陳江海， 顧文彬， 王振雄， 李 寧， 劉建青， 徐景林

(1.解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京 210007； 2.解放軍理工大學(xué) 訓(xùn)練部，南京 210007； 3.解放軍65307部隊(duì)，吉林 吉林 132002)

洋山港水下多孔爆破陸地和水底震動(dòng)實(shí)地測(cè)試與分析

陳江海1,3， 顧文彬1， 王振雄1， 李 寧2， 劉建青1， 徐景林1

(1.解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京 210007； 2.解放軍理工大學(xué) 訓(xùn)練部，南京 210007； 3.解放軍65307部隊(duì)，吉林 吉林 132002)

為研究水下多孔爆破引起的水底和陸地震動(dòng)特點(diǎn)，依托洋山港治理工程進(jìn)行了水下多孔爆破水底和陸地震動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)并獲得有效震動(dòng)信號(hào)，利用頻序小波包分解算法對(duì)震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻帶分解和能量分布的對(duì)比分析。測(cè)試和分析結(jié)果表明，相比水底震動(dòng)，陸地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，幅值衰減很大，頻帶更窄，主頻更低，并且含有明顯的次高頻帶；三個(gè)方向震動(dòng)能量衰減都在90%以上，而以上下垂直向能量衰減最大，水平垂直于岸的南北向衰減最??；低頻帶小波包能量衰減最小，高頻帶小波包能量衰減最大，并且水平平行于岸的東西向和水平垂直于岸的南北向小波包能量衰減呈現(xiàn)振蕩特征。

水下多孔爆破；陸地震動(dòng)；水底震動(dòng)；小波包分析

隨著沿海經(jīng)濟(jì)開發(fā)、海防工程建設(shè)和內(nèi)陸江河治理的發(fā)展，水下爆破技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛[1-2]，對(duì)加快建設(shè)進(jìn)度、降低建設(shè)成本、促進(jìn)社會(huì)發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用，但其隨之而來(lái)的沖擊和振動(dòng)等破壞效應(yīng)卻對(duì)施工區(qū)域的周邊環(huán)境帶來(lái)不利影響[3-6]。爆破振動(dòng)是水下爆破的環(huán)境有害效應(yīng)之一，由于水體、水底沉積層和含水巖體的影響，水下爆破振動(dòng)的特征和傳播規(guī)律與陸地爆破有所不同，因此得到了眾多學(xué)者的關(guān)注，并借鑒陸地爆破振動(dòng)的分析思路對(duì)水下爆破引起的陸地震動(dòng)和水中建構(gòu)物的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了眾多研究[7-9]。但現(xiàn)有研究成果對(duì)水下爆破震動(dòng)信號(hào)本身的獨(dú)有特征分析不深，并且由于缺乏有效的水底震動(dòng)測(cè)試設(shè)備和方法而對(duì)水底震動(dòng)的研究不夠。本文利用通用陸地測(cè)振儀和研制開發(fā)的自主采集水底震動(dòng)傳感器[10]，結(jié)合上海洋山深水港碼頭水下爆破工程，開展了水下多孔爆破陸地和水底震動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，得到了有效的震動(dòng)信號(hào)；利用頻序小波包分解算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行了量化分析，對(duì)水下鉆孔爆破引起的水底和陸地震動(dòng)在時(shí)、頻、能方面的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，取得了一些初步的認(rèn)識(shí)，為水下爆破震動(dòng)的研究提供一些新的思路。

1 水下多孔爆破水底和陸地震動(dòng)測(cè)試

1.1 水下爆破工程概況

此次水下爆破工程屬于洋山深水港區(qū)四期工作船碼頭建設(shè)項(xiàng)目的子工程，位于浙江省嵊泗縣小洋山島顆珠山南岸邊緣，西側(cè)為擬建洋山四期集裝箱碼頭，東側(cè)為顆珠山汊道。工作船碼頭按靠泊5千噸級(jí)船舶設(shè)計(jì)，采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，東西長(zhǎng)350 m，南北寬20 m，放置沉箱的水下基槽巖石部分需要炸礁平整。炸礁區(qū)域南側(cè)距離洋山二期集裝箱堆場(chǎng)約1 km，北側(cè)距離顆珠山大橋約600 m，西側(cè)距離碼頭承臺(tái)70 m，北側(cè)距離岸邊30 m為東西向混凝土沉箱預(yù)制場(chǎng)，每座沉箱重約500 t。炸礁面積約3 500 m2，工程量1.1萬(wàn) m3。如圖1(a)所示。

