爆破振动远程监测技术在白鹤滩水电站的应用

陈群山 肖文 林育强 李明霞

摘 要：本文根据工程爆破振动特性研究与分析中存在的主要问题，以考虑无线实时传输为研究特色，基于远程监测技术，开展相应硬件和软件研发，建立工程爆破振动效应远程监测信息管理系统，并成功应用于白鹤滩水电站。实践证明，该技术能有效实现数据共享，从而利用少量的人力、物力，即可获取海量监测数据，从而指导爆破安全作业，减少或避免爆破振动的危害作用。

关键词：远程监测；爆破试验；爆破振动；安全控制；实时传输

中图分类号：TV542 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）20-0148-02

爆破振动作为爆破安全控制的重要指标，一直是国内外比较关注的内容，相应开展的研究工作也比较多。在工程爆破监测技术方面，传统的监测设备在野外危险区域工作存在一定的局限性，不能实现无人值守与长时间监测；在岩体爆破振动特性方面，如何在获取海量监测数据后，得出不同岩体、不同爆破方式下的爆破振动传播规律等爆破振动特性，对指导爆破安全作业，从而减少或避免爆破振动的危害作用具有重要意义。

1 工程爆破监测技术研究现状

经过几十年发展，爆破振动监测技术已有很大进步[1]。过去常用的爆破振动监测管理系统主要包括检波器、放大器和自记仪。检波器用于把振动信号转换为电信号并输出；放大器用于检波器信号的放大或衰减；爆破自记仪为记录爆破信号的装置。记录装置记录下信号再由人工或专门仪器对波形进行分析处理[2]。第一代测试系统由检波器和光线示波器组成[3]，所有测点的检波器均需由导线与监测站内的光线示波器相连，光线示波器大而重，单根导线长几十米，甚至几百米，记录时测试人必须守候在光线示波器旁控制记录波形曝光时间，记录波形不便于保存。第二代测试系统检波器与放大器之间需用几十米或几百米的信号传输电缆连接，在测试准备工作中，不仅时间长、工作量大，而且由于敷设线路过长，也易出现系统误差[4]。第三代测试系统不需长导线将检波器与记录设备相连[5]，设备可以待机几小时、甚至几天，波形保存在自记仪内，可以多次回放，但未实现系统管理。

2 爆破振动远程监测技术

2.1 基于物联网的爆破振动无线监测系统

随着我国经济的持续高速发展，越来越多的爆破工程和爆破试验在城市以及有重要工程建筑的地方进行，因此爆破振动对于建筑的影响受到愈来愈多的关注[6]。目前工程爆破是我国矿山开采、隧道开挖及水利水电等工程的主要施工方法。在工程爆破过程中，爆破引起的振动影响附近建筑物及相关设施的安全。因此，采取科学有效的手段建立有效、实时的工程爆破振动监测系统具有重要的经济效益和社会效益。

现有的爆破振动监测技术已不能满足灵活性和实时性的要求，长江科学院自主研发的基于物联网的爆破振动无线监测系统利用物联网和无线通讯技术，在多年来从事动态信号实时处理传输产品开发的基础上，根据现场爆破振动测试仪器的新要求，基于物联网概念设计并研发新一代的基于物联网的爆破振动无线监测系统，实现爆破数据无线实时传输的爆破数据的要求，并利用RFID和GPS技术确保爆破监测的真实有效，大大降低了现场布线工作量，组网灵活，综合成本低，可扩展性好。

2.2 远程无线爆破管理信息系统

远程无线爆破管理信息系统分为软件版和Web网页版。可以实现爆破数据的添加和下载，显示记录列表、打开记录、查找记录、导出数据、删除记录、打印记录以及查看记录地理信息，查看振动详细信息和振动波形，振动波形的分析（包括频谱分析、功率谱分析、一阶积分分析、一阶微分分析等），短信预警功能等。软件版远程无线爆破管理信息系统是针对新一代的爆破爆破振动监测记录仪研发的独立软件；Web网页版远程无线爆破管理信息系统是针对新一代的爆破爆破振动监测记录仪研发的基于物联网的操作平台。

