田湾核电站基础开挖爆破振动检测与数据分析.pdf

第3 2 卷第3 期 爆破 V o t - 3 2N 。．3 2 0 1 5 年9 月B L A S T I N G S e p ．2 0 1 5 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 5 ．0 3 ．0 1 5 田湾核电站基础开挖爆破振动检测与数据分析 马华原，龙源，郭涛 解放军理工大学野战工程学院，南京2 1 0 0 0 7 摘要为了深入研究爆破振动信号的特征，应用小波变换方法对具有短时非平稳特点的爆破震动信号进 行了特征分析。结合连云港田湾核电站3 、4 号机组扩建爆破施工实例，进行数据采集和分析。根据小波变 换的时一频特性和分层分解展开关系。将爆破震动时间历史信号用分层重构信号进行扫描，分析这些信号 得到了不同频率带上爆破震动的相对能量分布和振动强度的时间变化规律。爆破震动信号实测结果分析表 明基于小波变化的能量分布特征分析可以更准确的给出爆破震动信号的信息。 关键词爆破振动信号；小波变换方法；短时非平稳；相对能量分布 中图分类号T D 2 3 5文献标识码A 文章编号i 1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 5 0 3 0 0 8 5 0 6 M o n i t o r i n ga n dA n a l y s i so fB l a s t i n gV i b r a t i o no f F o u n d a t i o nE x c a v a t i o no fT i a n w a nN u c l e a rP o w e rP l a n t M AH u a y u a n ，L O N GY u a n ，G U OT a o C o l l e g eo fF i e l dE n g i n e e r i n g ，P L AU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，N a n j i n g2 1 0 0 0 7 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt o s t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l s ，t h ew a v e l e tt r a n s f o r mm e t h o dW a s u s e dt oa n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a lw i t hs h o r tt i m ea n dn o ns t a t i o n a r yc h a r a c t e r i s t i c s ． C o m b i n i n gw i t ht h ee x a m p l eo fe x p a n s i o nb l a s t i n gc o n s t r u c t i o no fL i a n y u n g a n gT i a n w a nN u c l e a rP o w e rP l a n tU n i t3 a n dU n i t4 ，t h ed a t aw a sc o l l e c t e da n da n a l y z e d ．T h eb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a lW a sd e c o m p o s e da c c o r d i n gt ot h et i m e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so fw a v e l e tt r a n s f o r ma n dh i e r a r c h i c a l ．T h eb l a s t i n gv i b r a t i o nt i m eh i s t o r ys i g n a lW a ss c a n e d b yh i e r a r c h i c a lr e c o n s t r u c t i o ns i g n a l ，b ya n a l y s i n gt h e s es i g n a l s ，t h et i m ev a r i a t i o no fb l a s t i n gv i b r a t i o n i nd i f f e r e n t f r e q u e n c yb a n d sw i t he n e r g yd i s t r i b u t i o na n dv i b r a t i o ni n t e n s i t yw e r eo b s t a i n e d ．