關(guān)于水利工程施工爆破地震波的淺識及安全

裴俊彪+張澤龍

摘要：在爆破公害中，爆破地震效應(yīng)的危害處于首位，爆破地震作用下的安全長久以來都是各國學(xué)者所關(guān)心的問題。但是由于其涉及到因素繁多且復(fù)雜，這一領(lǐng)域一直是水利工程、土木工程等界研究的熱點(diǎn)之一。本文通過淺析地震波的研究現(xiàn)狀、危害、特性及其人為的控制與安全措施，供以簡單認(rèn)識地震波。

關(guān)鍵詞：地震波；水利水電工程；降振措施；

一、爆破地震波研究現(xiàn)狀

（1）研究現(xiàn)狀

由于礦山建設(shè)和采礦爆破，人們對爆破地震現(xiàn)象有了初步的了解。根據(jù)現(xiàn)有的資料記載，美國的E.H.Rockwell于1927年率先就采石爆破地震及其對附近建筑物的影響進(jìn)行了研究。隨著其他人的進(jìn)一步討論，人們發(fā)現(xiàn)爆破震動有一定的可能引起施工周圍建筑物破壞。20世紀(jì)中葉，在核技術(shù)科研需求，以及工程爆破這一手段的廣泛應(yīng)用這兩重因素下，以美國為代表的各大發(fā)達(dá)國家相繼展開了對頻率對爆破地震作用、爆破地震波的防護(hù)等地震效應(yīng)問題進(jìn)行了科學(xué)系統(tǒng)的分析研究。20世紀(jì)50年代，在中國科學(xué)院的謝毓壽以及眾多有識之士的不懈努力下，中國對爆破地震效應(yīng)有了歷史性的發(fā)展，取得了一大批喜人的科研成果。20世紀(jì)80年代后，我國計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，從而帶動數(shù)值模擬等研究爆破地震的特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)成為一個重要的研究方向。雖然起步較晚，但是我國在測試與研究方面做了大量的工作。

（2）爆破地震波研究

爆破地震波是一種復(fù)雜的隨機(jī)復(fù)合波，它包含有振幅、頻率和持續(xù)時間這三者爆破震動三要素，它們對地震波的特性研究方面具有非常重要的意義。爆破地震的能量綜合反映了振幅數(shù)值、頻率和持續(xù)時間等特性，人們在小波分解研究爆破地震能量與頻率分布的特征方面近年來取得了一定成果。

二、爆破地震波的危害

在水利工程建設(shè)中，爆破法是目前最具經(jīng)濟(jì)效益和為人們所熟識的施工方法，而爆破地震是在爆破法帶來良好效益背后隱藏的危害。在爆破過程中，爆炸能量很大一部分是以地震波的形式擴(kuò)散的，爆破振動會引起周圍介質(zhì)應(yīng)力改變和從新分布。爆破地震強(qiáng)烈時可讓建筑物的正常工作受到影響，甚至對建筑物造成不同程度的損害，同時，爆破地震容易對附近的居民造成干擾，從而引起糾紛，影響施工進(jìn)行。曾有某水電站在施工過程中發(fā)生過邊坡垮塌的事故，我們不能排除長期爆破地震波多次作用產(chǎn)生的影響。

三、爆破地震波的特性

爆破地震波分為體波和面波，這兩者所具有的特性不同，在破壞的過程中產(chǎn)生的作用也不完全相同。由于面波所攜帶的能量較大，所以它是造成地震破壞的主要原因。炸藥爆炸的能量釋放過程迅速而復(fù)雜，且地震波傳播所依靠的介質(zhì)不均勻，決定了它的運(yùn)動是一個復(fù)雜的動力學(xué)過程。即使是在同一測點(diǎn)的同一爆破，由于各種可能的情況所得到的振動波形也存在一定差異，爆破地震波具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。爆破地震波相對地震波來說振幅高、衰減快，振動頻率高，震動持續(xù)時間短、爆破地震相對的在地層的淺部而且具有明顯的方向性，其震源位置、能量大小及震動的起始時間可以很大程度上進(jìn)行人為的控制。

研究證明，下層土的振動在爆破地震的作用下并不是簡單地諧和振動，而是一種非周期性振動，是由多種頻率的周期性振動同時存在而合成的。可以用傅里葉譜來進(jìn)行爆破振動分析。

其中震動的時間函數(shù)為F（t），ω代表系統(tǒng)的圓頻率，

通過逐項(xiàng)積分、化簡等步驟可得

如果將上式中的積分變量t改變成參變量τ，最終可得

函數(shù)F（ω）為函數(shù)F（t）的傅里葉變換，或?yàn)楹瘮?shù)F（t）的傅里葉譜，函數(shù)R（ω）為函數(shù)F（t）的傅里葉振幅譜，ψ（ω）為函數(shù)F（t）的傅里葉相位譜。一個模擬記錄的傅里葉譜系指它的傅里葉展開的系數(shù)對于周期的關(guān)系。因而計(jì)算得出傅里葉系數(shù)，就可以給出模擬記錄的傅里葉譜。

四、減弱地震波的安全措施

（1）地震效應(yīng)確定的爆破安全距離

1.1爆破地震波強(qiáng)度計(jì)算

目前為止，對爆破震動的測試是預(yù)防爆破事故的一大手段，我國《爆破安全規(guī)程》規(guī)定，判斷爆破振動的主要物理量指標(biāo)選取的是保護(hù)目標(biāo)所在地質(zhì)點(diǎn)的峰值振動速度，其中大多數(shù)使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。常用的有薩道夫斯基公式 ，式中v是介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)震動的速度cm/s，R是觀測點(diǎn)到爆源的距離m，Q為炸藥量（齊發(fā)爆破取總量，延遲爆破為最大段裝藥量）kg。

1.2地震安全距離

我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2003）明確規(guī)定：單藥包爆破振動安全允許距離，可按式 計(jì)算。其中，V是保護(hù)所在地質(zhì)點(diǎn)振動安全允許速度（cm/s），R是觀測點(diǎn)到爆源的安全距離（m）。

如果采用群藥包爆破，根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，各藥包起到保護(hù)目標(biāo)止，如果距離差值超過平均距離的10%，需要用等效距離Re和等效藥量 Qe分別代替R和Q值。并且使用加權(quán)平均值法計(jì)算等效距離、等效藥量即Re和Qe。

（2）爆破地震效應(yīng)的影響因素和降振措施

影響爆破振動強(qiáng)度的因素有很多，其中包括微差間隔時間、孔網(wǎng)參數(shù)、最大安全藥量、預(yù)裂爆破和預(yù)裂效果、起爆順序、起爆網(wǎng)絡(luò)、振動頻率和建筑物的結(jié)構(gòu)。

通過不斷地經(jīng)驗(yàn)積累和機(jī)能學(xué)習(xí)，我們掌握了一些有效的手段來降低爆破地震效應(yīng)。毫秒爆破比較于齊發(fā)爆破來說，毫秒爆破的平均降振率為50%，且微差段數(shù)分得越多，取得的降振效果越好。采用預(yù)裂爆破或開挖減震溝槽，在爆破體與被保護(hù)體之間，鉆鑿不裝藥的雙排減震孔或單排減震孔，降振率可達(dá)30%到50%，采用預(yù)裂爆破，不僅可以取得更好的降振效果，而且減少了鉆孔量提高施工效率與效益，但是需要注意預(yù)裂爆破本身產(chǎn)生的振動效應(yīng)。根據(jù)地震安全距離公式，限制單次爆破的用藥最大量也是我們需要考慮的問題。

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