核電廠基礎開挖爆破振動監(jiān)測與數據分析?

顧 云 孫 飛 李廣洲 唐 毅

核工業(yè)南京建設集團有限公司(江蘇南京，211102)

引言

隨著國民經濟的高速發(fā)展，我國的核電建設事業(yè)加快了發(fā)展的步伐。核電站建設規(guī)模大、機組多，只能進行多機組分期建設裝配。而后期機組建設時，必須保證已建機組安全穩(wěn)定地運行，尤其要考慮爆破施工對其產生的振動影響[1-4]。因此，對后期建設爆破施工的振動信號進行嚴密監(jiān)測和多方位分析至關重要。

傳統變換方法(如傅里葉變換)是建立在平穩(wěn)隨機過程基礎上的。而爆破振動屬于典型的短時非平穩(wěn)隨機過程，傳統方法無法反映爆破振動信號的本質性特點。而小波變換方法為非平穩(wěn)隨機信號特征提取提供了可能[5-16]。

在福建漳州核電廠一期施工中，針對爆破振動信號的特征，利用小波變換的多分辨分解和分層重構信號與原始信號之間的基本關系，分析了爆破能量分布的特征，取得了爆破振動信號能量分布的規(guī)律。以期為核電廠二期工程爆破技術方案的設計與優(yōu)化提供參考。

1 工程概況

福建漳州核電廠項目規(guī)劃建設6臺AP1000核電機組(Ⅰ＃、Ⅱ＃機組為華龍一號)，總裝機容量約750萬kW。其中，一期工程建設4臺機組，裝機容量500萬kW。

廠址區(qū)上部地層為第四系，包括殘積層(含殘坡積層)、沖洪積層、海積層和人工堆積層等。其下為中生代形成的巖石，主要分布有早白堊紀形成的中細粒黑云母二長花崗巖和中細粒正長花崗巖、早侏羅紀形成的中細粒花崗閃長巖和石英二長巖；巖脈主要為輝綠巖，局部見有花崗細晶巖、花崗偉晶巖及石英巖脈。巖性以中硬巖、硬巖為主，對地震波的衰減作用不如軟巖或黏土介質。

一期工程施工區(qū)域以Ⅴ＃、Ⅵ＃機組及其廠區(qū)西側為界，功能設施為Ⅴ＃、Ⅵ＃機組主生產區(qū)和廠前區(qū)。開挖后場平標高13.5 m，土方60.32萬m3，石方587.83萬m3，回填方357.33萬m3；挖溝槽土方648 m3，石方1 513 m3，邊坡預裂面積39 600 m2。

平面圖如圖1所示。圖1中，施工坡道采用半挖半填的方式修筑，路面寬10 m，道路內側設排水溝，外側設置塊石擋墻；施工道路主坡道縱坡為原有縣道拓寬，縱坡約6%；其余各支路縱坡不大于10%。

2 爆破振動測試設計和數據采集

2.1 測點布設及爆破參數

爆破區(qū)域位于施工區(qū)，高程為44.0 m(孔口)。爆破振動監(jiān)測點設置在相鄰兩個村莊以及近處的水壩閘門處，相對位置布置見表1。

表1 測點布設相對位置信息Tab.1 Relative position information of measuring points

選取三標段爆破實例，爆破技術參數見表2。

2.2 儀器選擇及參數設置

土石方振動監(jiān)測與試驗測點多、分布散，為了有效采集爆破振動信號，測試儀器選用TC-4850爆破測振儀及配套的國產891-II型速度/加速度傳感器。每一測點測試3個分量，即1個垂直分量和2個水平分量。設置儀器時，X軸沿南北向，Y軸沿東西向，Z軸為垂直向。

儀器的技術參數為:頻率5～500 Hz，量程<35 cm，分辨率0.01 cm/s，讀數精度0.1%，設置采樣率8 kHz，觸發(fā)閾值0.050 8 cm/s。結果見表3、表4。

3 信號處理與分析

采用小波分解的方法對信號進行分析處理。小波變換是信號時-頻分析領域中較為成熟的一種方法，其不同于傳統的傅里葉變換，不僅可以得到信號的頻率分布信息，同時也能定位信號的時間分布。也不同于DFFT方法，小波變換具有可變的頻率窗，其窗口大小恒定但形狀可以改變。在對頻率分辨率需求較大的低頻部分，小波變換具有較高的頻率分辨率；而在對時間分辨率要求較高的高頻部分，小波變換具有較高的時間分辨率。因此，小波變換方法的這些特性決定了其十分適合用于處理爆破振動信號這類的非平穩(wěn)隨機過程。

