介質(zhì)層振動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析及其在填埋場(chǎng)漏洞修補(bǔ)技術(shù)中的應(yīng)用

金朝娣,能昌信,常 琳,董 路＊,劉玉強(qiáng)

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院固體廢物污染控制技術(shù)研究所,北京 100012

2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院,北京 100083

介質(zhì)層振動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析及其在填埋場(chǎng)漏洞修補(bǔ)技術(shù)中的應(yīng)用

金朝娣1,2,能昌信1,常 琳2,董 路1＊,劉玉強(qiáng)1

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院固體廢物污染控制技術(shù)研究所,北京 100012

2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院,北京 100083

鉆探灌漿修補(bǔ)技術(shù)是填埋場(chǎng)防滲層漏洞修補(bǔ)的重要發(fā)展方向,難點(diǎn)是如何準(zhǔn)確地控制和判斷鉆頭到達(dá)填埋場(chǎng)防滲層(即卵石保護(hù)層)而不會(huì)破壞其下面的HDPE膜.利用采集儀對(duì)鉆頭在防滲層不同介質(zhì)層中的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行采集,分別采用波形幅度分析法、循環(huán)絕對(duì)值求和法及分段均方根法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析.結(jié)果表明：①波形幅度分析法能夠明顯區(qū)分垃圾層和卵石層;②循環(huán)絕對(duì)值求和法與分段均方根法也可區(qū)分垃圾層和卵石層,但存在約 1 s的時(shí)間誤差或 0.5 cm的距離誤差,該誤差在允許的范圍內(nèi).3種不同時(shí)域分析方法的對(duì)比顯示,波形幅度分析法簡(jiǎn)單直觀,其他 2種分析方法能夠直觀地反映信號(hào)的包絡(luò)趨勢(shì),據(jù)此敏感地反映信號(hào)的突變情況和加速度幅度大小在單位時(shí)間內(nèi)的概率分布,進(jìn)而可以靈活地控制鉆機(jī).

防滲層修補(bǔ);振動(dòng)信號(hào);時(shí)域分析

我國(guó)填埋場(chǎng)由多層介質(zhì)構(gòu)成,從上到下依次為廢物堆體層、反濾層、導(dǎo)排層 (通常采用卵石鋪設(shè))、膜上保護(hù)層、防滲層和膜下保護(hù)層.典型填埋場(chǎng)的層狀結(jié)構(gòu)如表 1所示[1].

我國(guó)填埋場(chǎng)普遍采用高密度聚乙烯膜 (HDPE)作為防滲層.據(jù)國(guó)內(nèi)外研究調(diào)查發(fā)現(xiàn),在填埋場(chǎng)人工襯層鋪設(shè)期間,由于機(jī)械或人為的不規(guī)范操作會(huì)使襯層破損,并且在接縫處容易留下孔隙;在運(yùn)營(yíng)期間,因地基不均勻下陷、縮性形變、機(jī)械破損、化學(xué)腐蝕等可能引起 HDPE膜滲漏.在 1978年,US EPA就報(bào)道過(guò)所有的垃圾填埋場(chǎng)都會(huì)滲漏[2].美國(guó)每 km2的防滲層中有2 251個(gè)漏洞[3-4];加拿大和法國(guó)的 11個(gè)單土工膜襯層的填埋場(chǎng)中每 km2有203個(gè)漏洞[5-6].如果這些漏洞不及時(shí)被發(fā)現(xiàn)和修補(bǔ),垃圾滲濾液將會(huì)透過(guò)孔隙進(jìn)入地下水和土壤[7-8],給周邊的土壤帶來(lái)嚴(yán)重的污染.近年來(lái)防滲層漏洞的定位是各國(guó)專(zhuān)家和學(xué)者研究的熱點(diǎn).對(duì)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(fù)高壓直流電源,根據(jù)感應(yīng)電勢(shì)在膜上下介質(zhì)中的分布情況來(lái)進(jìn)行漏洞定位[10-17].基于該原理,中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院進(jìn)一步提出了區(qū)塊化檢測(cè)方法,即將填埋場(chǎng)庫(kù)區(qū)劃分為多個(gè)區(qū)域,在每個(gè)區(qū)域中一次性布置數(shù)十個(gè)檢測(cè)電極,采用自主研發(fā)的便攜式滲漏檢測(cè)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集分析,以提高檢測(cè)效率[18-19].

