介質層振動信號時域分析及其在填埋場漏洞修補技術中的應用

金朝娣,能昌信,常 琳,董 路＊,劉玉強

1.中國環境科學研究院固體廢物污染控制技術研究所,北京 100012

2.中國礦業大學 (北京)機電與信息工程學院,北京 100083

介質層振動信號時域分析及其在填埋場漏洞修補技術中的應用

金朝娣1,2,能昌信1,常 琳2,董 路1＊,劉玉強1

1.中國環境科學研究院固體廢物污染控制技術研究所,北京 100012

2.中國礦業大學 (北京)機電與信息工程學院,北京 100083

鉆探灌漿修補技術是填埋場防滲層漏洞修補的重要發展方向,難點是如何準確地控制和判斷鉆頭到達填埋場防滲層(即卵石保護層)而不會破壞其下面的HDPE膜.利用采集儀對鉆頭在防滲層不同介質層中的振動加速度信號進行采集,分別采用波形幅度分析法、循環絕對值求和法及分段均方根法對數據進行了分析.結果表明：①波形幅度分析法能夠明顯區分垃圾層和卵石層;②循環絕對值求和法與分段均方根法也可區分垃圾層和卵石層,但存在約 1 s的時間誤差或 0.5 cm的距離誤差,該誤差在允許的范圍內.3種不同時域分析方法的對比顯示,波形幅度分析法簡單直觀,其他 2種分析方法能夠直觀地反映信號的包絡趨勢,據此敏感地反映信號的突變情況和加速度幅度大小在單位時間內的概率分布,進而可以靈活地控制鉆機.

防滲層修補;振動信號;時域分析

我國填埋場由多層介質構成,從上到下依次為廢物堆體層、反濾層、導排層 (通常采用卵石鋪設)、膜上保護層、防滲層和膜下保護層.典型填埋場的層狀結構如表 1所示[1].

我國填埋場普遍采用高密度聚乙烯膜 (HDPE)作為防滲層.據國內外研究調查發現,在填埋場人工襯層鋪設期間,由于機械或人為的不規范操作會使襯層破損,并且在接縫處容易留下孔隙;在運營期間,因地基不均勻下陷、縮性形變、機械破損、化學腐蝕等可能引起 HDPE膜滲漏.在 1978年,US EPA就報道過所有的垃圾填埋場都會滲漏[2].美國每 km2的防滲層中有2 251個漏洞[3-4];加拿大和法國的 11個單土工膜襯層的填埋場中每 km2有203個漏洞[5-6].如果這些漏洞不及時被發現和修補,垃圾滲濾液將會透過孔隙進入地下水和土壤[7-8],給周邊的土壤帶來嚴重的污染.近年來防滲層漏洞的定位是各國專家和學者研究的熱點.對漏洞精確定位的主要方法是高壓直流電法[9],該方法是利用 HDPE膜的高阻特性,在膜上下分別提供正負高壓直流電源,根據感應電勢在膜上下介質中的分布情況來進行漏洞定位[10-17].基于該原理,中國環境科學研究院進一步提出了區塊化檢測方法,即將填埋場庫區劃分為多個區域,在每個區域中一次性布置數十個檢測電極,采用自主研發的便攜式滲漏檢測儀進行數據的采集分析,以提高檢測效率[18-19].

表 1 典型單襯層防滲層系統Table 1 Typical single lining impermeable layer system

關于漏洞的修補,在防滲層鋪設階段以及膜上導水層和集水設施施工階段發現的滲漏問題,其修補方法都相對簡單.但是,在運行和封場階段,由于防滲層上已經堆積了大量危險廢物,其修補不僅需要準確的滲漏點監測定位,還需要相應的工程措施.常規的處理方法是通過挖方和排水措施,暴露出滲漏點后實施修補,該方法工程量大、耗時長.中國環境科學研究院提出通過鉆探技術向創面注入高分子灌漿材料對漏洞進行修補的方案,該方案可便捷快速地實現漏洞修補,但需要解決的關鍵問題是如何準確地判斷填埋場介質層中 HDPE膜上的卵石層的位置.當鉆機鉆到卵石層時就停止打鉆,防止鉆頭打穿 HDPE膜使漏洞擴大,從而給修補帶來困難.

