高啟棟，盧文波，楊招偉，嚴(yán) 鵬，陳 明

（1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；2. 武漢大學(xué)水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072）

爆破振動(dòng)作為工程爆破的主要負(fù)面效應(yīng)，對(duì)它的預(yù)測(cè)與控制歷來(lái)是關(guān)注的熱點(diǎn)[1-3]。因結(jié)構(gòu)的破壞與質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度（PPV）具有良好的相關(guān)性[4]，PPV 通常被選為評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)危害的重要指標(biāo)。關(guān)于PPV 預(yù)測(cè)的研究不勝枚舉，如傳統(tǒng)的比例藥量經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)公式[5]、子波理論疊加方法[6-7]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)手段[8-9]等。因結(jié)構(gòu)的破壞是頻率相關(guān)的，關(guān)于爆破振動(dòng)頻譜特性的研究也不少[10-12]。此外，也有不少研究是關(guān)于地形、雷管延時(shí)、地應(yīng)力、臨空狀態(tài)和起爆方式等因素對(duì)爆破振動(dòng)的影響[13-17]。地表爆破振動(dòng)是體波（壓縮波和剪切波，簡(jiǎn)稱P 波和S 波）與面波（Rayleigh 波，簡(jiǎn)稱R 波）綜合作用的結(jié)果[18]，因此，非常有必要加深對(duì)不同波傳播或衰減特征及影響作用規(guī)律的認(rèn)識(shí)。然而，因爆破地震波的成分構(gòu)成及特性受爆源特性、測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置及爆破邊界條件等因素的影響，且受制于波成分識(shí)別及分離等方面的困難，爆破地震波的研究相對(duì)滯后，當(dāng)前對(duì)爆破振動(dòng)的控制鮮有將波型考慮在內(nèi)。

現(xiàn)有的研究主要聚焦于爆源特性或波的形成機(jī)理，如：Favreau[19]給出了球形空腔的應(yīng)力解，結(jié)果顯示球藥包只激發(fā)P 波；Graff[20]在無(wú)限爆轟假定下，證明了無(wú)限長(zhǎng)柱形空腔也僅激發(fā)P 波；Heelan[21]推導(dǎo)了短柱形空腔的應(yīng)力解，并證明短柱狀藥包可同時(shí)激發(fā)P、S 波；Blair[22]、Frédéric 等[23]也通過(guò)理論計(jì)算或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)分析了延長(zhǎng)藥包的應(yīng)力解；Aki 等[24]、阿肯巴赫[25]和王禮立[26]從數(shù)學(xué)推算的角度，結(jié)合應(yīng)力波的透射、反射理論研究了各種波的形成機(jī)理；Gao 等[27]、金旭浩等[28]、胡英國(guó)等[29]和楊招偉等[30]對(duì)爆破過(guò)程中S 波的形成機(jī)理、S 波的數(shù)值模擬及S 波初至?xí)r刻的判別等也做了研究。

本文中，針對(duì)白鶴灘水電站壩基開(kāi)挖過(guò)程中的一組爆破實(shí)驗(yàn)，借助于地震學(xué)中極化偏振分析方法，分析水平光爆激發(fā)地震波的成分構(gòu)成及特性，比較不同波的衰減特征及各自對(duì)爆破振動(dòng)的影響，并簡(jiǎn)要探討水平光面爆破的內(nèi)在力學(xué)機(jī)理，以加深對(duì)爆破地震波的認(rèn)識(shí)與了解，從而更好地預(yù)測(cè)與控制爆破振動(dòng)的危害。

1 爆破地震波的分類與識(shí)別

1.1 爆破地震波的形成與分類

所謂波，是指某種擾動(dòng)信號(hào)的傳播。炸藥在巖土體中爆炸時(shí)，除用于破巖等工程目的，還有部分能量會(huì)對(duì)炸藥周?chē)膸r土體引起擾動(dòng)，這種擾動(dòng)由此及彼、由近及遠(yuǎn)地傳播即形成爆破地震波，因此爆破地震波實(shí)際上是巖體介質(zhì)中由爆炸所引起的擾動(dòng)的傳播，屬于固體介質(zhì)中應(yīng)力波的傳播。

