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河南五岳抽水蓄能电站爆破振动监测的自动化应用

2024-09-29 167 上传者：管理员

摘要：为确保隧洞开挖过程中爆破施工不会对周围民用建筑物的安全和稳定产生影响，基于网络测振仪研发了1套爆破振动自动化监测系统。该系统采用了先进的传感器技术、高效的数据处理算法及智能的交互界面，可以实时采集和分析爆破振动数据。通过该系统，可以实时掌握爆破振动数据的变化情况，为相关单位提供准确、可靠的反馈信息，进而保障施工安全、提高施工效率。该自动化监测系统在河南五岳抽水蓄能电站的隧洞开挖施工中发挥了重要作用。

关键词：
尾水隧洞
抽水蓄能电站
爆破振动监测
自动化监测系统
自动化系统
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河南五岳抽水蓄能电站位于河南省信阳市光山县殷棚乡和罗山县定远乡境内，总装机容量为1 000 MW,装设4台单机容量为250 MW的水泵水轮发电机组。电站建成后，主要承担河南电网的调峰、填谷、调频、调相和紧急事故备用等任务[1]。

该工程共布置了两条下穿村庄的尾水隧洞，均采用钻爆法进行施工。面对测点数量多、爆破频次高、监测周期长以及反馈时效要求高的项目特点，已有的远程监测系统不能完全适应匹配项目需求。为此，文中基于网络测振仪搭建了爆破振动自动监测和预警系统，并与数字智慧化管理平台端口对接，实现了监测成果自动生成与共享。

1、爆破振动监测原理和意义

1.1 爆破振动监测原理

爆破振动监测原理是利用监测仪器在爆破时对质点振动的3个分量值(垂向、水平径向、水平切向)进行监测，同时记录振动速度随时间的衰减变化曲线。通过分析振动波的最大振幅和频率评估爆破施工对建筑物的破坏程度[2]。

一般来说，建筑物对爆破振动的反应在不同频率下是不同的。通过对监测到的振动信号进行频谱分析，可以了解建筑物对不同频率的振动响应[3]。

此外，还可以利用萨道夫斯基公式(式1)来计算在不同距离处爆破可使用的最大爆破炸药量[4]。

式中，v为质点振动速度，cm/s;K、α分别为与爆区至测点间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数；Q为炸药量，kg;R为测点至爆源的距离，m。

1.2 爆破振动监测的意义

在隧洞开挖过程中，爆破施工产生的地震效应可能对周围建筑物的安全和稳定造成重大影响，因此必须对其进行监测，这是保障钻爆法开挖施工顺利进行的必要工作。

在监测工作正式开始之前，需先进行爆破振动监测试验。通过爆破参数及对应的监测数据建立该工区的爆破振动传播规律。基于上述规律，可以反算爆破施工最大装药量，进而反馈爆破参数优化建议，辅助施工决策，以便更好地控制钻爆法对周围建筑物的危害。

此外，高效的数据处理与信息反馈机制能够迅速将振速值超标的监测信息反馈至相关单位及负责人，进而快速采取必要的应对措施，最大限度地减轻或消除不良影响。

2、爆破振动监测方法

爆破振动监测仪器主要由传感器和爆破振动自动记录仪2个部分组成(图1)。在爆破作业现场，传感器被放置在需要监测的位置，它可以实时感知该位置的振动情况，并将振动转换成电信号输出。爆破振动自动记录仪则是一种可以自动记录从传感器输出的电信号的设备，并且能够将这些数据存储起来，最后通过网络将这些数据传输至指定服务器。在服务器端，可以使用配套软件对这些数据进行实时监控和解析，以便对当前振动的状态进行准确判断，从而有效地控制和调整爆破作业的参数，确保建筑物安全和稳定[5]。

图1爆破振动自动记录仪及传感器

2.1 测点的布置

在进行监测设计时，首先需要确定测点的布置。为了确保监测数据的准确性和可靠性，每个测点都应按照监测设计的要求进行布置并统一编号，以便后续管理和数据处理。

确定测点布置后，需要绘制测点布置图。测点布置图应清晰明了地标示出每个测点的位置及对应的传感器、记录仪编号等信息。

传感器的选用需要考虑到监测目标的实际情况和特点，一般需布置三轴向振动速度传感器。

为了降低监测成本、提升工作效率，并确保监测数据的准确性和可靠性，测点的选择应具有代表性。通常情况下，测点的选择应遵循以下原则[6]:

1)选取离爆源最近的建筑物布置测点。

2)选取年久失修、抗震能力较弱的建筑物布置测点。

3)选取较为重要的建筑物布置测点。

4)选取居民争议最大处布置测点。

2.2 传感器的安装

安装传感器前，需对安装部位的岩石介质或基础表面进行清理和清洗，去除表面污垢、油脂和其他杂质，确保传感器与其粘结牢固形成刚性连接，减少误差和干扰。

安装传感器过程中，还需严格控制传感器的安装角度。一般来说，误差不能大于5°,以保证数据的准确性和可靠性。同时，还需对传感器的安装位置和角度进行记录和标识，以便于后续的数据处理和分析。

2.3 现场监测技术

1)爆破作业前，应收集一系列爆破参数，包括爆破规模、爆破方式、孔网参数以及起爆网路等。这些参数对爆破效果和安全有着至关重要的影响。爆破规模通常包括炸药用量、爆破次数、装药结构等；爆破方式包括裸露药包法、浅孔爆破法、深孔爆破法等；孔网参数包括孔径、孔深、孔距等；起爆网路则涉及到雷管、导火索、继电器等器材的选择和使用[7]。

2)在监测记录前，应根据被测物理量的具体特性和实际要求合理设定量程、记录时长以及采样频率等关键参数。

3)不同的监测设备，其待机时间有所不同。因此在选择开机时间时，应考虑到设备的电池容量、寿命等因素，以确保在整个监测过程中设备都能够正常工作。

4)多测点无线监测时，需定周期对设备进行时间同步，保证所有测点在同一时间开始和结束测量，以确保监测数据的准确性和可比较性，并便于后期数据的统一分析。

5)完成监测外业后，需及时填写爆破振动监测记录表。记录表应包括测试时间、地点、设备型号、参数设定等信息。同时，还需要记录各个测点的测试数据，为后续的分析和评估提供基础资料。

3、自动化方案设计

为了确保电站尾水隧洞爆破作业的安全与稳定，搭建了一套爆破振动自动监测和预警系统。该系统具备实时传递、自动计算、快速分析、自动报警和报警后二次分析处理等功能，具体包括以下内容：

1)前期完成爆破振动规律试验，获取该工区的爆破振动规律。通过拟合相关参数K和α,建立适用该工区的萨道夫斯基公式，进而反算并控制爆破施工装药量，反馈爆破参数优化建议，辅助施工决策。

2)在民用建筑物布置监测点，并安装和调试仪器设备。依托网络测振仪将获取的监测数据快速、准确地传输至指定服务器。

3)建立监测系统平面热点图模型，直观地展示建筑物、工程部位、监测点等相关信息，亦可辅助监测人员选点、布点。

4)搭建数据处理平台，自动计算、分析原始数据，快速输出监测结果。通过该平台可自动提取3个分量中的最大质点振动速度及其对应的主振频率，最后根据工区现场执行的规范规程自动判定爆破振动影响，对“达到安全允许下限值”的振速值发出预警信息，对“超过安全允许值”的振速值发出报警信息，并给出爆破施工装药量建议值，辅助施工决策。

5)构建监测成果数据库，系统保存监测成果，实现爆破振动监测结果按需读取、调用。同时，完成与数字智慧化管理平台端口对接，实现监测成果自动共享，为各相关单位提供一个方便快捷的信息获取方式，有力地保障了施工现场的安全与稳定[8]。

4、成果

4.1 监测成果

尾水隧洞爆破开挖过程中，持续应用爆破振动自动监测和预警系统，以不间断的观测和记录的方式成功获取了475个时间点的监测数据。这些数据主要记录了时间-振动速度曲线(见图2)以及对应的主振频率。利用系统的自动分析功能，我们快速准确地评定了爆破振动对周围民用建筑物的影响。

图2爆破振动监测记录

从监测分析结果上看，未监测到超出爆破振动安全允许标准的振速值。因此整体来看，爆破开挖施工是在安全可控的范围内进行的。

4.2 自动化成果

结合爆破振动自动监测和预警系统中的系统管理模块，管理单位可根据现场需求预设多个用户角色，实现权限控制的精细管理，保证数据完整性及安全性。

同时，为了方便用户快速了解爆破振动监测工作的整体情况，该系统提供了“设备最新监测数据”等多个功能区供用户快速点击跳转查看。

该系统具备强大的监测数据查询、统计及报表导出功能，允许用户自定义时间进行检索，并支持导出监测结果统计表、日报、周报和班报，从而极大减轻了人工重复性劳动，使得监测人员能够更好地整理、统计与处理监测数据，亦为管理层提供清晰、准确的数据支持。

此外，该系统监测数据实时自动分析功能与预报警功能相结合，实现了异常情况的快速反馈，从而有效地保障了电站的施工安全。

该系统在河南五岳抽水蓄能电站数字智慧化管理平台中发挥着重要作用，不仅大大提高了电站的运行效率和管理水平，也有效降低了人力成本。