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

關(guān)于漏洞的修補(bǔ),在防滲層鋪設(shè)階段以及膜上導(dǎo)水層和集水設(shè)施施工階段發(fā)現(xiàn)的滲漏問(wèn)題,其修補(bǔ)方法都相對(duì)簡(jiǎn)單.但是,在運(yùn)行和封場(chǎng)階段,由于防滲層上已經(jīng)堆積了大量危險(xiǎn)廢物,其修補(bǔ)不僅需要準(zhǔn)確的滲漏點(diǎn)監(jiān)測(cè)定位,還需要相應(yīng)的工程措施.常規(guī)的處理方法是通過(guò)挖方和排水措施,暴露出滲漏點(diǎn)后實(shí)施修補(bǔ),該方法工程量大、耗時(shí)長(zhǎng).中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院提出通過(guò)鉆探技術(shù)向創(chuàng)面注入高分子灌漿材料對(duì)漏洞進(jìn)行修補(bǔ)的方案,該方案可便捷快速地實(shí)現(xiàn)漏洞修補(bǔ),但需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何準(zhǔn)確地判斷填埋場(chǎng)介質(zhì)層中 HDPE膜上的卵石層的位置.當(dāng)鉆機(jī)鉆到卵石層時(shí)就停止打鉆,防止鉆頭打穿 HDPE膜使漏洞擴(kuò)大,從而給修補(bǔ)帶來(lái)困難.

基于鉆探技術(shù)的漏洞修補(bǔ)流程如圖 1所示.

圖 1 漏洞修補(bǔ)流程Fig.1 Flow chart of leak repair

基于上述需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題,筆者根據(jù)振動(dòng)信號(hào)在填埋場(chǎng)不同介質(zhì)層的響應(yīng)特性差異,采用時(shí)域分析方法來(lái)判斷填埋場(chǎng)的卵石層,為漏洞修補(bǔ)做好前期工作.

1 振動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析方法

信號(hào)的時(shí)域分析方法包括時(shí)域波形幅度分析、波峰檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)性分析等[20].筆者在波形幅度分析的基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步分析每 s內(nèi)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特征,提出循環(huán)絕對(duì)值求和、分段均方根計(jì)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(dòng)加速度幅度隨時(shí)間的變化規(guī)律,加速度是單位時(shí)間內(nèi)速度的變化率,試驗(yàn)采用的加速計(jì)是將加速度表示為電壓的傳感器.鉆機(jī)鉆頭在不同介質(zhì)層時(shí)受到的應(yīng)力不同,其加速度會(huì)不同,反映到波形上的幅度也會(huì)不同.該方法不需要數(shù)值計(jì)算,能直接反映信號(hào)加速度隨時(shí)間變化的規(guī)律.

1.2 循環(huán)絕對(duì)值求和法

波形幅度分析法比較直觀,當(dāng)卵石層和垃圾層幅度特征差別不大給識(shí)別帶來(lái)困難時(shí),筆者提出的數(shù)值循環(huán)絕對(duì)值求和的方法可以使數(shù)據(jù)的微差累加,不僅可反映信號(hào)包絡(luò)的變化趨勢(shì),同時(shí)提高了變化的靈敏度,根據(jù)包絡(luò)趨勢(shì)可以直觀地反映振動(dòng)信號(hào)在每 s內(nèi)的變化情況,據(jù)此可以靈活地控制鉆機(jī),在經(jīng)過(guò)包絡(luò)線最大值的 1～2 s內(nèi)停止打鉆.

如果某時(shí)刻瞬間有很大的突變信號(hào)出現(xiàn),對(duì)總和的幅值影響很大,該方法也可以確定瞬間突變信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻;當(dāng)某時(shí)刻鉆頭進(jìn)入緊密的卵石層時(shí),鉆頭打在空隙的概率變小,所以大幅值加速度信號(hào)的概率增大,總和增大.

根據(jù)試驗(yàn)情況先對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段,對(duì)于大量的數(shù)據(jù),振幅有負(fù)有正,為消除數(shù)據(jù)正負(fù)相加抵消的影響,將每段的數(shù)據(jù)先取絕對(duì)值再求和.

1.3 分段均方根法

均方根數(shù)學(xué)計(jì)算式：

式中,xi為輸入數(shù)字信號(hào)的序列;n為數(shù)據(jù)總數(shù);φx為均方根值.均方根是對(duì)每個(gè)輸入信號(hào)序列先平方再求和平均,最后開(kāi)方的一種數(shù)值計(jì)算,表示交流信號(hào)的有效值或有效直流值,描述信號(hào)的平均能量或平均功率,是信號(hào)幅度最恰當(dāng)?shù)牧慷?