在彈性動(dòng)力學(xué)的發(fā)展過(guò)程中，Poisson 和Stokes 最早發(fā)現(xiàn)并證明[31]：在無(wú)界、均勻彈性介質(zhì)中，存在兩種彈性波的傳播，即縱波和橫波。在三維的一般情況下，當(dāng)忽略體積力時(shí)，無(wú)限、均勻彈性介質(zhì)中波傳播的運(yùn)動(dòng)方程為[26]：

首先，將方程組(1)的第1～3 式分別對(duì)x、y、z 微分，然后相加，即得：

再者，通過(guò)對(duì)方程組(1)作適當(dāng)變換、消去體積膨脹項(xiàng) ?，可得：

另外，由式(2)～(3)不難看出，膨脹波是無(wú)旋波（ ω =0） ，而剪切波是等容波或無(wú)散波（? =0）。依據(jù)亥姆霍茲矢量分解定理，無(wú)旋場(chǎng)必為某標(biāo)量 φ的梯度，而無(wú)散場(chǎng)必為某矢量 ψ的旋度，則位移場(chǎng)也可寫(xiě)為[26]：

則式(2)～(3)可分別改寫(xiě)為：

即無(wú)旋波和等容波的傳播也可分別由位移勢(shì)函數(shù) φ 和 ψ來(lái)表征。

假定一個(gè)任意平面波以波速c 在均勻各向同性的彈性介質(zhì)中傳播，若取此平面波的傳播方向?yàn)閤 軸，則3 個(gè)方向的位移可表示為 ξ=x?ct的 函數(shù)，即 u=u(x?ct)、 v =v(x?ct)、 w =w(x?ct)。將他們代入式(1)，進(jìn)行求解，則只得到兩種可能解：

式中： (′′)表示對(duì)ξ 的二階微商。式(7)表示無(wú)旋波只沿x 方向運(yùn)動(dòng)，即質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向與波的傳播方向一致，也即無(wú)旋波為縱波；而式(8)表示等容波只有y 和z 方向的運(yùn)動(dòng)，即質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向與波的傳播方向垂直，也即等容波為橫波。顯然，縱波比橫波傳播得快，最先被觀測(cè)到，其次是橫波，因此這兩種波又稱為P 波（primary wave）和S 波（secondary wave）。S 波按質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向的不同，又可分為平行于自由表面的SH 波和垂直于自由表面的SV 波。

當(dāng)體波的傳播遇到自由表面時(shí)，還會(huì)形成另一類沿自由表面?zhèn)鞑サ牟?，即表面波。Rayleigh 最早發(fā)現(xiàn)并證明了表面波的存在，并由此得名Rayleigh 波，簡(jiǎn)稱R 波。實(shí)際上，表面波是體波遇自由表面反射時(shí)，為滿足應(yīng)力為零的邊界條件而形成的另一類沿自由邊界傳播的波[32]，且其可看作是一對(duì)耦合的非均勻P 和SV 波沿自由表面的傳播[24]。由此定義，可得表征Rayleigh 波傳播的方程[32]：

圖 1 Rayleigh 波的傳播特性示意圖[32]Fig. 1 Illustration of Rayleigh wave’s propagation[32]

Rayleigh 波是由于自由表面的存在而形成的一種表面波，除此之外，還有其他類型的表面波，如Stoneley 波和Love 波等。Stoneley 波是指一種廣義的Rayleigh 波，表征存在于不同介質(zhì)界面處沿界面?zhèn)鞑サ姆蔷鶆虿āove 波是由上軟下硬的介質(zhì)層之間S 波的相互干涉所形成，屬于SH 型波。

