崔年生,夏鶴平,鐘添榕,蔣偉,王元?
(福建省新華都工程有限責(zé)任公司,福建 廈門 361000)
隨著國內(nèi)工程建設(shè)和開發(fā)項(xiàng)目數(shù)量的快速提升,爆破技術(shù)在工程領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用,在爆破作業(yè)應(yīng)有越來越廣泛的同時(shí),也顯露了許多現(xiàn)實(shí)問題,其中爆破振動(dòng)的危害效應(yīng)尤為突出。當(dāng)爆破振動(dòng)效應(yīng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí),容易對(duì)周圍建筑設(shè)施和人員造成安全隱患和財(cái)產(chǎn)損失,有效地控制爆破振動(dòng)的危害效應(yīng)一直都是國內(nèi)外工程爆破領(lǐng)域的重大研究課題。由于爆破地震波在巖土介質(zhì)中的傳播及其引起的地面振動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過程,影響它的因素有很多,如炸藥屬性﹑炸藥數(shù)量﹑裝藥方式﹑炸藥堵塞質(zhì)量﹑爆心位置﹑起爆網(wǎng)絡(luò)﹑地震波傳播介質(zhì)以及一些現(xiàn)場(chǎng)的其他因素的影響。同時(shí),它又與爆區(qū)附近的地質(zhì)條件﹑建筑物本身的材料特性以及施工質(zhì)量等因素有關(guān)。因此,各國科研工作者分別從爆破振動(dòng)危害效應(yīng)﹑振動(dòng)的監(jiān)測(cè)方法﹑振動(dòng)信號(hào)的分析處理﹑爆破振動(dòng)對(duì)建筑物的破壞判據(jù)以及控制降低振動(dòng)危害等方面做出了大量的研究,并取得了一定的理論進(jìn)步及應(yīng)用成果。然而,由于爆破振動(dòng)信號(hào)本身就是不穩(wěn)定隨機(jī)信號(hào),加上實(shí)際地質(zhì)情況的復(fù)雜多變,以上的綜合因素使爆破振動(dòng)信號(hào)的隨機(jī)性變得難以預(yù)測(cè)。在目前研究中尚未完整的掌握地震波的傳播規(guī)律,研究爆破振動(dòng)效應(yīng)及控制危害仍有很長的路要走。
變分模態(tài)分解(Variational Mode Decomposition,VMD)將信號(hào)分解為一系列有限帶寬變分模態(tài)分量,將信號(hào)轉(zhuǎn)移到變分框架內(nèi)進(jìn)行分解,通過尋找模型最優(yōu)解實(shí)現(xiàn)信號(hào)分解。分解后各個(gè)變分模態(tài)分量的估計(jì)帶寬之和最小,各變分模態(tài)分量之和等于原始信號(hào),數(shù)學(xué)公式為:
為了求式(1)(2)的最優(yōu)解,引入增廣拉格朗日將變分約束問題變?yōu)樽兎址羌s束問題,其表達(dá)式如下:
其中,α為二次懲罰因子,λ(t)為拉格朗日乘法算子。
利用交替方向乘子算法解調(diào)上式,得到一系列uk和ωk,即為K個(gè)模態(tài)分量的中心頻率和帶寬。具體步驟如下:
式中,τ為保真系數(shù);
(4)重復(fù)步驟(2)(3)直至(7)滿足,最終得到K個(gè)變分模態(tài)分量:
式中,ε為容差。
為了驗(yàn)證VMD方法的準(zhǔn)確性及模態(tài)參數(shù)識(shí)別的有效性和抗噪性,利用EMD﹑VMD方法對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行分解。設(shè)置仿真信號(hào)Signal由Signal1,Signal2和一個(gè)隨機(jī)噪聲Signal3組成。
仿真信號(hào)的波形及頻譜信息如圖1所示,在頻譜中可得知仿真信號(hào)有大量的高頻干擾噪聲,其優(yōu)勢(shì)頻段在10~50 Hz和70~100 Hz。分別采用EMD﹑VMD方法對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行分解,結(jié)果如下:
圖1 仿真信號(hào)及頻譜
