摘 要: 对黄岛热电厂烟囱拆除中的振动信号进行了分析,用“db6”小波基对信号进行分解,从分解信号中提取了各次振动不同频率段的时间信息,并对各频带进行能量统计。分析表明,在爆破振动分析中,使用小波分析比传统分析能更好地观察振动信号的时频特性。此次振动由于震源多而成分复杂,能量分布广,主振频带较单一震源的振动信号宽,烟囱塌落构成地面振动的主要因素。
关键词: 拆除爆破; 振动; 小波变换; 多分辨分析
1 引言
在青岛经济技术开发区(黄岛)热电燃气总公司的拆迁过程中,有一座152. 8 m的高烟囱需爆破拆除。由于周围厂房离烟囱的距离小,容许烟囱倒
塌的范围远小于烟囱的高度,经过多次论证,决定采用双向折叠爆破技术,爆破的第一个切口在烟囱的61. 8 m高度处,方向向南,共钻孔208个,单孔装药量为170 g;第二个切口在烟囱的30 m高度处,方向向北,共钻孔400个,单孔装药量为180 g;第三个切口在烟囱根部,切口高度4. 6 m,共钻孔400个,单孔装药量为300 g[1]。
在烟囱的爆破和塌落过程中,采用IDTS3850爆破振动记录系统对烟囱爆破及倒塌过程中产生的地面质点振动情况进行了记录。根据爆区周围环境情况及烟囱预定的倒塌区域综合分析,在爆破区域附近共选择了6个测点,布设了6个振动传感器。测点距烟囱底部中心的距离由近到远分别为11. 1 m、18. 7 m、21. 2m、22. 9m、44. 2m和46. 9m。各测点布局。起爆后,烟囱按预定的方式倒塌,现场布设的6个传感器采集到了各点在烟囱爆破及塌落过程中的振动波形及参数。各测点处的振动波形图见文献。
2 振动数据分析
由于篇幅所限,取离爆点较近的厂房西侧4#测点所采集到的信号进行分析。原始信号波形。
2. 1 信号的初步分析
根据对此次爆破作业的过程分析,引起地面质点振动的震源应该有9个: 3次切口爆破、3次切口闭合以及烟囱3段的相继塌落。其产生的时刻和空
间各异,导致此次爆破振动持时较长(近10 s),波形较为复杂, 6 s前基本为切口爆破及切口闭合所致,除第一切口爆破波形可以明显辨认外, 1—6 s段波形峰值变化不太明显,要明确辨认出各次振动产生的时刻点有较大的难度; 6 s后波形段有3处幅度较大的突跃点(6. 4 s、7. 5 s、8. 4 s),可以确认此为烟囱各段相继塌落冲击地面而产生,其振动峰值大且衰减相当迅速。
根据帕斯维尔(Parseval)定理[2]52-53,序列在时域中计算能量与频域中用频谱计算信号能量是一致的,利用Matlab对信号进行FFT变换,并绘制的功率谱图。
从功率谱图可以看出,爆破振动信号为一宽带随机过程,含括频率范围广,但信号能量基本集中在0—100Hz,优势频率位于0—50 Hz, 100 Hz以上高频分量所含能量比重小。
2. 2 基于小波变换的信号分析
2. 2. 1 小波变换的多分辨分析(MRA)
小波分析的基本思想是通过在不同分解水平(j)下窗口大小随分解水平(j)而改变的小波函数对信号进行时频域的局部化分析,其精髓是多分辨分
析(multi-resolution analysis)。多分辨率的概念是由MallatS和MeyerY于1986年提出来的,它是平方可积空间L2(R)中满足单调性、逼近性、伸缩性、平移不变性和Riesz基存在性这5个条件的一个空间序列{Vj}j∈Z[3],对于 j∈Z,定义Wj是Vj在Vj-1上的正交补,于是有:Vj-1=Vj Wj,Vj是Vj-1中的低频部分,反映信号的“概貌”,Wj是Vj-1中的高频部分,反映信号的“细节”。
在多分辨分析条件下,采用二进小波变换,信号函数f(t)可以进行如下分解:f(t)=f1(t)+g1(t)=f2(t)+g2(t)+g1(t)=…=fn(t)+gn(t)+…+g1(t), f表示分解出的低频信号,g表示分解出的高频信号,下标表示分解层次,它表明任何f(t)∈L2(R)均可根据分辨率为2n时的低频部分和分辨率为2j(1≤j≤n)时的高频部分完全重构(Mallat算法)。
2. 2. 2 振动信号的小波分析