綜上所述，根據(jù)傳播路徑的不同，爆破地震波可分為體波和面波兩種。體波在介質(zhì)內(nèi)部傳播，屬三維發(fā)散波，又可進(jìn)一步分為縱波和橫波。縱波的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向與波的傳播路徑一致，在傳播過(guò)程中僅引起介質(zhì)的壓縮和拉伸變形，也稱為壓縮波、疏密波和無(wú)旋波；橫波的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向垂直于波的傳播路徑，在傳播過(guò)程中僅引起介質(zhì)的剪切變形，也稱為剪切波、等容波和旋轉(zhuǎn)波。面波沿自由表面或介質(zhì)界面?zhèn)鞑?，屬于非均勻的二維發(fā)散波，包括Rayleigh波、Stoneley 波和Love 波等。因?yàn)楸萍虞d通常為軸對(duì)稱問(wèn)題，S 波中的SH 分量相對(duì)較少[33]，因而本文中主要針對(duì)P 波、SV 波和Rayleigh 波3 種波，圖2示意了3 種波的傳播特性。

求解式(9)，可得到Rayleigh 波速的近似表達(dá)式[25]：

1.2 偏振方向的預(yù)判

不同波的差別主要體現(xiàn)在偏振特性和傳播速度兩個(gè)方面，因此可基于地震學(xué)中極化偏振分析的方法來(lái)識(shí)別波的成分。在識(shí)別過(guò)程中，需事先根據(jù)爆源與測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系，預(yù)判各種波的偏振方向，主要包含3 種情況：(1)測(cè)點(diǎn)位于爆（震）源之上，即屬上行波，則P 波在第一、三象限偏振，其水平和豎直向振動(dòng)的相位相同（相位差為零），而S 波在第二、四象限偏振，其水平和豎直向振動(dòng)的相位相反（相位差為1/2 周期）；(2)測(cè)點(diǎn)位于爆（震）源之下，即屬下行波，則P 波在第二、四象限偏振，其水平和豎直向振動(dòng)的相位相反（相位差為1/2 周期），而S 波在第一、三象限偏振，其水平和豎直向振動(dòng)的相位相同（相位差為零）；(3) 測(cè)點(diǎn)與爆（震）源同高程，則P 波主要在水平向偏振，而S 波主要在豎直向偏振。這3 種情況下，Rayleigh 波均為橢圓偏振，它在地表的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為逆時(shí)針的橢圓，且水平和豎直向振動(dòng)的相位差為1/4 周期。圖3 以上行波為例，示意了3 種不同波的偏振方向和相位差異。

1.3 矢量圖分析

圖 2 不同波的傳播特性示意圖Fig. 2 Illustration of propagation characteristics of different waves

圖 3 上行波的偏振方向和相位差異示意圖Fig. 3 Illustration of polarization direction and phase differences for up-going waves

綜上所述，一種簡(jiǎn)便且直觀的方法識(shí)別波的成分構(gòu)成，即在位移坐標(biāo)系中點(diǎn)繪制質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，也稱矢量圖分析。因各種波偏振方向和傳播速度的差別，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的形狀將隨不同波的到達(dá)而發(fā)生變化。圖4 為埋藏藥包爆破情況下（上行波），地表某測(cè)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，其中u 和w 分別表示水平和豎直方向的位移。因質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡是按時(shí)序點(diǎn)繪制的，因而軌跡中的拐點(diǎn)表征在此之后將由另外一種波主導(dǎo)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。

圖 4 矢量圖分析識(shí)別爆破地震波Fig. 4 Hodogramic identification of seismic components induced by blasting

1.4 爆破地震波的識(shí)別流程

實(shí)測(cè)的爆破振動(dòng)多為速度時(shí)程，因此需通過(guò)數(shù)值積分得到位移時(shí)程，而后才能在位移坐標(biāo)中點(diǎn)繪制質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。在進(jìn)行數(shù)值積分前，原始數(shù)據(jù)需先經(jīng)基線矯正處理，否則積分得到的位移會(huì)發(fā)生漂移。概括起來(lái)，前面所述爆破地震波的成分判別包括如下兩個(gè)方面：(1)偏振方向的預(yù)判，明確爆源與測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系，對(duì)可能出現(xiàn)的各種波的偏振方向進(jìn)行預(yù)判；(2)矢量圖分析，主要包含原始數(shù)據(jù)（速度時(shí)程）的收集與整理、基線矯正處理、數(shù)值積分（獲得位移時(shí)程）、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的繪制。圖5 為爆破地震波的識(shí)別流程。