T h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h e e ／l e r g yd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r mp r o v i d e dm o r ea c c u r a t ed e t a i l so ft h eb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l ． K e yw o r d s b l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l s ；w a v e l e tt r a n s f o r mm e t h o d ；s h o r t t i m en o n s t a t i o n a r y ；r e l a t i v ee n e r g y d i s t r i b l l t i o n 进入2 1 世纪以来，我国的核电建设进入了一个 加速期，江苏田湾核电站是中俄在能源领域开展的 战略互信合作，是迄今为止两国之间最大的经济合 作项目。而核电站建设规模大，机组多，无法进行多 收稿1 3 期2 0 1 5 0 7 1 5 作者简介马华原 1 9 9 2 一 ，男，河南郑州人，硕士研究生，主要从事 爆破技术研究工作， E - m a i l 5 0 3 8 1 2 3 5 0 q q ．c o r n 。 通讯作者龙源 1 9 5 8 一 ，男，教授，博导，主要从事兵器与爆破技 术研究， E - m a i l l o n g _ y u a n s o h u ．c o i n 。 机组同时建设装配，因此在后期机组建设施工时就 要考虑到已建机组的安全稳定，尤其要考虑爆破施 工产生的振动影响，因此我们需要对后期机组爆破 施工的振动信号进行严密检测和多方位分析，以确 保其不会对已建机组的安全运行产生影响。 爆破振动属于典型的短时非平稳随机过程，传 统傅立叶等变换方法是建立在平稳随机过程基础上 的，无法反映信号的本质性特点。随着信号分析领 域以及计算机技术的发展，在数字信号分析中提出 万方数据 8 6爆破 2 0 1 5 年9 月 了小波变换方法为非平稳随机信号特征提取提供了 可能。针对爆破震动信号的特征，利用小波变换的 多分辨分解和分层重构信号与原始信号之间的基本 关系，建立能量分布特征分析的基本方法，取得了爆 破震动信号能量分布的某些规律。7J 。 1 小波分析原理及特点 小波变换的概念是由法国从事石油信号处理的 工程师J M o r l e t 在1 9 7 4 年首先提出的，它与傅立 叶变换、快速傅立叶变换、短时傅立叶变换相比，这 是一个时间和频率的局域变换，因而能有效的从信 号中提取信息。通过伸缩和平移等运算功能对函数 或信号进行多尺度细化分析，解决了傅立叶变换不 能解决的许多困难问题，从而被誉为“数学显微 镜”，它是调和分析发展史上里程碑式的进展。 小波变换具有等距特性，即信号八t 的小波变 换是能量守恒的，根据内积定理，有下式成立 上％J f 。r i Ⅱa J r 。I 町 口，6 l2 d b 上㈣ I 2 d f 1 式 1 表明，小波变换幅度平方的积分同被分 析信号能量成正比。由于受海森堡测不准原理的限 制，人们不能确定时一频相空间中某一点的瞬时能量 密度，即某一特定时刻某一频率处的能量的说法在 概念上是不存在的。但在式 1 中，可以把 垒业掣看作是 n ，6 平面上能量密度函数， n 因而可以把垒业掣看作以尺度n 和时间6 为 口 中心的、尺度间隔A a 、时间间隔△6 的能量。根据能 量密度的概念，式 1 可以写成 J 。l 八f I2 d t J 。E b d b 2 小波变换中，尺度口在一定意义上对应于频率 ∞，因此式 1 给出了信号所有频带的能量随时问b 的分布情况。 在工程运用上，利用多分辨率的特性将振动信 号分解为多个频带，进一步给出爆破震动信号能量 的时．频分布特征。采用二进小波时，函数八t 满足 如下分层分解关系。 f o ￡ 工 t g l t 五 ￡ 9 2 ￡ g l t ⋯ 厶 t g 『v t ⋯ g l t 3 式中Z t i 1 ，2 ，⋯，Ⅳ 表示函数分解出的低频 部分；既 t i 1 ，2 ，⋯，Ⅳ 表示函数分解出的高频 部分。 