水利大壩裂縫轉異診斷中的小波分析方法

河南洛陽嵩縣水利局 陳海波

水利大壩裂縫轉異診斷中的小波分析方法

河南洛陽嵩縣水利局 陳海波

在現在情況中，工程中的很多問題都可以用偏微分方程的求解。小波分析法就是這種計算中的一種，小波分析法的定義具有很大的開放性，所以在各種問題上進行運用，只要能夠選對方法就能夠進行解題。本文用小波分析方法對水利大壩上的裂縫診斷中建立模型，結合水利大壩的工程實例,利用小波分析方法提取裂縫變形,在此基礎上建立模型對裂縫進行診斷，這種方法現在被廣泛運用，在實踐中已經為結構的安全運行提供支持。

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何謂小波分析法，小波分析法是一種微積分計算法，在實際上，經常為各種工程問題提供決策，應用小波變換的圖像分解和重構來對水利大壩上的裂縫進行診斷，是比較可靠的方法，在診斷同時可以進行裂縫性質的識別。他的作用方法比較復雜，但是原理基本可以分為首先對水利大壩上的圖像進行小波分解，根據小波系數模最大值和相位(梯度方向)這兩個分量的大小確定邊緣的位置。并通過實驗分析和討論了不同的小波基、不同分辨率水平、重構中使用的分解子圖像對路面圖像裂縫分割的影響，最后用簡單的閾值技術生成二值圖像，把裂縫從背景圖像中分離出來。

在工程學上，由于混凝土的結構處于一種變化狀態，但在特殊情況下，混凝土的結構在其他特殊情況的作用下，裂縫就會演變成為不連續狀態，比如在地震或是其他的地址結構發生變化的情況下，或是其他的情況，裂縫的突變基本就是成為裂縫轉異，裂縫轉異是一種比較常見的情況，通過一些工程方法可以做到測出或是修補。

裂縫是可以通過資料的實際測算而得知其演變過程的，基本上來說，每道裂縫的影響因素不外乎水壓、溫度和時效，而前兩者能夠引起的裂變主要是彈性的，而時效變形的原因就非常復雜了，基本上來說，時效變形綜合反映了大壩結構的變形以及有些原因不明的不可逆變形；當時效變形突然增大時說明著裂縫轉異，因此工程專家們一般通過分析裂縫時效變形來判斷裂縫轉異。

一、小波分解方法對裂縫的檢測和分析

小波分析法是一種信號的時間一頻率分析方法，將裂縫的實測數據序列看成由不同頻率成分組成的數字信號序列，時效變化部分表現為低頻(長周期)的變化，由此可采用小波分析來提取裂縫的時效變形；之后可以采取其他方法來做提取和演算等，但是不可否認，小波分析法在計算裂縫的過程中具有非常典型的價值和意義。

裂縫實測資料序列可以看成一個由不同頻率成分組成的數字信號序列，其中受水位、溫度等影響部分具有一定的周期性，受隨機因素及觀測誤差影響的隨機部分表現為高頻率(短周期)的顫動，而時效(趨勢)變化部分則表現為低頻率(長周期)的變化。以下簡單的概述下其流程與方法。

首先將小波多層分析的裂縫信號序列隨機的成分剔除，除此以外還要剔除水位溫度變化而引起的高頻部分，剩下的低頻部分也就是時效因素的部分，就是能夠對大壩裂縫的發展進行觀測的部分，這就是我們上面介紹的裂縫的時效變形。

然后將小波分析中所能夠利用的低頻部分變換成為低頻系數，低頻系數對于尺度增加非常敏感，可以在很短的時間期間內裂縫變化進行分辨，而這種精確度在對信號的趨勢表現得更為明顯。

二、應用實例

我們可以以某大壩為例來對小波分析法的準確過程進行一個衡量。比如此大壩的該重力壩頂高126m，最大壩高74m，壩頂寬9m，壩底寬57.5m，那么再加上自左向右有28個壩段。我們可以據此來算算這個裂縫的異轉情況，再挑選一個測點為基礎分析該測點處裂縫是否發生轉異。可以先按照小波分析法的流程利用小波分析理論提取時效變形，然后選取時效變化較顯著的區段進行分析，在該大壩的裂縫信號序列上最為顯著的是1979年到1982年底的那段，可以以此為例。結合該大壩運行的實際情況可以分析出具體的原因，原因可能是因為在在該時段內出現了地震等情況，雖然震級不強烈但是經過其他的一些不明情況使得裂縫開度明顯增大，出現轉異。這與信號所顯示的低頻段基本一致。該方法中裂縫時效的提取或計算是至關重要的，傳統的時效計算方法雖然能夠反映裂縫的發展演變趨勢，但卻受人為因素影響較大，而且不能具體反映裂縫究竟在何時發生轉異。本文采用小波分析理論提取裂縫的時效變形，利用相平面來對裂縫是否發生轉異進行診斷，識別裂縫的時效轉異點。

三、結語

本文由于篇幅較為短小，本應用小波分析和突變理論相結合的方法，針對裂縫的時效變形，建立模型，但是無法在文中展開，所以就運用小波分析法的理論與實踐進行結合以后來推斷出小波分析法在應用過程中的實用性和可操作性，他的確是為大壩裂縫的轉異情況提供了很好的檢測和分析的思路。

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[5] 劉照升,宋作忠;小波分析在超聲測試信號分析中的應用[J];哈爾濱師范大學自然科學學報;2000年04期:78

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