顧文彬, 王振雄，劉建青, 湯 鵬, 徐景林, 劉 欣，曹 濤

(陸軍工程大學(xué)， 南京 210007； 2. 96863部隊(duì)， 河南 洛陽(yáng) 471003)

【航空和航海工程】

水下爆破振動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究與應(yīng)用

顧文彬1, 王振雄2，劉建青1, 湯 鵬2, 徐景林1, 劉 欣1，曹 濤1

(陸軍工程大學(xué)， 南京 210007； 2. 96863部隊(duì)， 河南 洛陽(yáng) 471003)

研制了一套可用于水底巖石振動(dòng)監(jiān)測(cè)的水下爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，由自主采集終端、堵孔裝置和上機(jī)位軟件平臺(tái)組成。該測(cè)試系統(tǒng)可用于水底巖石中的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，測(cè)試數(shù)據(jù)可靠有效，能夠用于水底巖石地震波傳播規(guī)律的研究和對(duì)水底巖石爆破振動(dòng)信號(hào)的分析研究。

水下爆破；爆破振動(dòng)；振動(dòng)測(cè)試；測(cè)試系統(tǒng)

隨著海洋經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)和大型軍港碼頭建設(shè)的快速發(fā)展，水下鉆孔爆破技術(shù)應(yīng)用日益廣泛。于此同時(shí)水下鉆孔爆破帶來(lái)的危害效應(yīng)控制研究也就越為重要，水下鉆孔爆破的危害效應(yīng)包括水中沖擊波，振動(dòng)效應(yīng)，但水下鉆孔爆破引起的地震波振幅大、頻帶寬，對(duì)海底光纜、隧道、油氣管線及水中構(gòu)筑物等生命線工程和軍事設(shè)施造成破壞性更大，振動(dòng)危害效應(yīng)的評(píng)估很有必要。水底測(cè)試環(huán)境的特殊性使得水底振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)除了具有一般陸地爆破測(cè)振儀的通用性能外，還必須防水、防腐蝕、抗噪聲能力強(qiáng)，外觀設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮水底設(shè)置的可靠性和穩(wěn)定性。但由于缺乏測(cè)試設(shè)備和技術(shù)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于水下爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)與評(píng)估研究幾乎還是空白[1-7]。因此，開(kāi)展水底爆破震動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究與應(yīng)用具有重要軍事意義和推廣價(jià)值。 結(jié)合實(shí)際情況，研發(fā)設(shè)計(jì)了將一體化自主采集終端與上機(jī)平臺(tái)分離的測(cè)試系統(tǒng)總體方案，自主采集終端包括振動(dòng)傳感器、控制采集系統(tǒng)、電源功能以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，上機(jī)位平臺(tái)可通過(guò)軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、分析以及對(duì)采集終端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置[8,9]。

1 水下爆破震動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研制

相對(duì)于陸地測(cè)試，水下爆破水底測(cè)振更為困難和復(fù)雜。主要原因在于：傳統(tǒng)的有線振動(dòng)測(cè)試方法中傳感器無(wú)法在水底的巖石上設(shè)置，各聯(lián)結(jié)環(huán)節(jié)防水處理復(fù)雜，傳輸電纜架設(shè)固定不便?，F(xiàn)有條件下的振動(dòng)傳感器無(wú)法做防水處理，為了得到測(cè)點(diǎn)的真實(shí)地震信號(hào)，必須保證傳感器與測(cè)點(diǎn)的可靠固定，使傳感器與水底巖體之間滿(mǎn)足位移連續(xù)性條件，而自然水底面多有亂石、淤泥且不平整，尚無(wú)有效的水下粘結(jié)劑，使得傳感器與水底巖面無(wú)法使可靠固定，由此設(shè)計(jì)研制出一種可以在水下布設(shè)的水下爆破水底振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，提出一種在水底巖石中鉆淺孔，將傳感器設(shè)置于孔底，采用堵孔裝置將傳感器與孔底部的巖石固定接觸，進(jìn)而保障傳感器可以采集到準(zhǔn)確的振動(dòng)信號(hào)，可以滿(mǎn)足水底測(cè)振的需求。水下爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，主要由水底振動(dòng)采集終端、堵孔固定裝置和上機(jī)位軟件三部分組成。

1.1 水底振動(dòng)采集終端

根據(jù)深水巖石鉆孔爆破功能和性能要求，自主采集存儲(chǔ)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主要由三向振動(dòng)信號(hào)敏感器件、加速度積分電路、數(shù)據(jù)信號(hào)采集電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、數(shù)據(jù)出入輸出電路、電源控制電路和殼體等部分組成。其整體機(jī)械結(jié)構(gòu)和元件布局示意圖如圖2。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和功能要求，提出了控制電路總體方案方塊圖如圖3所示。