采用EMD分解后的結(jié)果如圖2所示,可看出該信號(hào)由EMD方法分解后得到7個(gè)IMF分量,其中IMF1代表噪聲信號(hào),IMF2和IMF3分別代表兩個(gè)變頻信號(hào),但和初始信號(hào)相比,分解后得到的變頻信號(hào)頻帶變寬,出現(xiàn)嚴(yán)重的模態(tài)重疊的問題,IMF4~I(xiàn)MF7是原始信號(hào)中沒有的分量,說明原始信號(hào)經(jīng)EMD分解后得到過多的IMF分量,出現(xiàn)模態(tài)分裂的問題。綜上可知,EMD的分解結(jié)果模態(tài)分裂,而且噪聲的存在影響了分解效果,很難分辨信號(hào)中的有用成分。說明EMD分解方法不適合短時(shí)非線性信號(hào)的分解。
圖2 EMD分解結(jié)果及頻譜
VMD分解效果如圖3所示,從圖中可以看出,VMD良好的分解出仿真信號(hào)中的兩條變頻信號(hào),分解出的變頻信號(hào)的頻譜光滑,不存在噪聲干擾和模態(tài)重疊的問題,較好還原了信號(hào)中的有用信息,更好地表示出原信號(hào)的組成成分,各模態(tài)的物理意義更加明顯,驗(yàn)證了VMD方法的優(yōu)越性。
圖3 VMD分解結(jié)果及頻譜
針對(duì)礦山周邊典型的被保護(hù)居民區(qū)建筑物進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試,將測(cè)點(diǎn)布置在具有明顯破壞特征的地基或墻角位置,以便真實(shí)反映爆破作用在建筑物區(qū)域產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,從信號(hào)能量層面分析爆破振動(dòng)對(duì)破壞特征明顯建筑物的影響?,F(xiàn)場(chǎng)共布置3個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)與爆源幾何中心的水平距離分別為587.45m﹑590.36m﹑595.43m,測(cè)點(diǎn)的高程分別為47.52m﹑48.87m﹑49.35m,高程差與水平距離的差異性小忽略不計(jì)?,F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器安裝如圖4所示。
圖4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)
爆破振動(dòng)測(cè)試采用四川拓普測(cè)控科技有限公司生產(chǎn)的一體化爆破測(cè)振儀iSV-420,此儀器可一鍵完成三維速度﹑加速度等振動(dòng)參數(shù)測(cè)量,還可通過手機(jī)﹑平板﹑PC無線遠(yuǎn)程控制;設(shè)備體型小巧,方便攜帶,堅(jiān)固美觀,適用于工程爆破振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,測(cè)量精度為0.5%,測(cè)量范圍在0.01cm/s~40cm/s(X﹑Y﹑Z三向)之內(nèi),低頻響應(yīng)可往下低至0.01Hz。在測(cè)點(diǎn)位置用石膏把傳感器與地面緊密粘連,以便真實(shí)反映基巖受爆破引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)﹑記錄。典型測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)波形如圖5所示。
圖5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)波形圖
運(yùn)用VMD方法對(duì)爆區(qū)周邊居民區(qū)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解。圖6為監(jiān)測(cè)點(diǎn)信號(hào)波形的VMD分解得到的各IMF分量和Res分量。
圖6 實(shí)測(cè)信號(hào)VMD分解