基于鉆探技術的漏洞修補流程如圖 1所示.

圖 1 漏洞修補流程Fig.1 Flow chart of leak repair

基于上述需要解決的關鍵問題,筆者根據振動信號在填埋場不同介質層的響應特性差異,采用時域分析方法來判斷填埋場的卵石層,為漏洞修補做好前期工作.

1 振動信號時域分析方法

信號的時域分析方法包括時域波形幅度分析、波峰檢測、統計分析和相關性分析等[20].筆者在波形幅度分析的基礎上,為進一步分析每 s內振動信號的時域特征,提出循環絕對值求和、分段均方根計算等分析方法.

1.1 波形幅度分析法

波形幅度分析反映了振動加速度幅度隨時間的變化規律,加速度是單位時間內速度的變化率,試驗采用的加速計是將加速度表示為電壓的傳感器.鉆機鉆頭在不同介質層時受到的應力不同,其加速度會不同,反映到波形上的幅度也會不同.該方法不需要數值計算,能直接反映信號加速度隨時間變化的規律.

1.2 循環絕對值求和法

波形幅度分析法比較直觀,當卵石層和垃圾層幅度特征差別不大給識別帶來困難時,筆者提出的數值循環絕對值求和的方法可以使數據的微差累加,不僅可反映信號包絡的變化趨勢,同時提高了變化的靈敏度,根據包絡趨勢可以直觀地反映振動信號在每 s內的變化情況,據此可以靈活地控制鉆機,在經過包絡線最大值的 1～2 s內停止打鉆.

如果某時刻瞬間有很大的突變信號出現,對總和的幅值影響很大,該方法也可以確定瞬間突變信號出現的時刻;當某時刻鉆頭進入緊密的卵石層時,鉆頭打在空隙的概率變小,所以大幅值加速度信號的概率增大,總和增大.

根據試驗情況先對整個數據進行分段,對于大量的數據,振幅有負有正,為消除數據正負相加抵消的影響,將每段的數據先取絕對值再求和.

1.3 分段均方根法

均方根數學計算式：

式中,xi為輸入數字信號的序列;n為數據總數;φx為均方根值.均方根是對每個輸入信號序列先平方再求和平均,最后開方的一種數值計算,表示交流信號的有效值或有效直流值,描述信號的平均能量或平均功率,是信號幅度最恰當的量度.

該方法與循環絕對值求和法效果大致一樣,均方根值小說明在這 1 s內的小幅度信號出現的概率大;相反,均方根突然變大說明這 1 s內大幅度信號出現的概率大,不同的是該方法數值分辨率比后者大.對整個數據進行均方根計算得出的結果是一個數,不能反映數值大小的變化規律,采用分段均方根將離散的振動信號序列平均分段,對每小段數值求均方根,最后通過曲線擬合可以看出每小段的數值變化規律.

2 試驗

2.1 設備及材料

鉆床由上海風速機電設備有限公司提供,型號為 RDM-1600B,功率為 370W,最大可夾柄徑為 16 mm,鉆頭轉速為 280～3 280 r/min;傳感器采用朗斯測試技術有限公司提供的加速度傳感器,型號為LC0105,最大值為 196 m/s2,最小值為 -196 m/s2,感應頻率范圍為 0.35～6 000 Hz;美國國家儀器有限公司提供的N I-PX I-1042型號數據采集儀和內置DAQ數據采集卡;上位機及分析軟件;模擬介質層分別為空氣、厚度約為 5 cm的垃圾層和厚度為 5 cm的卵石層 (卵石形狀不規則,有大有小).

試驗模擬裝置如圖 2所示.

圖 2 試驗模擬裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental simulator

2.2 試驗過程

采集信號的環境分為 4段：空氣噪聲、垃圾層、卵石層和空氣噪聲.

