关于水利工程施工爆破地震波的浅识及安全

裴俊彪+张泽龙

摘要：在爆破公害中，爆破地震效应的危害处于首位，爆破地震作用下的安全长久以来都是各国学者所关心的问题。但是由于其涉及到因素繁多且复杂，这一领域一直是水利工程、土木工程等界研究的热点之一。本文通过浅析地震波的研究现状、危害、特性及其人为的控制与安全措施，供以简单认识地震波。

关键词：地震波；水利水电工程；降振措施；

一、爆破地震波研究现状

（1）研究现状

由于矿山建设和采矿爆破，人们对爆破地震现象有了初步的了解。根据现有的资料记载，美国的E.H.Rockwell于1927年率先就采石爆破地震及其对附近建筑物的影响进行了研究。随着其他人的进一步讨论，人们发现爆破震动有一定的可能引起施工周围建筑物破坏。20世纪中叶，在核技术科研需求，以及工程爆破这一手段的广泛应用这两重因素下，以美国为代表的各大发达国家相继展开了对频率对爆破地震作用、爆破地震波的防护等地震效应问题进行了科学系统的分析研究。20世纪50年代，在中国科学院的谢毓寿以及众多有识之士的不懈努力下，中国对爆破地震效应有了历史性的发展，取得了一大批喜人的科研成果。20世纪80年代后，我国计算机技术发展迅速，从而带动数值模拟等研究爆破地震的特性和结构响应成为一个重要的研究方向。虽然起步较晚，但是我国在测试与研究方面做了大量的工作。

（2）爆破地震波研究

爆破地震波是一种复杂的随机复合波，它包含有振幅、频率和持续时间这三者爆破震动三要素，它们对地震波的特性研究方面具有非常重要的意义。爆破地震的能量综合反映了振幅数值、频率和持续时间等特性，人们在小波分解研究爆破地震能量与频率分布的特征方面近年来取得了一定成果。

二、爆破地震波的危害

在水利工程建设中，爆破法是目前最具经济效益和为人们所熟识的施工方法，而爆破地震是在爆破法带来良好效益背后隐藏的危害。在爆破过程中，爆炸能量很大一部分是以地震波的形式扩散的，爆破振动会引起周围介质应力改变和从新分布。爆破地震强烈时可让建筑物的正常工作受到影响，甚至对建筑物造成不同程度的损害，同时，爆破地震容易对附近的居民造成干扰，从而引起纠纷，影响施工进行。曾有某水电站在施工过程中发生过边坡垮塌的事故，我们不能排除长期爆破地震波多次作用产生的影响。

三、爆破地震波的特性

爆破地震波分为体波和面波，这两者所具有的特性不同，在破坏的过程中产生的作用也不完全相同。由于面波所携带的能量较大，所以它是造成地震破坏的主要原因。炸药爆炸的能量释放过程迅速而复杂，且地震波传播所依靠的介质不均匀，决定了它的运动是一个复杂的动力学过程。即使是在同一测点的同一爆破，由于各种可能的情况所得到的振动波形也存在一定差异，爆破地震波具有很强的随机性。爆破地震波相对地震波来说振幅高、衰减快，振动频率高，震动持续时间短、爆破地震相对的在地层的浅部而且具有明显的方向性，其震源位置、能量大小及震动的起始时间可以很大程度上进行人为的控制。

研究证明，下层土的振动在爆破地震的作用下并不是简单地谐和振动，而是一种非周期性振动，是由多种频率的周期性振动同时存在而合成的。可以用傅里叶谱来进行爆破振动分析。

其中震动的时间函数为F（t），ω代表系统的圆频率，

通过逐项积分、化简等步骤可得

如果将上式中的积分变量t改变成参变量τ，最终可得

函数F（ω）为函数F（t）的傅里叶变换，或为函数F（t）的傅里叶谱，函数R（ω）为函数F（t）的傅里叶振幅谱，ψ（ω）为函数F（t）的傅里叶相位谱。一个模拟记录的傅里叶谱系指它的傅里叶展开的系数对于周期的关系。因而计算得出傅里叶系数，就可以给出模拟记录的傅里叶谱。

四、减弱地震波的安全措施

（1）地震效应确定的爆破安全距离

1.1爆破地震波强度计算

目前为止，对爆破震动的测试是预防爆破事故的一大手段，我国《爆破安全规程》规定，判断爆破振动的主要物理量指标选取的是保护目标所在地质点的峰值振动速度，其中大多数使用经验公式计算。常用的有萨道夫斯基公式 ，式中v是介质质点震动的速度cm/s，R是观测点到爆源的距离m，Q为炸药量（齐发爆破取总量，延迟爆破为最大段装药量）kg。

1.2地震安全距离

我国现行国家标准《爆破安全规程》（GB 6722-2003）明确规定：单药包爆破振动安全允许距离，可按式 计算。其中，V是保护所在地质点振动安全允许速度（cm/s），R是观测点到爆源的安全距离（m）。

如果采用群药包爆破，根据现行国家标准规定，各药包起到保护目标止，如果距离差值超过平均距离的10%，需要用等效距离Re和等效药量 Qe分别代替R和Q值。并且使用加权平均值法计算等效距离、等效药量即Re和Qe。

（2）爆破地震效应的影响因素和降振措施

影响爆破振动强度的因素有很多，其中包括微差间隔时间、孔网参数、最大安全药量、预裂爆破和预裂效果、起爆顺序、起爆网络、振动频率和建筑物的结构。

通过不断地经验积累和机能学习，我们掌握了一些有效的手段来降低爆破地震效应。毫秒爆破比较于齐发爆破来说，毫秒爆破的平均降振率为50%，且微差段数分得越多，取得的降振效果越好。采用预裂爆破或开挖减震沟槽，在爆破体与被保护体之间，钻凿不装药的双排减震孔或单排减震孔，降振率可达30%到50%，采用预裂爆破，不仅可以取得更好的降振效果，而且减少了钻孔量提高施工效率與效益，但是需要注意预裂爆破本身产生的振动效应。根据地震安全距离公式，限制单次爆破的用药最大量也是我们需要考虑的问题。

参考文献：

[1]张正宇.现代水利水电工程爆破[M].中国水利水电出版社.2003.5（1）：337-350

[2]张敢生等.工程爆破[M].东北大学出版社.2013.9（1）：254-261

[3]中国水利学会工程爆破专业委员会.水利水电工程爆破技术新进展[C].中国水利水电出版社.2010.6（1）：40-44

[4]言志信，王后裕.爆破地震效应及安全[M].科学出版社.2010（1）：2-5，26-43，101-103