爆破地震作用的沟槽效应

爆破地震作用的沟槽效应
引言
地震波在传播过程中遇到具有一定深度的沟槽(或预裂缝)时，将受到阻碍作用，沟槽以后的震动强度减小。

这种沟槽隔震原理被广泛应用于露天边坡的预裂爆破和基础拆除爆破开挖防震沟等降震设计。

然而，除了众所周知的地震波传播到沟槽坡面上因反射而具有隔震作用外，沟槽对地震波的传播还有无其它效应?对此，人们至今尚未作深入研究。

本文通过土介质中爆破地震作用的沟槽效应测试，得到爆破地震波经过沟槽时质点振动规律具有分区特性的结论，并对爆破震
动作用的沟槽效应机理进行了深入研究，深化了对沟槽隔震作用机理的认识。

2 爆破地震沟槽效应的测试
影响爆破地震的因素很多。

为了避免节理、裂隙、岩层等各种地质条件对爆破地震波传播的影响，突出沟槽对爆破地震波传播的动力响应，试验选在均质黄土中进行，孔径40mm，孔深70cm，采用2号岩石铵梯炸药，单孔药量150g，堵塞长度56cm，8号电雷管起爆。

测试系统采用CD-1型磁电式速度传感器拾震，GZ-2型测振仪放大，SC-16型光线示波器记录波形。

为了对比，在同等条件下进行无沟槽和有沟槽的爆破震动测试。

测点布置见图1（a）和图1（b）所示。

图1 爆破地震沟槽效应测点布置、R～V
拟合曲线及爆破震动作用分区
（a）无沟槽时的测点布置；
（b）有沟槽时的测点布置及爆破震动作用分区；
（c）爆破震动衰减情况的R～V拟合曲线
.—没有沟槽或不受沟槽影响的测量值；
×—受沟槽影响的测量值；
－—不受沟槽影响的R～V拟合曲线(实线部分)；
…—受沟槽影响的R～V拟合曲线(虚线部分)
对于有沟槽的地震效应测试，在爆破前，由人工挖掘沟槽一个。

为了较好地反映沟槽的隔震效果，设计沟槽深度为1m（大于爆源深度），沟槽长度7m（使地震波经过55°以上的绕射角才能到达沟槽以后的各测点），沟槽底宽0．8m，沟口宽1m，沟槽与爆破地震波传播方向垂直。

测点相对于爆源布置成测线，测线垂直于沟槽，测点分布于沟槽两边，沟槽近区加密布点，沟槽底部和两壁也布置了测点。

实测数据列于表1。

表1 爆破震动沟槽效应测试
3 测试结果分析
由测试结果可见，爆破地震波经过沟槽时具有复杂的动力响应作用。

除了目前人们熟知的沟槽隔震作用以外，还有以下特点：
(1)沟槽边缘的质点振动强度具有放大效应。

爆破地震波传播到沟槽
边缘时，震动强
度增加。

地震波经过沟槽后，沟槽对面的V区的边缘部分地震强度不是
衰减，而是放大。

这与目前人们的认识不一致。

(2)沟槽底部的地震波具有体波的特征。

当沟槽宽度不大时，沟槽底
部的地震波形具有体波的特征：振幅小，频率高。

(3)爆破地震沟槽效应具有分区特性。

由于存在沟槽效应，不同区段
地震波变化规律不同。

根据测试结果，拟合出具有沟槽效应的地面质点
振速V随爆源距离R变化的关系曲线，如图1（c）所示。

(4)沟槽具有隔震效果。

沟槽对面波具有很好的隔震作用，表现在波形图上，频率低、振幅大的面波经过沟槽及其边缘放大区之后有明显的衰减，如图2的23＃波形等。

从图1（c）中的R～V拟合曲线可知，在沟槽附近的V区之后，震动强度明显降低。

本试验条件下，在同样距离时，有沟槽的爆破震动强度比无沟槽时降低约32％。

沟槽对体波的隔震作用较小。

沟槽深度愈大，隔震效果愈好，当沟槽深度大于爆源深度时，有明显的隔震效果。

图2 部分实测的典型波形图
26＃—Ⅰ区波形图；
14＃—Ⅳ区波形图；
15＃—沟槽壁上的波形图；
16＃—沟槽底部（Ⅲ区）波形图；
19＃—Ⅴ区波形图；
23＃—Ⅱ区波形图
式中V——质点振动速度，cm*s－1；
Q——装药量，kg；
R——质点至爆源距离，m；
K、α——系数，与爆破方法和介质条件有关。