在NI-PXI-1042型號數據采集儀上選擇通道一,將傳感器的輸出同軸電纜連接到通道一,另一端粘結在鉆機適當位置.開啟鉆床開始打鉆,利用加速度傳感器將實時信號傳到數據采集卡 (DAQ),DAQ將信號送入 PC機.數據采集卡的主要任務是實現數字信號和模擬信號之間的轉換,設置的采樣頻率為 20 kHz,信號為模擬輸入、數字輸出.最后通過軟件分析數據,判斷膜上導排層即卵石層.

3 結果與討論

3.1 波形幅度分析

采集到的信號加速度時域波形如圖 3所示,其中,采樣頻率為 20 kHz,采取589 200個點需要約30 s.

圖 3 加速度時域波形幅度Fig.3 Time-domain acceleration waveform

從圖 3可以看到,波形幅度范圍呈現明顯的 4段：在 13 s前,對應的點數為260 000個,波形幅度集中在 7.5 m/s2左右,持續時間為 13 s;約在 13 s時,波形幅度發生小的突變,幅值上升到 18 m/s2左右,在第 13～18秒之間波形幅度大小不定,但大部分集中在 10 m/s2左右,整體來看比 13 s前大;從 18～21 s波形幅度降低是因為模擬介質層成分復雜,鉆頭在這段下降的時段有可能打到了空隙處,隨著鉆頭在垃圾層的轉動,垃圾層越來越松散,鉆頭受到的應力變小,加速度變小,在420 000個點時,對應時間約為 21 s,波形幅度增量再次發生突變,大部分在20 m/s2以上且非常集中,初步可以判斷鉆頭在 21 s左右進入卵石層;28 s左右波形幅度降至與 13 s前的一致.以上分析表明,加速度波形發生突變的時間點分別是在 13和 21 s,說明在這 2個時間點鉆頭從一種介質過渡到另一種介質.在試驗過程中通過觀察和聲音辨別作記錄：采樣頻率為20 000 Hz,采樣點數為589 200個,采集時間為 29.46 s;前 13 s采集的是隨機噪聲的信號,在 13 s左右鉆頭進入垃圾層,13～21 s鉆頭處于垃圾層,第 21秒進入卵石層,持續時間為 6 s;關閉鉆機,繼續采集一段空氣噪聲,約在 2 s后停止打鉆.

試驗結果表明,該方法和試驗過程記錄的結果一致,說明該方法有效地區分了垃圾層和卵石層.

3.2 數值絕對值求和分析

為了對比性和不失一般性,該方法采用的數據與 3.1節分析的數據一樣,數據單位一致.將采集的數據每20 000個分為一組,正好與 1 s的時間相對應,對所有的數據先取絕對值后求和.試驗數據進行循環求和,結果如圖 4所示.圖 4中,縱軸表示20 000個數的和;橫軸為循環次數,循環次數需要 30次,對應的總時間是 30 s.整個圖 4包絡有 5段：第1次循環到第 12次循環也就是第 1～12秒,包絡線近似一條斜率很小的直線,總和值逐漸變小;第13～20次循環,包絡線近似一條二次曲線的一部分,總和值呈上升趨勢,總體值在20 000以下;第 21～26次循環,包絡線近似三角脈沖,所有值都在30 000個以上,最大值為59 000個,對應的時刻是 23 s,說明在 22～23 s內,振動鉆頭充分進入卵石層,打到空隙的概率最小,此時卵石鋪墊很密,獲得大幅值的加速度的概率最大;第 26次循環開始包絡線下降很快,第 27和 28次循環總和值與第 13次循環大體一致;軟件分析數據時設置的循環次數為 30次,最后一次循環的20 000個點不夠,需要補11 800個零點,所以最后一次循環值非常小.從圖 4來看,整個包絡線有 4個特征點,分別為第 13,21,23和 26次循環,對應的時間分別為第 13,21,23和 26秒,除了第23次循環是最大值點外,其他特征點分別與試驗記錄中的第 13,21和 27秒相對應.試驗結果的第 26秒和試驗記錄的第 27秒存在 1 s的誤差,根據鉆頭打鉆的速度,1 s的時間鉆頭下降的距離約為 0.5 cm,典型填埋場卵石層厚度不小于 30 cm,且在修補工作中不必且不能打穿卵石層,故 0.5 cm的距離誤差不影響修補工作.與試驗記錄進行比較可知,該方法能作為區分卵石層的有效方法之一.