圖 5 爆破地震波的識(shí)別流程Fig. 5 Flowchart of identification of wave components induced by blasting

2 工程概況及實(shí)驗(yàn)方案

2.1 工程概況

圖 6 白鶴灘水電站全貌及實(shí)驗(yàn)選址Fig. 6 Overall view of Baihetan Hydropower and experiment area

白鶴灘水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，是金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩4 個(gè)梯級(jí)水電站中的第2 級(jí)，壩址距上游烏東德水電站182 km，距下游溪洛渡水電站195 km，具有以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙、改善下游航運(yùn)條件和發(fā)展庫(kù)區(qū)通航等作用。電站裝機(jī)容量16 000 MW，僅次于三峽，是當(dāng)今世界上的第二大水電站。如圖6所示，在白鶴灘水電站水平壩基EL 555～550 m的開(kāi)挖過(guò)程中，開(kāi)展了一組水平光爆實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)區(qū)巖體的物理力學(xué)參數(shù)分別為：密度2 700～2 800 kg/m3，彈性模量13～16 GPa，泊松比0.24～0.26，單軸抗壓強(qiáng)度65～90 MPa，抗剪強(qiáng)度0.6～0.7 MPa，聲波速度4.5～4.7 km/s。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

如圖7 所示，在光爆孔同高程平面和光爆孔以上3.5 m 處共布置了4 個(gè)地表測(cè)點(diǎn)#1～4，以監(jiān)測(cè)地表爆破振動(dòng)，圖8 以立視圖的形式示意了測(cè)點(diǎn)與炮孔的相對(duì)位置關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中，采用的傳感器可同時(shí)監(jiān)測(cè)水平徑向、水平切向和豎直向的爆破振動(dòng)速度，可監(jiān)測(cè)振速的范圍為0.001～35.4 cm/s，所有傳感器均采用速凝石膏與基巖緊密粘接。記錄儀采用成都中科測(cè)控生產(chǎn)的TC-4850，采樣頻率為8 000 s?1，觸發(fā)值為0.25 cm/s，記錄時(shí)長(zhǎng)為5.0 s，預(yù)觸發(fā)為0.1～0.2 s。實(shí)驗(yàn)智能爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖9 所示。

2.3 爆破參數(shù)

此次水平光面爆破共包含32 個(gè)炮孔，且采用毫秒延時(shí)雷管MS5（110 ms）分成了8 段，每段包含3～6 個(gè)炮孔，起爆網(wǎng)絡(luò)如圖10 所示。炮孔間距為0.6 m，抵抗線為1.0 m，孔深為10.0 m。炸藥為2#巖石乳化炸藥，裝藥采用空氣間隔裝藥的方式，線裝藥密度為220 g/m，鉆孔裝藥參數(shù)分別為：孔徑76 mm，孔深10 m，間距0.6 m，藥徑32 mm， 線密度220 g/m，藥量2.2 kg，堵塞1 m。典型炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖11 所示。各段爆破的藥量（即單響藥量）為6.6～13.2 kg，測(cè)點(diǎn)距各段爆破的水平距離為1.8～37.4 m（見(jiàn)表1）。

圖 7 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的布置Fig. 7 Layout of in-situ observation points

圖 8 測(cè)點(diǎn)與炮孔的相對(duì)位置Fig. 8 Relative location of observation points and blastholes

圖 9 智能爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig. 9 Intelligent blast vibration monitoring system

圖 10 起爆網(wǎng)絡(luò)Fig. 10 Initiation network

圖 11 典型炮孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig. 11 Typical charging structure

表 1 各段的爆破藥量和測(cè)點(diǎn)距離Table 1 Charge weight and distance of each blast

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖12 為一個(gè)實(shí)測(cè)的爆破振動(dòng)時(shí)程，其中包含8 段明顯的信號(hào)，且每段信號(hào)的起始時(shí)間與起爆網(wǎng)絡(luò)（見(jiàn)圖10）中雷管的延遲時(shí)間吻合，他們分別代表8 段光爆孔誘發(fā)的振動(dòng)。為方便描述，以#1-Ⅰ表示#1 測(cè)點(diǎn)處由第Ⅰ段光爆孔誘發(fā)的振動(dòng)。