根據(jù)前期地質(zhì)勘探資料，碼頭區(qū)海域地質(zhì)成分由上到下依次為：零星分布的小塊徑花崗巖拋填石層，粉質(zhì)黏土混沙礫層，砂質(zhì)雜色碎石層，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，花崗巖強(qiáng)風(fēng)化層和中風(fēng)化層。天然水深從北側(cè)到南側(cè)逐漸增加，天然泥面從-10.0 m逐漸增加到-32.8 m，坡度約為1∶4.5，碼頭區(qū)域泥面標(biāo)高一般為+0.7～-10.4 m，碼頭前沿線位置巖面高程一般在-15 m左右。陸域地質(zhì)與海域的主要區(qū)別在于陸域拋填石層塊徑較大，厚度大小不一，并覆蓋有石子、砂礫及粘土混合層?；坶_挖設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-8.5 m～-12.5 m，陸側(cè)開挖邊坡為1∶1.5，海側(cè)開挖邊坡為1∶5，炸礁邊坡為1∶0.5，炸礁施工設(shè)計(jì)超深0.5 m。如圖1(b)所示。

圖1 水下爆破工程概況Fig.1 Underwater blasting project overview

鉆爆作業(yè)在“金海龍?zhí)枴逼∈胶降楞@機(jī)作業(yè)船上完成，鉆孔直徑165 mm，梅花型布孔，孔距2.5 m，排距2.0 m，超鉆深度2.5 m。炸藥選用常規(guī)2號(hào)巖石乳化藥卷改裝，每米重量11.25 kg，爆破單耗 1.15～1.61 kg/m3，平均單耗約1.38 kg/m3。裝藥完成后，孔口上端裝填細(xì)粒徑碎石，填塞長(zhǎng)度1.0～2.0 m。采用單孔起爆、孔內(nèi)和孔外混合延時(shí)簇連起爆網(wǎng)絡(luò)，孔內(nèi)按照起爆順序依次裝不同段別毫秒雷管。按照當(dāng)?shù)貧庀蠛退臈l件，每1～2天爆破一次，每次2～3排孔。

1.2 水底和陸地震動(dòng)測(cè)試

本次爆破的水下爆區(qū)東西長(zhǎng)35 m，南北寬2 m，距北側(cè)岸邊沉箱50 m，共2排23個(gè)孔，其中北邊近岸側(cè)14個(gè)孔，南邊海側(cè)9個(gè)孔。爆區(qū)平均水深10 m，總藥量765 kg，最大段藥量76.5kg、基巖孔深7.8 m、裝藥長(zhǎng)度6.8 m、碎石填塞長(zhǎng)度1 m。

水底震動(dòng)采用自主水底震動(dòng)傳感器進(jìn)行采集，測(cè)點(diǎn)位于爆區(qū)西側(cè)50 m的水底，水深10 m，沉積層厚3 m，利用鉆爆船在沉積層下的基巖上鉆出深0.5 m、直徑0.165 m的安裝孔放置傳感器，設(shè)置傳感器采樣頻率2 kHz、觸發(fā)閾值0.05 V(0.175 cm/s)。采用成都中科測(cè)控有限公司生產(chǎn)的TC-4850型陸地測(cè)振儀同步進(jìn)行陸地震動(dòng)監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)位于爆區(qū)北側(cè)岸上混凝土沉箱邊的地面，與爆心處水底面的水平距離50 m、垂直高程差15 m，設(shè)置采樣頻率2 kHz、觸發(fā)閾值0.03 cm/s。水底傳感器和陸地測(cè)振儀的X向指向爆心，Y向?yàn)榍邢颍琙向?yàn)榇瓜?，所以水底測(cè)點(diǎn)的X向和陸地測(cè)點(diǎn)的Y向與東西向岸邊平行，水底測(cè)點(diǎn)的Y向和陸地測(cè)點(diǎn)的X向與東西向岸邊垂直。水底傳感器和陸地測(cè)振儀如圖2所示，爆區(qū)環(huán)境和測(cè)點(diǎn)位置關(guān)系如圖3所示。

