一种基于试爆数据预测水下爆破装药量的方法
阅读说明：本技术 一种基于试爆数据预测水下爆破装药量的方法 (Method for predicting underwater blasting explosive loading based on test blasting data ) 是由 顾云 孙飞 李飞 刘迪 刘勤杰 徐静 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于试爆数据预测水下爆破装药量的方法,首先通过试爆数据代入公式拟合出待定参数K、β-(1)和β-(2)的数值；再根据水下爆破近邻域受保护建(构)筑物特征,参考《爆破安全规程》(GB6722-2014)查出各频率范围许可爆破震动速度V；再由公式推算出爆破齐发炸药量Q-(max)；由于最大许可爆破震动速度V与爆破震动主频相关联,从而得到Q-( max)’。本发明预测方法简单,通过实验测试以观察爆破效果及爆破危害,并通过试爆结果推算施工方案的爆破震动危害,让试爆效果观察数据与爆破施工方案预期效果之间具有的科学关联,有据可依。(The invention discloses a method for predicting underwater blasting explosive loading quantity based on test blasting data K 、 β 1 And β 2 the value of (d); then according to the characteristics of the protected building (structure) in the near field of underwater blasting, the allowable blasting vibration speed in each frequency range is found out by referring to blasting safety regulations (GB6722-2014) V (ii) a Then calculating the explosive quantity of blasting explosive by formula Q max (ii) a Due to maximum allowable blasting vibration speed V Is associated with the blast vibration dominant frequency to obtain Q max ’。 The prediction method is simple, the blasting effect and the blasting hazard are observed through experimental tests, the blasting vibration hazard of the construction scheme is calculated through the trial blasting result, and scientific association between the trial blasting effect observation data and the expected effect of the blasting construction scheme is provided.)
技术领域
本发明涉及一种基于试爆数据预测水下爆破装药量的方法，属于工程爆破领域。
背景技术
炸药在介质中爆炸时必然有一部分能量转换为地震波，并从爆源向周围介质迅速传播，导致地表和建(构)筑物产生震动，可能给附近非爆破目标的建(构)筑物造成不同程度上的破坏，这种现象称之为爆破震动效应。随着国民经济建设的迅猛发展，爆破作业得到广泛应用，相应的爆破震动效应带来的危害引起了人们的高度重视。
然而，工程实践中，爆破工程技术人员对爆破施工方案可能带来的震动危害评估主要通过以下两个措施来判定：(1)引用学者萨道夫斯基根据牛顿力学导出的经验公式进行核算，因核算公式中爆破点至被保护对象间的地形、地质条件有关的系数K和衰减指数α处于较大的范围，核算时参数值的选择完全依赖技术人员个人经验，缺乏明确的依据，使得核算结果合理性难以保障；(2)通过试爆进行实验测试以观察爆破效果及爆破危害，但通过试爆结果推算施工方案的爆破震动危害完全依赖于个人经验，缺乏试爆效果观察数据与爆破施工方案预期效果之间的科学关联，使得依据试爆测试数据反馈于爆破施工方案设计科学、合理性难以保障。
