1、水下爆破振动测试技术研究与应用 顾文彬 王振雄 刘建青 汤鹏 徐景林 刘欣 曹涛 陆军工程大学 96863 部队 摘 要： 研制了一套可用于水底岩石振动监测的水下爆破振动测试系统, 由自主采集终端、堵孔装置和上机位软件平台组成。该测试系统可用于水底岩石中的振动监测, 测试数据可靠有效, 能够用于水底岩石地震波传播规律的研究和对水底岩石爆破振动信号的分析研究。关键词： 水下爆破; 爆破振动; 振动测试; 测试系统; 作者简介：顾文彬 (1961) , 男, 博士, 博士生导师, 主要从事兵器科学与技术方面研究。作者简介：王振雄 (1987) , 男, 博士, 主要从事毁伤效应研究。收稿日期：20
2、17-08-20Research and Application of Underwater Blasting Vibration Testing TechnologyGU Wenbin WANG Zhenxiong LIU Jianqing TANG Peng XU Jinglin LIU Xin CAO Tao College of Field Engineering, Army Engineering University; The No.96863rd Troop of PLA; Abstract： In order to study the propagation law of se
3、ismic waves in underwater rock blasting underwater rock, a set of underwater blasting vibration test system which can be used for underwater rock vibration monitoring is developed independently. The test system consists of autonomous collection terminal, plugging device and upper plane software plat
4、form. Through the laboratory test and the authority of the calibration test and field test to verify that the test system can be used in underwater rock vibration monitoring, test data reliable and effective. The test system can be used to study the seismic wave propagation law of underwater rocks a
5、nd to analyze the vibration signals of underwater rock blasting.Keyword： underwater blasting; blasting vibration; vibration testing; test system; Received： 2017-08-20随着海洋经济开发和大型军港码头建设的快速发展, 水下钻孔爆破技术应用日益广泛。于此同时水下钻孔爆破带来的危害效应控制研究也就越为重要, 水下钻孔爆破的危害效应包括水中冲击波, 振动效应, 但水下钻孔爆破引起的地震波振幅大、频带宽, 对海底光缆、隧道、油气管线及水中构筑
6、物等生命线工程和军事设施造成破坏性更大, 振动危害效应的评估很有必要。水底测试环境的特殊性使得水底振动测试系统除了具有一般陆地爆破测振仪的通用性能外, 还必须防水、防腐蚀、抗噪声能力强, 外观设计还应考虑水底设置的可靠性和稳定性。但由于缺乏测试设备和技术, 国内外关于水下爆破震动监测与评估研究几乎还是空白1-7。因此, 开展水底爆破震动测试技术研究与应用具有重要军事意义和推广价值。结合实际情况, 研发设计了将一体化自主采集终端与上机平台分离的测试系统总体方案, 自主采集终端包括振动传感器、控制采集系统、电源功能以及数据存储功能, 上机位平台可通过软件对采集数据进行读取、分析以及对采集终端进行参
7、数设置8,9。1 水下爆破震动测试系统研制相对于陆地测试, 水下爆破水底测振更为困难和复杂。主要原因在于:传统的有线振动测试方法中传感器无法在水底的岩石上设置, 各联结环节防水处理复杂, 传输电缆架设固定不便。现有条件下的振动传感器无法做防水处理, 为了得到测点的真实地震信号, 必须保证传感器与测点的可靠固定, 使传感器与水底岩体之间满足位移连续性条件, 而自然水底面多有乱石、淤泥且不平整, 尚无有效的水下粘结剂, 使得传感器与水底岩面无法使可靠固定, 由此设计研制出一种可以在水下布设的水下爆破水底振动测试系统, 提出一种在水底岩石中钻浅孔, 将传感器设置于孔底, 采用堵孔装置将传感器与孔底部
8、的岩石固定接触, 进而保障传感器可以采集到准确的振动信号, 可以满足水底测振的需求。水下爆破振动测试系统如图 1 所示, 主要由水底振动采集终端、堵孔固定装置和上机位软件三部分组成。1.1 水底振动采集终端根据深水岩石钻孔爆破功能和性能要求, 自主采集存储振动测试系统主要由三向振动信号敏感器件、加速度积分电路、数据信号采集电路、数据存储电路、数据出入输出电路、电源控制电路和壳体等部分组成。其整体机械结构和元件布局示意图如图 2。根据技术指标和功能要求, 提出了控制电路总体方案方块图如图 3 所示。图 1 水下爆破震动测试系统 下载原图图 2 整体机械结构和元件布局示意图 下载原图图 3 控制电
9、路总体方案 下载原图1.2 堵孔固定装置为了克服现有的水下爆破水底振动预埋测试系统水底固定难题, 本实用新型提供一种水下堵孔紧固装置, 用于实现水底振动预埋测试系统的可靠固定, 保证测试系统与被测体之间的运动一致性10。图 4 为堵孔装置与水下爆破测试系统连接使用的示意图, 测试系统与堵孔装置利用堵孔装置带有螺纹的通孔, 采用螺纹杆连接, 两者在试验时可以成为一个整体压入到岩石孔内, 采集数据结束后, 利用螺纹杆上的拉环拉出堵孔装置与测试系统, 再将堵孔装置拆下, 就可以对测试振动数据进行导出分析。堵孔装置的设计直接影响, 能否将测试系统稳定的设置与测试孔内。对堵孔装置的使用进行了现场试验,
10、采用堵孔装置在孔内和地表采用 TC4850 设置测点, 共设置三组对比测点, 对比相同爆心距的测点得出采用堵孔装置设置与地表测点的振动速度时程曲线十分相似;采用 FFT 分析所得的功率谱基本重合, 说明此种设置方式监测爆破振动的方案可行, 数据可靠。水底测点设置振动测试系统的安装示意图如图 5 所示。图 4 堵孔装置与测试系统连接使用的示意图 下载原图图 5 测试系统水下安装示意图 下载原图1.浮漂;2.钢丝绳;3.堵孔器;4.采集终端;5.水;6.海底碎石、淤泥等;7.岩石1.3 上机位软件平台上位机软件运行于 WINDOWS XP 平台, 打开软件之前, 先确认本机 IP 地址为“192.