隨著分解的進(jìn)行,所得分量的頻率逐漸降低,波長波動(dòng)變長,最后處理得到一個(gè)頻率很低的Res分量。在地形﹑地質(zhì)和測(cè)點(diǎn)位置相同的條件下,雖然單段最大裝藥量的不同,但測(cè)點(diǎn)距離較大,不同裝藥量條件下垂直方向的爆破振動(dòng)峰值速度不同,各測(cè)點(diǎn)信號(hào)分解后所包含的分量數(shù)目相同。隨著單段最大裝藥量的增加,噪聲分量減少,振幅也出現(xiàn)增大的現(xiàn)象,但第三次爆破試驗(yàn)測(cè)得的峰值振速和第二次無太大差異性,推測(cè)可能的原因是前兩次爆破振動(dòng)導(dǎo)致巖體介質(zhì)出現(xiàn)節(jié)理裂隙,對(duì)爆破振動(dòng)的衰減作用增大。圖6清晰的彰顯了VMD對(duì)各分量的分解還原度很高,解決了模態(tài)混疊特性,抗噪能力強(qiáng),IMF1為高斯白噪聲。得出的分量結(jié)果表明VMD方法模態(tài)分解效果好。
采用matlab程序?qū)Σ糠址至啃盘?hào)進(jìn)行瞬時(shí)頻率譜計(jì)算。圖7為各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的瞬時(shí)頻率譜,根據(jù)瞬時(shí)頻率譜可以看出“頻率—時(shí)間—瞬時(shí)能量”的變化特征,測(cè)點(diǎn)分量1振動(dòng)信號(hào)能量在頻率上的分布以20~60Hz為主,主振頻率為40Hz左右,在時(shí)間上的分布以0.1~0.7s為主,但0.7s后色標(biāo)顏色變得不是很明顯,說明0.7s后的振動(dòng)能量以低頻信號(hào)所攜帶的能量占比為主。根據(jù)圖7(b)可以看出,分量2測(cè)點(diǎn)的能量在頻率上的分布主要為20Hz左右,頻率分布具有比較好的穩(wěn)定性,在時(shí)間上以0.3~0.5s和0.7~0.8s兩個(gè)集中段為主,能量具有過度集中現(xiàn)象,造成此現(xiàn)象的原因可能是沒有合理設(shè)置延時(shí)時(shí)間。圖7(c)可以看出,分量3能量在頻率上的分布以18~30Hz為主,主振頻率為20Hz左右,低頻能量分布均勻,低頻能量對(duì)建筑物破壞較大??傮w來看,隨著段數(shù)裝藥量的增加,瞬時(shí)頻譜顏色逐漸加深,爆破振動(dòng)信號(hào)能量整體呈放大的趨勢(shì),三次爆破試驗(yàn)的信號(hào)能量主要分布在0~80Hz范圍內(nèi),以低頻段能量集中為主,能量集中時(shí)間段與原始爆破地震波較大幅值對(duì)應(yīng)的時(shí)間段相一致,能量最大值出現(xiàn)在峰值振速對(duì)應(yīng)的時(shí)間處。
圖7 分量瞬時(shí)頻率譜
根據(jù)研究結(jié)果來看,在礦山爆破遠(yuǎn)距離區(qū)域,振動(dòng)信號(hào)的主振頻帶為低頻帶,基本沒有高頻帶振動(dòng)信號(hào)。分析表明,爆區(qū)周邊居民區(qū)的振動(dòng)信號(hào)大部分能量主要聚集在低頻部分,建筑物對(duì)爆破振動(dòng)的響應(yīng)是在藥量﹑巖體節(jié)理裂隙﹑爆心距與高程變化等多影響因素作用下綜合表征的結(jié)果。優(yōu)化后VMD方法對(duì)爆破地震波這類非線性非平穩(wěn)曲線處理得出的瞬時(shí)頻率譜圖精準(zhǔn)并清晰地揭示了時(shí)間—頻率—能量分布特征。VMD方法可以很好地刻畫爆破振動(dòng)信號(hào)的非線性動(dòng)態(tài)變化特征,該方法為爆破振動(dòng)信號(hào)的深入研究提供了一種新的思路。
綜上所述,本文對(duì)變分模態(tài)分解方法在爆破工程中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析和總結(jié)。變分模態(tài)分解方法提高了爆破振動(dòng)信號(hào)分解的精度,提高了信號(hào)時(shí)頻分析的準(zhǔn)確性,明確了各個(gè)分量的物理意義,取得了一定的成果。但從目前來看,在其他爆破振動(dòng)信號(hào),如隧道爆破﹑拆除爆破中作者還未進(jìn)行系統(tǒng)的研究,因此要加強(qiáng)該方法在不同種類信號(hào)中的適用性研究,進(jìn)一步促進(jìn)爆破工程領(lǐng)域的發(fā)展。