定信號(hào)x(t)若進(jìn)行i層小波包分解在該層分解中可以得到2i個(gè)子頻帶。若原始信號(hào)最低頻率成分為0，最高頻率成分為wm，每個(gè)子頻帶寬度為wm/2i。

爆破地震信號(hào)的頻率一般在200 Hz以下，采樣頻率一般應(yīng)高于被采信號(hào)的高頻段十倍以上才能保證所描繪的波形不至于失真[10]，試驗(yàn)中采用爆破振動(dòng)記錄儀器的信號(hào)采樣頻率2 048 Hz，根據(jù)香農(nóng)采樣定理[11]，則其奈奎斯特(Nyquist)頻率為1 024 Hz。因此，對(duì)爆破地震信號(hào)進(jìn)行8層分解，原始信號(hào)在整個(gè)頻域被劃分為256個(gè)自頻帶，每個(gè)子頻帶寬為4 Hz(1 024/256)，對(duì)應(yīng)最低頻帶為0～4 Hz。Daubechies小波系列具有較好的緊支撐性、光滑性及近似對(duì)稱性[12]，已成為爆破振動(dòng)信號(hào)分析的重要方法，目前應(yīng)用最多的時(shí)db5和db8序列，本文采用db8作為本次爆破振動(dòng)小波包分析的基函數(shù)。根據(jù)小波包分解算法，采用二進(jìn)尺度變換，其對(duì)信號(hào)分解后各層重構(gòu)信號(hào)的頻帶范圍數(shù)據(jù)[13-14]見(jiàn)表1。

2.2 爆破振動(dòng)信號(hào)不同頻帶的能量表征

小波包分解系數(shù)重構(gòu)，可以提取各個(gè)頻帶信號(hào)，且總信號(hào)可以表示為：

(1)

式中，Si,k為第i層分解點(diǎn)(i,k)上的重構(gòu)信號(hào)，其中，k=1,2,…,2i-1。

將被分析爆破振動(dòng)信號(hào)分解到第8層，設(shè)S8, j對(duì)應(yīng)的能量為E8, j：

(2)

式中，xj,k(j=0,1,2,…,28-1；k=1,2,…,m)為重構(gòu)信號(hào)S8, j的離散點(diǎn)的幅值。

設(shè)被分析信號(hào)的總能量為E0，則有：

(3)

各頻帶的能量占被分析信號(hào)總能量的比例為：

(4)

式中，j=0,1,2,…,28-1。這樣，由式(2)至式(4)可以得到信號(hào)經(jīng)小波包分解后不同頻帶的能量，從而可以找出爆破振動(dòng)信號(hào)在傳播過(guò)程中能量的分布規(guī)律。圖3即爆破振動(dòng)信號(hào)頻帶能量分布的小波包分解流程圖。

3 水底巖石測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的頻帶能量分布研究

由于缺乏可用可靠的水下爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，水下鉆孔爆破時(shí)只能采集陸地和建構(gòu)筑物上的振動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)水底巖石中測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)無(wú)法獲得。然而爆破地震波的傳播是從爆區(qū)經(jīng)過(guò)水底巖石之后傳遞到陸地和建構(gòu)筑物，由于水下情況的復(fù)雜性，陸地上的振動(dòng)不能完全反應(yīng)地震波的傳播和衰減規(guī)律。采用自主研制的水下爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，在水底巖石中設(shè)置測(cè)點(diǎn)，獲得水底巖石的振動(dòng)數(shù)據(jù)，了解水下爆破地震波傳播的全路徑的振動(dòng)情況，可以全面的分析地震波的傳播規(guī)律。借助該工程在不同水深，爆心距以及裝藥量的情況下采集振動(dòng)信號(hào)，采用小波包對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，獲得水底巖石中振動(dòng)信號(hào)在不同頻段內(nèi)的分布特征，為進(jìn)一步研究地震波傳播規(guī)律打下基礎(chǔ)。