3 白鹤滩水电站柱状节理玄武岩试验洞爆破试验

3.1 概述

白鹤滩水电站的开发任务以发电为主，兼顾防洪，并有拦沙、改善下游航运条件和发展库区通航等综合利用效益，是西电东送骨干电源之一。电站装机容量13050MW，多年平均发电量564.9亿kW·h，保证出力4058MW。白鹤滩水电站枢纽由拦河坝、泄洪消能建筑物和引水发电系统等主要建筑物组成。地下厂房采用首部开发方案布置，地下洞室群主要包括引水隧洞、主副厂房洞、主变洞、母线洞、出线竖井、尾水调压室、尾水洞、通风洞及进厂交通洞，其中厂区三大洞室主副厂房洞、主变洞、尾水调压室平行布置。

3.2 测点布置

爆破振动沿本洞室轴线方向的传播衰减规律，必须对其水平与垂直方向的爆破振动速度进行监测。爆破质点振动监测是以基础部位的质点振动速度值来控制的，因此测点布置须布置在基础部位，避免测点布置过高造成因放大效应引起的振动失真现象。最近的测点距离爆破作业面的距离10m，其余测点之间的距离按指数规律布置。

3.3 分析方法

爆破质点振速V，主要与爆破单段药量以及爆源距有关，质点振动速度的传播符合萨道夫斯基規律，可以用下式来表示：

（3-1）

式中，—质点峰值振速，cm/s；Q—单段最大药量，kg；R—测点到爆心的斜距，m；K、α—与场地、爆破方式等有关的因子。

3.4 试验洞爆破振动传播规律分析

试验洞分为A、B两个区，主要进行洞室光面爆破试验，A区先开挖中导洞，再进行两侧扩挖光面爆破试验，B区进行全断面开挖光面爆破试验。A区两侧扩挖光面爆破，一次总起爆药量43kg～37.5kg，孔深3.2m，最大单段药量16.5kg。B区全断面开挖光面爆破，一次总起爆药量最大73kg，最大单段药量不超过15.4kg。光面爆破孔内以φ32及φ25药卷入孔，间隔不偶合装药，各炮孔以导爆索联接。爆破振动监测结果如表1所示。

对A、B两个区边墙振速测值进行回归，分别得到垂直向（铅垂向）和水平向（垂直边墙向、平行边墙向）爆破振速传播经验公式如表2所示。

4 结语

本文根据工程爆破振动特性研究与分析中存在的主要问题，通过研发爆破振动远程监测仪器，建立工程爆破振动效应远程监测信息管理系统，实现数据无线实时传输，并将爆破振动远程监测仪器与工程爆破振动效应远程监测信息管理系统运用于工程实践，提供了工程便利，长时间监测，数据量丰富。同时，基于远程监测技术，开展岩体爆破振动特性研究，以白鹤滩水电站柱状节理玄武岩试验洞爆破试验为例，得出岩体爆破振动传播经验公式等爆破振动特性与规律。

参考文献

[1]周召江.新型爆破振动监测设备与技术[J]，爆破，2008，（04）：103-105.

[2]李彬峰.爆破振动的分析方法及测试仪器系统探讨[J].爆破，2003，（01）：81-84.

[3]陈建兵，施军花.光线示波器测量误差的分析[J].低压电器，1992，（05）：37-39.

[4]黄宏铭，邢凤妮.用记忆示波器和磁带记录器记录试验波形[J].低压电器，1982，（02）：34.

[5]汪家铭.带有PLC的综合振动监测系统[J]. 噪声与振动控制，1994，（01）1.

[6]祝树枝，吴森康，杨昌森.近代爆破理论与实践[M].武汉：中国地质大学出版社，1993.