坝基开挖爆破振动频带小波能量分析.pdf

第2 7 卷第3 期 爆破 V o l 2 7N o 3 2 0 1 0 年9 月B L A S T I N G S O p ．2 0 1 0 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 0 ．0 3 ．0 2 9 坝基开挖爆破振动频带小波能量分析宰 费鸿禄，马诺诺 辽宁工程技术大学爆破技术研究院，阜新1 2 3 0 0 0 摘要 结合蒲石河蓄能电站下水库坝基开挖爆破振动监测数据，运用小波分析方法，对爆破振动信号进 行小波多层分解，获得各频带P P V 及爆破振动分量的小波频带能量，通过分析比较，得出此次爆破振动信号 的能量在频域上分布较广泛，但绝大部分能量集中在0 2 0 0H z ，在传播过程中能量迅速衰减；小波频带能量 可以反映爆破振动信号强度、频率和作用时间；并指出爆破振动出现的多子频、多峰值揭示了只采用单个主 振频带来代替整个频域，有欠准确，在未来的研究中应将多主频的影响因素考虑进去。 关键词小波变换；频带；小波频带能量；P P V 中图分类号0 3 8 2 ．2文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 0 0 3 0 0 9 9 0 6 W a v e l e tE n e r g yA n a l y s i so fB l a s t i n gV i b r a t i o nF r e q u e n c y B a n dO i lD a mF o u n d a t i o nE x c a v a t i o n F E lH o n g l u ．M AN u o r t ／z o I n s t i t u t eo fB l a s t i n gE n g i n e e r i n gT e c h n i c a l ，L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，F u x i n1 2 3 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h eb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l sb a s e do nm o m t o f i n gd a mf o u n d a t i o ne x c a v a t i o nb l a s t i n go fP u s h i h es t o r - a g es t a t i o nw e r ec a r r i e so u tt h em u l t i l e v e lw a v e l e td e c o m p o s i t i o na n dg o tP P Va n dw a v e l e tf r e q u e n c yb a n de n e r g yo f e v e r yb a n dt h r o u g hw a v e l e ta n a l y s i s ．T h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，t h ee n e r g yd i s t r i b u t i o no ft h i sb l a s t i n gv i b r a - t i o ns i g n a lW a sw i d ei nt h ef r e q u e n c yd o m a i n ，b u tt h ev a s tm a j o r i t ye n e r g yc o n c e n t r a t e si nt h er a n g eo f0 2 0 0H z a n da t t e n u a t i n gq u i c k l yd u r i n gp r o p a g a t i n g ．T h ew a v e l e tf r e q u e n c yb a n de n e r g yc s nr e f l e c tv i b r a t i o ns t r e n g h t ．k q u e n c ya n dt i m e ．