本试验条件下，回归得到的K＝22，
α＝1．3。

Ⅱ区是受沟槽影响之后的介质表面区，即沟槽减震作用区。

因面波沿介质表面传播，一定
深度的沟槽对面波能起到很好的隔离作用。

Ⅱ区的面波是从沟槽两端绕射而来的，其强度主要
与沟槽参数有关。

沟槽愈长，经绕射而来的面波能量愈小。

若沟槽较浅，爆源较深，体波可直
接传播至Ⅱ区，受沟槽的影响较小。

否则，体波需经沟槽底部绕射而至，衰减较大。

一般的沟
槽深度有限，因此与Ⅰ区相比，Ⅱ区的面波作用权重明显减小，这正是沟槽具有隔震作用的主
要原因。

通常沟槽长度大于深度，加之面波传播速度又低于体波，所以经沟槽端部绕射而来的
面波明显迟于经沟槽底部传来的体波，所以从Ⅱ区的振动波形图上可以看到初始段为振幅小、
频率高的体波，持续较长时间之后才是频率较低、经过显著衰减后的面波。

Ⅱ区的质点振动强
度可按下式计算：
式中K′——与沟槽参数和震源条件有关的隔震系数。

当沟槽深且长，震源弱又浅时取小值，K′＝0．68。

天然地震的震源较深，爆破地震的震源较浅，因此，对规模较小的沟槽或裂缝，爆破地震
的沟槽隔震效果比天然地震好。

Ⅲ区在介质内部，属于体区，传播体波。

该区未受沟槽影响。

当沟槽较深且宽度不大时，
沟底传播的主要是体波，因此频率高，振幅小。

Ⅳ区是沟槽地震波反射拉伸区。

当平面地震波垂直入射到沟槽坡面AA′面时，在此自由面上产生全反射［1］。

设入射波振速的波形表达式为：
V i（t）＝A1f（t）（3）则反射波形为：
V r（t）＝－A1f（t）（4）所以坡面AA′的质点位移U（t）为：
式中A1——入射波振动速度的振幅。

由此可见，沟槽AA′面上，振动位移比入射波增加了一倍，振动强度增加。

Ⅳ区是地震波在坡面AA′附近受到反射拉伸影响的范围，该区的R～V曲线反映了地震波受到反射拉伸影响的情况。

Ⅴ区是受沟槽坡面BB′影响的动力响应区。

由于沟槽AA′坡面的全反射隔离作用，该区的振动不是从爆源直接传来，而是在沟槽底部体波的作用下，对上部Ⅴ区介质产生的动力响应作
用［2］，使Ⅴ区有震动放大作用。

作者单位:西南工学院(四川，621002)
参考文献
1 陶颂霖．凿岩爆破．北京：冶金工业出版社，1986
2 孟吉复．爆破测试技术．北京：冶金工业出版社，1992
4 沟槽效应机理分析
若地震波沿介质表面传播过程中遇到沟槽时，沟槽前后不同部位将产生不同程度的动力响应，即沟槽效应。

具有沟槽效应的振动作用可分为如图1（b）所示的5个分区，各分区振动效应不同。

Ⅰ区为未受沟槽影响的介质表面区。

因Ⅰ区的地震波沿表面传播，所以该区面波作用权重大，体波作用权重小，振动速度可按下式计算：5 结束语
爆破震动沟槽效应的研究，深化了对沟槽隔震作用的认识：
（1）沟槽对面波的隔震作用强于体波，而面波是引起地面建(构)
筑物地震破坏的主要因素。

（2）沟槽的两个坡面的近区是动力响应区，响应区的范围与介质性质、沟槽深度、爆破方法等因素有关。

本试验条件下的响应区宽度约为0．6m。

响应区内震动强度有所加强，之后有明显的减震效果。

认识这一点，对于正确设置防震沟的位置，减小震害具有实际的指导意义，例如：当拆除爆破需要挖防震沟时，防震沟宜设置在爆源近区，不能设置在距保护的建(构)筑物太近的地方，以免使被保护物处于沟槽的动力响应区内。

（3）沟槽不同分区的体波和面波作用权重不同，地震波的强度、频率和衰减规律具有分区特性，认识这一点有利于爆破地震预测。