基于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的堤防管涌試驗(yàn)

明 攀，耿曉明，陸 俊，蔡 新

(1.南京水利科學(xué)研究院材料與結(jié)構(gòu)研究所，江蘇 南京 210029；2.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；3.南京市秦淮河河道管理處，江蘇 南京 210012; 4.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 210098)

堤防是江河湖海重要的防洪工程，擔(dān)任著抗洪防汛、輸水排灌的重要任務(wù)。我國(guó)堤防總長(zhǎng)度長(zhǎng)，運(yùn)行時(shí)間悠久，隱患種類多且復(fù)雜，極易發(fā)生管涌、跌窩等險(xiǎn)情[1]。為保證堤防汛期的安全運(yùn)行和及時(shí)緊急搶險(xiǎn)，開展堤防管涌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有非常重要的意義[2]。目前堤防安全監(jiān)測(cè)多采用點(diǎn)式和分布式傳感器，建立相應(yīng)的堤防安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)[3-4]，但是堤防所處的環(huán)境惡劣，現(xiàn)有的傳感器存活率低，且傳感器的成本和安裝條件較高，測(cè)試范圍有限，容易存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)[5]。

聲發(fā)射技術(shù)是一種新型動(dòng)態(tài)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有實(shí)時(shí)、高靈敏的特點(diǎn)，能實(shí)時(shí)檢測(cè)材料結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)；對(duì)結(jié)構(gòu)的微小變化在線監(jiān)控；且環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于水利和巖土工程中，對(duì)施工期和運(yùn)行期結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)[6]。本文通過(guò)開展室內(nèi)堤基管涌砂槽模型試驗(yàn)，將聲發(fā)射傳感器埋置于堤基中，分析堤基管涌過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)規(guī)律，建立管涌發(fā)生和發(fā)展的判別準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)對(duì)堤防管涌的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用自制的砂槽管涌模型試驗(yàn)裝置，布置如圖1(a)所示，該模型長(zhǎng)200 cm，寬33 cm、高73.5 cm。模型左側(cè)為一個(gè)長(zhǎng)25 cm的進(jìn)水室，進(jìn)水室與砂槽之間由一個(gè)透水板隔開，使水流均勻流入試樣內(nèi)。堤基為雙層透水的砂基，厚11 cm，堤身采用紅色黏土進(jìn)行填筑。模型槽內(nèi)部水平共布置了17根測(cè)壓管，1號(hào)測(cè)壓管用于測(cè)定上游水位的變化，其他測(cè)壓管測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中試樣內(nèi)部沿程孔隙水壓力的變化情況，測(cè)壓管位置如圖1(b)所示，測(cè)壓管從側(cè)面深入試樣5 cm，距中間的土體5 cm。

聲發(fā)射儀器采用美國(guó)聲學(xué)公司生產(chǎn)的16通道全天候監(jiān)測(cè)的The Sensor Highway Ⅱ System。該裝備能推廣到大型工廠和結(jié)構(gòu)中使用，允許多個(gè)單元放置在正在監(jiān)控的機(jī)器或結(jié)構(gòu)附近，可用于戶外環(huán)境，能適應(yīng)-35～70℃的環(huán)境，功耗低，具有各種通訊和遙控功能，適用于大型結(jié)構(gòu)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)中在堤防背水側(cè)的堤基中共布置了6個(gè)聲發(fā)射傳感器，其具體布置方式如圖1(c)所示。其中傳感器埋入底層土體5 cm固定，進(jìn)行信號(hào)的接收。

1.2 試驗(yàn)砂料

堤基下層100 mm厚的透水堤基骨架為5～60 mm的砂礫石，填充料為0.075～0.5 mm的白色細(xì)砂，密度為1.80 g/cm3，滲透系數(shù)為4.37 cm/s，不均勻系數(shù)Cu為34.37，粒徑小于2 mm的砂量為24%，為典型的管涌型土[7]；上層1 cm厚的砂料是粒徑0.25～2 mm的均勻粗砂；透水堤基砂粒的粒徑級(jí)配曲線如圖2所示。堤身由紅色黏土填筑，滲透系數(shù)為10-6cm/s，填筑密度為1.84 g/cm3，含水率為21.5%。

