明 攀，耿曉明，陸 俊，蔡 新

(1.南京水利科學研究院材料與結(jié)構(gòu)研究所，江蘇 南京 210029；2.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；3.南京市秦淮河河道管理處，江蘇 南京 210012; 4.河海大學力學與材料學院，江蘇 南京 210098)

堤防是江河湖海重要的防洪工程，擔任著抗洪防汛、輸水排灌的重要任務(wù)。我國堤防總長度長，運行時間悠久，隱患種類多且復雜，極易發(fā)生管涌、跌窩等險情[1]。為保證堤防汛期的安全運行和及時緊急搶險，開展堤防管涌實時監(jiān)測具有非常重要的意義[2]。目前堤防安全監(jiān)測多采用點式和分布式傳感器，建立相應(yīng)的堤防安全監(jiān)測與預警系統(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，測試范圍有限，容易存在監(jiān)測盲區(qū)[5]。

聲發(fā)射技術(shù)是一種新型動態(tài)的無損檢測技術(shù)，具有實時、高靈敏的特點，能實時檢測材料結(jié)構(gòu)的變化，對結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進行實時探測；對結(jié)構(gòu)的微小變化在線監(jiān)控；且環(huán)境適應(yīng)能力強，廣泛應(yīng)用于水利和巖土工程中，對施工期和運行期結(jié)構(gòu)安全進行監(jiān)測和預報[6]。本文通過開展室內(nèi)堤基管涌砂槽模型試驗，將聲發(fā)射傳感器埋置于堤基中，分析堤基管涌過程中的聲發(fā)射信號規(guī)律，建立管涌發(fā)生和發(fā)展的判別準則，實現(xiàn)對堤防管涌的實時監(jiān)測和預報。

1 試驗方案

1.1 試驗裝置

試驗采用自制的砂槽管涌模型試驗裝置，布置如圖1(a)所示，該模型長200 cm，寬33 cm、高73.5 cm。模型左側(cè)為一個長25 cm的進水室，進水室與砂槽之間由一個透水板隔開，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行填筑。模型槽內(nèi)部水平共布置了17根測壓管，1號測壓管用于測定上游水位的變化，其他測壓管測量試驗過程中試樣內(nèi)部沿程孔隙水壓力的變化情況，測壓管位置如圖1(b)所示，測壓管從側(cè)面深入試樣5 cm，距中間的土體5 cm。

聲發(fā)射儀器采用美國聲學公司生產(chǎn)的16通道全天候監(jiān)測的The Sensor Highway Ⅱ System。該裝備能推廣到大型工廠和結(jié)構(gòu)中使用，允許多個單元放置在正在監(jiān)控的機器或結(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)的在線實時監(jiān)測。試驗中在堤防背水側(cè)的堤基中共布置了6個聲發(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，進行信號的接收。

1.2 試驗砂料

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 堤基砂樣級配曲線

1.3 試驗步驟

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，進行每層5 cm堤身的分層填筑，直至填筑至設(shè)定高度。通過控制水龍頭的開度固定來水流量開展變水頭作用下的堤基管涌連續(xù)破壞試驗。試驗中通過4次流量測量，測得固定來水流量的大小為0.061 2 L/s。試驗過程中攝像機和聲發(fā)射采集系統(tǒng)同步數(shù)據(jù)采集，并對明顯的破壞現(xiàn)象進行照相和記錄。待試驗結(jié)束24 h后，取出上層堤身填土，觀測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)射檢測規(guī)程[8]推薦了不同門檻值的適用范圍和不同材料定時參數(shù)的選取范圍，但是對于具體的材料和結(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)置項為AE通道，包含了門檻值、前放增益、帶通濾波、采樣頻率、預觸發(fā)和采樣長度。