A n di t i s n o te n o u g ht h a tu s i n go n l ya s i n g l ef r e q u e n c yt a k et h ep l a c eo ft h ew h o l ef r e q u e n c yd o - m a i n ．S ow es h o u l dc o n s i d e ri m p a c to fm u l t i p l ef a c t o r so ff r e q u e n e yi nf u t u r es t u d i e s ． K e yw o r d s w a v e l e tt r a n s f o r m ；f r e q u e n c yb a n d ；w a v e l e t 在e q u e n c yb a n de n e r g y ；P P V 0 引言 随着爆破理论及工程实践研究的深入，爆破振 动频率对建筑物的影响越来越受到人们的重视。由 于爆破振动信号是一种典型的非平稳随机信号，建 筑物受到时域和频域的双重影响，这就要求我们从 收稿日期2 0 1 0 0 6 一1 7 作者简介费鸿禄 1 9 6 3 一 ，男，教授、博士、博导，主要从事工程爆 破、地下工程方面的教学与研究工作，E m a i l f e i h o n g l u 1 6 3 ．c o m 。 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 7 7 4 0 4 2 ；辽宁省高等学 校优秀人才支持计划 2 0 0 9 1 { 3 2 ；辽宁省教育厅项目 2 0 0 9 A 3 4 1 振动信号的时一频域进行综合考虑，从而避免单独在 时域或频域中进行分析时所导致的片面性。 近年来，在数值信号分析中得到广泛应用的小 波变换理论在处理非平稳随机信号方面具有十分突 出的特点。它不仅可以给出信号的频谱特征，还可 以给出信号频谱的时间变化特征⋯。目前，国内外 很多学者运用小波分析原理对爆破振动频率进行了 大量的研究工作，得出了许多重要的结论。龙源提 出爆破地震波传播的频率、幅值和持续时间等主要 参数的变化规律以及它们的影响因素忙o ；B l a i rD P 等提出爆破振动幅值随频率范围的扩大而增 大p o ；凌同华、李夕兵指出爆破振动信号能量分布 万方数据 1 0 0 爆破2 0 1 0 年9 月 的不均匀性H 1 ；徐国元、中国生指出得出小波频带 能量与爆破振动的振动强度有关口1 ；张伟指出爆破 地震波对周围建 构 筑物的影响破坏，是各个频带 的能量共同作用的结果，而不是某一个最大能量单 独作用的结果Mo ；曾宪伟通过比较爆破振动信号各 频带时频谱最大值的差异，指出了爆破振动与地震 的不同J 。在前人研究基础上，对其时频特征进行 频带能量分析。 1 爆破振动信号的现场监测 1 ．1 工程概况 蒲石河抽水蓄能电站下水库坝基为混和花岗 岩，岩石坚硬，但完整性较差。上部覆盖层厚 l ～5m ，覆盖层下多以弱风化基岩出现。在花岗岩 中穿插有2 条2 4m 宽的闪长玢岩岩脉，岩石新 鲜，较完整，与围岩接触良好。各坝基采用分层梯段 爆破 光面爆破、预裂爆破等 开挖。由于爆破开挖 过程中坝体基建面及浇筑混凝土均需要保护，应对 坝基开挖爆破振动进行质点振动监测，控制爆破对 基建面产生的损伤以及对浇筑混凝土的影响。 1 ．2 爆破振动记录仪 此次爆破振动测试使用I D T S 3 8 5 0 爆破振动记 录仪⋯。该仪器可直接与速度或加速度传感器相 连，并将模拟电压量转换成数字量进行存储，两或三 通道并行采集数据，最高采样频率为2 0 0k H z ，A ／D 转换分辨率为1 2k H z ，输入量程为4 - 0 ．4 ～2 0V ， 每通道可分8 段，测量误差小于0 ．5 ％，采用R S 2 3 2 接口传输数据。该仪器轻便灵巧、坚固、性能稳定， 测试数据准确可靠，分辨率高，操作简便，完全能够 满足这次工程爆破振动监测的要求。 1 ．3 监测方案 测点距爆区最近不应小于1 0m ，最远不宜大于 5 0m ，并做好仪器安全防护。为准确监测爆破振动信 号，所选测点与爆区之间的岩体应避开破碎带及沟槽 通过。测振仪的传感器与岩体表面采用甘油耦合，测 振仪采用自动触发、记录爆破振动信号并保存。 1 ．4 振动监测的物理量 本论文的爆破振动测试采用质点振动速度作为 爆破振动的测试量。炸药爆炸引起岩石内部质点振 动有垂直、径向和切向3 个速度分量，一般切向分量 较小，垂直和径向分量比较大。