何曉英， 陳洪凱， 唐紅梅

(重慶交通大學(xué) 巖土工程研究所，重慶　400074)

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泥石流漿體與固體顆粒沖擊信號能量分布研究

何曉英， 陳洪凱， 唐紅梅

(重慶交通大學(xué) 巖土工程研究所，重慶400074)

摘要：用小波分析方法對5種漿體黏度、5種固相比與4種顆粒粒徑組合的85組泥石流沖擊室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)所得沖擊信號進(jìn)行消噪、時(shí)頻處理，通過對降噪的泥石流沖擊信號進(jìn)行沖擊能量計(jì)算并分析實(shí)驗(yàn)中泥石流沖擊能量與頻譜間關(guān)系。結(jié)果表明，隨漿體黏度、固相比及顆粒粒徑增大，泥石流沖擊信號能量呈增長趨勢，且相同漿體黏度下固體顆粒粒徑大于1.3～1.5 cm時(shí)，泥石流沖擊能量增幅明顯。將沖擊信號分解為9個(gè)頻段(0～1.958 Hz、1.958～3.906 Hz、3.906～7.812 Hz、7.812～15.625 Hz、15.625～31.25 Hz、31.25～62.5 Hz、62.5～125 Hz、125～250 Hz、250～500 Hz)，泥石流沖擊信號96%以上能量聚集在頻率0～1.958 Hz的低頻段a8內(nèi)。該結(jié)果對推動泥石流動力特性研究具有積極意義。

關(guān)鍵詞：泥石流沖擊；能量分布規(guī)律；模型實(shí)驗(yàn)；漿體黏度；固相顆粒

我國西部及其它山地、丘陵地區(qū)長期存在泥石流病害，尤其公路沿線的橋涵、隧道，嚴(yán)重威脅交通運(yùn)輸[1]。由于泥石流中固液兩相介質(zhì)的運(yùn)動速度不相等，會發(fā)生碰撞、牽引、拖曳，使泥石流體的動、勢能隨運(yùn)動發(fā)生改變。因此泥石流沖擊過程亦伴隨沖擊能量的變化。

對泥石流沖擊能量研究主要集中于：①泥石流運(yùn)動過程中的能量變化與物質(zhì)輸移。Iverson等[2]認(rèn)為泥石流運(yùn)動是熵增過程，運(yùn)動能量與泥石流體的物理特征關(guān)系密切；陳洪凱等[3]從泥石流漿體性質(zhì)、固相顆粒級配及體積分量、溝床比降、邊界條件等方面用兩相流觀點(diǎn)分析泥石流運(yùn)動能量消散的微觀機(jī)理，包括泥石流漿體粘滯作用、固相顆粒碰撞作用及溝床邊界摩擦作用等，初步建立能量衰減量計(jì)算公式；王兆印[4]通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)及顆粒運(yùn)動能量分析泥石流龍頭運(yùn)動能量規(guī)律，建立龍頭運(yùn)動的能量理論及泥石流運(yùn)動速度計(jì)算公式；舒安平等[5]用泥石流固相與液相的能坡?lián)p失之和表達(dá)泥石流能量耗損總值，用現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)研究分析分界粒徑與最小能量耗損及容重間的變化規(guī)律。②泥石流災(zāi)害評價(jià)與基于消能結(jié)構(gòu)的泥石流防治工程設(shè)計(jì)。由于泥石流為爆發(fā)突然、能量巨大的地質(zhì)災(zāi)害，因此危險(xiǎn)性評價(jià)及工程防治均與泥石流能量相關(guān)。如曾超[6]選近似沖擊能量的泥石流強(qiáng)度指標(biāo)IDF，統(tǒng)計(jì)5種強(qiáng)度下建筑物產(chǎn)生完全破壞到淤埋損壞的可能性，形成單溝泥石流易損性評價(jià)方法；馮澤深等[7]基于能量線性模型分析泥石流輸移時(shí)的各種能量消耗，從控制能量或熵消耗角度出發(fā)，提出通過減少固體物質(zhì)來源量、增大摩擦兩種途徑的泥石流減災(zāi)措施；王兆印等[8]從能量角度出發(fā)，研究階梯-深潭系統(tǒng)作為新的泥石流消能結(jié)構(gòu)在階梯、水躍段耗散水流大量能量,使水流中能量減小到不足以觸發(fā)泥石流。因此，分析泥石流沖擊過程中能量特征對全面認(rèn)識其固液兩相沖擊特性及防治工程結(jié)構(gòu)安全均具有積極意義。