圖2 陸地測(cè)振儀和水底震動(dòng)傳感器Fig.2 Land and water bottom testing apparatus

圖3 爆區(qū)環(huán)境和測(cè)點(diǎn)位置關(guān)系Fig.3 Arrangement of blasting vibration monitoring points

陸地測(cè)振儀和水底震動(dòng)傳感器均為提前設(shè)置觸發(fā)閾值、采樣頻率等參數(shù)后，放置在各自測(cè)點(diǎn)，當(dāng)爆破引發(fā)的震動(dòng)速度達(dá)到觸發(fā)閾值，傳感器啟動(dòng)采集震動(dòng)信號(hào)，達(dá)到設(shè)定時(shí)長(zhǎng)后當(dāng)次采集結(jié)束。爆破作業(yè)結(jié)束，取回傳感器，通過數(shù)據(jù)接口、專用數(shù)據(jù)線和界面軟件將數(shù)據(jù)讀入上位機(jī)，得到水底和陸地測(cè)點(diǎn)的震動(dòng)信號(hào)。

2 水下多孔爆破震動(dòng)信號(hào)波形和頻譜特征分析

水底和陸地測(cè)點(diǎn)0～1.5 s爆破段震動(dòng)信號(hào)波形如圖4所示。利用MATLAB進(jìn)行傅里葉分析，得到頻譜如圖5所示。從上到下依次為徑向(X)、切向(Y)和垂直向(Z)震動(dòng)信號(hào)。

圖4 爆破段震動(dòng)信號(hào)波形Fig.4 The waveforms of blasting vibration signals

圖5 爆破震動(dòng)信號(hào)頻譜Fig.5 The FFT spectrums of blasting vibration signals

從波形圖4中可以看出，水底和陸地震動(dòng)的相同之處，都是在上下垂直向幅值最大，平行于岸的東西向(水底X通道和陸地Y通道)次之，垂直于岸的南北向(水底Y通道和陸地X通道)最小；爆破段震動(dòng)持續(xù)時(shí)間都在1 s內(nèi)。不同之處在于，陸地震動(dòng)幅值比水底震動(dòng)小的多，震動(dòng)持續(xù)時(shí)間比水底震動(dòng)延長(zhǎng)近100 ms，波形拉長(zhǎng)，細(xì)節(jié)更加清晰。

從頻譜圖5中可以看出，水底和陸地測(cè)點(diǎn)的相同點(diǎn)在于，三個(gè)方向的震動(dòng)頻率都在200 Hz以下，并且存在明顯的主震頻帶和峰值頻率；垂直于岸的南北向震動(dòng)頻率成分比平行于岸的東西向和上下垂直向更為豐富。不同之處在于，水底三個(gè)方向的震動(dòng)頻帶較寬(0～150 Hz)，主頻較高，其中垂直于岸的南北向頻帶范圍最寬，且主頻率最高為46.88 Hz，平行于岸的東西向和上下垂直向主頻率略低，分別為35.64 Hz和36.13 Hz；陸地三個(gè)方向的震動(dòng)頻帶較窄(0～100 Hz)，主頻率略低并有明顯的次頻帶，其中主頻率以平行于岸的東西向最高為27.34 Hz，垂直于岸的南北向和上下垂直向均為25.88 Hz，次頻率以垂直于岸的南北向最高為64.45 Hz，且還有一個(gè)38 Hz左右的中間頻帶，平行于岸的東西向和上下垂直向次頻率略低均為60.55 Hz。