在高差不大、近距离 范围的情况下，一般表现为垂直速度分量控制爆破 振动。因此选择垂直方向的振动速度作为本论文爆 破振动测试物理量。 2 爆破振动信号小波时频特征 在对爆破振动信号进行小波时频特征分析前， 必须选择最优小波基，因为用不同的小波基分析同 一个问题时会产生不同的结果。在实际应用中，应 选择衰减速度较快、波形与被分析信号有较好相似 性的函数作为小波基函数。根据以上选择小波基的 要求及爆破振动信号的特点，选用s y m 8 作为本次分 析的小波基函数。 在爆破振动监测数据中，取一爆破振动信 号J ，信号测试点的爆破条件见表l 所示，信号的速 度时程曲线如图l 所示。 表1 信号测试点的爆破条件 T a b l elT h eb l a s t i n gc o n d i t i o n so ft h es i g n a lt e s t p o i n t p I 咀 ● 昌 ≤ 魁 幽 图1实测爆破振动信号原始速度时程曲线图 F i g ．1T h eo r i g i n a lv e l o c i t y t i m ec u _ r v eo ft h e m e a s u r e db l a s t i n g 、，i b m f i o ns i g n a l 2 ．1 爆破振动信号消噪 测振仪进行爆破振动测试，因爆破现场环境复 杂，爆破振动波在岩土介质中传播时，往往携带有各 种成分的干扰波，同时因测试仪器自身的因素，在所 测得的爆破振动信号中可能混入噪声。因此在用小 波、小波包对爆破振动信号进行频谱分析时，应首先 对振动信号进行消噪处理，虑除噪声的干扰。 一个含有噪声的一维信号可以表示为如下形 式 s k 八k 8 e k k 0 ，1 ，2 ，⋯，，l l 式中s k 为含噪信号以k 为爆破振动信号；e ．| } 为噪声信号；占为系数。 在爆破振动信号中以k 通常为低频信号，或者 是一些较为平稳的信号，e k 一般为高频信号。 1 对信号进行小波分解 D e c o m p o s i t i o n 万方数据 第2 7 卷第3 期费鸿禄，马诺诺坝基开挖爆破振动频带小波能量分析 1 0 1 首先选择1 个合适的小波，并确定分解的层次 经过多次分解对比，选取d b 3 小波，分解层次／7 , 5 。 则该信号5 层小波分解结构如图2 所示， S 口5 以 6 f 4 也 畋 d 1 ，噪声通常含在d l ，d 2 ， 如，以，以之中。 ．．D e c o m p o s i t i o n a tl e v e l5 J 口， d 5 t 西 d 2 d I 。黑卜叫r 咿枷一溅l 卜巾叫卜叫卜 - 00 4l ；．．．．．．．．．．．．．- - - ．．- ．．．．- - - ‘- - - ．- - ．L ．．- ．- - ．- J L - - ．- - ．．- J - ．．．- - - ．．‘．．．- ．- - ．．- ．．．．．．．．J ．．．．．_ 一 尊0 ‘0 6 卜八／＼． 寸 。卜’u Ⅳ飞Ⅳ卜√V 一 寸二懑E ￡坐二二 ￡二 寸0 ’。；卜灿蜘抄忙一 0 ．0 1 ‘ 、i0L - - 一 - 0 ．0 lL ．．．．J L ．．．．J ．．．．．J ．．．．．． ．．．．．。‘．．．．．．L ．．．．．J L ．．．．J L ．．．．．J L ．_ 一 2 对小波分解高频系数的阈值量化处理 对该信号分解后的各级系数进行适当处理，对 第1 到第5 层的小波，分别选取1 个合适的阈值。 这里选取软阈值 s o f tt h r e s h o l d i n g 消噪。 3 信号的重构 对软阈值量化处理后的各级小波系数进行信号 的小波重构，系数重构为分解的逆运算。重构后振 动信号已经明显不含干扰成分，从而得到真实的爆 破振动信号，以便于迸一步的小波分析。 4 信号的小波去噪 比较去躁后的分层信号与原始信号，如图3 所示。 通过对比可以发现，当越来越多的高频信息从 信号中滤去后，相应的低频信号变得越来越“纯 洁”，即所含的噪声越来越小。重构后振动信号已 经明显不含干扰成分，从而得到真实的爆破振动信 号，以利于进～步对实测爆破振动信号进行小波分 析。见图4 。 2 ．2 爆破振动信号的F o u r i e r 分析 对该爆破振动信号进行F o u r i e r 分析，可得到功 率谱密度 P o w e rS p e c t r u mD e n s i t y ，P S D 图，见图5 所示。