圖3 爆破振動(dòng)信號(hào)頻帶能量分布的小波包分解流程框圖

3.1 被分析信號(hào)的選取

當(dāng)水下爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)置與水底巖石中時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)出水平徑向或切向的振動(dòng)速度，并且垂直方向的振動(dòng)速度是振動(dòng)強(qiáng)度中最為重要的一個(gè)因素，因此對(duì)水底振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，僅考慮垂直方向的振動(dòng)信號(hào)。采用小波包分析對(duì)垂直方向的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行深度為8層的小波包分析，可得各個(gè)頻段的能量分布。不同采集編號(hào)的爆破參數(shù)以及Z方向振動(dòng)能量和100 Hz以下信號(hào)能量占總振動(dòng)能量的百分比見(jiàn)表2所示。

表2 水下測(cè)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)

編號(hào)爆心距/m測(cè)點(diǎn)水深/m爆區(qū)水深/m爆破方量/m3總藥量Z方向爆破振動(dòng)能量/10-3(cm2·s-2)0～100 Hz占總能量百分比/%126.03221.836.61897.61 1220.14892.146227.93725.836.61897.611220.30686.541338.46119.807.10412.85160.10196.259449.5141.000.481 897.73 8320.25780.398567.5871.110.481 897.73 8320.27181.628644.9353.78.31945.91 1730.05086.022744.9423.077.70883.21 1040.78390.724839.9723.577.70883.21 1040.46788.412942.5071.785.701 780.82 2260.39392.2771043.2992.149.217409270.75486.4241154.7792.649.217409270.15171.0571237.9724.925.688901 1400.38487.7921346.7794.955.688901 1400.81285.6791453.2114.914.979751 2470.60192.6341556.3595.234.979751 2470.46188.1541663.4235.024.979751 2470.33172.1111743.5344.459.405657111.51197.9801849.8994.969.405657111.20794.7801957.2475.159.405657110.21587.0752042.1282.085.698601 1040.63781.8842149.1302.575.698601 1040.71987.3952255.9492.445.6986011040.16090.0122342.4692.424.276608580.37891.9812449.7212.914.276608580.27296.5832554.9992.784.276608580.15296.2642638.2162.333.951022470.10162.2122749.1104.243.951022470.04493.4532857.1754.923.951022470.05590.1102932.5461.951.411 845.73 88814.25293.2783037.4592.741.411 845.73 8889.94595.9563140.1372.491.411 845.73 8889.07593.1563281.7311.062.781 665.73 4080.38888.8663384.4790.792.781 665.73 4080.42193.6583489.0280.282.781 665.73 4080.34794.52235176.1410.840.212 303.64 2100.52099.24336189.7500.820.212 303.64 2100.33196.50137183.3492.240.122 549.124 7560.60498.78238190.7631.590.122 549.124 7560.41099.72439197.1260.080.122 549.124 7560.39996.41940189.2482.393.137151 4610.12398.58541194.3721.483.137151 4610.08399.525

水下鉆孔爆破水底巖石測(cè)點(diǎn)的垂直Z方向振動(dòng)信號(hào)頻帶能量分布呈現(xiàn)以下特征：

1) 振動(dòng)信號(hào)在Z方向上的振動(dòng)能量與爆心距，水深，裝藥量以及傳播場(chǎng)地條件有很大關(guān)系，振動(dòng)能量與爆心距、測(cè)點(diǎn)水深呈反比關(guān)系，與爆區(qū)水深、裝藥量呈正比關(guān)系。水底測(cè)點(diǎn)與陸地測(cè)點(diǎn)最大的不同是水介質(zhì)的影響，爆區(qū)和傳播區(qū)域的水層覆蓋使得，巖石表面有了水壓，地震波在水和巖石界面之間發(fā)生反射和透射，一定程度上增加了爆破振動(dòng)能量。炸藥在水下爆破，爆轟壓力雖然有所降低，但由于水壓的影響爆炸能量更多的用于產(chǎn)生地震波，水作為耦合介質(zhì)，使得孔內(nèi)爆轟壓力作用在巖石的壓力更為均勻，用于粉碎巖石的能量降低，爆壓作用時(shí)間增長(zhǎng)；