從時(shí)域和頻域綜合來(lái)看，水底震動(dòng)信號(hào)較短的持續(xù)時(shí)間和較寬的頻帶范圍表明沖擊振動(dòng)能量比較大，陸地震動(dòng)信號(hào)中較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間和窄的頻帶范圍表明諧波振動(dòng)能量比較大；水底和陸地測(cè)點(diǎn)在垂直向震幅最大，頻率成分最簡(jiǎn)單，南北向震幅最小，但頻率成分最復(fù)雜。

水底和陸地測(cè)點(diǎn)震動(dòng)的峰值、能量和主頻等特征值如表1所示。

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可計(jì)算得出，水底測(cè)點(diǎn)平行于岸的東西向、垂直于岸的南北向和上下垂直向震動(dòng)的分量峰值分別為合震動(dòng)峰值的47.383%、21.736%、99.6%，分量能量分別為合震動(dòng)能量的13.256%、3.502%、83.242%，上下垂直向震幅和能量所占比重相當(dāng)大，南北向比重很小；陸地測(cè)點(diǎn)平行于岸的東西向、垂直于岸的南北向和上下垂直向震動(dòng)的分量峰值分別為合震動(dòng)峰值的60.982%、34.755%、76.802%，分量能量分別為合震動(dòng)能量的39.518%、13.205%、47.277%，上下垂直向和平行于岸的東西向震動(dòng)峰值和能量占都比較為接近，南北向占比較??；相比水底震動(dòng)，陸地震動(dòng)合速度峰值為水底震動(dòng)的17.603%，合震動(dòng)能量為水底震動(dòng)的2.296%，陸地東西、南北和上下垂直向震動(dòng)的分量峰值分別為水底震動(dòng)的22.655%、28.146%、13.574%，分量能量分別為水底震動(dòng)的6.845%、8.658%、1.304%。說(shuō)明由水底測(cè)點(diǎn)到陸地測(cè)點(diǎn)的震動(dòng)峰值和能量衰減很大，三個(gè)方向震動(dòng)衰減最大的也是上下垂直向，衰減最小的是垂直于岸的水平南北向。

表1 爆破震動(dòng)信號(hào)特征值Tab.1 The characteristic values of blasting vibration signals

3 水下多孔爆破震動(dòng)信號(hào)頻序小波包分解和能量分布

3.1 頻序小波包分解及能量算法

小波包分解算法是在小波理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，彌補(bǔ)了信號(hào)在小波分解過程中對(duì)各分解尺度獲得的高頻分量不再分解，而在下一尺度的小波分解中只對(duì)低頻分量進(jìn)行小波變換所帶來(lái)的分析信號(hào)高頻部分分辨率差而低頻分量信號(hào)卻存在時(shí)間分辨不足的問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的等帶寬分解，提高時(shí)頻分辨率[11-12]，在分析具有典型非平穩(wěn)特性的爆破振動(dòng)信號(hào)方面得到了很多的運(yùn)用[13-16]。

將Mallat小波分解算法直接引入小波包變換中形成的小波包分解算法，得到的小波包分量序號(hào)按自然排列，但實(shí)際頻帶卻并不按頻率順序排列，這給信號(hào)小波包分解時(shí)頻特性的準(zhǔn)確理解帶來(lái)一定的麻煩。一些研究者對(duì)小波包頻率順序的規(guī)律性進(jìn)行了分析，對(duì)產(chǎn)生這種錯(cuò)位的原因從算法和理論上進(jìn)行了證明，提出了無(wú)頻帶錯(cuò)位的小波包分解方法[17-19]。其中一種方法是通過對(duì)高頻分量的移頻算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，基本原理簡(jiǎn)述如下。對(duì)于離散信號(hào)序列x(t)，t=1,…,N，常規(guī)小波包分解的遞推算法表示為：

(1)