通过F o u r i e r 分析的频谱图3 可知，该爆破振 动信号的主频为6 9 ．8 2 42H z 。 p I 帕 ● E 划 制 图3 去噪后的分层信号与原始信号 F i g ．3 T h ed e n o i s e ds i g n a la n dt h eo f f , h a ls i g n a l 图4 经消噪并放大后的实测爆破振动信号的速度时程曲线 F i g ．4 T h ed e - n o i s e da n da m p l i f i e dv e l o c i t y - t i m ec u l w eo f t h em e 鸽u I e db l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l 图5 爆破振动信号的功率谱密度图 F i g ．5 T h ep o w e rs p e c t r a ld e n s i t ym a po f t h eb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l F o u r i e r 分析把信号从时域转换到频域进行分 析，通过频域分析，可以得到信号频率的高低、能量 的分布情况、主振频率等物理量，但是在变换的过程 中却丢掉了时间的概念，得不到更为精细的主振频 万方数据 爆破2 0 1 0 年9 月 带分布及其优势频率。 2 ．3 小波分析 在M a d a b 7 的W a v e l e tT o o l b o x 中用将图l 所示 的爆破振动信号分别进行深度为8 层的离散小波分 析，并编制计算程序，运行后得到离散小波变换的深 度图如图6 所示，其表达的意义为亮度高的地方小 波系数大，亮度低的地方小波系数小，从图中就可以 直观了解小波系数在时间一分解层次平面上的分布。 所得到重构信号与原信号问的相对误差如图7 所示。 从图中可以看出，重构信号与原信号的误差量级在 1 0 ～1 2 以上，可完全满足工程计算和分析要求。 图6 离散小波变换的深度图 F i g ．6 T h ed e p t hm a po fD W T ] 童i‰．一一 爹 ，挣’⋯ ； t ／m s 图7 实测结果与重构信号的相对误差 F i g ．7 R e l a t i v ee l T o r0 fm e a s u r m n e n ta n dr o e o n s t r u e f i o ns i g n a l 2 ．4 爆破振动信号的小波时频特征分析 选择用s y m 8 小波基对该信号进行尺度为7 的小 波分解，可获得8 个频带的小波分解系数。由于爆破 振动监测时，信号的采样率设置为20 0 0H z 采样频 率一般应高于被采信号高频的l O 倍以上，才能保证 所测信号波形的不失真 ，根据香农 S h a n n o n 采样定 理，则其奈奎斯特 N y q u i s t 频率为10 0 0H z 。根据小 波分解原理，8 个频带宽度分别为0 7 ．8 1 25H z 、 7 ．8 1 25 1 5 ．6 2 5H z 、1 5 ．6 2 5 3 1 ．2 5H z 、3 1 ．2 5 6 2 ．5H z 、6 2 ．5 1 2 5H z 、1 2 5 ～2 5 0 H z 、2 5 0 5 0 0H z 、 5 0 0 1 0 00H z 。将8 个频带的小波分解系数重构后， 便可获得上述8 个频带的爆破振动分量的时程曲线， 如图8 一图1 5 所示 为显示方便，用M a t l a b 编程时横 轴表示为实际时间的1 ／2 00 0 0 。 0 0 图80 - 7 ．8 1 25H z 爆破振动分量 F i g ．8B l a s t i n gv i b r a t i o nc o m p o n e n to f0 - 7 ．8 1 25H z 图97 ．8 1 25 1 5 ．6 2 5H z 爆破振动分量 F i g ．9 B l a s t i n gf i b r a f i o nc o m p o n e n to f7 ．8 1 25 1 5 ．6 2 5H z 0 0 图1 0 1 5 ．6 2 5 3 1 ．2 5H z 爆破振动分量 F i g ．1 0B l a s t i n gv i b r a t i o nc o m p o n e n to f1 5 ．6 2 5 - 3 1 ．