设爆破振动信号的总能量为‰，根据式 3 ，可 得 E 。 ∑N ；。J 一。g ￡ d f ∑i N 。E i 4 由此可得，在不同频率段上爆破振动信号的相 对能量分布为 等 肪㈤d ∥∑㈨N 胎㈤d t 5 2 工程简介 2 ．1 工程概况 田湾核电站厂址位于江苏省连云港市连云区田 湾，厂区按4 台百万千瓦级核电机组规划，并留有再 建4 台的余地。1 、2 号机组先后于2 0 0 7 年的5 月 和8 月投人商业运营，经过几年积累，3 、4 号机组分 别于2 0 1 2 年1 2 月份以及2 0 1 3 年9 月份先后开工。 对连云港田湾核电站3 、4 号机组扩建土石方爆 破开挖过程中监测到的爆破振动信号进行分析。该 工程是田湾扩建W 2 区土石方工程爆破，采用9 0 乳 化炸药、粉状乳化炸药，总装药量3 0 2 5k g ，孔数 3 8 个，孔深1 4m ，孔距5m ，排距3i n ，单孔药量 1 3 0k g ，采用1 ～3 段非电毫秒雷管起爆。 针对土石方振动监测与试验“测点多、分布散” 的特点，为了有效的采集爆破振动信号，数据采集所 用仪器选用T C ．4 8 5 0 爆破测震仪 图1 及配套的国 产8 9 1 一I I 型速度／加速度传感器，每一测点测试3 个分量，即1 个垂直分量和2 个水平分量。为了准 确评价爆破作业对已有建 构 筑物产生的影响。 见图2 。 图1 测试仪面板 F i g ．1 T e s ti n s t r u m e n tp a n e l 2 ．2 传感器的安装与定位 传感器在工作现场安装的时候必须保证它与被 测的物体是一个钢性连接，也就是要保证传感器与 被测物体是一个整体。否则所采集的信号不能保证 是有效的信号数据。本次测量共布置五个测量点， 测点1 在民房附近，测点2 在山路边坡附近，测点3 在起爆点正前方附近。 万方数据 第3 2 橙第3 { 9 J r “ 舢j j ，龙源．郭涛⋯湾骸电站基础开挖爆破振动检测与数据分析 图2 测试仪及传感器 F i g ．2 T e s t e ra n ds e n s o r 图3 测振点设置示意图 t _ f L 位m F i g ．3 S c h e m a t i cd i a g r a mo fm o m t o r i n gp o i n t u n i t 1 1 1 3 振动信号的小波分析 3 ．1 信号分解与重构 对于信号频率与能量分布的研究，我们选取测 震点3 的数据进行分析。见图4 。 对所监测信号的z 轴分量即垂直震动信号采用 “d b 8 ”小波，分析选择分解尺度- 『 7 的小波分析，得 到重构信号，并计算得出重构信号与原始信号的相 对误差，由图5 可以看出，相对误差在1 0 一。左右，完 全满足工程计算的要求。 3 ．2 频谱特性 爆破监测采用T C 一4 8 5 0 型数字式爆破测震仪， 采样频率为5 0 0 0H z ，依据采样定理，其奈奎斯特频 率为2 5 0 0H z 。根据小波分析原理及爆破振动信号 特征，分解频带宽度为2 5 0 0 ／27 1 9 ．5 3 H z 。 S a 7 刃 拍 凼 幽 d 3 d 2 d l 利用小波变换分解信号并做频谱分析，见图6 ～ 图1 3 。 分析图6 ～图1 3 可看出，爆破振动信号能量虽 然处于非常宽的频带范围，但它仍具有比较确定的 多阶固有振动频率。频率主要分布在1 9 ．5 3 1 ～ 3 1 2 ．5H z 的频率范围内。再分别对戈轴、Y 轴信号 进行比较分析。 图4 原始信号与重构信号 F i g ．4 T h eo r i g i n a ls i g n a la n dt h er e c o n s t r u c t e ds i g n a I 【．| IU 。J l i ．』．．i 。．。．【Ll l l 。J L 儿 ．| 一”。 I ”’r 1 1I ”。1 I 『一’ r 。| ”1 1 ⋯’『”’『 4 号0 一， 一4 0 ．2 0 0 1 5 羹o ．1 0 衄 4 0 ．0 5 05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 0 图6d 1 分量及其幅频曲线 F i g ．6C o m p o n e n td la n di t sa m p l i t u d ef r e q u e n e yC H I V e 进一步将三个方向上的信号合成小波时频图， 图1 4 、1 5 、1 6 。 由上图分析可以得到，x 轴、z 轴，即水平径向 和垂直方向的波峰较Y 轴，即水平切向的波峰来的 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Lr．