圖1 水下爆破震動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

圖2 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)和元件布局示意圖

圖3 控制電路總體方案

1.2 堵孔固定裝置

為了克服現(xiàn)有的水下爆破水底振動(dòng)預(yù)埋測(cè)試系統(tǒng)水底固定難題，本實(shí)用新型提供一種水下堵孔緊固裝置，用于實(shí)現(xiàn)水底振動(dòng)預(yù)埋測(cè)試系統(tǒng)的可靠固定，保證測(cè)試系統(tǒng)與被測(cè)體之間的運(yùn)動(dòng)一致性[10]。圖4為堵孔裝置與水下爆破測(cè)試系統(tǒng)連接使用的示意圖，測(cè)試系統(tǒng)與堵孔裝置利用堵孔裝置帶有螺紋的通孔，采用螺紋桿連接，兩者在試驗(yàn)時(shí)可以成為一個(gè)整體壓入到巖石孔內(nèi)，采集數(shù)據(jù)結(jié)束后，利用螺紋桿上的拉環(huán)拉出堵孔裝置與測(cè)試系統(tǒng)，再將堵孔裝置拆下，就可以對(duì)測(cè)試振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出分析。堵孔裝置的設(shè)計(jì)直接影響，能否將測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定的設(shè)置與測(cè)試孔內(nèi)。

對(duì)堵孔裝置的使用進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用堵孔裝置在孔內(nèi)和地表采用TC4850設(shè)置測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置三組對(duì)比測(cè)點(diǎn)，對(duì)比相同爆心距的測(cè)點(diǎn)得出采用堵孔裝置設(shè)置與地表測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度時(shí)程曲線十分相似；采用FFT分析所得的功率譜基本重合，說(shuō)明此種設(shè)置方式監(jiān)測(cè)爆破振動(dòng)的方案可行，數(shù)據(jù)可靠。水底測(cè)點(diǎn)設(shè)置振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的安裝示意圖如圖5所示。

圖4 堵孔裝置與測(cè)試系統(tǒng)連接使用的示意圖

1.浮漂；2.鋼絲繩；3.堵孔器；4.采集終端；5.水；6.海底碎石、淤泥等；7.巖石

圖5 測(cè)試系統(tǒng)水下安裝示意圖

1.3 上機(jī)位軟件平臺(tái)

上位機(jī)軟件運(yùn)行于WINDOWS XP平臺(tái)，打開(kāi)軟件之前，先確認(rèn)本機(jī)IP地址為“192.168.0.30”，否則本系統(tǒng)將無(wú)法通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制水下傳感器系統(tǒng)，上機(jī)位平臺(tái)工作流程圖如圖6所示。

圖6 上位機(jī)平臺(tái)工作流程

采集終端和上位機(jī)連接，如圖7所示,雙擊運(yùn)行本系統(tǒng)。當(dāng)啟動(dòng)后信息提示：服務(wù)器已啟動(dòng)，等待連接，本系統(tǒng)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，此時(shí)系統(tǒng)只有“歷史數(shù)據(jù)”按鈕開(kāi)放，即此時(shí)只能瀏覽歷史數(shù)據(jù)。此時(shí)打開(kāi)水下傳感器電源，傳感器將嘗試連接系統(tǒng)，連接成功后，系統(tǒng)首先讀取水下傳感器參數(shù)。此時(shí)，系統(tǒng)其余功能全部打開(kāi)，包括系統(tǒng)自檢，設(shè)置參數(shù)，清空數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)傳輸。

根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的使用環(huán)境，提出將振動(dòng)傳感器、電源、數(shù)據(jù)存貯等設(shè)置于外表經(jīng)過(guò)硬化處理的硬鋁圓柱殼體，在殼體內(nèi)將各元件集成，連接電路，安裝設(shè)置面板及數(shù)據(jù)接口，使其可以通過(guò)上機(jī)位軟件對(duì)振動(dòng)傳感器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完成后可以完成靜默、啟動(dòng)采集以及自動(dòng)待機(jī)等功能，在采集結(jié)束后還可以通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸接口將振動(dòng)數(shù)據(jù)上傳至上機(jī)位軟件，完成振動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸和簡(jiǎn)單處理，利用上機(jī)位軟件將振動(dòng)數(shù)據(jù)保存為通用的數(shù)據(jù)格式，以便進(jìn)一步對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理。