由于泥石流沖擊過程的紊動性，能量信號不易獲取及分析，而小波包良好的時(shí)頻局部化性質(zhì)使之成為處理信號及能量分析的重要手段，已廣泛用于爆破等動力過程分析，如李萬等[9]針對某水下目標(biāo)抗水下爆炸的實(shí)驗(yàn)，利用小波包對被監(jiān)測目標(biāo)內(nèi)部裝置的沖擊加速度信號進(jìn)行能量分析，獲得沖擊信號能量分布處于較寬頻率范圍；Zhong等[10]用小波包能量頻譜分析爆破參數(shù)在結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)爆破過程中對振動能量頻率帶分布影響，建立考慮振動強(qiáng)度、頻率、持時(shí)等因素的結(jié)構(gòu)振動安全判據(jù)。而以上對泥石流沖擊信號研究中均未用小波分析方法，僅文獻(xiàn)[11]用db小波進(jìn)行水石流沖擊特性模型試驗(yàn)，并對所得沖擊信號進(jìn)行消噪、頻譜與能量特征分析。

本文實(shí)施漿體黏度及級配顆粒組合條件下的泥石流沖擊模型實(shí)驗(yàn)，采用小波轉(zhuǎn)換方法分析泥石流沖擊信號的能量譜特征，探討泥石流沖擊信號能量分布特性。以期為豐富泥石流動力學(xué)過程及工程防治提供支持。

1泥石流沖擊模型實(shí)驗(yàn)

泥石流沖擊與運(yùn)動特性模型采用的水槽實(shí)驗(yàn)不能反映泥石流真實(shí)運(yùn)動狀態(tài)。本文通過30多處現(xiàn)場調(diào)查、分析，選西昌-木里干線公路雅礱江河谷中游平川泥石流為原型，在重慶交通大學(xué)泥石流動力模型實(shí)驗(yàn)場地修筑形狀與坡度相似溝谷泥石流實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。泥石流主溝槽長15 m，平均溝槽寬0.5 m，深0.6 m，高差3.6 m；布設(shè)兩個(gè)彎道，坡度分別為27°、10°。溝槽頂端為水源箱，儲水量1.5 m3；水源箱出口放置木質(zhì)結(jié)構(gòu)碎石漏斗，體積0.26 m3。泥石流溝口設(shè)置動態(tài)應(yīng)力傳感器記錄泥石流沖擊信號，見圖1、圖2。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)平面圖Fig.1Planeviewofthetestingmodel圖2 泥石流沖擊模型實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場Fig.2Impactingtestofdebrisflow

材料選5組泥石流漿體黏度(η)、5組固相比(r)及4組顆粒粒徑(d)，實(shí)驗(yàn)工況為Cηrd(η=1，2，3，4，5；r=1，2，3，4，5；d=0，1，2，3，4)。其中，η=1，2，…，5指泥石流漿體黏度分別為0(清水)，0.13 Pa·s，0.37 Pa·s，0.72 Pa·s，0.93 Pa·s；r=1，2，…，5指泥石流固相比(固相顆粒與泥石流體積比)分別為0、0.02、0.04、0.08、0.16；d=0，1，2，…4指泥石流固相顆粒分別為無固相顆粒、粒徑0.075～0.2 cm河沙、0.3～0.5 cm瓜米石、0.8～1.0 cm及1.3～1.5 cm碎石。如C234指黏度0.13 Pa·s、固相比0.04、顆粒徑1.3～1.5 cm的碎石工況。固相比為0即r=1時(shí)d只能等于0，不存在d=1,2,3,4情況，因此時(shí)既然無固相顆粒，也不存在顆粒徑，如C310指漿體黏度0.37 Pa·s的純泥漿；而η=0時(shí)r=d=0指清水流。

因此，據(jù)η、r、d的正交組合，有效實(shí)驗(yàn)工況共85組。泥石流漿體黏度用淀粉醚、熟膠粉與水配比而成，用NDJ-1旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定配制的泥石流漿體，使其達(dá)到預(yù)期黏度要求[12]。固相顆粒粒徑0.075～0.2 cm組用河沙，0.3～0.5 cm組用瓜米石，0.8～1.0 cm與1.3～1.5 cm組分別選對應(yīng)粒徑的碎石。據(jù)此配置所得泥石流體不同工況密度見表1。