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．L 万方数据 爆破 2 0 1 5 年9 月 快，证明了是瑞丽波率先到达测振点而勒夫波紧随 其后。从频率成分来看，水平径向的振动频率成分 比较单一，集中在3 2H z 左右，而垂直方向的频率成 分最为复杂，本别集中在1 2H z 、1 6H z 、2 6H z 、3 4H z 四个频率周围，而且从时间分布上可以看出，高频信 号的衰减速度明显高于低频信号，因此，在爆破远区 几乎检测不到高频信号。 5 笔0 螺 垣 器 1 皿 1 0 一’ 0 虱7 也分量及其幅频曲线 1 0 4 F i g ．7C o m p o n e n td 2a n di t sa m p l i t u d ef r e q u e n c yc u r v e 5 ％0 黑 童 娶 粤 1 0 3 O5 0 01 0 0 01 5 0 0 图8d 3 分量及其幅频曲线 1 0 4 F i g ．8C o m p o n e n td 3a n di t sa m p l i t u d ef r e q u e n c ye u r v e 4 2 亳0 2 - 4 0 ．8 0 ．6 篓o ．。 粤0 ．2 1 0 。 1 0 4 00 ．20 ．40 ．60 ．81 ．01 ．21 ．41 ．61 ．82 ．0 ’I L．J O5 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 0 图9d 4 分量及其幅频曲线 F i g ．9C o m p o n e n td 4a n di t sa m p l i t u d ef r e q u e n c yc u r v e 5 ％0 颤 歪 葵 粤 1 0 4 05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 0 图1 0d 5 分量及其幅频曲线 1 0 4 F i g ．10C o m p o n e n td 5a n di t sa m p l i t u d ef r e q u e n c yc u r v e 号_ ；b ～ 一，L i J L J L J J L ▲J I t 0 4 鲁 器 l 喵 0020 ．40 ．60 ．81 ．01 ．2l41 ．61 - 82 ．0 05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 0 图1 l 拍分量及其幅频曲线 F i g ．11C o m p o n e n td 6a n di t sa m p l i t u d ef r e q u e n e yc urve 1 l 坦 嚣o 05 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 0 1 0 4 图1 2 刃分量及其幅频曲线 F i g ．1 2C o m p o n e n td 7a n di t sa m p l i t u d ef r e q u e n e yc u l v e 爆破振动信号经小波包分解为7 个频带，并合 成了时频分布图，更能清楚地看出能量在时一频域 的具体分布情况，弥补了爆破振动信号进行傅立叶 分析时只在频域上分析的缺陷。在爆破震动信号的 主频附近分布了主要的能量，但总体来说，其能量分 布呈现广而不均的状态，分解后的每个频带都有着 万方数据 第3 2 卷第3 期马华原，龙源，郭涛田湾核电站基础开挖爆破振动检测与数据分析 8 9 自己的主频率，这样的结果是各个频带都有着自己 的特性，可以明显的看出y 轴，z 轴时一频图谱上出 现许多子中心。我们进行信号分析的目的是得到信 号的特征以判断它对现有两个机组以及其他建筑物 可能产生的不良影响。爆破地震波对周围建 构 筑物的破坏，不是某个能量单独影响的结果，而是各 个频带的能量共同作用的结果。因而必须综合考虑 爆破地震波在各个频带的能量分布特性，才能取得 更为准确的分析结果。见图1 7 。 图1 3n 7 分量及其幅频曲线 F i g ．13C o m p o n e n ta 7a n di t sa m p l i t u d ef r e q t 一囊。零罐鞋霸凰 1 。 图1 4X 轴时频分布图 F i g ．1 4 T i m ef r e q u e n c yd i s t r i b u t i o no fXa x i s 3 ．3 能量分布特性 通过编程，求出各个频带的能量，并做出各频带 能量在总能量中的份额分布图，分析可得d 7 频带， 即1 9 ．