設(shè)置合理的門檻值是剔除噪聲的一種有效方法，對于管涌破壞試驗，將聲發(fā)射探頭埋置于飽和的砂礫石中，用于測定環(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，試驗中測得最佳的門檻值為25 dB，前放增益為40 dB。由小波包對管涌破壞過程聲發(fā)射信號進行頻譜分析[9]，試驗中帶通濾波下限為1 kHz，上限100 kHz。采樣頻率采用1 MHz，預觸發(fā)256 μs，采樣長度3 k。

3 試驗結(jié)果分析

目前國內(nèi)外聲發(fā)射信號的處理方法，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)射信號分析的基本方法，聲發(fā)射參數(shù)是對波形特征提取電路變換的特征參數(shù)，是對波形的一種簡述表征，通過對其分析，可以得到聲發(fā)射源的相關(guān)信息。聲發(fā)射信號波形分析方法則是對采集得到的波形進行分析，常見的分析方法有頻譜分析、時頻分析和分形分析等。波形分析主要對聲發(fā)射源的特征進行識別，以及通過波形的時差分析和相關(guān)性分析，實現(xiàn)對聲發(fā)射源的定位，以及波形傳播特性分析，測定傳播速度和衰減的測量，用于結(jié)構(gòu)的檢測和實時監(jiān)測。

3.1 聲發(fā)射信號特征參數(shù)分析

圖3 滲流量與累計振鈴計數(shù)隨時間變化曲線

聲發(fā)射信號是一種瞬態(tài)彈性波，通過對信號特征提取，電路變換為特性參數(shù)。對特性參數(shù)分析可得到聲發(fā)射信號的分布規(guī)律，進而反演聲發(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，對結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進行判別和預報[10]。圖3和圖4分別給出了管涌連續(xù)破壞過程中滲流量與平均水力坡降時程曲線及振鈴計數(shù)與區(qū)間累計振鈴計數(shù)時域分布，可以看出管涌連續(xù)破壞的過程可以劃分為3個階段：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程；管涌發(fā)生階段為靜水壓力達到一定值，水力坡降達到臨界水力坡降，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程。管涌發(fā)展階段為管涌孔形成后，細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間線性增加，聲發(fā)射信號逐漸增多；當達到臨界水力坡降，管涌發(fā)生后，滲流量急劇增加，單個聲發(fā)射信號的振鈴計數(shù)數(shù)值突然增大。管涌發(fā)展階段，細顆粒穩(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。此時滲流量保持穩(wěn)定，一定時間區(qū)間內(nèi)的聲發(fā)射信號基本保持不變，但信號明顯增強，聲發(fā)射源活動更頻繁。

圖4 平均水力坡降與振鈴計數(shù)隨時間變化曲線

圖5 管涌口細砂不斷被沖刷帶出

地震學中，接收到的信號中幅值大的事件發(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，提出了地震級數(shù)b值計算方法來量化這種關(guān)系，并給出了相應(yīng)的b值計算經(jīng)驗公式[11]。聲發(fā)射信號類似地震波信號，目前國外學者將b值分析方法廣泛應(yīng)用于巖石混凝土斷裂過程分析評估[12-13]，其中b值計算表達式如下：

(1)

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

計算過程中首先確定幅值計算范圍，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]。最后每個事件組繪制對數(shù)頻率-幅值圖，采用最小二乘法擬合，得到相應(yīng)的b值。其中某一時刻b值的計算是選取某一傳感器在該時刻接收到的事件組進行計算。圖6給出了堤基管涌某一時刻的對數(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)破壞過程b值曲線，管涌連續(xù)破壞過程聲發(fā)射信號的b值相比混凝土和巖石斷裂過程較大[14]。表1給出了管涌過程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 管涌過程某時刻b值的計算