該方法與循環(huán)絕對(duì)值求和法效果大致一樣,均方根值小說(shuō)明在這 1 s內(nèi)的小幅度信號(hào)出現(xiàn)的概率大;相反,均方根突然變大說(shuō)明這 1 s內(nèi)大幅度信號(hào)出現(xiàn)的概率大,不同的是該方法數(shù)值分辨率比后者大.對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行均方根計(jì)算得出的結(jié)果是一個(gè)數(shù),不能反映數(shù)值大小的變化規(guī)律,采用分段均方根將離散的振動(dòng)信號(hào)序列平均分段,對(duì)每小段數(shù)值求均方根,最后通過(guò)曲線擬合可以看出每小段的數(shù)值變化規(guī)律.

2 試驗(yàn)

2.1 設(shè)備及材料

鉆床由上海風(fēng)速機(jī)電設(shè)備有限公司提供,型號(hào)為 RDM-1600B,功率為 370W,最大可夾柄徑為 16 mm,鉆頭轉(zhuǎn)速為 280～3 280 r/min;傳感器采用朗斯測(cè)試技術(shù)有限公司提供的加速度傳感器,型號(hào)為L(zhǎng)C0105,最大值為 196 m/s2,最小值為 -196 m/s2,感應(yīng)頻率范圍為 0.35～6 000 Hz;美國(guó)國(guó)家儀器有限公司提供的N I-PX I-1042型號(hào)數(shù)據(jù)采集儀和內(nèi)置DAQ數(shù)據(jù)采集卡;上位機(jī)及分析軟件;模擬介質(zhì)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(guī)則,有大有小).

試驗(yàn)?zāi)M裝置如圖 2所示.

圖 2 試驗(yàn)?zāi)M裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental simulator

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

采集信號(hào)的環(huán)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(hào)數(shù)據(jù)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(jié)在鉆機(jī)適當(dāng)位置.開(kāi)啟鉆床開(kāi)始打鉆,利用加速度傳感器將實(shí)時(shí)信號(hào)傳到數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ),DAQ將信號(hào)送入 PC機(jī).數(shù)據(jù)采集卡的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換,設(shè)置的采樣頻率為 20 kHz,信號(hào)為模擬輸入、數(shù)字輸出.最后通過(guò)軟件分析數(shù)據(jù),判斷膜上導(dǎo)排層即卵石層.

3 結(jié)果與討論

3.1 波形幅度分析

采集到的信號(hào)加速度時(shí)域波形如圖 3所示,其中,采樣頻率為 20 kHz,采取589 200個(gè)點(diǎn)需要約30 s.

圖 3 加速度時(shí)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(xiàn)明顯的 4段：在 13 s前,對(duì)應(yīng)的點(diǎn)數(shù)為260 000個(gè),波形幅度集中在 7.5 m/s2左右,持續(xù)時(shí)間為 13 s;約在 13 s時(shí),波形幅度發(fā)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(lái)看比 13 s前大;從 18～21 s波形幅度降低是因?yàn)槟M介質(zhì)層成分復(fù)雜,鉆頭在這段下降的時(shí)段有可能打到了空隙處,隨著鉆頭在垃圾層的轉(zhuǎn)動(dòng),垃圾層越來(lái)越松散,鉆頭受到的應(yīng)力變小,加速度變小,在420 000個(gè)點(diǎn)時(shí),對(duì)應(yīng)時(shí)間約為 21 s,波形幅度增量再次發(fā)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(jìn)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(fā)生突變的時(shí)間點(diǎn)分別是在 13和 21 s,說(shuō)明在這 2個(gè)時(shí)間點(diǎn)鉆頭從一種介質(zhì)過(guò)渡到另一種介質(zhì).在試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)觀察和聲音辨別作記錄：采樣頻率為20 000 Hz,采樣點(diǎn)數(shù)為589 200個(gè),采集時(shí)間為 29.46 s;前 13 s采集的是隨機(jī)噪聲的信號(hào),在 13 s左右鉆頭進(jìn)入垃圾層,13～21 s鉆頭處于垃圾層,第 21秒進(jìn)入卵石層,持續(xù)時(shí)間為 6 s;關(guān)閉鉆機(jī),繼續(xù)采集一段空氣噪聲,約在 2 s后停止打鉆.

試驗(yàn)結(jié)果表明,該方法和試驗(yàn)過(guò)程記錄的結(jié)果一致,說(shuō)明該方法有效地區(qū)分了垃圾層和卵石層.