選HS800型動態(tài)應(yīng)力傳感器接收泥石流沖擊荷載，精度5‰，傳感器尺寸見圖3；DH5922動態(tài)信號測試系統(tǒng)記錄沖擊荷載信號變化過程，采樣頻率設(shè)為1 000 Hz；Fastcam-ultimal024型號高精度攝像儀記錄泥石流運(yùn)動過程，精度400 fpt。

圖3　傳感器示意圖(mm)Fig.3 The schema of the sensor(mm)

kN/m3

2泥石流沖擊信號的小波處理

2.1泥石流沖擊信號的小波消噪

傳感器采集的泥石流沖擊信號中含真實(shí)信號與噪音，設(shè)沖擊信號為一維信號，表達(dá)式為

s(t)=f(t)+εe(t)，(t=0,1,2,…,n-1)

(1)

式中：s(t)為傳感器接收的含噪信號；f(t)為泥石流沖擊真實(shí)信號；e(t)為高頻噪聲信號；ε為系數(shù)。

由于泥石流沖擊信號為非平穩(wěn)信號，隨機(jī)性較強(qiáng)的流體沖擊脈動荷載，db小波具有正交性，對該類信號重構(gòu)可獲得較好的平滑效果，且db小波具有階數(shù)越高規(guī)則性越高的特性，因此本實(shí)驗(yàn)用db8小波對信號進(jìn)行8層一維多尺度分解降噪處理，按小波分解→小波系數(shù)提取→小波重構(gòu)步驟對信號進(jìn)行消噪。

為評價(jià)降噪效果，用信噪比(SNR)分析信噪比為有效信號功率與噪聲信號功率之比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

SNR=10lg(powersignal/powernoise)

(2)

(3)

降噪后信噪比越大降噪效果越好。以C121工況為例，計(jì)算得信噪比為24.904，可見降噪效果良好。

2.2泥石流沖擊信號頻譜特征

沖擊信號經(jīng)小波分解后獲得9層頻段信號，即

f(t)=a8+d8+d7+d6+d5+d4+d3+d2+d1(4)

式中：a為近似系數(shù)；d為細(xì)節(jié)系數(shù)；下標(biāo)1～8為小波分解層數(shù)(尺度數(shù))。

對小波分解后的重構(gòu)波形進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)獲得頻譜圖。以工況C431為例，分解的9個(gè)頻率帶頻譜見圖4，頻譜圖特征見表2。分析可見，該工況泥石流最大沖擊壓力(12.162 kPa)位于低頻近似系數(shù)a8，即泥石流沖擊力信號主要為低頻信號；而在細(xì)節(jié)系數(shù)頻段d1～d8內(nèi)僅含少量沖擊信號，且幅值隨頻率增高逐漸衰減。1.958～15.625 Hz頻段內(nèi)沖擊信號細(xì)節(jié)呈陡立的單峰形態(tài)，15.625～62.5 Hz內(nèi)呈低矮單峰形態(tài)，62.5～500 Hz內(nèi)沖擊信號頻譜細(xì)節(jié)特征逐漸由單峰形態(tài)變?yōu)殡p峰形態(tài)。

表2　泥石流沖擊信號頻譜特征

圖4　C341工況沖擊信號分解后頻譜圖Fig.4 Analytical spectrum of C341 impacting load

3泥石流沖擊信號能量特征

小波方法時(shí)間、頻率窗可將泥石流沖擊信號s(t)分解成不同頻率成分，并可分析任一細(xì)節(jié)，因此能有效分析信號的瞬態(tài)特征及頻率成分[13]。

采用小波包對各頻段沖擊信號進(jìn)行能量分析，獲得較準(zhǔn)確各頻率特性及能量規(guī)律，即

(5)

式中：E0為沖擊信號總能量(J)；x(t)為原始信號；fi(t)為經(jīng)分解的各頻段信號。

各頻段信號能量為

(6)

由此可得不同頻段沖擊信號相對能量分布為

E=(Ei/E0)×100%

(7)