圖 12 實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)時(shí)程Fig. 12 Measured blast vibration histories

3.1 光爆孔平面上的地震波

圖13 為與光爆孔同高程平面上測(cè)點(diǎn)的典型質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，其中u 和w 分別表示水平徑向和豎直向的位移。在工程實(shí)踐中，多關(guān)注徑向和豎直向的振動(dòng)，而切向振動(dòng)的規(guī)律性較差，圖中的軌跡僅是質(zhì)點(diǎn)在水平徑向和豎直向二維空間的運(yùn)動(dòng)情況。因測(cè)點(diǎn)#1～#3 與炮孔在同一高程（平行波，見(jiàn)圖8），因而P 波應(yīng)在水平向偏振，S 波在豎直向偏振，而R 波為逆時(shí)針橢圓偏振。由圖13 可知，對(duì)于光爆孔同平面上的測(cè)點(diǎn)，幾乎無(wú)P 波的軌跡，其作用可忽略，但S 與R 波的運(yùn)動(dòng)軌跡非常明顯，說(shuō)明S 和R 波均為重要分量，且S 波主要在豎直向振動(dòng)，而R 波對(duì)水平向和豎直向的振動(dòng)均有貢獻(xiàn)。

圖 13 光爆孔同平面上的典型質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig. 13 Particle motion trajectories of smooth blastholes on the same plane

圖14 為測(cè)點(diǎn)#2 監(jiān)測(cè)到的由第Ⅴ段光爆孔所誘發(fā)的爆破振動(dòng)速度時(shí)程，其中粉色虛線表示S 與R 波的分界點(diǎn)，該分界點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡（見(jiàn)圖13(d)）中拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻相吻合。因S 與R 波的波速差異較小，S 波段含有部分初至的R 波，R 波段也不可避免的包含S 波的尾波段，因而圖中所做的標(biāo)記僅代表相應(yīng)時(shí)間段的主導(dǎo)波型。由圖14 可知，測(cè)點(diǎn)#2 處水平向S 波的分量較少，但豎直向S 波的振速相對(duì)較高，下面會(huì)進(jìn)一步比較S 和R 波的影響。

圖 14 光爆孔同平面上的典型爆破振動(dòng)速度Fig. 14 Blast vibration velocities of smooth blastholes on the same plane

3.2 光爆孔平面外的地震波

圖15 為光爆孔同高程平面以外的測(cè)點(diǎn)#4 的典型質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。因測(cè)點(diǎn)#4 高于炮孔3.5 m（上行波，見(jiàn)圖8），因而P 波主要沿著第一、三象限的方向運(yùn)動(dòng)，而S 波主要沿著第二、四象限的方向運(yùn)動(dòng)，R 波仍為逆時(shí)針橢圓偏振。受傳感器偏斜等因素的影響，P 波的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡并非嚴(yán)格落在第一、三象限，同樣S 波的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡也并非嚴(yán)格落在第二、四象限，但質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方位基本可反映不同波的偏振特性，并不影響對(duì)波成分的判別。由圖15 可知，對(duì)于光爆孔平面外的測(cè)點(diǎn)，P、S 和R 波的運(yùn)動(dòng)均很明顯，P 波的作用不可忽略，說(shuō)明爆破地震波的成分構(gòu)成與測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置密切相關(guān)。

圖 15 光爆孔平面外測(cè)點(diǎn)的典型質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig. 15 Particle motion trajectories of smooth blastholes outside the same plane

圖16 為測(cè)點(diǎn)#4 監(jiān)測(cè)到的由第Ⅱ段光爆孔所誘發(fā)的爆破振動(dòng)時(shí)程，其中藍(lán)色虛線代表P 與S 波的分界點(diǎn)，粉色虛線仍代表S 與R 波的分界點(diǎn)。圖16 表明，測(cè)點(diǎn)#4 處P 波的振速明顯高于另外兩種波，而S 和R 波的振速相當(dāng)，即P 波在測(cè)點(diǎn)#4 處為3 種波中的優(yōu)勢(shì)波。