11、168.0.30”, 否则本系统将无法通过网络控制水下传感器系统, 上机位平台工作流程图如图 6 所示。图 6 上位机平台工作流程 下载原图采集终端和上位机连接, 如图 7 所示, 双击运行本系统。当启动后信息提示:服务器已启动, 等待连接, 本系统已经准备就绪, 此时系统只有“历史数据”按钮开放, 即此时只能浏览历史数据。此时打开水下传感器电源, 传感器将尝试连接系统, 连接成功后, 系统首先读取水下传感器参数。此时, 系统其余功能全部打开, 包括系统自检, 设置参数, 清空数据和数据传输。根据测试系统的使用环境, 提出将振动传感器、电源、数据存贮等设置于外表经过硬化处理的硬铝圆柱壳体, 在
12、壳体内将各元件集成, 连接电路, 安装设置面板及数据接口, 使其可以通过上机位软件对振动传感器进行参数设置, 设置完成后可以完成静默、启动采集以及自动待机等功能, 在采集结束后还可以通过数据传输接口将振动数据上传至上机位软件, 完成振动数据的传输和简单处理, 利用上机位软件将振动数据保存为通用的数据格式, 以便进一步对振动信号进行分析处理。图 7 测试系统和上位机连接图 下载原图2 测振系统主要性能指标自主采集存储振动传感器主要组成部分有壳体、三向振动速度传感器、数据采集及存储模块、充电电源、网线接口、工作状态显示面板和上机位等构成。除了具有防水、防腐性能外, 其主要技术要求见表 1。表 1
13、振动传感器主要技术指标 下载原表 自主采集与存储爆破振动传感器的主要性能参数如表 2 所示。所研制的自主采集与存储爆破振动传感器及其计算机采集与数据处理系统, 已经在实验室模拟振动试验台上得到验证和标定, 经过陆地钻孔爆破试验测试与调试, 获得了爆破振动速度三维测试结果, 进一步验证了自主采集与存储爆破振动传感器及其计算机分析数据处理系统的准确性、实用性。通过水下密闭性测试, 考核了其密封防水性能、长时间和多次测振能力, 以及 12 h 待机工作能力。结合陆地钻孔爆破工程, 利用自主测试系统获得振动信号, 验证了自主测试系统在试验过程中的可靠性。表 2 自主采集存储爆破振动传感器主要技术指标
14、下载原表 3 工程实践应用依托宁波石浦港航道扩建二十万方炸礁工程, 如图 8。采用水下爆破震动测试系统, 如图 9 所示, 将测点分布于水底岩石。振动测试系统测得水底测点的速度时程曲线如图 10。通过试验获得大量水底岩石的不同测点爆破震动数据, 验证了水底振动测试系统的可靠性并为下一步水下钻孔爆破地震波传播规律的研究打下坚实基础。采用水下爆破振动测试系统获得水底岩石的典型振动数据如表 3 所示。图 8 试验区域现场图 下载原图图 9 水下爆破振动测试系统 下载原图图 1 0 振动测试系统测得水底测点的速度时程曲线 下载原图表 3 水底测点的振动数据 下载原表 4 结论根据水下钻孔爆破水底岩石振
15、动测试的技术特点, 开展水底振动测试系统的研究并成功研制一套可用于水底岩石振动数据采集的水下爆破振动测试系统。采用圆柱形硬铝壳体将振动感知、集成电路、供电电源以及数据存储等功能集于一体的采集系统, 成功解决水下仪器的防水防腐蚀等问题, 研制与之配套的上机软件, 掌握可以采集水底岩石振动数据的技术。对测试系统进行了实验室和爆破现场测试试验, 证明测试系统的设置方式合理, 采集数据可靠, 为后续研究水底岩石中地震波的传播规律提供技术支撑和经验参考。参考文献1孙锡杰, 曲伟友, 吴金仓.海上水下深孔控制爆破J.爆破, 2006, 23 (3) :73-75. 2赵根.深水条件下围堰拆除爆破技术研究D
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17、explosionsJ.Combustion, Explosion and Shock Waves, 2009, 45 (2) :218-229. 5王强, 丘学林, 赵明辉, 黄海波, 敖威.南海海底地震仪异常数据的分析和处理J.地球物理学报, 2016, 59 (3) :1102-1112. 6WANG Xiangchun, XIA Changliang, LIU Xuewei Liu.A case study:imaging OBS multiples of South China SeaJ.Marine Geophysical Research, 2012 (1) . 7Dash, R
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