5 3 ～3 9 ．0 6H z ，所占能量份额最大，而且前三 频带，即0 7 ，刃，d 6 ，占了总能量的9 2 ％以上。频带 5 ，即1 5 6 ．2 5H z ，以上的频率成分能量几乎可以忽 略不计。 根据小波变换分层重构信号得到的在不同频率 带上的相对能量及峰值振动速度的分布情况如图 1 7 所示。比较图1 6 中两图的结果可以发现，虽然 爆破振动信号能量在频域上分布比较广泛，但能量 大部分集中于低频带上。从图1 6 中信号的时频分 布情况可以得出结论，高频成分的振动信号衰减速 度极快，仅从相对能量分布所做的分析无法发现这 一特点，而基于小波变换的时一频格局小波变换的结 果还可以给出爆破振动功率谱密度P S D 的分布情 况。见图1 8 。 0畦蔓| o 蠢J 垂事蠢警≥变量 时同魄 图1 5y 轴时频分布图 F i g ．15 T i m ef r e q u e n c yd i s t r i b u t i o 小渡时舞露 亳 奄麓毒嚣。鼙 蔼薰强囊毫誊| 毒蠹I i 。。鹂嘲魄曩誊％j ．”『 图1 6Z 轴时频分布图 F i g ．16 T i m ef r e q u e n c yd i s t r i b u t i o n 图1 7 不同频带上的能量份额 F i g ．1 7E n e r g ys h a r ei nd i f f e r e n tf r e q u e n c yb a n d s 博 舞 鸷 转 轴铀 珀 秘 蝴 鞠 N蠢蛰鞣 ，●■慝同二二㈠㈠■譬- 俺 糟 莉 越 赞 祷 轴瓣 鞫 鼬 耋≥器襞 婚 嚣 强 薅 艟雒 琵 鹳辨嘲 N囊辟蒜 万方数据 爆破 2 0 1 5 年9 月 02 04 06 08 01 0 012 0 频带 图1 8 功率密度谱 F i g ．1 8 P o w e rd e n s i t rs p e c t r u m 爆破震动信号的频率成分相当复杂，小波变换 可以给出爆破振动能量的时．频分布特征，更好地满 足爆破振动非平稳随机特征分析的要求。时域上的 爆破信号经小波变换后，被分解成为不同频带下的 小波系数之和，并且这一步得到的小波系数仍有时 域特性，从而可以对信号在时间一频率域内进行更细 致的观察。在分析爆破地震输入结构物的能量特性 的时候，先把信号以不同的分辨率分解到几个子频 带，然后分频带进行信号的能量分析，即可得到输入 能量的时一频特性，从而进一步提取对结构引起有害 振动的分量，再结合关键保护目标的结构频响特性， 给出准确的结构安全预测结果。这对工程设计具有 重要的参考意义。 4 结论 1 爆破振动不同于天然地震动，爆破振动的 振动时间很短，从几毫秒到几百毫秒不等。在一般 情况下，水平径向振动持续时间最短，垂直方向振动 持续时间最长，而且频率成分最复杂，水平切向振动 持续时间处于中间位置。 2 振动信号的时一频分布出现多个子中心，通 常采用一个主频率的分析方法可能对信号的特这描 述的不够准确，以后的研究中，应该注意到多个子频 带的情况。 3 爆破振动波是随机性的瞬态波形，含有丰 富的谐波频率，具有一定的频带宽度。爆破振动能 量主要集中在1 9 ．5 3 1 3 1 2 ．5H z 的频带，与核岛厂 房等其他大型建筑物的固有频率 0 1 0H z 相比， 一般不会造成由共振引起的建筑物的破坏。爆破振 动频率成分在爆破近区和爆破远区分布不同，尤其 在远区，低频成分占主要，很有可能造成建筑物的共 振损伤。 魏明果．实用小波分析[ M ] ．北京北京理工大学出版 社，2 0 0 5 3 6 - 3 9 ． 孟吉复，惠鸿斌．爆破测试技术[ M ] ．北京冶金工业 出版社，1 9 9 2 ． 叶海旺，房泽法，彭志刚．爆破地震对结构的影响[ J ] ． 爆破，2 0 0 0 ，6 1 8 6 ．9 1 Y EH a i - w a n g ，F A N GZ e f a ，P E N GZ h i - g a n g ．E f f e c to f b l a s t i n ge a r t h q u a k eo ns t r u c t u r e [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 0 ， 6 1 8 6 - 9 1 ． i nC h i n e s e 朱继海．非平稳振动信号分析[ J ] ．振动与冲击，2 0 0 0 ， 1 9 1 8 6 - 8 7 ． Z H UJ i - h a i ．N o n - s t a t i o n a r yv i b r a t i o ns i g n a la n a l y s i s [ J ] ． V i b r a t i o na n dI m p a c t ，2 0 0 0 ，1 9 1 8 6 - 8 7 ． i nC h i n e s e 胡昌华，张军波．