孔隙介質(zhì)滲流過程誘發(fā)聲發(fā)射信號特征研究

吳鑫 朱旭 劉永紅 林華李 羅筱毓

摘 要：在不破壞結(jié)構(gòu)情況下，利用聲發(fā)射（ＡＥ）監(jiān)測技術(shù)探究不同流速下間斷級配顆粒介質(zhì)運(yùn)動規(guī)律，以及孔隙滲流過程聲發(fā)射信號變化規(guī)律。通過滲流過程中由小顆粒介質(zhì)位移產(chǎn)生的聲發(fā)射信號和ＰＩＶ 技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行分析。結(jié)果表明：小顆粒介質(zhì)數(shù)量一定時(shí)，流速較大的試驗(yàn)組ＡＥ 事件數(shù)更多，即振鈴計(jì)數(shù)更大、頻譜重心更高；水流量相近時(shí)，試驗(yàn)中小顆粒介質(zhì)含量直接影響ＡＥ 事件數(shù)量，即含砂量較大的試驗(yàn)組ＡＥ 事件數(shù)更多；含有小顆粒介質(zhì)情況下，水流量越大小顆粒運(yùn)動速度越快同時(shí)ＡＥ 初始信號強(qiáng)度越大。研究表明：聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)能較好地反映孔隙滲流中顆粒介質(zhì)的運(yùn)動，為孔隙介質(zhì)滲流過程中的小顆粒搬運(yùn)監(jiān)測和堤壩管涌預(yù)警提供一定的研究基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：孔隙介質(zhì)；滲流；聲發(fā)射；間斷級配；ＰＩＶ

中圖分類號：Ｘ９３６ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．００９

引用格式：吳鑫，朱旭，劉永紅，等．孔隙介質(zhì)滲流過程誘發(fā)聲發(fā)射信號特征研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（３）：４７－５１，５７．

０ 引言

堤壩作為防洪減災(zāi)工程中重要的組成部分，是防御洪水泛濫、保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要水利工程。近年來，許多學(xué)者利用離心模型［１］ 、物理模型［２］ 、數(shù)值模型［３］ 和微攝像技術(shù)［４］ 探究堤基防護(hù)中的滲流破壞。由于堤基結(jié)構(gòu)復(fù)雜且隱患眾多，因此堤防安全監(jiān)測需要一項(xiàng)實(shí)時(shí)的監(jiān)控手段。

聲發(fā)射作為一種重要的無損檢測方法，具有靈敏度高、響應(yīng)及時(shí)、全周期實(shí)時(shí)監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)［５］ ，在工程安全監(jiān)測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。顆粒碰撞產(chǎn)生快速釋放的局部聲源，其產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱之為聲發(fā)射（ＡＥ），本質(zhì)上是一種具有不同頻率和強(qiáng)度的彈性波［６］ 。目前，聲發(fā)射廣泛應(yīng)用于各監(jiān)測領(lǐng)域中，其中在地下工程安全監(jiān)測［７］ 等領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。２０１２ 年，Ｆｒａｎｚｉｓｋａ 等［８］ 對不同流速下玻璃珠流體前沿位移進(jìn)行聲發(fā)射試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)ＡＥ 事件數(shù)量與水位移相關(guān)。之后，眾多學(xué)者開始在流體夾帶顆粒物質(zhì)方面做進(jìn)一步聲發(fā)射研究，Ｗａｎｇ 等［９］ 通過時(shí)頻分析和細(xì)化快速傅里葉變換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＦＦＴ）識別了各頻帶的砂土振動聲學(xué)特性，找到了砂－水兩相流中固體顆粒的振動和聲信號最佳砂土特征頻帶；Ｅｌ－Ａｌｅｊ 等［１０］ 利用聲發(fā)射手段研究水和水－砂在水平管道中的能量，結(jié)果表明聲發(fā)射能量水平受表觀氣速和液滴體積變化的影響，證明聲發(fā)射能級同液滴體積和表觀氣速存在相關(guān)性；Ｈｕ 等［１１］ 從ＡＥ 事件的峰值電壓推斷顆粒大??；明攀等［１２］ 通過分析滲流過程中的滲流量、平均水力坡降與ＡＥ 數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)管涌過程中的水力參數(shù)和ＡＥ 參數(shù)具有相同的分布規(guī)律，管涌的連續(xù)破壞過程中有明顯的破壞階段。

