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小波变换在某高烟囱拆除爆破振动分析中的运用

小波变换在某高烟囱拆除爆破振动分析中的运用

小波变换在某高烟囱拆除爆破振动分析中的运用
   摘 要: 对黄岛热电厂烟囱拆除中的振动信号进行了分析,用“db6”小波基对信号进行分解,从分解信号中提取了各次振动不同频率段的时间信息,并对各频带进行能量统计。分析表明,在爆破振动分析中,使用小波分析比传统分析能更好地观察振动信号的时频特性。此次振动由于震源多而成分复杂,能量分布广,主振频带较单一震源的振动信号宽,烟囱塌落构成地面振动的主要因素。
   1 引 言
   在青岛经济技术开发区(黄岛)热电燃气总公司的拆迁过程中,有一座152. 8 m的高烟囱需爆破拆除。由于周围厂房离烟囱的距离小,容许烟囱倒塌的范围远小于烟囱的高度,经过多次论证,决定采用双向折叠爆破技术,爆破的第一个切口在烟囱的61. 8 m高度处,方向向南,共钻孔208个,单孔装药量为170 g;第二个切口在烟囱的30 m高度处,方向向北,共钻孔400个,单孔装药量为180 g;第三个切口在烟囱根部,切口高度4. 6 m,共钻孔400个,单孔装药量为300 g[1]。
   在烟囱的爆破和塌落过程中,采用IDTS3850爆破振动记录系统对烟囱爆破及倒塌过程中产生的地面质点振动情况进行了记录。根据爆区周围环境情况及烟囱预定的倒塌区域综合分析,在爆破区域附近共选择了6个测点,布设了6个振动传感器。测点距烟囱底部中心的距离由近到远分别为11. 1 m、18. 7 m、21. 2m、22. 9m、44. 2m和46. 9m。各测点布局见图1。
   起爆后,烟囱按预定的方式倒塌,现场布设的6个传感器采集到了各点在烟囱爆破及塌落过程中的振动波形及参数。各测点处的振动波形图见文献[1]。

   2. 1 信号的初步分析
   根据对此次爆破作业的过程分析,引起地面质点振动的震源应该有9个: 3次切口爆破、3次切口闭合以及烟囱3段的相继塌落。其产生的时刻和空间各异,导致此次爆破振动持时较长(近10 s),波形较为复杂, 6 s前基本为切口爆破及切口闭合所致,除第一切口爆破波形可以明显辨认外, 1—6 s段波形峰值变化不太明显,要明确辨认出各次振动产生的时刻点有较大的难度; 6 s后波形段有3处幅度较大的突跃点(6. 4 s、7. 5 s、8. 4 s),可以确认此为烟囱各段相继塌落冲击地面而产生,其振动峰值大,且衰减相当迅速。
   根据帕斯维尔(Parseval)定理[2]52-53,序列在时域中计算能量与频域中用频谱计算信号能量是一致的,利用Matlab对信号进行FFT变换,并绘制如图3所示的功率谱图。
   从功率谱图可以看出,爆破振动信号为一宽带随机过程,含括频率范围广,但信号能量基本集中在0—100Hz,优势频率位于0—50 Hz, 100 Hz以上高频分量所含能量比重小。
 