基于M A T L A B 的系统分析与设计一 小波分析[ M ] ．西安西安电子科技大学，2 0 0 0 4 - 2 7 ． 李世雄．小波变换及其应用[ M ] ．北京高等教育出版 社，1 9 9 7 2 0 - 6 0 ． 晏俊伟．基于小波包变换的爆破地震波时频特征提取 及分析[ J ] ．振动与冲击，2 0 0 7 ，4 2 6 2 5 - 2 9 ． Y A NJ u n w e i ．T i m e f r e q u e n c yf e a t u r ee x t r a c t i o na n da n a l y s i s o fb l a s t i n gs e i s m i cw a v eb a s e dO i lw a v e l e tp a c k e t t r a n s f o r m [ J ] ．V i b r a t i o na n dI m p a c t ，2 0 0 7 ，4 2 6 2 5 - 2 9 ． i nC h i n e s e 上接第6 1 页 [ 1 4 ] K A N C H I B O T L ASS ，V A L E R YW ，M O R R E L LS ．M o d e l ． i n gf i n e si nb l a s tf r a g m e n t a t i o na n di t si m p a c to nc r a s h i n ga n dg r i n d i n g [ C ] ／／E x p l o ’9 9 - AC o n f e r e n c eo nR o c k B r e a k i n g ．T h eA u s t r a l a s i a nI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t - a l l u r g y ，K a l g o o r l i e ，A u s t r a l i a ．1 9 9 9 1 3 7 1 4 4 ． [ 1 5 ] S T l E H RJF ，D E A NJL ．I S E Eb l a s t e r s ’h a n d b o o k [ J ] ． I n t e r n a t i o n a lS o c i e t yo f E x p l o s i v e s ，C l e v e l a n d ，2 0 11 3 4 6 ． [ 1 6 ] K O N Y ACJ ，W A L T E REJ ．S u r f a c eb l a s td e s i g n [ M ] ． P r e n t i c e H a l lI n c ，E n g l e w o o dC l i f f s ，N e wJ e r s e y ，1 9 9 0 1 1 8 ． [ 1 7 ] H I B B I T rD ，K A R L S S O NB ，S O R E N S E NP ．A B A Q U S ／ S t a n d a r du s e r sm a n u a l [ M ] ．A B A Q U SI n c ，P a w t u c k e t ， R I ，2 0 0 1 ． [ 1 8 ] L U B L I N E RJ ，O L I V E RJ ，O L L E RS ，e ta 1 ．Ap l a s t i c - d a m a g em o d e lf o rc o n c r e t e [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f S o l i d sa n dS t r u c t u r e s ，1 9 8 9 ，2 5 3 2 9 9 - 3 2 6 ． [ 1 9 ] L U B L I N E RJ ，O L I V E RJ ，O I L E RS ，e ta 1 ．Ap l a s t i c d a m a g em o d e lf o rc o n c r e t e [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f S o l i d sa n dS t r u c t u r e s ，1 9 8 9 ，2 5 3 2 9 9 ．3 2 6 ． ]j _1j 1j 1 二 心 口 B M H b 哺 口 口 万方数据