式中，h(k)和g(k)為由小波函數(shù)確定的一對(duì)正交共軛的低通和高通濾波器。小波包分解的過程是，將被分析信號(hào)通過相應(yīng)的低通和高通濾波器后分解到兩個(gè)等帶寬的低頻帶和高頻帶，對(duì)低頻部分和高頻部分進(jìn)行向下二抽一隔點(diǎn)采樣后再通過相應(yīng)的濾波器繼續(xù)進(jìn)行分解，以此類推。

隨著分解尺度j的增加，采樣頻率將以2-j的比例遞減，當(dāng)采樣頻率低于奈奎斯特頻率時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生頻率折疊，對(duì)已經(jīng)頻率折疊的序列再進(jìn)行分解，就會(huì)產(chǎn)生頻帶交錯(cuò)。由于濾波器h的低通特性和濾波器g的高通特性，由h卷積得到的序列只含有低頻成分，都不會(huì)發(fā)生頻率折疊，而由g得到的序列只含有高頻成分，隨著分解尺度增加必然會(huì)發(fā)生頻率折疊。所以，如果對(duì)每次分解得到的高頻分量乘以移頻因子ei(π/2)t，即將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)移到低頻區(qū)，保證信號(hào)內(nèi)最高頻率低于本次分解后采樣頻率的一半，然后再降低采樣頻率進(jìn)行重采樣，就可避免頻率折疊的發(fā)生。由此得到按頻序排列的小波包分解改進(jìn)算法：

(2)

對(duì)于采樣頻率為fs采樣點(diǎn)數(shù)為N的信號(hào)序列x(t)進(jìn)行n層頻序小波包分解，可得到2n個(gè)小波包，對(duì)每個(gè)小波包進(jìn)行重構(gòu)得到2n個(gè)小波包信號(hào)序列xi(t)，t=1,…,N，i=0,1,…, 2n-1，定義信號(hào)x(t)的總能量和小波包信號(hào)序列xi(t)的能量分別為E和Ei，則:

(3)

(4)

可得到小波包分解后各小波包信號(hào)序列能量占總能量的百分比EPi：

(5)

3.2 爆破段震動(dòng)信號(hào)頻序小波包分解和能量分布

采用頻序小波包分解算法對(duì)爆破段水底和陸地震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解和分析，小波基選擇爆破振動(dòng)信號(hào)分析中常用的緊支撐db5小波。由于陸地三個(gè)方向震動(dòng)信號(hào)的主要頻帶大致分布在15～30 Hz、30～45 Hz、45～75 Hz范圍內(nèi)，因此進(jìn)行6層分解，共得到64個(gè)小波包，每個(gè)小波包帶寬15.625 Hz，剛好可將各頻帶分離出來(lái)。震動(dòng)信號(hào)主要分布在0～150 Hz范圍內(nèi)，高于150 Hz的成分可視為寬頻噪聲，因此只選擇前1～10個(gè)小波包進(jìn)行分析。圖6、圖7所示為分別采用原始小波包分解算法和頻序小波包分解算法對(duì)南北向水底和陸地震動(dòng)信號(hào)分析的結(jié)果，從下到上依次為第1～10個(gè)小波包信號(hào)序列，從左到右依次為小波包信號(hào)序列波形、頻譜和能量占比。

圖6 原始小波包算法分解結(jié)果Fig.6 Decomposition of original wavelet packet algorithm

圖7 頻序小波包算法分解結(jié)果Fig.7 Decomposition of frequency order wavelet packet algorithm

從兩種算法的分解結(jié)果中可以看到，原始小波包分解算法得到的各小波包信號(hào)序列頻帶順序和能量分布顯得比較雜亂，而頻序小波包分解得到的小波包信號(hào)序列的頻帶順序非常規(guī)律，完全是按照頻帶由低到高的順序排列，各頻帶的能量分布也很規(guī)律，時(shí)頻分布情況一目了然，體現(xiàn)出頻序小波包算法的效果和優(yōu)勢(shì)。