圖7 管涌過程b值隨時間變化曲線

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，由于只有管涌孔附近的砂顆粒發(fā)生在滲流作用下起動，運輸，誘發(fā)的AE信號頻率較低，但是滲透壓力瞬間釋放，聲發(fā)射信號幅值較大，導致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，聲發(fā)射信號發(fā)生的頻率增加，b值增大。但是滲流作用下，砂顆粒的起動，運輸過程是隨機的，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)復雜，現(xiàn)有的監(jiān)測傳感器存活率低。聲發(fā)射技術(shù)相比傳統(tǒng)技術(shù)，能實時接收結(jié)構(gòu)微小變化誘發(fā)的信號，且環(huán)境適應(yīng)能力強，已用于邊坡，隧洞等巖土領(lǐng)域安全監(jiān)測。實際堤防監(jiān)測領(lǐng)域，可以運用聲發(fā)技術(shù)進行管涌破壞過程的監(jiān)測。根據(jù)聲發(fā)射信號的變化規(guī)律監(jiān)測管涌的發(fā)生，通過b值的變化范圍，分辨管涌所處的階段。

3.2 聲發(fā)射信號波形分析

AE信號的波形十分復雜，沒有具體的函數(shù)對其進行表達。分形維數(shù)作為一種描述幾何形體復雜性的方法，廣泛運用于各類波形信號的分析中，分析維數(shù)是描述波形信號特征的重要參數(shù)[15]，采用改進的G-P算法對AE信號波形進行關(guān)聯(lián)維數(shù)的計算。

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

聲發(fā)射的每次測試過程，傳感器都會接收到上萬次甚至百萬次的AE波的撞擊，每一次的撞擊，信號中都夾雜著噪聲信號，本文通過硬閾值算法對AE信號波形進行降噪處理。由于聲發(fā)射采集時設(shè)置了預觸發(fā)，波形采樣長度范圍內(nèi)，在波形前后存在很多零值電壓值，則給波形數(shù)據(jù)的計算帶來了巨大的工作量。本文通過對去噪后的波形時間序列進行去零點處理，然后進行相關(guān)的分形計算。

設(shè)AE信號波形的時間序列X=(x1,x2,…,xN)，N為信號采樣長度，閾值函數(shù)為

(2)

(k=1,2,…,N-i;j=1,2,…,n)

(3)

式中：t為時間閾值。

對于m維相空間中的一對相點：

(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，計算小于半徑r的點對數(shù)，并計算出距離小于r的點對數(shù)占總點對數(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點[lnr，lnCm(r)]，如果坐標點擬合為直線，則表明信號具有分形特征，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信號波形關(guān)聯(lián)維數(shù)擬合曲線

圖11 堤基管涌過程AE信號波形關(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刻AE信號波形的關(guān)聯(lián)維數(shù)計算結(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信號波形在時域內(nèi)具有自相似特征。對比不同時刻的擬合直線斜率值可以看出，不同時刻的關(guān)聯(lián)維數(shù)值各不相同，表明堤基管涌過程不同時刻的AE信號波形有著不同的自相似程度。圖11給出了堤基管涌過程不同時刻的關(guān)聯(lián)維數(shù)D隨時間的變化曲線，可以看出，在管涌發(fā)生前，AE信號波形的關(guān)聯(lián)維數(shù)值隨時間逐漸增加，在管涌即將發(fā)生時出現(xiàn)了一個“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，動水壓力攜走的砂顆粒時空不均，關(guān)聯(lián)維數(shù)D的數(shù)值大小變化范圍更大。

通過管涌破壞過程聲發(fā)射波形的關(guān)聯(lián)維數(shù)D的計算結(jié)果，可以看出在管涌發(fā)生前，AE信號的波形關(guān)聯(lián)維數(shù)存在一個“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，實際管涌監(jiān)測中，則可以根據(jù)聲發(fā)射的“最大-最小”模式對管涌發(fā)生進行預報，根據(jù)D值的變化狀態(tài)對管涌狀態(tài)進行判別。

4 結(jié) 論

a. 管涌連續(xù)破壞過程中水力參數(shù)與聲發(fā)射特性參數(shù)時域上的對比分析，發(fā)現(xiàn)管涌過程的水力參數(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)射信號特性參數(shù)存在明顯的特征變化。

b. 通過管涌過程b值計算，實時監(jiān)測管涌的狀態(tài)，并由b值的大小對管涌過程判別，及時對管涌危害進行預報。

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