2) 振動(dòng)信號(hào)的絕大部分能量都集中在100 Hz以下的頻段內(nèi)，表明水下鉆孔爆破水底振動(dòng)信號(hào)能量要比陸地爆破振動(dòng)信號(hào)能量的頻率分布更為集中，傾向于向低頻發(fā)展；

3) 振動(dòng)信號(hào)的頻段能量分布基本上呈現(xiàn)，隨著爆心距的增加，低頻部分能量增加，高頻成分在傳播過(guò)程中被吸收，衰減速度較快，相同的爆心距，裝藥量增大，振動(dòng)能量更多集中在低頻成分。影響水底測(cè)點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)度的因素不止有裝藥量和爆心距水深(包括測(cè)點(diǎn)水深和爆區(qū)水深)以及場(chǎng)地條件的影響也不可忽略。針對(duì)此情況分別對(duì)上述分別對(duì)四種因素的影響進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2 裝藥量對(duì)信號(hào)頻帶能量分布的影響

選取爆心距，水深以及場(chǎng)地條件較為接近，但裝藥量差別比較大的編號(hào)為8、26和31三組信號(hào)進(jìn)行小波包分析，獲得不同頻帶段內(nèi)的振動(dòng)能量分布情況，研究裝藥量對(duì)其影響。三組振動(dòng)信號(hào)的速度時(shí)程曲線以及振動(dòng)信號(hào)頻帶能量分布如圖4。

圖4 不同裝藥量測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)的速度時(shí)程曲線與頻帶能量分布

三組信號(hào)裝藥量由大到小，其振動(dòng)總能量分別為9.075×10-3cm2/s2，0.467×10-3cm2/s2和0.101×10-3cm2/s2，信號(hào)中低于100Hz能量占總能量的百分比分別為93.156%，88.412%和62.212%。因此在其他條件相同的情況下，裝藥量對(duì)振動(dòng)信號(hào)在低頻段內(nèi)的能量的影響很大，裝藥量與振動(dòng)總能量呈正比關(guān)系，與低頻信號(hào)占總能量的百分比也是正比關(guān)系，因此裝藥量比較大時(shí)，低頻部分的振動(dòng)能量很大，對(duì)建構(gòu)筑物的影響也更大，振動(dòng)產(chǎn)生的危害效應(yīng)也更大。

從圖4可以看出，裝藥量增大使得振動(dòng)能量向低頻部分發(fā)展，且主頻部分能量更為集中，裝藥量最小的26號(hào)測(cè)點(diǎn)，100 Hz以下的爆破振動(dòng)能量只占總能量的62.212%，并且能量分布比較分散，這就使得其危害效應(yīng)減弱；8號(hào)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)能量分布在小于50 Hz的范圍內(nèi)，并且能量主要集中在主頻段附近，這樣就導(dǎo)致振動(dòng)危害效應(yīng)增強(qiáng)，31號(hào)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，這是由于裝藥量過(guò)于大，采用了分段起爆的方式，分段起爆不僅延長(zhǎng)了爆破作用時(shí)間，也對(duì)振動(dòng)能量的分布產(chǎn)生了影響，將主頻段內(nèi)的爆破振動(dòng)能量進(jìn)行了分散，提升了高頻部分振動(dòng)能量所占的比重，很大程度上減小了爆破振動(dòng)的危害效應(yīng)。

3.3 爆心距對(duì)信號(hào)頻帶能量分布的影響

在陸地爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)中，爆心距作為僅次于裝藥量的影響因素，在水下鉆孔爆破振動(dòng)中也起到至關(guān)重要的作用。地震波的衰減隨著爆心距的增加呈現(xiàn)指數(shù)衰減，但振動(dòng)能量的分布需要進(jìn)行對(duì)比分析。選取一次起爆時(shí)不同爆心距上測(cè)點(diǎn)(編號(hào)為14、15和16)的振動(dòng)速度時(shí)程曲線，研究振動(dòng)信號(hào)隨爆心距的變化規(guī)律。三組振動(dòng)信號(hào)的速度時(shí)程曲線以及振動(dòng)信號(hào)頻帶能量分布如圖5。