在圖7頻序小波包分解結(jié)果中，陸地震動(dòng)信號(hào)的頻帶能量比較集中，其中，15.625～31.25 Hz的主振頻帶對(duì)應(yīng)于第2個(gè)小波包，占信號(hào)總能量的59.816%；31.25～46.875 Hz的中間頻帶對(duì)應(yīng)于第3個(gè)小波包，占總能量的21.781% ；46.875～78.125 Hz的次頻帶對(duì)應(yīng)于第4和第5個(gè)小波包，占總能量的10.585%；0～15 Hz的低頻成分占6.1%；78.125 Hz以上的高頻成分占1.781%。水底震動(dòng)信號(hào)各頻帶能量比較分散，主要分布在15.625～62.5 Hz對(duì)應(yīng)的第2、3、4號(hào)小波包(占66.335%)和62.5～125 Hz對(duì)應(yīng)的第5、6、7、8號(hào)小波包(占25.06%)；0～15.625 Hz的低頻成分占4.191%；125 Hz以上的高頻成分占4.414%。

用同樣頻序小波包分解算法得到陸地和水底測(cè)點(diǎn)其它兩個(gè)方向震動(dòng)信號(hào)的前10個(gè)小波包信號(hào)序列和頻帶能量比分布。根據(jù)2.1表1陸地和水底各個(gè)方向震動(dòng)分量的能量比EL/ES，還可得到各頻段上陸地震動(dòng)相對(duì)水底震動(dòng)的能量比EPlsi，計(jì)算公式為

(6)

陸地和水底震動(dòng)信號(hào)頻序小波包分解能量比分布如圖8所示，從上到下依次為陸地震動(dòng)信號(hào)小波包能量分布、水底震動(dòng)信號(hào)小波包能量分布、水底到陸地震動(dòng)衰減小波包能量分布。

圖8 陸地和水底震動(dòng)小波包能量分布Fig.8 Energy distribution of land and water bottom vibration wavelet packets

可以看出，陸地測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向震動(dòng)的小波包能量分布比例比較相似，并主要集中在第2號(hào)小波包；水底測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向震動(dòng)的小波包能量分布在各個(gè)方向有所區(qū)別，平行于岸的東西向和上下垂直向能量分布主要集中在第3號(hào)小波包，南北方向能量分散在第2、3、4號(hào)小波包上；從水底到陸地震動(dòng)的小波包能量衰減幅度來(lái)看，第2號(hào)小波包衰減最小，從第3號(hào)小波包能量衰減比例開始增大，第5號(hào)小波包以后越往高頻帶能量衰減衰減越大；在方向上，上下垂直向衰減幅度最大，垂直于岸的南北向能量衰減最少，而且平行于岸的東西向和垂直于岸的南北向小波包能量呈現(xiàn)振蕩衰減特征。

4 結(jié) 論

通過對(duì)水下多孔爆破引起的陸地和水底震動(dòng)測(cè)試獲得實(shí)地特征信號(hào)，利用頻序小波包分解方法對(duì)獲得的信號(hào)進(jìn)行多頻段分解和量化分析對(duì)比，可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)水底和陸地震動(dòng)都是在上下垂直向震動(dòng)幅值最大，水平平行于岸的東西方向次之，水平垂直于岸的南北方向最??；水底震動(dòng)幅值較陸地震動(dòng)幅值大得多，尤其是上下垂直向震動(dòng)幅值由水底到陸地衰減86.4%。

(2)爆破段震動(dòng)持續(xù)時(shí)間都在1 s內(nèi)，但陸地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間比水底震動(dòng)延長(zhǎng)近100 ms，波形拉長(zhǎng)，細(xì)節(jié)更加清晰。

(3)水底和陸地測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向的震動(dòng)頻率都在200 Hz以下，并且存在明顯的主震頻帶和峰值頻率，垂直于岸的南北向震動(dòng)頻率較平行于岸的東西向和上下垂直向更為豐富，上下垂直向震動(dòng)頻率成分最簡(jiǎn)單；水底震動(dòng)較陸地震動(dòng)頻帶更寬，主頻更高，而陸地震動(dòng)中含有明顯次高頻帶。