式中：E為沖擊信號相對能量百分比。

通過MATLAB對上式編程，將85組沖擊信號進(jìn)行頻譜、能量分析，獲得各工況總能量與各頻段能量分析結(jié)果見圖5、表3，近似系數(shù)a8頻段沖擊能量見圖6，細(xì)節(jié)系數(shù)(d1～d8)頻段總能量見圖7。各圖中橫坐標(biāo)指同一漿體黏度η條件下不同固相比與不同固相顆粒粒徑的組合工況，1～4指r=0.02時(shí)固相顆粒徑d分別為0.075～0.2 cm、0.3～0.5 cm、0.8～1 cm、1.3～1.5 cm；5～8指r=0.04時(shí)固相顆粒徑d分別0.075～0.2 cm、0.3～0.5 cm、0.8～1 cm、1.3～1.5 cm；以此類推，0指純漿體，c1～c5為黏度從0～0.93漿體。

圖5　泥石流沖擊信號總能量Fig.5 The total energy of impacting signals of debris flow for each condition

圖6　泥石流沖擊信號a8頻段能量Fig.6 Energy of impacting signals at a8band for each condition

圖7　泥石流沖擊信號細(xì)節(jié)系數(shù)頻段總能量Fig.7 The total energy of impacting signal of debris flow at band under each condition

工況C110C121C122C123C124C131C132C133總能量/J35.10943.85749.97856.35588.44165.99272.36186.630a8能量/J33.95042.86949.15155.40387.54465.09971.63985.627a8能量百分比96.70097.74898.34598.31198.98698.64799.00198.843工況C134C141C142C143C144C151C152C153C154總能量/J90.90498.657122.134142.239163.804124.972121.964124.841161.194a8能量/J90.01098.134121.479141.747159.836124.573121.249124.645160.932a8能量百分比99.01699.47099.46499.65497.57899.68199.41499.84399.838工況C210C221C222C223C224C231C232C233總能量/J79.838117.514124.404137.956140.445112.912118.289132.107a8能量/J78.769116.739123.347136.743138.868111.737117.429130.950a8能量百分比98.66199.34099.15199.12198.87798.95999.27399.125工況C234C241C242C243C244C251C252C253C254總能量/J143.130121.293127.918130.375151.192123.035120.088122.321139.802a8能量/J142.556119.685127.269129.470147.103121.535119.201121.664139.491a8能量百分比99.59998.67499.49399.30697.29598.78199.26299.46399.778工況C310C321C322C323C324C331C332C333總能量/J105.253123.893131.183146.925154.957150.676167.678166.861a8能量/J104.255119.256129.357143.658154.087147.456166.390166.268a8能量百分比99.05196.25798.60897.77699.43897.86399.23299.645工況C334C341C342C343C344C351C352C353C354總能量/J205.049148.379162.842162.776178.574151.239169.018188.034190.257a8能量/J203.998142.759161.875162.167178.096150.297168.554185.839188.368a8能量百分比99.48796.21299.40699.62699.73299.37899.72698.83399.007工況C410C421C422C423C424C431C432C433總能量/J112.388138.567162.337165.520183.265157.282166.752174.725a8能量/J110.756135.265160.796164.696181.254155.384164.752173.873a8能量百分比98.54897.61699.05199.50298.90398.79398.80199.512工況C434C441C442C443C444C451C452C453C454總能量/J218.636158.033185.254211.089226.490181.781196.229204.017252.204a8能量/J217.608157.000184.142210.512225.660179.675195.543203.209251.458a8能量百分比99.53099.34699.40099.72799.63398.84199.65099.60499.704工況C510C521C522C523C524C531C532C533總能量/J144.279145.133154.950163.183183.289164.374173.672186.734a8能量/J143.706143.659153.319161.842182.009163.011172.160185.854a8能量百分比99.60398.98498.94899.17899.30299.17199.13099.528工況C534C541C542C543C544C551C552C553C554總能量/J224.093175.035185.757202.154248.526209.122224.764240.027282.869a8能量/J223.255172.808184.929200.838247.622207.099223.687239.275281.746a8能量百分比99.62698.72899.55499.34999.63699.03299.52199.68799.603