圖2 堤基砂樣級(jí)配曲線

1.3 試驗(yàn)步驟

堤基采用水下分層拋填，每層填筑5 cm，待堤基砂樣靜止飽和后，進(jìn)行每層5 cm堤身的分層填筑，直至填筑至設(shè)定高度。通過(guò)控制水龍頭的開度固定來(lái)水流量開展變水頭作用下的堤基管涌連續(xù)破壞試驗(yàn)。試驗(yàn)中通過(guò)4次流量測(cè)量，測(cè)得固定來(lái)水流量的大小為0.061 2 L/s。試驗(yàn)過(guò)程中攝像機(jī)和聲發(fā)射采集系統(tǒng)同步數(shù)據(jù)采集，并對(duì)明顯的破壞現(xiàn)象進(jìn)行照相和記錄。待試驗(yàn)結(jié)束24 h后，取出上層堤身填土，觀測(cè)雙層透水堤基的變化。

2 聲發(fā)射基本參數(shù)設(shè)定

聲發(fā)射檢測(cè)規(guī)程[8]推薦了不同門檻值的適用范圍和不同材料定時(shí)參數(shù)的選取范圍，但是對(duì)于具體的材料和結(jié)構(gòu)，由于環(huán)境不同，開展聲發(fā)射試驗(yàn)前，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的系統(tǒng)采集設(shè)置參數(shù)。聲發(fā)射基本的參數(shù)設(shè)置項(xiàng)為AE通道，包含了門檻值、前放增益、帶通濾波、采樣頻率、預(yù)觸發(fā)和采樣長(zhǎng)度。

設(shè)置合理的門檻值是剔除噪聲的一種有效方法，對(duì)于管涌破壞試驗(yàn)，將聲發(fā)射探頭埋置于飽和的砂礫石中，用于測(cè)定環(huán)境噪聲和聲發(fā)射系統(tǒng)自帶的電子噪聲大小，找到最佳門檻設(shè)定值和前放增益值，試驗(yàn)中測(cè)得最佳的門檻值為25 dB，前放增益為40 dB。由小波包對(duì)管涌破壞過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行頻譜分析[9]，試驗(yàn)中帶通濾波下限為1 kHz，上限100 kHz。采樣頻率采用1 MHz，預(yù)觸發(fā)256 μs，采樣長(zhǎng)度3 k。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

目前國(guó)內(nèi)外聲發(fā)射信號(hào)的處理方法，主要分為參數(shù)分析法和波形分析法。參數(shù)分析方法是聲發(fā)射信號(hào)分析的基本方法，聲發(fā)射參數(shù)是對(duì)波形特征提取電路變換的特征參數(shù)，是對(duì)波形的一種簡(jiǎn)述表征，通過(guò)對(duì)其分析，可以得到聲發(fā)射源的相關(guān)信息。聲發(fā)射信號(hào)波形分析方法則是對(duì)采集得到的波形進(jìn)行分析，常見的分析方法有頻譜分析、時(shí)頻分析和分形分析等。波形分析主要對(duì)聲發(fā)射源的特征進(jìn)行識(shí)別，以及通過(guò)波形的時(shí)差分析和相關(guān)性分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲發(fā)射源的定位，以及波形傳播特性分析，測(cè)定傳播速度和衰減的測(cè)量，用于結(jié)構(gòu)的檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.1 聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)分析