圖5 不同爆心距測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)的速度時(shí)程曲線與頻帶能量分布

三組信號(hào)除了爆心距有差別以外，測(cè)點(diǎn)水深略有不同，其他條件基本一致，隨著爆心距的增加振動(dòng)能量從0.601×10-3cm2/s2，衰減到0.461×10-3cm2/s2，爆心距為63.42 m時(shí)衰減為0.331×10-3cm2/s2。表2可知，低于100 Hz以下的振動(dòng)能量分別占總能量的92.634%，88.154%和72.111%。振動(dòng)信號(hào)的能量與爆心距呈反比，由于爆心距的差距不是特別大，高頻信號(hào)的吸收效應(yīng)不是很明顯，低頻信號(hào)所占的能量也更加少，爆破近區(qū)的危害效應(yīng)更大。爆破振動(dòng)能量的衰減及信號(hào)頻帶分布規(guī)律與裝藥量的影響規(guī)律正好相反。

圖5可以對(duì)比出，隨著爆心距的增加，振動(dòng)信號(hào)能量的頻段分布更為離散，振動(dòng)能量在低頻段集中會(huì)使得振動(dòng)危害效應(yīng)增大，將振動(dòng)能量分散的頻段增加后可以有效降低振動(dòng)信號(hào)在主頻段的能量，減小爆破振動(dòng)危害。32號(hào)至41號(hào)測(cè)點(diǎn)的能量統(tǒng)計(jì)也可以看出，爆心距增加后，高頻部分衰減比較迅速，絕大部分振動(dòng)能量都集中在低頻段內(nèi)。

3.4 水深對(duì)信號(hào)頻帶能量分布的影響

水介質(zhì)作為影響水下鉆孔爆破振動(dòng)的主要因素，由于缺乏水下測(cè)振儀器，對(duì)其振動(dòng)信號(hào)的分析還是空白，爆區(qū)水深和測(cè)點(diǎn)的水深都會(huì)影響到地震波的衰減。

3.4.1測(cè)點(diǎn)水深對(duì)信號(hào)頻帶能量分布的影響

選取爆心距、爆區(qū)水深和裝藥量較為接近，測(cè)點(diǎn)水深分別為3.07 m、4.95 m和2.08 m的7、13和20號(hào)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)，獲得不同頻帶段內(nèi)振動(dòng)能量分布情況，研究測(cè)點(diǎn)水深對(duì)其影響。三組振動(dòng)信號(hào)的速度時(shí)程曲線以及振動(dòng)信號(hào)頻帶能量分布如圖6。

圖6 測(cè)點(diǎn)水深不同的振動(dòng)信號(hào)的速度時(shí)程曲線與頻帶能量分布

在其他條件接近的情況下，水深為2.08 m的20號(hào)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)總能量為0.637×10-3cm2/s2，水深為3.07m的7號(hào)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)總能量為0.783×10-3cm2/s2，水深為4.95 m的13號(hào)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)總能量為0.812×10-3cm2/s2，測(cè)點(diǎn)水深由淺及深，測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)能量逐漸增加，這說(shuō)明測(cè)點(diǎn)水深與振動(dòng)能量呈正比關(guān)系，水越深，相同爆破條件下，測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)能量逐漸增加，水壓使得地震波在水底傳播的范圍增大，雖然衰減較快，但相比陸地地震波的傳播還是要慢。