據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得：①泥石流沖擊總能量與低頻近似系數(shù)a8頻段內(nèi)能量幾近一致(圖5、圖6)，據(jù)表3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，96%以上泥石流沖擊能量完全位于<1.958 Hz的低頻區(qū)間，即逼近真實(shí)信號f(t)為較平穩(wěn)低頻有效信號。②泥石流沖擊信號總能量隨漿體黏度增長而增長，黏度從0 Pa·s(C1rd)增至0.93 Pa·s(C5rd)時(shí)同黏度對應(yīng)的不同固相比與粒徑組合的17種工況(r=1，2，…5，d=1，2，…4)總能量為1 649.432 J、2 142.619 J、2 703.595 J、3 094.569 J、3 320.532 J(表3、圖5)。③相同漿體黏度下，隨固相比增大泥石流沖擊總能量增大， 如黏度=0.93 Pa·s(圖5中C5線)時(shí)，固相比從0增至0.16，4組固相粒徑組泥石流沖擊能量均值分別為161.638 5 J、187.218 2 J、202.867 9 J、239.195 7 J。④泥石流沖擊信號能量隨固相顆粒徑增大而增大(相同漿體黏度、固相比)，且固體顆粒徑達(dá)到1.3～1.5 cm時(shí)(圖3工況4、8、12、16)，泥石流沖擊能量增長幅度最明顯。⑤泥石流沖擊信號在細(xì)節(jié)系數(shù)(d1～d8)頻段內(nèi)的沖擊能量波動明顯(圖6)。黏度較小(0 Pa·s、0.13 Pa·s)時(shí)泥石流紊動性強(qiáng)，細(xì)節(jié)系數(shù)頻段內(nèi)沖擊能量在大固相比(r=0.08)與大固相顆粒徑(d=1.3～1.5 cm)組合工況下(圖6工況12)波動明顯；而黏度較大為0.72 Pa·s與0.93 Pa·s時(shí)細(xì)節(jié)系數(shù)頻段內(nèi)沖擊能量無明顯峰值，呈平緩均布趨勢。

4結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)獲得不同漿體黏度、不同固相比及不同顆粒粒徑組合的85組泥石流沖擊信號，500余萬數(shù)據(jù)，利用小波分析方法獲得泥石流沖擊能量特征，結(jié)論如下：

(1)泥石流沖擊力幅值與沖擊荷載頻譜能量均集中于低頻近似系數(shù)a8頻段(<1.958 Hz)內(nèi)，逼近真實(shí)泥石流沖擊信號，為較平穩(wěn)的低頻有效信號，泥石流沖擊信號能量96%以上聚集在0～1.958 Hz頻段內(nèi)。

(2)泥石流沖擊信號在近似系數(shù)a8頻段內(nèi)的能量分布規(guī)律與總沖擊能量變化趨勢相同，細(xì)節(jié)系數(shù)(d1～d8)頻段內(nèi)的沖擊能量波動明顯，即近似系數(shù)變化能反應(yīng)泥石流沖擊能量在不同材料組合下變化。

(3)通過對漿體黏度、固相比與顆粒粒徑組合85組工況的泥石流沖擊能量特性及沖擊能量隨黏度、固相比及顆粒粒徑變化趨勢探討，可進(jìn)一步豐富泥石流動力學(xué)知識。能量分布<1.958 Hz特征可為泥石流防治結(jié)構(gòu)與消能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 陳洪凱,唐紅梅,陳野鷹.公路泥石流力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

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Experimental study on the energy distribution characteristics of impacting signals of debris flow considering the slurry viscosity and particle collision

HEXiao-ying,CHENHong-kai,TANGHong-mei

(Institute of Geotechnical Engineering,Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Abstract:A physical experimental model in laboratory was established for debris flow, and 85 groups’ conditions were implemented considering the combination of five slurry viscosities, five solid phase ratios and four grain diameters. The impacting force signals of debris flow under the experimental conditions were denoised and disposed in time-frequency domain by wavelet method, then the impacting signals were broken down to nine frequency ranges (0～1.958 Hz, 1.958～3.906 Hz, 3.906～7.812 Hz, 7.812～15.625 Hz, 15.625～31.25 Hz, 31.25～62.5 Hz, 62.5～125 Hz, 125～250 Hz, 250～500 Hz) and the energy distribution characteristics in each frequency range were calculated. The results show that, generally, the impacting energy of debris flow increases with the increase of slurry viscosity, solid phase ratio and grain diameter, and more than 96 percentages of the energy gets together in the 0～1.958Hz (a8) low frequency range. The result is positive in the studies on dynamical features of debris flow.

Key words:impacting force of debris flow; distribution characteristics of energy; model test; slurry viscosity; solid phase grain

中圖分類號:P642.23；O359

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.06.011

收稿日期：2015-01-07修改稿收到日期：2015-04-01

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(41071017)；2013重慶高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃資助項(xiàng)目(KJTD201305);重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1500503)；重慶市科委重點(diǎn)自然基金項(xiàng)目(CSTC2013JJB30001)

第一作者 何曉英 女，博士后，講師，1987年4月生