圖3 滲流量與累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)隨時(shí)間變化曲線

聲發(fā)射信號(hào)是一種瞬態(tài)彈性波，通過(guò)對(duì)信號(hào)特征提取，電路變換為特性參數(shù)。對(duì)特性參數(shù)分析可得到聲發(fā)射信號(hào)的分布規(guī)律，進(jìn)而反演聲發(fā)射源的變化狀態(tài)。目前，聲發(fā)射參數(shù)分析方法是最普遍的一種分析方法，能很好地揭示結(jié)構(gòu)和材料狀態(tài)的變化規(guī)律，對(duì)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行判別和預(yù)報(bào)[10]。圖3和圖4分別給出了管涌連續(xù)破壞過(guò)程中滲流量與平均水力坡降時(shí)程曲線及振鈴計(jì)數(shù)與區(qū)間累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)時(shí)域分布，可以看出管涌連續(xù)破壞的過(guò)程可以劃分為3個(gè)階段：散浸、管涌發(fā)生和管涌發(fā)展。散浸階段為堤基砂樣靜水壓力不斷增加的過(guò)程；管涌發(fā)生階段為靜水壓力達(dá)到一定值，水力坡降達(dá)到臨界水力坡降，靜水壓力釋放，堤角出現(xiàn)管涌孔群直至連通形成完整管涌孔的過(guò)程。管涌發(fā)展階段為管涌孔形成后，細(xì)顆粒不斷地被攜帶出堤基，形成管涌通道，管涌通道向上游發(fā)展的過(guò)程。由圖3 和圖4可以看出水力參數(shù)和聲發(fā)射特征參數(shù)在時(shí)域具有相同的分布規(guī)律，在散浸階段水力坡降和滲流量都隨時(shí)間線性增加，聲發(fā)射信號(hào)逐漸增多；當(dāng)達(dá)到臨界水力坡降，管涌發(fā)生后，滲流量急劇增加，單個(gè)聲發(fā)射信號(hào)的振鈴計(jì)數(shù)數(shù)值突然增大。管涌發(fā)展階段，細(xì)顆粒穩(wěn)定的連續(xù)不斷地被從粗顆粒的骨架中帶出，如圖5所示。此時(shí)滲流量保持穩(wěn)定，一定時(shí)間區(qū)間內(nèi)的聲發(fā)射信號(hào)基本保持不變，但信號(hào)明顯增強(qiáng)，聲發(fā)射源活動(dòng)更頻繁。

圖4 平均水力坡降與振鈴計(jì)數(shù)隨時(shí)間變化曲線

圖5 管涌口細(xì)砂不斷被沖刷帶出

地震學(xué)中，接收到的信號(hào)中幅值大的事件發(fā)生的頻率明顯低于幅值小的事件，Gutenberg和 Richter稱這種規(guī)律為幅值與頻率的關(guān)系，提出了地震級(jí)數(shù)b值計(jì)算方法來(lái)量化這種關(guān)系，并給出了相應(yīng)的b值計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式[11]。聲發(fā)射信號(hào)類似地震波信號(hào)，目前國(guó)外學(xué)者將b值分析方法廣泛應(yīng)用于巖石混凝土斷裂過(guò)程分析評(píng)估[12-13]，其中b值計(jì)算表達(dá)式如下：

(1)

式中：Na為聲發(fā)射信號(hào)幅值大于AdB的事件數(shù)；a為lgNa軸上的截距；b為擬合線斜率的負(fù)20倍。

計(jì)算過(guò)程中首先確定幅值計(jì)算范圍，一般下限為門檻值，上限取最大幅值。然后根據(jù)采集得到的聲發(fā)射總的事件數(shù)確定事件組的數(shù)量，為了對(duì)小的聲發(fā)射事件足夠靈敏，一般事件數(shù)組的事件數(shù)量為100[14]。最后每個(gè)事件組繪制對(duì)數(shù)頻率-幅值圖，采用最小二乘法擬合，得到相應(yīng)的b值。其中某一時(shí)刻b值的計(jì)算是選取某一傳感器在該時(shí)刻接收到的事件組進(jìn)行計(jì)算。圖6給出了堤基管涌某一時(shí)刻的對(duì)數(shù)頻率-幅值圖，擬合后斜率為-0.089，則b值為1.78。

圖7給出了管涌連續(xù)破壞過(guò)程b值曲線，管涌連續(xù)破壞過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)的b值相比混凝土和巖石斷裂過(guò)程較大[14]。表1給出了管涌過(guò)程b值的定量結(jié)果。管涌發(fā)生階段b值主要分布在[2.0,4.0]。在管涌發(fā)展階段，b值主要分布在[3.0,5.0]。可以看出，管涌發(fā)展階段的b值略大于管涌發(fā)生階段。

圖6 管涌過(guò)程某時(shí)刻b值的計(jì)算

圖7 管涌過(guò)程b值隨時(shí)間變化曲線

表1 b值定量結(jié)果

在管涌的不同階段，b值大小明顯不同。在管涌發(fā)生時(shí)，由于只有管涌孔附近的砂顆粒發(fā)生在滲流作用下起動(dòng)，運(yùn)輸，誘發(fā)的AE信號(hào)頻率較低，但是滲透壓力瞬間釋放，聲發(fā)射信號(hào)幅值較大，導(dǎo)致b值最小。在管涌生成階段和發(fā)展階段，由于更多砂顆粒不斷被滲流帶出堤基外，誘發(fā)更多的聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射信號(hào)發(fā)生的頻率增加，b值增大。但是滲流作用下，砂顆粒的起動(dòng)，運(yùn)輸過(guò)程是隨機(jī)的，b值在一定數(shù)值范圍內(nèi)變化。