(4)水底三個(gè)方向的震動(dòng)能量以上下垂直向占絕對(duì)，達(dá)83%，陸地震動(dòng)三個(gè)方向震動(dòng)能量比較接近，都在50%以下；由水底到陸地震動(dòng)能量衰減很大，上下垂直向衰減最大為98.7%，垂直于岸的水平南北向衰減最小為93.2%。

(5)通過頻序小波包分解算法實(shí)現(xiàn)了信號(hào)小波包序號(hào)和頻帶順序的一致排列，規(guī)律性更強(qiáng)。從震動(dòng)信號(hào)的小波包能量分布來(lái)看，從水底到陸地低頻帶震動(dòng)的小波包能量衰減幅度最小，高頻帶能量衰減最大；在上下垂直向小波包能量衰減最大，水平南北向能量衰減最?。凰綎|西向和南北向的小波包能量呈現(xiàn)振蕩衰減特征。

[1] 孫錫杰，曲偉友，吳金倉(cāng)，等. 海上水下深孔控制爆破[J]．爆破，2006，23(3):73-75． SUN Xijie, QU Weiyou, WU Jincang, et al. Underwater deep-hole controlled blasting in sea[J]．Blasting，2006，23(3):73-75．

[2] 趙根.深水條件下圍堰拆除爆破技術(shù)研究[D]．合肥：中國(guó)科技大學(xué)，2008．

[3] 佟錦岳，石教往，熊長(zhǎng)漢，等. 水下工程爆破對(duì)環(huán)境影響規(guī)律研究(上)[J]．爆破，2000，17(3):6-7． TONG Jinyue, SHI Jiaowang, XIONG Changhan, et al. Study on the law of influence of underwaterengineering blasting on environment(I) [J]．Blasting，2000，17(3):6-7．

[4] 佟錦岳，石教往，熊長(zhǎng)漢，等. 水下工程爆破對(duì)環(huán)境影響規(guī)律研究(下)[J]．爆破，2000，17(4):1-4． TONG Jinyue, SHI Jiaowang, XIONG Changhan, et al. Study on the law of influence of underwater engineering blasting on environment(II) [J]．Blasting，2000，17(4):1-4．[5] ADUSHKIN A V, BURCHIK V N, GONCHAROV A I, et al. Seismic, hydroacoustic, and acoustic action of underwater explosions[J]. Combustion, Explosion and Shock Waves, 2004,40(6):707-713.

[6] GITTERMAN Y. Near-source audiovisual, hydroacoustic, and seismic observations of dead sea underwater explosions[J]. Combustion, Explosion and Shock Waves,2009,45(2):218-229.

[7] 孫為國(guó)，馮順山，何政勤，等.水下強(qiáng)爆破的近場(chǎng)地面運(yùn)動(dòng)觀測(cè)與分析[J]．爆破，1997，14(3):21-23． SUN Weiguo, FENG Shunshan, HE Zhenqin, et al. Analysis and measurement of ground motion at underwater blasting of port Nanton[J]．Blasting，1997，14(3):21-23.

[8] 朱立新，夏衛(wèi)國(guó)，倪榮福. 水下鉆孔爆破震動(dòng)對(duì)近距離構(gòu)筑物破壞的預(yù)防[J].爆破，2003，20(2):86-87. ZHU Lixin, XIA Weiguo, NI Rongfu. How to prevent damage of short-range structures from quakes of underwater drilling blasting[J]．Blasting，2003，20(2):86-87.

[9] 楊磊.水下爆破振動(dòng)信號(hào)的小波包分析方法[D]．武漢：武漢科技大學(xué)，2012．

[10] 顧文彬，王志華，陳江海，等.一種水下爆破水底震動(dòng)自主采集裝置: 201410843437.1[P].2014．

[11] MALLAT S. A theory for multi-resolution decomposition, the wavelet repersentation[J]. IEEE Trans actions on Pateeern Analysis and Machine Intelligence, 1989, 11(7): 674-689.