隨著科技的發(fā)展，圖像處理技術(shù)有了很大突破，有許多學(xué)者將此技術(shù)運(yùn)用到流體運(yùn)動相關(guān)研究中。例如：Ｖａｚｑｕｅｚ 等［１３］ 利用水聲傳感器和高速攝像機(jī)拍攝相結(jié)合的試驗(yàn)手段，分析沉積物床中氣泡的聲學(xué)特征并估測出氣泡的產(chǎn)生率；Ｓａｒｂａｎｈａ 等［１４］ 對流場中示蹤粒子利用ＰＩＶ（粒子圖像測速）方法測得粒子的流速場。但上述試驗(yàn)并未考慮利用滲流過程中聲發(fā)射的特征參數(shù)與ＰＩＶ 的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)結(jié)合，通過ＡＥ 特征參數(shù)反推實(shí)際管涌中粒子的運(yùn)動情況，并且也沒有針對性地研究管涌在水流量的變化和含砂狀況下的兩個(gè)特征變量的影響。同時(shí)，大尺寸試驗(yàn)裝置在運(yùn)用過程中，ＡＥ 傳感器只能接收到傳感器附近的信號，并采集了大量反射波［１５］ 。

因此，筆者改用自制的透明薄片狀小型試驗(yàn)容器，既減少反射波也便于拍攝；同時(shí)通過ＦＦＴ 和頻譜分析等方法找到水－砂相互作用的ＡＥ 特征，并結(jié)合ＰＩＶ 分析揭示特征向量的內(nèi)在聯(lián)系。

１ 試驗(yàn)方法

１．１ 試驗(yàn)裝置與材料

試驗(yàn)采用ＤＳ５－１６Ｂ／ Ｃ 型ＡＥ 測試系統(tǒng)（ＵＳＢ ３．０），該系統(tǒng)具有靈敏度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)［１６］ 。試驗(yàn)設(shè)置采樣頻率為３ ＭＨｚ，使用頻率響應(yīng)范圍為１００～４００ ｋＨｚ的ＲＳ－２Ａ 壓電陶瓷傳感器和４０ ｄＢ 前置放大器；并采用內(nèi)徑為８ ｍｍ 的膠管，流量監(jiān)測使用高精度電子數(shù)顯流量計(jì)。

自制透明長方體薄板狀亞克力容器填裝試驗(yàn)所用間斷級配顆粒介質(zhì)（見圖１）。在預(yù)試驗(yàn)中選定骨架顆粒介質(zhì)的尺寸為６ ～ ９ ｍｍ 和小顆粒介質(zhì)的尺寸為０．３～０．５ ｍｍ 的兩種間斷級配砂礫組合，骨架顆粒選用純白色的白玉石（碳酸鹽礦物）、小顆粒選用純黑色的太行砂（石英）。

１．２ 試驗(yàn)方案

為探究多孔介質(zhì)滲流過程中小顆粒移動誘發(fā)的聲發(fā)射信號模式，使用非入侵式的聲發(fā)射儀器進(jìn)行３ 組試驗(yàn)（見表１）：空白組Ａ（即無小顆粒介質(zhì)，分８ 級流速），作為對照得出小顆粒介質(zhì)對管涌聲發(fā)射的影響；含砂組Ｂ（即含有固定質(zhì)量的小顆粒介質(zhì)）進(jìn)行６ 級流速下的試驗(yàn)，探究不同流速對管涌聲發(fā)射的影響；變速組Ｃ（不重復(fù)填砂）進(jìn)行１２ 級流速試驗(yàn)，判斷含砂量對聲發(fā)射的影響。

１．３ 試驗(yàn)步驟

以自來水為液相流體，通過觀察流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥門來控制流速。每組試驗(yàn)均為同一組骨架顆粒，具體試驗(yàn)步驟為：１）試驗(yàn)開始前填充好骨架顆粒，確保容器內(nèi)只有骨架顆粒，并分別進(jìn)行無小顆粒介質(zhì)的８ 級流速空白對照試驗(yàn)；２）每次都重新填充２ ｇ 太行砂在容器進(jìn)水口后，進(jìn)行６ 級流速含砂試驗(yàn)；３）為探究持續(xù)過程，在重新填充好太行砂后，進(jìn)行一次１２ 級流速階梯式試驗(yàn)。

２ 數(shù)據(jù)分析

２．１ 振鈴計(jì)數(shù)