2 5I - I z 图1 l 3 1 ．2 5 ～6 2 ．5H z 爆破振动分量 F i g ．1 1B l a s t i n gf i b r a f i o nc o m p o n e n to f3 1 ．2 5 ～记．5H z O 5 O 5 O 5 O S O 2 I l O O 1 l 2 0 0 0 O O 0 0 O O O O O O O Q O 一 一 一 一 万方数据 第2 7 卷第3 期费鸿禄，马诺诺坝基开挖爆破振动频带小波能量分析 1 0 3 图1 26 2 ．5 1 2 5H z 爆破振动分量 F i g ．1 2B l a s t i n gv i b r a t i o nc o m p o n e n to f6 2 ．5 ～1 2 5H z 0 ．0 2 0 0 ．0 1 5 O ．0 1 0 O ．0 0 5 0 - 0 ．0 0 5 0 ．O l O - 0 ．0 1 5 - 0 ．0 2 0 02 0 04 0 06 0 08 0 0l0 0 012 0 0 图1 31 2 5 ～2 5 0H z 爆破振动分量 F i g ．1 3B l a s t i n gv i b r a t i o nc o m p o n e n to f1 2 5 2 5 0H z 2 ．5 2 ．O 1 ．5 1 ．0 0 ．5 0 - 0 ．5 一1 ．O - I ．5 - 2 ．0 - 2 ．5 1 0 。3 02 0 0 4 0 06 0 0 8 0 0l0 0 012 0 0 图1 42 5 0 ～5 0 0H z 爆破振动分量 F i g ．1 4B l a s t i n gv i b r a t i o nc o m p o n e n to f2 5 0 - 5 0 0H z 图1 55 0 0 10 0 0H z 爆破振动分量 F i g ．1 5B l a s t i n gv i b r a t i o nc o m p o n e n to f5 0 0 1 0 0 0H z 使用M a t l a b 语言编制计算程序，可获得该爆破 信号小波分析的总能量、各频带爆破振动分量的频 带P P V 、各频带爆破振动分量的小波频带能量及其 分布，见图1 6 、图1 7 和表2 。 表2 爆破振动信号的频带参数 T a b l e2B a n dp a r a m e t e r so fb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l 由表2 可知，该信号能量在整个频带范围内都 有分布，但呈献不均匀性，在频带6 2 ．5 1 2 5H z 爆 破振动分量的小波频带能量最大，约占5 1 ％，O 一 3 1 ．2 5H z 及2 5 0H z 以上的小波频带能量在整个能 量中所占的比例极小。 L 山 靼 嚣 图1 6 各频带爆破振动分量的频带P P V F i g ．1 6 B a n dP P Vo fB l a s t i n gv i b r a t i o nc o m p o n e n t 辞 嚣 求 蛔 避 靼 聪 图1 7 爆破振动信号不同频带能量分布 H g ．1 7 D i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n tb a n de n e r g y o fb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l 由图2 可知，该信号的主频为6 9 ．8 2 42H z ，即 该爆破振动信号的峰值质点振动速度 P P V 所在频 率为6 9 ．8 2 42H z ，也正处在6 2 ．5 ～1 2 5H z 频带之 万方数据 爆破 2 0 1 0 年9 月 间，也就是说，爆破振动的P P V 的大小可由小波频 带能量的大小来反映，小波频带能量与相应频带振 动分量的振动强度具有一致性。因此，小波频带能 量能够反映爆破振动的强度，同时也能够反映爆破 振动频率对建 构 筑物的作用影响。 由图3 ～图1 2 和表2 可知，该信号小波分析的 时间分辨率给出了不同频带振动分量的时程衰减特 性。在信号的低、中频带，振动分量衰减缓慢，振动 持续时间较长，频带P P V 与小波频带能量呈正比； 在信号的高频带，振动分量的衰减较快，振动持续时 间较短，小波频带能量也较小。因此，小波频带能量 能够反映爆破振动时间对建 构 筑物的作用影响。 