[12] 高成．Matlab小波分析與應(yīng)用[M]．北京: 國(guó)防工業(yè)出版社，2007．

[13] 陳士海，魏海霞，杜榮強(qiáng)．爆破震動(dòng)信號(hào)的多分辨小波分析[J]．巖土力學(xué)，2009(增刊1):135-139． CHEN Shihai，WEI Haixia，DU Rongqiang． Multi-resolution wavelet analysis of blasting vibration signals[J]． Rock and Soil Mechanics，2009(Sup1):135-139．

[14] 晏俊偉，龍?jiān)矗较?，?基于小波包變換的爆破地震波時(shí)頻特征提取及分析[J]．振動(dòng)與沖擊，2007，26(4):25-29． YAN Junwei，LONG Yuan，F(xiàn)ANG Xiang，et al． Time-frequency characteristics extracting and analysis of blasting seismic wave based on wavelet packet transformation[J]．Journal of Vibration and Shock，2007，26(4):25-29．

[15] 凌同華，李夕兵．單段爆破振動(dòng)信號(hào)頻帶能量分布特征的小波包分析[J]．振動(dòng)與沖擊，2007，26( 5): 41-43． LING Tonghua，LI Xibing． Features of energy distribution of single deck blast vibration signals with wavelet packet analysis[J]．Journal of Vibration and Shock，2007，26(5):41-43．

[16] 李興華，龍?jiān)?，紀(jì)沖，等. 基于小波包變換的高程差對(duì)爆破震動(dòng)信號(hào)影響分析[J]．振動(dòng)與沖擊，2013，32(4):44-47． LI Xinghua, LONG Yuan, JI Chong, et al．Influence of height difference based on wavelet packets transformation on blasting vibration signals[J]．Journal of Vibration and Shock，2013，32(4): 44-47．[17] 耿中行, 屈梁生. 小波包的移頻算法與振動(dòng)信號(hào)處理[J]．振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，1996，9(2): 145-152. GENG Zhongxing, QU Liangsheng. Frequency shift algorithms of wavelet packet and vibration signal analysis[J]．Journal of Vibration Engineering，1996，9(2): 145-152.

[18] 傅勤毅,傅儉毅,王峰林. 一種無(wú)頻帶錯(cuò)位的小波包算法[J]．振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，1999，12(3): 423-428. FU Qinyi, FU Jianyi, WANG Fenglin. Wavelet packets algorithm without frequency band derangement[J]．Journal of Vibration Engineering，1999，12(3): 423-428.

[19] 紀(jì)躍波.小波包的頻率順序[J]．振動(dòng)與沖擊，2005，24(3):96-110. JI Yuebo. Frequency order of wavelet packet[J]．Journal of Vibration and Shock，2005，24(3):96-110.

Field measurement and signal analysis of land and water bottom vibrations induced by underwater multi-hole blasting at Yangshan Port

CHEN Jianghai1,3, GU Wenbin1, WANG Zhenxiong1, LI Ning2, LIU Jianqing1, XU Jinglin1

(1. College of Field Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China; 2. Training Department, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China;3. Unit No.65307 of PLA, Jilin 132002, China)

To study the characteristics of water bottom and land ground vibrations induced by underwater multi-hole drilling blasting, a field measurement test was conducted at Yangshan Port to get actual vibration signals. The energy distribution of vibration signals in different frequency bands was analyzed by using the frequency order wavelet packet algorithm. Test and analysis results show that compared to water bottom vibration, land ground vibration attenuates greatly on amplitude and lasts longer on time, has narrower frequency band, lower dominant frequency, and higher sub-band frequency vibration. From water bottom to land ground, the vibration energy attenuates more than 90% in three directions, with maximum in vertical direction and minimum in north-south direction. The wavelet packets energy attenuates less in low frequency band than in high frequency band and exhibits oscillatory attenuation characteristics in east-west and north-south direction.

underwater multi-hole blasting; land vibration; water bottom vibration; wavelet packet analysis

總后基建營(yíng)房部項(xiàng)目(KYGYZXJK0914)

2015-06-05 修改稿收到日期：2015-11-26

陳江海 男，博士生，助理工程師，1980年4月生

顧文彬 男，博士，教授，1961年12月生

TD235.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.24.033