3.3 不同波的衰減特征及影響評(píng)價(jià)

3.3.1 光爆孔平面上S 和R 波的衰減

圖17 為光爆孔同平面上S 和R 波的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度（PPV）νp，并擬合了PPV 隨比例距離（SD）ds的衰減關(guān)系：

式中：K 和α 分別為與波型及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)參數(shù)相關(guān)的衰減系數(shù)。

本次光面爆破分為8 段，且在光爆孔平面上布置了3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，因此共有24 組數(shù)據(jù)可用，但為獲得最佳的擬合曲線，圖17 已剔除了部分異常值。

由圖17 可知，對(duì)于光爆孔平面上的測(cè)點(diǎn)，S 和R 波對(duì)總體振動(dòng)的影響有很大區(qū)別。其中，水平向R 波的PPV 遠(yuǎn)高于S 波，且其衰減速度α 比S 波小，說(shuō)明水平向的振動(dòng)主要由R 波引起；而對(duì)于豎直向的振動(dòng)，監(jiān)測(cè)到的S 波的PPV 高于R 波，但從PPV 的衰減趨勢(shì)來(lái)推測(cè)，R 波的振速在SD 足夠大時(shí)仍然會(huì)超過(guò)S 波。關(guān)于豎直向R 波的振速超過(guò)S 波的具體位置，有預(yù)測(cè)關(guān)系式：

式中：Ks、Kr、αs和αr分別表示對(duì)應(yīng)于S 和R 波的衰減系數(shù)。將圖17(b)中擬合所得的衰減參數(shù)代入式(14)，可得ds=22.5 m/kg1/2（58～67 m，取單響藥量為6.6～8.8 kg）。

圖 17 光爆孔同平面上測(cè)點(diǎn)S 和R 波PPV 的比較Fig. 17 Comparison of PPVs associated with S and R waves of smooth blast-holes on the same plane

3.3.2 光爆孔平面外P 波的影響評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)光爆孔平面外P 波的影響，圖18 為P 波和另兩種波誘發(fā)的PPV，其中SR 表示S 與R 波的聯(lián)合作用，即S 和R 波中PPV 的最大值。因測(cè)點(diǎn)#4 距爆區(qū)較近，使得第Ⅶ和第Ⅷ段光爆孔誘發(fā)的振速超過(guò)了儀表量程，而第Ⅰ段光爆孔誘發(fā)的振動(dòng)時(shí)程發(fā)生異常，因而這3 組數(shù)據(jù)已被剔除，即圖18 中共包含5 組數(shù)據(jù)。由圖18 可知，測(cè)點(diǎn)#4 處P 波的PPV 均高于S 和R 波，即P 波的影響不可忽略，且在此處為優(yōu)勢(shì)波，但隨水平距離的增大，P 波的PPV 會(huì)低于S 和R 波，說(shuō)明主導(dǎo)波的類型會(huì)隨測(cè)點(diǎn)位置的改變而發(fā)生變化。

圖 18 光爆孔平面外測(cè)點(diǎn)P 波和SR 波PPV 的比較Fig. 18 Comparison of PPVs associated with P and SR waves of smooth blast-holes outside the same plane

3.4 分析與討論

如圖19 所示，水平光面爆破可被解讀為半無(wú)限巖體在垂直荷載和水平小力偶作用下的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，若忽略水平力偶，則可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為經(jīng)典的Lamb 問(wèn)題，即半無(wú)限空間下的地震學(xué)問(wèn)題。Lamb 解表明[20]，半無(wú)限空間在垂直點(diǎn)荷載作用下，P、S 和R 波各占總能量的7%、26%和67%，但這僅適于全場(chǎng)域能量的分配，而對(duì)于某個(gè)特定的測(cè)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同波的相對(duì)量值及主導(dǎo)波的類型均和測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置密切相關(guān)，而未嚴(yán)格遵循7%、26%和67%的能量配比規(guī)律。因此，在分析評(píng)價(jià)爆破地震波的影響時(shí)，有必要事先明確測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置，以初步判定主導(dǎo)波的類型。