堤防所處環(huán)境惡劣，堤身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)傳感器存活率低。聲發(fā)射技術(shù)相比傳統(tǒng)技術(shù)，能實(shí)時(shí)接收結(jié)構(gòu)微小變化誘發(fā)的信號(hào)，且環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，已用于邊坡，隧洞等巖土領(lǐng)域安全監(jiān)測(cè)。實(shí)際堤防監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，可以運(yùn)用聲發(fā)技術(shù)進(jìn)行管涌破壞過(guò)程的監(jiān)測(cè)。根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)的變化規(guī)律監(jiān)測(cè)管涌的發(fā)生，通過(guò)b值的變化范圍，分辨管涌所處的階段。

3.2 聲發(fā)射信號(hào)波形分析

AE信號(hào)的波形十分復(fù)雜，沒(méi)有具體的函數(shù)對(duì)其進(jìn)行表達(dá)。分形維數(shù)作為一種描述幾何形體復(fù)雜性的方法，廣泛運(yùn)用于各類波形信號(hào)的分析中，分析維數(shù)是描述波形信號(hào)特征的重要參數(shù)[15]，采用改進(jìn)的G-P算法對(duì)AE信號(hào)波形進(jìn)行關(guān)聯(lián)維數(shù)的計(jì)算。

關(guān)聯(lián)維數(shù)是混沌時(shí)間序列非線性分析中常見的一個(gè)概念，是分形維數(shù)的一個(gè)重要分支。由Grassberger和Procaccia于1984年提出，因此關(guān)聯(lián)維數(shù)的計(jì)算方法又稱為G-P算法[16]。關(guān)聯(lián)維數(shù)主要用于確定信號(hào)的前后關(guān)聯(lián)性，將信號(hào)時(shí)間序列通過(guò)相空間重構(gòu)，然后給定一個(gè)閾值，在相空間兩點(diǎn)間的距離進(jìn)行搜索，小于閾值，則兩點(diǎn)是關(guān)聯(lián)的，否則不相關(guān)。對(duì)整個(gè)相空間進(jìn)行搜索，相關(guān)聯(lián)的點(diǎn)對(duì)數(shù)越多，則數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)。

聲發(fā)射的每次測(cè)試過(guò)程，傳感器都會(huì)接收到上萬(wàn)次甚至百萬(wàn)次的AE波的撞擊，每一次的撞擊，信號(hào)中都夾雜著噪聲信號(hào)，本文通過(guò)硬閾值算法對(duì)AE信號(hào)波形進(jìn)行降噪處理。由于聲發(fā)射采集時(shí)設(shè)置了預(yù)觸發(fā)，波形采樣長(zhǎng)度范圍內(nèi)，在波形前后存在很多零值電壓值，則給波形數(shù)據(jù)的計(jì)算帶來(lái)了巨大的工作量。本文通過(guò)對(duì)去噪后的波形時(shí)間序列進(jìn)行去零點(diǎn)處理，然后進(jìn)行相關(guān)的分形計(jì)算。

設(shè)AE信號(hào)波形的時(shí)間序列X=(x1,x2,…,xN)，N為信號(hào)采樣長(zhǎng)度，閾值函數(shù)為

(2)

(k=1,2,…,N-i;j=1,2,…,n)

(3)

式中：t為時(shí)間閾值。

對(duì)于m維相空間中的一對(duì)相點(diǎn)：

(4)

設(shè)他們的歐式距離rpq(m)為維數(shù)m的函數(shù)，滿足：

rpq(m)=‖Xp-Xq‖

(5)

給定尺度r，定義為m維相空間的超球體的半徑，計(jì)算小于半徑r的點(diǎn)對(duì)數(shù)，并計(jì)算出距離小于r的點(diǎn)對(duì)數(shù)占總點(diǎn)對(duì)數(shù)的比例：

(6)

其中H為海威賽德(Heavi Side)函數(shù),滿足：

(7)