圖7 測(cè)試系統(tǒng)和上位機(jī)連接圖

2 測(cè)振系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

自主采集存儲(chǔ)振動(dòng)傳感器主要組成部分有殼體、三向振動(dòng)速度傳感器、數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)模塊、充電電源、網(wǎng)線接口、工作狀態(tài)顯示面板和上機(jī)位等構(gòu)成。除了具有防水、防腐性能外，其主要技術(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 振動(dòng)傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

自主采集與存儲(chǔ)爆破振動(dòng)傳感器的主要性能參數(shù)如表2所示。所研制的自主采集與存儲(chǔ)爆破振動(dòng)傳感器及其計(jì)算機(jī)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室模擬振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上得到驗(yàn)證和標(biāo)定，經(jīng)過(guò)陸地鉆孔爆破試驗(yàn)測(cè)試與調(diào)試，獲得了爆破振動(dòng)速度三維測(cè)試結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了自主采集與存儲(chǔ)爆破振動(dòng)傳感器及其計(jì)算機(jī)分析數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、實(shí)用性。通過(guò)水下密閉性測(cè)試，考核了其密封防水性能、長(zhǎng)時(shí)間和多次測(cè)振能力，以及12 h待機(jī)工作能力。結(jié)合陸地鉆孔爆破工程，利用自主測(cè)試系統(tǒng)獲得振動(dòng)信號(hào)，驗(yàn)證了自主測(cè)試系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中的可靠性。

表2 自主采集存儲(chǔ)爆破振動(dòng)傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

3 工程實(shí)踐應(yīng)用

依托寧波石浦港航道擴(kuò)建二十萬(wàn)方炸礁工程，如圖8。采用水下爆破震動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，如圖9所示，將測(cè)點(diǎn)分布于水底巖石。振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得水底測(cè)點(diǎn)的速度時(shí)程曲線如圖10。通過(guò)試驗(yàn)獲得大量水底巖石的不同測(cè)點(diǎn)爆破震動(dòng)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了水底振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的可靠性并為下一步水下鉆孔爆破地震波傳播規(guī)律的研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

采用水下爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)獲得水底巖石的典型振動(dòng)數(shù)據(jù)如表3所示。

圖8 試驗(yàn)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)圖

圖9 水下爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

圖10 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得水底測(cè)點(diǎn)的速度時(shí)程曲線

爆心距水深總藥量X方向Vmax主頻Y方向Vmax主頻Z方向Vmax主頻26．02036911．177．819．559．809．0021．2827．92436912．6014．4411．3011．1111．8326．3238．5182646．0412．665．9013．704．5138．4642．5580110．4618．8716．2712．5013．4320．00

4 結(jié)論

根據(jù)水下鉆孔爆破水底巖石振動(dòng)測(cè)試的技術(shù)特點(diǎn)，開(kāi)展水底振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究并成功研制一套可用于水底巖石振動(dòng)數(shù)據(jù)采集的水下爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。采用圓柱形硬鋁殼體將振動(dòng)感知、集成電路、供電電源以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能集于一體的采集系統(tǒng)，成功解決水下儀器的防水防腐蝕等問(wèn)題，研制與之配套的上機(jī)軟件，掌握可以采集水底巖石振動(dòng)數(shù)據(jù)的技術(shù)。對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和爆破現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)，證明測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)置方式合理，采集數(shù)據(jù)可靠，為后續(xù)研究水底巖石中地震波的傳播規(guī)律提供技術(shù)支撐和經(jīng)驗(yàn)參考。

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ResearchandApplicationofUnderwaterBlastingVibrationTestingTechnology

GU Wenbin1, WANG Zhenxiong2, LIU Jianqing1, TANG Peng2, XU Jinglin1, LIU Xin1, CAO Tao1

(1.College of Field Engineering, Army Engineering University, Nanjing 210007, China; 2.The No.96863rdTroop of PLA, Luoyang 471003, China)

In order to study the propagation law of seismic 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 platform. 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 and to analyze the vibration signals of underwater rock blasting.

underwater blasting; blasting vibration; vibration testing; test system

2017-08-20；

2017-09-15

顧文彬(1961—)，男，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事兵器科學(xué)與技術(shù)方面研究。

王振雄(1987—)，男，博士，主要從事毀傷效應(yīng)研究。

10.11809/scbgxb2017.12.056

本文引用格式：顧文彬, 王振雄，劉建青，等.水下爆破振動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究與應(yīng)用[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(12):256-260.

formatGU Wenbin, WANG Zhenxiong, LIU Jianqing, et al.Research and Application of Underwater Blasting Vibration Testing Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):256-260.

TD235;TJ6

A

2096-2304(2017)12-0256-05

(責(zé)任編輯楊繼森)