此次测量中信号采样率为1 kHz,因此其折叠频率[2]12-13为500Hz(折叠频率指利用一个取样频率为f的离散时间系统进行信号处理时,该系统所能通过的信号频谱分量中的最高频率,为f/2。有的文献称f/2为奈奎斯特(Nyqusit)频率,实际上Nyquist频率是指信号中的最高频率,跟折叠频率概念是不一样的,这里取IEEE声频和电声组所建议的定义和术语),采用二进尺度变换,用“db6”将信号分解到6层,其对应为7个频带,最低频带为⑦0—7. 812 5Hz( a6),其余频带分别为⑥7. 812 5—15. 625 Hz (d6),⑤15. 625—31. 25 Hz (d5),④31. 25—62. 5 Hz (d4),③62. 5—125 Hz (d3),②125—250Hz (d2),①250—500 Hz (d1)。对信号分解后的波形如图4所示,其中a6第6层逼近信号, d6—d1为各层细节信号。
文献[1]中根据爆破延迟时间及对各振动原始波形直观分析判断出了8个产生振动的时刻点:第一个切口爆破振动(0 s)、第二个切口爆破振动(1.s)、第一切口闭合振动(2. 3 s)、第三个切口爆破振动(3 s)、第二个切口闭合振动(4 s)、烟囱底段倒塌振动(6. 4 s)、中间段塌落振动(7. 5 s)和上段塌落振动(8. 4 s)。从分解信号图来看,第5层、6层分解信号较为清晰地反映出了各次振动的出现时刻除文献[1]中所述的8个时刻外, 5. 9 s时刻应为第三个切口闭合点。
另外,从分解信号图中可知,烟囱塌落所造成的地面冲击振动幅度在各频率段都明显大于切口爆破及闭合所产生的振动幅度;爆破及切口闭合所产生的振动基本集合在中低频范围;比较‘d1’—‘d3’个高频分量图6 s前的信号可以看出,在这3个较高频率段仅出现3个较为明显的波形(0 s、1. 7 s、s),根据其对应的时间可知此分别为3次切口爆破所引起,而切口闭合产生的振动仅出现在‘d5’以下的频率段,基本为低频分量,可知在3种震源中切口闭合所致的振动频率是最低的。又由‘d1’、‘d2’个高频分量图可知, 0 s、1. 7 s、3 s的高频成分是逐渐增加的, 3 s左右才出现较为明显的高频成分,这是因为其所对应的3次爆破点离地高度依次降低离测点距离依次减小,高频波在从产生点到记录点的传播过程中的衰减程度依次减小,同时,各段药量依次增加对振幅也存在一定的影响。而从‘a6’和‘d6’2个低频分量图来看, 6 s前的各次振幅大小没有非常明显的区别,说明对同一测点而言,一定的距离差(高度各差30 m左右)并未对低频信号的传播造成太大的影响,这也证实了低频波在传播中比高
频波衰减要慢。
1)小波分析的多分辨分析特点可以较好地反看出,即使在同一地区,根据不同的试验方法获得的衰减公式中的K、α值相差较大,如果不加以试验条件的说明,直接应用回归的衰减规律指导爆破设计和施工,势必造成爆破地震波预测预报的较大误差。
2)不同爆破条件下测得的振动速度回归结果表明,爆破介质临空面的夹制作用和振动衰减公式中的场地系数K有一定的对应关系。同一地区在地质条件基本相同的情况下,夹制作用大,则公式中K值较大;夹制作用小,则K值也减小。
3)炮孔孔径和爆源深度对爆破振动衰减规律的影响主要表现在场地系数K上,试验回归结果表明,大孔径深孔爆破的K值比小孔径浅孔爆破要大得多。
4)实践表明,预裂爆破降震率大都在30%以上,效果好的预裂爆破降震率可达50%以上,预裂爆破已成为常用的有效降震措施。但预裂爆破时一般处于较大的夹制约束状态,其诱发振动的衰减规律中的K、α值与梯段爆破也有很大的差别,在进行爆破地震波预测预报时应加以重视。
5)根据力学的作用原理,在地质地形条件相似、岩性一致、爆破参数相同的条件下,相对爆源不同方向(爆破抵抗线后冲向、侧向或正前方)上的振动衰减规律也是不尽相同的,振动作用最强烈的方向是最小抵抗线W的后方,而侧面较小。分区开挖时,将最小抵抗线方向控制为河床方向,可以有效地控制爆破飞石,降低爆破振动对酉酬镇的影响。
5 结 语
爆破振动是爆破三大公害中最严重的公害,研究爆破地震波的传播规律及其对建(构)筑物的影响程度,目前的主要方法就是进行现场试验。由于
公式中的场地系数、衰减指数受爆破方法、地形地质条件等影响较大,即使在同一地区也会发生很大变化,因此,在进行爆破地震波的预测预报时,必须采用相同或相近的试验条件下获得的经验公式,才能够降低误差。酉酬水电站坝基岩体开挖爆破施工过程中,根据不同部位的爆破开挖条件,依据相应的衰减规律公式指导爆破设计与施工,同时加强施工期的监测,最大限度地减少了爆破振动对临近的酉酬镇和酉酬大桥的影响,确保了施工安全。
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