另外,以上两种措施因简便、易操作而被工程爆破行业广泛应用，且在爆破拆除领域应用效果良好，但在水下爆破领域带来众多困惑。特别的，爆破震动危害带来的损失与纠纷使得爆破作业常常面临难以实施的困境，极大的影响了正常的工程建设。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于试爆数据预测水下爆破装药量的方法，通过试爆数据的收集归纳整理，反推出预测公式模型的关键系数，为科学爆破提供依据。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于试爆数据预测水下爆破装药量的方法,先进行试爆，得到试爆的震动数据；所述震动数据包括爆破震动强度和爆破震动频率；然后结合试爆方案，基于爆破震动传播行为分析方法反推出爆破震动传播行为和衰减规律，从而得到爆破点与监测点之间的爆破震动强度和爆破震动主频衰减公式，具体的包括如下步骤:
步骤1、先进行试爆，用爆破测振仪对水下爆破近邻域堤岸建(构)筑物保护对象进行爆破检测从而得到震动强度V，以及爆破齐发炸药量Q、监测点距爆破点空间距离R、爆破震动水域传播距离RD；
步骤2、将步骤1中得到的数据V、Q、R，和RD代入以下预测模型公式(1)，通过采用线性最小二乘法回归拟合得到所述预测模型公式(1)中的待定参数K、β1和β2的数值：
式中，K表示的是场地系数，β1表示的是衰减系数，β2表示的是水土介质变化导致的衰减系数；
步骤3、根据水下爆破近邻域堤岸建/构筑物保护对象特征，查阅《爆破安全规程》(GB6722-2014)中该保护类别中V的最大值Vmax，将Vmax代入公式(2)中获得最大爆破齐发炸药量Qmax，为工程爆破进行指导：
进一步地，步骤一、由于最大许可爆破震动速度V与爆破震动主频相关联，将步骤3中得到的Qmax代入以下公式(3)获得fmax:
步骤二、由于已知fmax，根据查表可知在该保护类别中Vmax’，将Vmax’代入公式(2)中，从而得到Qmax’。
比较Qmax和Qmax’，选取最小值作为该爆破作业的最大爆破齐发炸药量。
步骤1～3已经求得了最大爆破齐发炸药量，通过步骤一和步骤二的进一步推算，可进一步计算出更为精确的最大爆破齐发炸药量。
由许可爆破震动速度推算的爆破齐发药量Q导出水下爆破震动传播至近邻域堤岸建(构)筑物保护对象的主频f。通过查阅《爆破安全规程》 (GB6722-2014)，若此主频值f与许可爆破震动速度V于《爆破安全规程》 (GB6722-2014)中对应相同的频率范围，则说明许可爆破震动速度V值选取合理；相应的，推算出的爆破齐发药量Q可信，完成一个爆破参数方案设计逻辑。
综上可知,(1)、(2)、(3)式形成一个闭环的计算逻辑。首先通过试爆数据代入(1)式拟合出待定参数K、β1和β2的数值；再根据水下爆破近邻域受保护建(构)筑物特征，参考《爆破安全规程》(GB6722-2014) 查出各频率范围许可爆破震动速度V；再由(2)式推算出爆破齐发炸药量 Q；进一步，将爆破齐发炸药量Q代入(3)式，导出对应的爆破主频f；若此主频值f与许可爆破震动速度V于《爆破安全规程》(GB6722-2014) 中对应相同的频率范围，则完成一个爆破参数方案方法。若要进一步精确爆破齐发炸药量，则再通过主频fmax推算得到Qmax’，比较Qmax和Qmax’，选取最小值作为该爆破作业的最大爆破齐发炸药量。可见步骤一和步骤二是对步骤1～步骤3的进一步验算，为了更精确。
水下爆破对堤岸近邻域结构的震动激励，较之于岩土爆破对其近邻域结构的震动激励而言，存在两个显著的差异：一是因流体状态的水介质不能承受剪切荷载而无法传递横波(又称为剪切波)，使得水下爆破对堤岸近邻域结构震动激励天然地过滤掉了横波成分，而主要呈现为纵波激励；二是因水介质与岩土介质波阻抗的差异，使得来自于水下爆破的纵波在水土界面上发生入射、反射和透射，具体的入射、反射、透射波强度与水、岩土介质波阻抗相关。总体而言，水中爆破对堤岸近邻域结构震动激励行为较之于岩土爆破而言，波在水介质及其与岩土界面上传播行为呈现显著差异。
有益效果：(1)由于介质的差异，本发明针对水下爆破对堤岸近邻域结构震动激励，认识到由于水、土介质受载响应行为及波阻抗差异，预测水下爆破对堤岸近邻域结构震动激励行为不能再直接引用当前工程实践中广泛采用的岩土爆破震动校核公式，而需计及水介质不能传递横波，且纵波在水土界面会发生入射、反射、透射的强度重新分配。因此，本发明通过量纲分析与最小二乘法回归拟合，在岩土爆破震动预测公式基础上补充了一个算子，见公式(1)右边第三项，以表征水土介质差异，并将其融入于预测公式中，使得水下爆破震动对堤岸近邻域结构震动激励预测公式得到相应改进；(2)本发明通过进一步验算，获得更为精确的爆破齐发炸药量，从而为水下工程爆破提供更为安全的指导；(3)本发明预测方法简单，通过实验测试以观察爆破效果及爆破危害，并通过试爆结果推算施工方案的爆破震动危害，让试爆效果观察数据与爆破施工方案预期效果之间具有的科学关联，有据可依；(4)本发明专门针对水下爆破做出改进，通过理论分析得到水中爆破对堤岸近邻域结构震动的激励行为，为后续研究提供基础。
附图说明
图1为本发明基于试爆数据预测爆破施工方案的逻辑框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
实施例