圖 19 水平光爆的內(nèi)在力學(xué)機(jī)理示意圖Fig. 19 Illustration of mechanical mechanism of horizontal smooth blasting

由圖19 可知：對(duì)于光爆孔同平面上的測(cè)點(diǎn)，光爆孔的加載主要為剪切源，幾乎不包含壓縮項(xiàng)；而對(duì)于光爆孔平面外的測(cè)點(diǎn)，除剪切項(xiàng)，還包含壓縮項(xiàng)，若測(cè)點(diǎn)離光爆孔平面足夠遠(yuǎn)，則壓縮項(xiàng)就會(huì)起主導(dǎo)作用。因而P 波分量在光爆孔平面上基本可忽略不計(jì)，而在光爆孔平面外的特定位置會(huì)成為優(yōu)勢(shì)波型，即爆源（震源）的特性會(huì)對(duì)波的成分構(gòu)成及主導(dǎo)波的類型起決定性作用。

圖17 表明，對(duì)與光爆孔同平面上的豎直向振動(dòng)，會(huì)經(jīng)歷主導(dǎo)波型由S 波轉(zhuǎn)為R 波的過(guò)程，這應(yīng)歸因于S 和R 波不同的幾何衰減。S 波為介質(zhì)內(nèi)部的三維擴(kuò)散波，其衰減和距離成反比；而R 波主要在二維地表面上傳播，其衰減和距離的平方根成反比，因此：S 波的幾何衰減因子高于R 波1/2[20]，該差值也與圖17 中的擬合值相吻合。圖17、19 綜合表明，爆源（震源）的特性和沿傳播路徑的不同衰減共同決定波的成分構(gòu)成及演化。此外，圖13、15 還表明，某測(cè)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)振動(dòng)方向與波的成分構(gòu)成密切相關(guān)。綜上所述，在爆破振動(dòng)的預(yù)測(cè)和控制過(guò)程中，有必要結(jié)合爆源特性、測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置、衰減特征及演化規(guī)律等綜合因素，來(lái)分析爆破地震波的成分構(gòu)成及評(píng)價(jià)不同波的影響。

4 結(jié) 論

針對(duì)白鶴灘水電站壩基開(kāi)挖過(guò)程中的一組現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)分析了由水平光面爆破激發(fā)的地震波成分構(gòu)成及衰減特征，主要得出如下結(jié)論。

（1）爆破振動(dòng)中不同波的相對(duì)量值及主導(dǎo)波的類型均會(huì)隨測(cè)點(diǎn)位置的改變而變化，爆源特性和沿傳播路徑的不同衰減共同決定波的成分構(gòu)成及演化，某測(cè)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)振動(dòng)方向也與波的成分構(gòu)成密切相關(guān)。

（2）對(duì)于水平光爆平面上的測(cè)點(diǎn)，P 波的作用可忽略不計(jì)，且S 波主要在豎直向振動(dòng)，而R 波對(duì)水平向和豎直向的振動(dòng)均有貢獻(xiàn)；而對(duì)于水平光爆平面外的測(cè)點(diǎn)，P 波的作用不可忽略，且其在特定位置會(huì)成為優(yōu)勢(shì)波型。

（3）關(guān)于水平光爆平面上S 和R 波的不同影響，其中水平向的振動(dòng)主要由R 波引起，而S 波的豎直向振速在近區(qū)遠(yuǎn)高于R 波，但因S 和R 波的不同幾何衰減，R 波于22.5 m/kg1/2（58～67 m）處開(kāi)始主導(dǎo)豎直向的振動(dòng)。

本文中，僅初步探索了水平光面爆破激發(fā)地震波的特性，為獲得更普適的結(jié)論，后續(xù)還將開(kāi)展對(duì)其他爆源所激發(fā)的地震波的研究。另外，文中采用的地震波成分識(shí)別方法還不能實(shí)現(xiàn)波的完全分離，仍有待于探索更有效的波成分分離方法。