13號(hào)測(cè)點(diǎn)低于100 Hz的振動(dòng)能量占總能量的85.679%，7號(hào)測(cè)點(diǎn)低頻能量占總能量的90.724%，測(cè)點(diǎn)水深最淺的20號(hào)測(cè)點(diǎn)低于100 Hz的振動(dòng)能量占信號(hào)總能量的81.884%，從占比來(lái)看，低頻能量與測(cè)點(diǎn)水深的關(guān)系并不明顯。但從圖6，將200 Hz以內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)的各頻段的能量通過(guò)圖變現(xiàn)出來(lái)可以看出，測(cè)點(diǎn)的水越深，振動(dòng)能量頻帶分布越分散，且高于50 Hz的能量占比明顯增加，水越淺，振動(dòng)能量向主頻段集中，振動(dòng)能量主要集中在一個(gè)頻段內(nèi)。因此從安全防護(hù)角度來(lái)分析的話，測(cè)點(diǎn)的水深對(duì)振動(dòng)能量的影響是正面的，雖然水深增加使得測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)能量增加，但可以使振動(dòng)能量更廣泛的分布在略高的不同頻段內(nèi)，減少振動(dòng)能量在低頻段內(nèi)的分布，對(duì)保護(hù)目標(biāo)的防護(hù)起到一定的效果。還應(yīng)根據(jù)水底保護(hù)目標(biāo)的自振頻率等因素，綜合考慮，對(duì)一些自振頻率較高的水底儀器，則需要降低高頻段的振動(dòng)能量，需要針對(duì)不同的防護(hù)目標(biāo)提出合理的爆破設(shè)計(jì)方案。

3.4.2爆區(qū)水深對(duì)信號(hào)頻帶能量分布的影響

與測(cè)點(diǎn)水深類似，爆區(qū)上方水的壓力直接影響著爆炸能量的分配，爆區(qū)水越深，炸藥爆炸時(shí)所承受的水壓越大，爆炸能用于破碎巖石以及水中沖擊波和地震波的能量會(huì)有所不同，本文研究爆區(qū)水深對(duì)地震波能量的影響。選取爆心距、測(cè)點(diǎn)水深和裝藥量較為接近，爆區(qū)水深分別為9.21 m、5.69 m和1.41 m的10、20和31號(hào)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，獲得不同頻帶段內(nèi)的振動(dòng)能量分布情況，研究測(cè)點(diǎn)水深對(duì)其影響。三組振動(dòng)信號(hào)的速度時(shí)程曲線以及振動(dòng)信號(hào)頻帶能量分布如圖7。

圖7 爆區(qū)水深不同振動(dòng)信號(hào)的速度時(shí)程曲線與頻帶能量分布

對(duì)比10號(hào)測(cè)點(diǎn)與20號(hào)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)能量，由于兩者起爆藥量接近，爆心距也比較接近，其他變量也差別不大，10號(hào)振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的爆區(qū)水深比20號(hào)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的爆區(qū)水深要深3.52 m，相當(dāng)于10號(hào)振動(dòng)數(shù)據(jù)的炸藥起爆時(shí)要比20號(hào)振動(dòng)數(shù)據(jù)的炸藥起爆多承受0.35個(gè)大氣壓，雖然相比爆轟壓力影響不大，但對(duì)爆轟能量的分配產(chǎn)生了影響。10號(hào)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的裝藥量為907 kg，產(chǎn)生的爆破振動(dòng)能量為0.754×10-3cm2/s2，20號(hào)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的裝藥量為1 104 kg，產(chǎn)生的爆破振動(dòng)能量為0.637×10-3cm2/s2，爆心距20號(hào)測(cè)點(diǎn)略小，測(cè)點(diǎn)水深基本一致，說(shuō)明爆破區(qū)域的水深對(duì)振動(dòng)能量影響不可忽略，爆區(qū)水越深，用于產(chǎn)生地震波的能量也隨之增加。

隨著爆區(qū)水深的增加，振動(dòng)能量分布在低于100 Hz所占的百分比分別為93.156%，81.814%和86.424%，低頻能量都占了振動(dòng)能量的絕大部分，但是三者之間并沒(méi)有呈現(xiàn)很好的相關(guān)性。從圖7對(duì)比分析爆區(qū)水深增加，使得振動(dòng)信號(hào)能量在各個(gè)頻段內(nèi)的分布較為分散，降低了主頻段內(nèi)的振動(dòng)能量的集中，也就減小了振動(dòng)危害效應(yīng)。31號(hào)測(cè)點(diǎn)的裝藥量較大，且采取了分段起爆的方式，其振動(dòng)能量向低頻發(fā)展，這與裝藥量對(duì)振動(dòng)信號(hào)頻帶能量分布的影響一致，爆區(qū)水深變淺使得能量更為集中，此類情況在施工時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)進(jìn)行關(guān)注。