由图1 4 一图1 5 和表2 中还可以看出，虽然此 次爆破振动信号的能量分布极不均匀，在其频域中 除了有1 个主振频率外，还出现了多个子振频带，且 各子频带中又有其各自的主频，各频带的能量大小 也不相同，这样爆破振动中就出现了多个峰值。可 见，由于坝基结构复杂，节理裂隙或裂缝将介质分割 成具有不同频率响应的结构，导致坝基开挖爆破振 动反映了多自由度有阻尼振动的特点。 3结论 通过对具有典型代表性的电站下水库坝基开挖 爆破振动信号进行F o u r i e r 分析和小波频带能量分 析，可获得以下结论 1 傅立叶分析是频谱分析，而小波分析是频带 分析，二者具有互补作用。在实际应用中，我们应将 傅立叶分析和小波分析结合起来，灵活运用，可以更 为有效的实现对信号的处理和分析。 2 爆破振动信号的能量在频域上分布较广泛， 但绝大部分能量集中在0 2 0 0H z ，在传播过程中 能量迅速衰减。 3 爆破振动信号小波频带能量分析作为时频 分析领域的一个方面，能够反映爆破振动3 要素 振动强度、频率和持续时间 的作用影响。 4 爆破振动出现的多子频、多峰值揭示了只采 用单个主振频带来代替整个频域，有欠准确，在未来 的研究中应将多主频的影响因素考虑进去。 5 高频部分的相对能量可能较低，但它的峰值 振动强度却可能比较大，为爆破振动研究提供了新 的理论方法。 参考文献 [ 1 ] 何军，于亚伦．爆破震动信号的小波分析[ J ] ．岩 工程学报，1 9 9 8 ，2 0 1 1 4 7 - 5 0 ． [ 2 ] 龙源，娄建武，徐全军．小波分析在结构物对爆破振 动响应的能量分析法中的应用[ J ] ．爆破器材，2 0 0 1 ， 卷号 期号 1 ．5 ． [ 3 ] B L A I RDP ．B l a s tv i b r a t i o nv o n t r o li nt h ep r e s e n c eo fd e - h y ∞a t t e ra n dr a n d o mf l u c t u - w e t i o n sb e t w e e nb l a s tb o l e s [ J ] ．I n tJN m n b o rA I l a lM e t h o dG e o m e c h ，2 0 0 3 ，1 9 2 9 5 ．1 1 8 ． [ 4 ] 凌同华，李夕兵．地下工程爆破振动信号能量分布的 小波包分析[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 4 ，2 4 1 6 3 - 6 8 ． 【5 ]徐国元，中国生．基于小波变换的爆破地震安全能量 分析法的应用研究[ J ] ．岩土工程学报，2 0 0 6 ，2 8 1 2 4 ．2 8 ． [ 6 ] 张伟．基于小波理论的爆破动力响应分析[ D ] ．青 岛山东科技大学，2 0 0 7 ． [ 7 ]曾宪伟，赵卫明，盛菊琴，等．应用小波包识别宁夏及邻区 的地震和爆破[ J ] ．地震研究，2 0 0 8 ，3 1 2 1 4 2 - 1 4 8 ． [ 8 ]费鸿禄，孔祥雷．蒲石河蓄能电站下水库坝基开挖爆 破振动监测[ J ] ．爆破器材，2 0 0 8 4 1 - 4 ． 上接第9 8 页 2 结论 影响乳化炸药贮存期的因素很多。最主要的是 原材料和加工过程，而原材料中比较重要的是乳化 剂的选择，对炸药贮存期的影响较大。试验中采用 了复合型乳化剂，对比试验表明，S T L 复合乳化剂克 服了单一乳化剂的不足，具有良好的乳化作用；可适 应于剪切强度较低的间断式生产工艺，使用安全可 靠，并且显著地提高了乳化炸药的贮存稳定性。 参考文献 [ 1 ] 金 娥，项朋志．表面活性剂在乳化炸药中的作用 [ J ] ．爆破，2 0 0 9 ，2 6 3 8 9 - 9 1 ． [ 2 ] 赵国玺．表面活性剂物物理理化学[ M ] ．北京北京大 学出版社，1 9 8 4 ． [ 3 ] 吕春绪．工业炸药理论[ M ] ．北京兵器工业出版社， 2 0 0 3 ． [ 4 ] 汪大立，徐国财．丁二酰亚胺乳化机理的探讨[ J ] ．爆 破器材，1 9 9 4 ，2 3 5 l - 5 ． ’ [ 5 ] 汪旭光．乳化炸药[ M ] ．北京治金工业出版社，1 9 8 6 ． [ 6 ] 罗非非，王清华，卢军，等．乳化炸药生产过程中危 险有害因素的辨识和防护措施[ J ] ．爆破，2 0 0 8 ， 2 5 1 9 0 矾． 万方数据