圖 4 循環絕對值求和Fig.4 The result of the cycle sum of absolute value

3.3 分段均方根分析

每 20 000個點進行均方根計算,總數為589 200個,約有 29個結果,對應的時間為 29 s,將循環計算結果非線性擬合,結果如圖 5所示.從圖 5可以看出,整個曲線的變化趨勢與圖 4近似,總的包絡變化趨勢一致,分為比圖 4更加精確的 5段：第1～12秒的均方根值比較穩定,集中在 0.9左右;第 13秒是一個明顯的突變點,均方根值較前 12 s明顯增大;另一個突變點是第 21秒,此時均方根再次大幅增大,說明鉆頭進入卵石層;第 23秒均方根最大,說明鉆頭充分接觸卵石層;第 26秒開始均方根下降至與第 1～12秒的值大小一致.與循環絕對值求和法不同的是,該方法相當于將整體數據壓縮,提高了數值分辨率,而循環絕對值求和法相當于將整體數據擴大.因此,該方法可以作為區分卵石層的有效方法之一.

圖 5 分段均方根Fig.5 The result of sub-root-mean-square

從圖 4,5可以判斷,鉆頭在第 13秒進入土壤層,在第 21秒進入卵石層,在第 23秒充分進入卵石層,打在空隙的概率很小.考慮到漏洞修補時無需且不能打穿卵石層,可以在第 24秒左右考慮停止打鉆.

4 結論

a.將數值絕對值求和法及分段均方根法與波形幅度分析法一起來分析介質層的振動信號特征,不但能夠直觀地反映加速度的幅值變化情況,還能直觀地反映每 s內振動信號的幅度大小分布特征,能夠有效地區分卵石層和辨別卵石層鋪墊的疏密程度,方便了防滲層 HDPE膜形成的破損漏洞的修補,為漏洞修補工作做好了必要的準備.

b.信號時域分析方法能夠反映波形的幅度隨時間的變化規律,但是對于不同介質層的頻譜特征的提取有局限性,因此考慮進一步研究頻域分析方法.

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Tim e-Dom ain Analysis of Vibration Signals in Different Media of Landfills and App lication in the Technology of Leak Repair

JIN Zhao-di1,2,NA IChang-xin1,CHANGLin2,DONGLu1,L IU Yu-qiang1
1.Institute of Solid Waste Management,Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China
2.School of Mechanical Electronic&Information Engineering,China University of Mining&Technology,Beijing 100083,China

Drilling and grouting repair technology is an important direction of landfill liner leakage detection and repair.The difficulty of this technology is how to detect the gravel layer,in order to avoid damaging the HDPEmembrane.In thispaper,different vibration signalsof the bit in different medium layerswere collected by Data Acquisition Instrument and analyzed by the waveform amplitude analysismethod,the rotative sum of absolute valuesmethod and the sub-root-mean-squaremethod.The results show that：thewaveform amp litude analysismethod can distinguishwaste layer and gravel layer clearly.The rotative sum of absolute valuesmethod and the subroot-mean-squaremethod can also identify the waste layer and gravel layer,butwith a time error of one second or a distance error of 0.5 cm,within the range of allowable error.A comparison between the threemethods illustrates that thewaveform amp litude analysis method ismore intuitive than the other two methods,while the rotative sum of absolute valuesmethod and the sub-root-mean-square method can intuitively reflect the overall trend of the amp litude.Accordingly,the mutation and the probability distribution of the acceleration amp litude in unit time can be reflected,which can control the rig flexibly.

impermeable layer patch;vibration signals;time-domain analysis

X707

A

1001-6929(2010)01-0085-05

2009-06-03

2009-07-16

國家高技術研究發展計劃(863)項目(2007AA061303)作者簡介：金 朝 娣 (1984 -),女,安 徽 安 慶 人,skyblue5570@sina.com.

＊責任作者,董路 (1963-),男,山東濟南人,副研究員,主要從事固體廢物處理處置研究,donglu@139.com

(責任編輯：潘鳳云)