3.5 場(chǎng)地條件對(duì)信號(hào)頻帶能量分布的影響

場(chǎng)地條件的影響包括很多方面，測(cè)點(diǎn)與爆區(qū)之間存在著很多變化量，溝槽影響，高程差影響，水底巖石的情況更為復(fù)雜，而且不確定性更多。無(wú)法準(zhǔn)確觀察到場(chǎng)地條件，但如果對(duì)已知場(chǎng)地條件下的振動(dòng)信號(hào)分析較為透徹，能夠找到不同因素的影響規(guī)律，也可以反過(guò)來(lái)為場(chǎng)地的勘測(cè)提供理論基礎(chǔ)。選取編號(hào)分別為1、12和37號(hào)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，獲得不同頻帶段內(nèi)的振動(dòng)能量分布情況，三個(gè)測(cè)點(diǎn)與爆區(qū)之間的場(chǎng)地條件差別比較大，對(duì)其進(jìn)行分析可以獲得一些重要對(duì)比情況。

1號(hào)測(cè)點(diǎn)處的水深為21.83 m，爆區(qū)水深為6.61 m，兩者之間的高差為-15.22 m；12號(hào)測(cè)點(diǎn)水深2.64 m，爆區(qū)水深9.21 m，高差為+6.57 m；37號(hào)測(cè)點(diǎn)處水深為2.64 m，爆區(qū)水深0.12 m，高差為2.12 m；三次爆破時(shí)測(cè)點(diǎn)與爆區(qū)之間的場(chǎng)地條件差別比較大，1號(hào)測(cè)點(diǎn)屬于負(fù)高程差，振動(dòng)能量由于負(fù)高程差的影響有所降低，而12號(hào)測(cè)點(diǎn)與爆區(qū)水深是正高差，根據(jù)高程差對(duì)振動(dòng)能量影響，振動(dòng)信號(hào)具有放大效應(yīng)，相比以上兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，37號(hào)測(cè)點(diǎn)與爆區(qū)的高差就較小，但測(cè)點(diǎn)的爆心距較大，且傳播路徑上有深為15 m，寬40 m的航道。

3個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)能量分別為0.148×10-3cm2/s2，0.384×10-3cm2/s2，0.604×10-3cm2/s2，1號(hào)測(cè)點(diǎn)的裝藥量為1 122 kg，12號(hào)測(cè)點(diǎn)的裝藥量為1 140 kg，爆區(qū)水深分別為6.61 m和5.68 m，兩次起爆的裝藥量和爆區(qū)水深都比較接近，1號(hào)測(cè)點(diǎn)距離爆區(qū)的距離只有26.032 m， 12號(hào)測(cè)點(diǎn)與爆區(qū)的距離為37.972 m，但12號(hào)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)能量遠(yuǎn)大于1號(hào)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)能量，說(shuō)明測(cè)點(diǎn)與爆區(qū)之間的高程差對(duì)水下鉆孔爆破地震波的影響不可忽視，場(chǎng)地條件對(duì)爆破振動(dòng)強(qiáng)度的影響規(guī)律與陸地爆破振動(dòng)的影響規(guī)律一致[15]，即：正高程振動(dòng)放大，負(fù)高程振動(dòng)強(qiáng)度減弱。從低于100 Hz的振動(dòng)能量分布來(lái)看，負(fù)高程的振動(dòng)能量風(fēng)多的集中在低頻段內(nèi)，而正高程的振動(dòng)能量雖然絕大部分也在100 Hz以下的頻段內(nèi)，但是能量分布較為分散，高于50 Hz的能量增多。

圖8中37號(hào)測(cè)點(diǎn)與爆區(qū)之間有天然航道，航道平均水深為15 m，在兩者之間形成了天然的溝槽，但由于起爆藥量較大(4 756 kg)，振動(dòng)能量(0.604×10-3cm2/s2)還是要比近距離的1號(hào)和12號(hào)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)能量大，說(shuō)明裝藥量的影響程度較大。對(duì)37號(hào)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻帶能量分析，98.782%的振動(dòng)能量都集中在100 Hz以下，并且能量集中頻帶也比較低。航道的溝槽效應(yīng)以及隨著爆心距的增加，高頻成分的振動(dòng)能量被吸收和迅速衰減，剩余的低頻信號(hào)雖然減弱，但能量較為集中的出現(xiàn)在低頻段。因此起爆藥量比較大時(shí)，需特別注意安全防護(hù)。