3.2 數(shù)值絕對(duì)值求和分析

為了對(duì)比性和不失一般性,該方法采用的數(shù)據(jù)與 3.1節(jié)分析的數(shù)據(jù)一樣,數(shù)據(jù)單位一致.將采集的數(shù)據(jù)每20 000個(gè)分為一組,正好與 1 s的時(shí)間相對(duì)應(yīng),對(duì)所有的數(shù)據(jù)先取絕對(duì)值后求和.試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)求和,結(jié)果如圖 4所示.圖 4中,縱軸表示20 000個(gè)數(shù)的和;橫軸為循環(huán)次數(shù),循環(huán)次數(shù)需要 30次,對(duì)應(yīng)的總時(shí)間是 30 s.整個(gè)圖 4包絡(luò)有 5段：第1次循環(huán)到第 12次循環(huán)也就是第 1～12秒,包絡(luò)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(huán),包絡(luò)線近似一條二次曲線的一部分,總和值呈上升趨勢(shì),總體值在20 000以下;第 21～26次循環(huán),包絡(luò)線近似三角脈沖,所有值都在30 000個(gè)以上,最大值為59 000個(gè),對(duì)應(yīng)的時(shí)刻是 23 s,說(shuō)明在 22～23 s內(nèi),振動(dòng)鉆頭充分進(jìn)入卵石層,打到空隙的概率最小,此時(shí)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(huán)開(kāi)始包絡(luò)線下降很快,第 27和 28次循環(huán)總和值與第 13次循環(huán)大體一致;軟件分析數(shù)據(jù)時(shí)設(shè)置的循環(huán)次數(shù)為 30次,最后一次循環(huán)的20 000個(gè)點(diǎn)不夠,需要補(bǔ)11 800個(gè)零點(diǎn),所以最后一次循環(huán)值非常小.從圖 4來(lái)看,整個(gè)包絡(luò)線有 4個(gè)特征點(diǎn),分別為第 13,21,23和 26次循環(huán),對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為第 13,21,23和 26秒,除了第23次循環(huán)是最大值點(diǎn)外,其他特征點(diǎn)分別與試驗(yàn)記錄中的第 13,21和 27秒相對(duì)應(yīng).試驗(yàn)結(jié)果的第 26秒和試驗(yàn)記錄的第 27秒存在 1 s的誤差,根據(jù)鉆頭打鉆的速度,1 s的時(shí)間鉆頭下降的距離約為 0.5 cm,典型填埋場(chǎng)卵石層厚度不小于 30 cm,且在修補(bǔ)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(bǔ)工作.與試驗(yàn)記錄進(jìn)行比較可知,該方法能作為區(qū)分卵石層的有效方法之一.

圖 4 循環(huán)絕對(duì)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(gè)點(diǎn)進(jìn)行均方根計(jì)算,總數(shù)為589 200個(gè),約有 29個(gè)結(jié)果,對(duì)應(yīng)的時(shí)間為 29 s,將循環(huán)計(jì)算結(jié)果非線性擬合,結(jié)果如圖 5所示.從圖 5可以看出,整個(gè)曲線的變化趨勢(shì)與圖 4近似,總的包絡(luò)變化趨勢(shì)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(wěn)定,集中在 0.9左右;第 13秒是一個(gè)明顯的突變點(diǎn),均方根值較前 12 s明顯增大;另一個(gè)突變點(diǎn)是第 21秒,此時(shí)均方根再次大幅增大,說(shuō)明鉆頭進(jìn)入卵石層;第 23秒均方根最大,說(shuō)明鉆頭充分接觸卵石層;第 26秒開(kāi)始均方根下降至與第 1～12秒的值大小一致.與循環(huán)絕對(duì)值求和法不同的是,該方法相當(dāng)于將整體數(shù)據(jù)壓縮,提高了數(shù)值分辨率,而循環(huán)絕對(duì)值求和法相當(dāng)于將整體數(shù)據(jù)擴(kuò)大.因此,該方法可以作為區(qū)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(jìn)入土壤層,在第 21秒進(jìn)入卵石層,在第 23秒充分進(jìn)入卵石層,打在空隙的概率很小.考慮到漏洞修補(bǔ)時(shí)無(wú)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(jié)論

a.將數(shù)值絕對(duì)值求和法及分段均方根法與波形幅度分析法一起來(lái)分析介質(zhì)層的振動(dòng)信號(hào)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(nèi)振動(dòng)信號(hào)的幅度大小分布特征,能夠有效地區(qū)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(bǔ),為漏洞修補(bǔ)工作做好了必要的準(zhǔn)備.

b.信號(hào)時(shí)域分析方法能夠反映波形的幅度隨時(shí)間的變化規(guī)律,但是對(duì)于不同介質(zhì)層的頻譜特征的提取有局限性,因此考慮進(jìn)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(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2007AA061303)作者簡(jiǎn)介：金 朝 娣 (1984 -),女,安 徽 安 慶 人,skyblue5570@sina.com.

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

(責(zé)任編輯：潘鳳云)