   2. 2. 2 振动信号的小波分析
   此次测量中信号采样率为1 kHz,因此其折叠频率[2]12-13为500Hz(折叠频率指利用一个取样频率为f的离散时间系统进行信号处理时,该系统所能通过的信号频谱分量中的最高频率,为f/2。有的文献称f/2为奈奎斯特(Nyqusit)频率,实际上Nyquist频率是指信号中的最高频率,跟折叠频率概念是不一样的,这里取IEEE声频和电声组所建议的定义和术语),采用二进尺度变换,用“db6”将信号分解到6层,其对应为7个频带,最低频带为⑦0—7. 812 5Hz( a6),其余频带分别为⑥7. 812 5—15. 625 Hz (d6),⑤15. 625—31. 25 Hz (d5),④31. 25—62. 5 Hz (d4),③62. 5—125 Hz (d3),②125—250Hz (d2),①250—500 Hz (d1)。对信号分解后的波形如图4所示,其中a6第6层逼近信号, d6—d1为各层细节信号。
   文献[1]中根据爆破延迟时间及对各振动原始波形直观分析判断出了8个产生振动的时刻点:第一个切口爆破振动(0 s)、第二个切口爆破振动(1. 7s)、第一切口闭合振动(2. 3 s)、第三个切口爆破振动(3 s)、第二个切口闭合振动(4 s)、烟囱底段倒塌振动(6. 4 s)、中间段塌落振动(7. 5 s)和上段塌落振动(8. 4 s)。从分解信号图来看,第5层、6层分解信号较为清晰地反映出了各次振动的出现时刻,除文献[1]中所述的8个时刻外, 5. 9 s时刻应为第三个切口闭合点。
   另外,从分解信号图中可知,烟囱塌落所造成的地面冲击振动幅度在各频率段都明显大于切口爆破及闭合所产生的振动幅度;爆破及切口闭合所产生的振动基本集合在中低频范围;比较‘d1’—‘d3’3个高频分量图6 s前的信号可以看出,在这3个较高频率段仅出现3个较为明显的波形(0 s、1. 7 s、3s),根据其对应的时间可知此分别为3次切口爆破所引起,而切口闭合产生的振动仅出现在‘d5’以下的频率段,基本为低频分量,可知在3种震源中切口闭合所致的振动频率是最低的。又由‘d1’、‘d2’2个高频分量图可知, 0 s、1. 7 s、3 s的高频成分是逐渐增加的, 3 s左右才出现较为明显的高频成分,这是因为其所对应的3次爆破点离地高度依次降低,离测点距离依次减小,高频波在从产生点到记录点的传播过程中的衰减程度依次减小,同时,各段药量依次增加对振幅也存在一定的影响。而从‘a6’和‘d6’2个低频分量图来看, 6 s前的各次振幅大小没有非常明显的区别,说明对同一测点而言,一定的距离差(高度各差30 m左右)并未对低频信号的传播造成太大的影响,这也证实了低频波在传播中比高频波衰减要慢。
   2. 2. 3 小波变化后的信号能量统计
   设爆破地震信号的总能量为E0,根据小波分解式,可得[4]:


   由图5可见,信号能量基本分布在第3—6个频带上,占总能量的90.06%,这4个频带能量分布比较平均,能量比例最高的第5频带(15. 625—31. 25Hz)也不及50%,仅占37.81%;与建筑物自振频率接近的第6频带能量也占有较高的比例,为24.33%。由于这次爆破振动震源多,从而导致信号成分复杂,信号主振频带较一般的爆破振动信号要宽。
   3 结 论
   1)小波分析的多分辨分析特点可以较好地反映出爆破振动信号的时频信息,与传统的Fourier相比,可以更好地满足爆破振动非平稳随机特征分析的要求,可以从分解和重构信号中得出不同频率成分振动分量的时间衰减规律。
   2)由于震源的非单一性,使得此次振动信号成分复杂,振动主振频率分布较宽,能量分布较单一震源所引起的振动信号广。切口爆破及闭合均离地面有一定高度,使得由此而产生的地面振动幅度小;烟囱塌落直接对地面产成冲击,成为地面振动的主要影响因素。因此,在对高耸建筑物进行爆破时,不仅要对爆破产生的飞石等进行防护,更重要的是要在其倒塌方向进行缓冲处理,一般采用堆筑多道沙袋或松土的办法。
   3)仅对单点信号进行分析,只能反映不同震源所致的振动传播至同一地点的部分信息,而不能体现其对于不同位置点的传播规律。另外,由不同时空的多点震源引起的振动而产生的振动信号,其叠加和干涉而导致频谱特性改变的规律值得研究。
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