圖8 場(chǎng)地條件不同振動(dòng)信號(hào)的速度時(shí)程曲線與頻帶能量分布

場(chǎng)地的復(fù)雜程度直接影響地震波的傳播情況，溝槽效應(yīng)，高程差以及地質(zhì)條件的變化都會(huì)使地震波的傳播介質(zhì)中反射透射，由于水下情況難以完全掌握，因此場(chǎng)地條件對(duì)地震波的傳播影響規(guī)律還有待于進(jìn)一步研究。

3.6 討論

由于水下設(shè)置振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)無(wú)法將X與Y方向固定，采用Z方向的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，振動(dòng)信號(hào)在Z方向上的振動(dòng)能量與爆心距，水深，裝藥量以及傳播場(chǎng)地條件有很大關(guān)系，振動(dòng)能量與爆心距、測(cè)點(diǎn)水深呈反比關(guān)系，與爆區(qū)水深、裝藥量呈正比關(guān)系。振動(dòng)信號(hào)的頻段能量分布基本上呈現(xiàn)，隨著爆心距的增加，低頻部分能量增加，高頻成分在傳播過(guò)程中被吸收，衰減速度較快，相同的爆心距，裝藥量增大，振動(dòng)能量更多集中在低頻成分。水底測(cè)點(diǎn)與陸地測(cè)點(diǎn)最大的不同是水介質(zhì)的影響，爆區(qū)和傳播區(qū)域的水層覆蓋使得，巖石表面有了水壓，地震波在水和巖石界面之間發(fā)生反射和透射，一定程度上增加了爆破振動(dòng)能量。炸藥在水下爆破，爆轟壓力雖然有所降低，但由于水壓的影響爆炸能量更多的用于產(chǎn)生地震波，水作為耦合介質(zhì)，使得孔內(nèi)爆轟壓力作用在巖石的壓力更為均勻，用于粉碎巖石的能量降低，爆壓作用時(shí)間增長(zhǎng)。振動(dòng)信號(hào)的絕大部分能量都集中在100 Hz以下的頻段內(nèi)，水下鉆孔爆破水底振動(dòng)信號(hào)能量要比陸地爆破振動(dòng)信號(hào)能量的頻率分布更為集中，傾向于向低頻發(fā)展。

4 結(jié)論

1) 振動(dòng)信號(hào)的絕大部分能量都集中在100 Hz以下的頻段內(nèi)，裝藥量增大使得振動(dòng)能量向低頻部分發(fā)展，且主頻部分能量更為集中；

2) 隨著爆心距的增加，振動(dòng)信號(hào)能量的頻段分布更為離散，振動(dòng)能量在低頻段集中會(huì)使得振動(dòng)危害效應(yīng)增大，振動(dòng)能量分布在更多不同的頻段后可以有效降低振動(dòng)信號(hào)在主頻段的能量，減小爆破振動(dòng)危害；

3) 測(cè)點(diǎn)位置的水越深，振動(dòng)能量頻帶分布越分散，且高于50 Hz的能量占比明顯增加，水越淺，振動(dòng)能量向較低的主頻段集中。爆區(qū)水深的增加，主頻段內(nèi)的振動(dòng)能量占比也隨之降低，振動(dòng)危害效應(yīng)有所削弱；

4) 場(chǎng)地條件的復(fù)雜性決定了其影響地震波的復(fù)雜性，但與陸地爆破振動(dòng)傳播具有相似性，測(cè)點(diǎn)與爆區(qū)之間正高程時(shí)，振動(dòng)強(qiáng)度增強(qiáng)，負(fù)高程時(shí)振動(dòng)強(qiáng)度被削弱，溝槽效應(yīng)的影響也與陸地地震波的傳播類似。