則由式(6)中不同的r，可以得到相應(yīng)的Cm(r)，在給定的相空間下可以畫出坐標(biāo)點(diǎn)[lnr，lnCm(r)]，如果坐標(biāo)點(diǎn)擬合為直線，則表明信號(hào)具有分形特征，相應(yīng)的關(guān)聯(lián)維數(shù)D(m)為

(8)

為避免分散性，一般取r=kr0。

(9)

圖8 管涌散浸階段AE信號(hào)波形關(guān)聯(lián)維數(shù)擬合曲線

圖9 管涌發(fā)生階段AE信號(hào)波形關(guān)聯(lián)維數(shù)擬合曲線

圖10 管涌發(fā)展階段AE信號(hào)波形關(guān)聯(lián)維數(shù)擬合曲線

圖11 堤基管涌過(guò)程AE信號(hào)波形關(guān)聯(lián)維數(shù)曲線

圖8～10給出了堤基管涌破壞不同階段時(shí)刻AE信號(hào)波形的關(guān)聯(lián)維數(shù)計(jì)算結(jié)果，由擬合的直線看出，回歸的直線與原始數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)都大于0.95，表明AE信號(hào)波形在時(shí)域內(nèi)具有自相似特征。對(duì)比不同時(shí)刻的擬合直線斜率值可以看出，不同時(shí)刻的關(guān)聯(lián)維數(shù)值各不相同，表明堤基管涌過(guò)程不同時(shí)刻的AE信號(hào)波形有著不同的自相似程度。圖11給出了堤基管涌過(guò)程不同時(shí)刻的關(guān)聯(lián)維數(shù)D隨時(shí)間的變化曲線，可以看出，在管涌發(fā)生前，AE信號(hào)波形的關(guān)聯(lián)維數(shù)值隨時(shí)間逐漸增加，在管涌即將發(fā)生時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)“最大-最小”模式。在管涌發(fā)生和發(fā)展階段，關(guān)聯(lián)維數(shù)D值在一定范圍內(nèi)變化。在管涌發(fā)生階段，D值在[1.5，2.25]區(qū)間；管涌發(fā)展階段，D值在[1.25，2.5]區(qū)間。由于管涌發(fā)展階段，管涌路徑曲折向上游發(fā)展，動(dòng)水壓力攜走的砂顆粒時(shí)空不均，關(guān)聯(lián)維數(shù)D的數(shù)值大小變化范圍更大。

通過(guò)管涌破壞過(guò)程聲發(fā)射波形的關(guān)聯(lián)維數(shù)D的計(jì)算結(jié)果，可以看出在管涌發(fā)生前，AE信號(hào)的波形關(guān)聯(lián)維數(shù)存在一個(gè)“最大-最小”模式數(shù)值變化。并且，在管涌發(fā)生和發(fā)展階段，關(guān)聯(lián)維數(shù)D的數(shù)值變化規(guī)律不同，實(shí)際管涌監(jiān)測(cè)中，則可以根據(jù)聲發(fā)射的“最大-最小”模式對(duì)管涌發(fā)生進(jìn)行預(yù)報(bào)，根據(jù)D值的變化狀態(tài)對(duì)管涌狀態(tài)進(jìn)行判別。

4 結(jié) 論

a. 管涌連續(xù)破壞過(guò)程中水力參數(shù)與聲發(fā)射特性參數(shù)時(shí)域上的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)管涌過(guò)程的水力參數(shù)和聲發(fā)射參數(shù)具有相同的分布規(guī)律，在管涌發(fā)生和發(fā)展階段，聲發(fā)射信號(hào)特性參數(shù)存在明顯的特征變化。

b. 通過(guò)管涌過(guò)程b值計(jì)算，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管涌的狀態(tài)，并由b值的大小對(duì)管涌過(guò)程判別，及時(shí)對(duì)管涌危害進(jìn)行預(yù)報(bào)。

c. 管涌連續(xù)破壞過(guò)程AE信號(hào)波形在時(shí)域內(nèi)具有自相似特征，且不同時(shí)刻的關(guān)聯(lián)維數(shù)值各不相同。由管涌發(fā)生起始時(shí)刻前AE信號(hào)波形關(guān)聯(lián)維數(shù)的“最大-最小”模式對(duì)堤防管涌進(jìn)行預(yù)報(bào)，具有重要的意義。