本发明的一种基于试爆数据预测水下爆破装药量的方法,先进行试爆，得到试爆的震动数据；震动数据包括爆破震动强度和爆破震动频率；然后结合试爆方案，基于爆破震动传播行为分析方法反推出爆破震动传播行为和衰减规律，从而得到爆破点与监测点之间的爆破震动强度和爆破震动主频衰减公式，具体的包括如下步骤:
步骤1、先进行试爆，用爆破测振仪对水下爆破近邻域堤岸建(构)筑物保护对象进行爆破检测从而得到震动强度V，以及爆破齐发炸药量Q、监测点距爆破点空间距离R、爆破震动水域传播距离RD；
步骤2、将步骤1中得到的数据V、Q、R，和RD代入以下预测模型公式(1)，通过采用线性最小二乘法回归拟合得到所述预测模型公式(1)中的待定参数K、β1和β2的数值：
式中，K表示的是场地系数，β1表示的是衰减系数，β2表示的是水土介质变化导致的衰减系数；
步骤3、根据水下爆破近邻域堤岸建/构筑物保护对象特征，查阅《爆破安全规程》(GB6722-2014)中该保护类别中V的最大值Vmax,将Vmax代入公式(2)中获得最大爆破齐发炸药量Qmax，为工程爆破进行指导：
步骤一、由于最大许可爆破震动速度V与爆破震动主频相关联，将步骤3中得到的Qmax代入以下公式(3)获得fmax:
步骤二、由于已知fmax，根据查表可知在该保护类别中Vmax’，将Vmax’代入公式(2)中，从而得到Qmax’。
比较Qmax和Qmax’，选取最小值作为该爆破作业的最大爆破齐发炸药量。
步骤1～3已经求得了最大爆破齐发炸药量，通过步骤一和步骤二的进一步推算，可进一步计算出更为精确的最大爆破齐发炸药量。
通过查阅《爆破安全规程》(GB6722-2014)，如表2所示，若此主频值 f与许可爆破震动速度V在表2中对应于相同的频率范围，则说明许可爆破震动速度V值选取合理。
表2爆破振动安全允许标准
预测模型公式(1)是在考虑水下爆破震动在堤岸及其近邻域传播所伴随的水、土介质变化特征，通过筛选与爆破震动主频有关的物理量并运用量纲分析推导出水下爆破爆破震动强度泛函关系式，具体推导过程如下：
研究水下爆破震动在堤岸及近邻域传播强度衰减规律时，由于震动传播介质涉及到水、土中，故得考虑水、土介质变化特征对爆破震动传播强度的影响。本发明采用量纲分析的方法推导震动强度衰减公式。现将影响爆破震动强度的自变量给出，分别是：炸药量Q，爆心距R，测点到堤岸的距离RD，介质密度ρ，介质中震动波传播速度c以及爆轰时间t。爆破震动位移μ、震动速度V、震动加速度a以及震动主频f作为因变量，与其影响的变量可以根据布金汉定理(Π定理)得到以下函数式：
V＝f(Q,R,c,μ,a,f,ρ,RD,t) (5)
由式(5)可知，分析问题的物理量总数目为n＝10。根据Π定理，在自 变量中取基本量为Q,R,c，所以基本量的量纲数目为m＝3，导出量与因变量的 量纲数目为n-m＝7，Π、Π1～Π7代表的是无量纲变量，则有：
将式(6)代入式(5)有：
根据对因变量Π不起作用的无量纲变量可记为常数1，则有：
对于爆破对象场地介质属性，介质密度ρ与震动波传播速度c均可记为常数，由式(8)可进一步化简得：
考虑爆破震动与炸药量Q，爆源距R，测点与堤岸的距离RD的关系，可将式(9)写成：
令则有：
lnV0＝α1+β′1lnQ-3β′1lnR (11)
其中，α1+β′1lnQ表示的是爆破对象场地的介质条件与炸药量对震动质点速度的综合影响；-β′1lnR表示的是震动质点速度与爆源距R的衰减关系；β′1表示的是衰减系数，主要反映场地介质条件对震动质点速度的影响。
令lnK1＝α1，β1＝-3β′1，则有：
其中，表示的是露天爆破条件下的萨道夫斯基公式。
将式(12)代入式(10)有：
令lnK2＝-ε1，β2＝-η1，则在考虑水域因素的条件下，通过引入距离比值系数的爆破震动质点速度的计算公式为：
其中，K1表示的是爆破对象场地系数；K2表示的是地形地貌影响系数；β1表示的是衰减系数；β2表示的与距离比值系数；
在式(14)中，可以用系数K来代替K1,K2，有：
其中，在步骤2中，根据实测爆破震动数据，采用线性最小二乘法对预测模型公式中的待定参数进行回归拟合，具体拟合过程为：
对式(2)等号两边取对数，有：
令y＝lnV，β0＝lnK，x2＝ln(RD/R)，则式(16)可化为：
y＝β0+β1x1+β2x2 (17)
为了求出待定参数β0,β1,β2的最优估计值，需要使得震动实测数据yi与式 (17)拟合值的残差平方和最小，即求解目标函数：
由多元函数的极值定理知，f取最小值的必要条件：
那么，可求得非齐次线性方程组解β0，β1，β2。再通过变量代换可求得那么具体的水下爆破装药量表达式为：
其中，在步骤3中计算模型公式为：
式(21)中，根据预测点最大允许的震动速度值V，可以计算出爆破齐发炸药量Q，从而指导工程爆破。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
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