表2 爆破參數Tab.2 Blasting parameters

表3 峰值測量結果Tab.3 Measurement results of peak value cm/s

表4 主頻測量結果Tab.4 measurement results of the main frequency Hz

3.1 信號的分解與重構

信號經過小波變換處理后，得到按指數等間隔分布的頻帶，其分解過程是將原始信號分解為高頻部分d1和低頻部分a1；多層小波分解的過程為將得到的低頻成分繼續(xù)分解為高頻部分d2和低頻部分a2，循環(huán)往復，直至達到設定的分解層數，見圖2。

選取與起爆點距離最近的A測點的振動信號進行分析，對所監(jiān)測信號的南北向(X軸)分量，即垂直振動信號s(T)進行小波分解，綜合考量對稱性、緊支性、正交性和消失矩幾項性能[9]。采用爆炸振動信號分析領域運用較成熟的“db8”小波基，分析選擇分解尺度j＝7。

s(T)＝a7＋d7＋d6＋d5＋d4＋d3＋d2＋d1。(1)

分解結果如圖3所示。得到重構信號(圖4)，并計算得出重構信號與原始信號的相對誤差(圖5)。由圖5可以看出，相對誤差在10-12左右，完全滿足工程計算的要求。

本次爆破監(jiān)測采樣頻率為8 000 Hz，依據奈奎斯特采樣定理，其奈奎斯特頻率為4 000 Hz。根據小波分析原理及爆破振動信號特征，分解頻帶寬度為4 000/27＝31.25 Hz。對分解得到的各個分量進行頻譜分析，如圖6。

由圖6分析可以看出，振動信號分布的頻率范圍較寬，但其主要分布在a7和d7所在的0～31.25 Hz頻帶以及31.25～62.50 Hz頻帶。

設信號分解到第j層的部分能量為Ej，則有

式中:Xi，j為重構信號離散點的幅值。設信號總能量為E0，則有各頻帶的相對能量分布為:

圖7為信號能量頻帶分布情況。

圖7(a)中可以具體地看出，X軸信號在1＃(0～31.25 Hz)頻帶上的能量占總能量的70%以上，2＃(31.25～62.50 Hz)頻帶的能量約占總能量的20%，

62.50 Hz以上的頻帶能量總和占比不足10%。

對于Y軸信號，1＃(0～31.25 Hz)頻帶能量占比約為68%，2＃(31.25～62.50 Hz)頻帶的能量占比約為30%，62.50 Hz以上頻帶總能量占比小于3%。

對于Z軸信號，1＃(0～31.25 Hz)頻帶能量占比約為87%，2＃(31.25～62.50 Hz)頻帶的能量占比約為9%，62.50 Hz以上頻帶總能量占比小于5%。從能量集中程度來看，鉛垂方向的振動能量集中程度最高，其次為南北向。

3.2 時頻特性分布

進一步分析，將小波變換的結果繪制在時頻域上，得到其能量時頻分布情況，如圖8所示。由時頻分布圖可以看出:

1)南北向(X軸)信號的頻率中心為22 Hz左右，其他頻帶上也有能量，但份額極少；2)東西向(Y軸)信號分別在13、22 Hz和30 Hz處出現了3個幅值較大的頻率中心；

3)鉛垂方向(Z軸)信號的主要能量分布在13 Hz左右，同時在15～40 Hz范圍內也有分布；

4)持續(xù)時間與頻率反相關，即低頻分量到達時間早、衰減慢，高頻分量到達時間晚、衰減快；

5)南北向(X軸)振動持續(xù)時間最短，0.6 s以后幾乎衰減殆盡，東西向(Y軸)和鉛垂方向(Z軸)振動持續(xù)時間都在1.0 s左右。

將時頻譜對時間做積分，得到小波功率譜密度，更精確直觀地反映能量在頻率軸上的全局分布情況，如圖9所示。

由圖9中數據可以精確定位振動能量所在的頻率，在國家標準GB6722—2014《爆破安全規(guī)程?中規(guī)定了不同頻段中相應類別建筑物的安全允許振速。通過信號分析得到的結論來看，選取安全允許振速閾值時應參照10～50 Hz對應的數值，在二期施工時，應考慮到一期機組正在運行，其安全允許振速為0.6～0.7 cm/s(10～50 Hz)。

4 結論

1)本次爆破監(jiān)測振動持續(xù)時間在不同振動方向上存在差異。南北向(X軸)振動持續(xù)時間最短，東西向(Y軸)和鉛垂方向(Z軸)振動持續(xù)時間較長，都在1.0 s左右。且振動持續(xù)時間表現出與頻率的反相關關系，低頻分量到達時間早、衰減慢，高頻分量到達時間晚、衰減快。

2)振動信號的頻率分布在不同振動方向上也呈現差異性。南北向(X軸)振動頻率成分相對單一、分布較為集中，東西向(Y軸)振動頻率成分相對復雜，出現了多個子頻率中心。

3)由于地形及巖性的因素作用，核電廠區(qū)的爆破振動的能量分布主要集中在10～50 Hz的范圍內，在后期建設二期機組時應當考慮到一期機組的最大安全允許振速。