本試驗(yàn)采用薄型容器，可減少反射波影響，但環(huán)境噪聲同樣會干擾試驗(yàn)數(shù)據(jù)，故采集時(shí)利用ＤＳ５－１６Ｂ／ Ｃ聲發(fā)射儀器進(jìn)行硬件濾波。因采集的為電壓信號，綜合對比后，計(jì)算門檻值設(shè)定為０．００４ ８ ｍＶ。在滲透作用下，大顆粒砂石會因水力、摩擦力、重力等力的作用而形成具有動態(tài)穩(wěn)定的通道性質(zhì)孔隙的管涌通道。小顆粒與骨架顆粒之間和小顆粒自身的碰撞與摩擦是造成ＡＥ 事件的主要原因。水流速度的提高會縮短滲流過程，由于滲流過程的復(fù)雜性和變化性，難免會出現(xiàn)一些不規(guī)則的離散異常值，因此含砂量和水流量變化對振鈴計(jì)數(shù)的影響采用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析（見圖２）。從圖２（ａ）可見，含砂與未含砂相對比，空白組振鈴計(jì)均值線均最低，且隨水流量變化空白組沒有太大變化；相同含砂量條件下，水流量越大，振鈴計(jì)數(shù)值也越大。從圖２（ｂ）可見，不同含砂量條件下，在小顆粒數(shù)量減小時(shí)，即使水流量增大，振鈴計(jì)數(shù)值也會隨之降低，但始終高于空白組。

為深入探究小顆粒數(shù)量和水流量大小對振鈴計(jì)數(shù)的影響，對變速組的１２ 級流速，均取前１０ ｓ 進(jìn)行振鈴分析（見圖３）。圖３ 中灰色條表示在流速沒有穩(wěn)定之前的水流加速階段，聲發(fā)射事件的變化較為紊亂。變速組隨著流量的增大和時(shí)間推移，其振鈴計(jì)數(shù)單次加速一開始就達(dá)最大值，之后接近于空白組但總高于空白組。同理，按變速組的試驗(yàn)方法，進(jìn)行了分段式遞增流量的空白試驗(yàn)，結(jié)果與上述８ 級流速空白組的振鈴規(guī)律基本一致，且其分析后的數(shù)值遠(yuǎn)小于含砂變速組的，參考價(jià)值不大，故不做詳細(xì)分析。

２．２ 頻譜演化規(guī)律

將收集到的波形信號文件轉(zhuǎn)化為ｔｘｔ 格式文本文件，對采樣頻率為３ ＭＨｚ 的信號文件，以１ ｓ 進(jìn)行分割。通過頻譜分析得到每１ ｓ 的信號主頻率和頻譜重心數(shù)據(jù)后對所有試驗(yàn)組的數(shù)據(jù)按照流速從小到大進(jìn)行橫向?qū)Ρ?。為探究水流量對頻譜重心的影響，選取每組第１ 級流速前４５ ｓ 進(jìn)行分析，如圖４ 所示，當(dāng)含砂量一定時(shí)，水流量越大則頻譜重心頻率越高，但不會低于無砂空白組的；隨含砂量的減少，３ 組試驗(yàn)的第１ 級流速頻譜重心呈現(xiàn)下降趨勢?？瞻捉MＡＥ 主頻率和頻譜重心變化相對流量變化不明顯；含砂組的主頻率最大，但隨含砂量變小，頻譜重心從最大值減小到一個(gè)固定范圍；變速組的頻譜重心在水流穩(wěn)定時(shí)會降低到一個(gè)低值。

最后，利用上述方法，求出所有試驗(yàn)流速的ＡＥ 主頻率和頻譜重心（見表２）。由表２ 可知，空白組的主頻和頻譜重心的絕對差值變化不大，含砂組的絕對差值隨著流量的增大而變小，平均絕對差值空白組為６９．６６ ｋＨｚ、含砂組為５５．５７ ｋＨｚ、變速組為３９．８８ ｋＨｚ。綜上所述，在管涌發(fā)生過程中，小顆粒介質(zhì)對ＡＥ主頻率和頻譜重心產(chǎn)生了較大的影響。

３ ＰＩＶ 分析

管涌通道錯(cuò)綜復(fù)雜且孔隙率不盡相同，導(dǎo)致同水流量下不同管涌通道中水流速不同。ＰＩＶ 分析見圖５。由圖５ 看到空白組的大部分區(qū)域?qū)嶋H是緊密的骨架顆粒，未發(fā)生較大相對位移。在含砂組試驗(yàn)中，骨架顆粒并沒有較大幅度移動，并且圖５ 中畫線箭頭覆蓋線段，骨架顆粒兩側(cè)產(chǎn)生了多股管涌通道且通道中出現(xiàn)了砂子流動的情況，同時(shí)，水流流量越大、ＰＩＶ 監(jiān)測到小顆粒運(yùn)動速度也越快。由于在不同條件下管涌發(fā)生具有隨機(jī)性，因此各級流速的管涌通道位置不同。

在圖５ 基礎(chǔ)上提取每幅圖中傳感器附近的線上距離方向上每個(gè)點(diǎn)的位移速度，如圖６ 所示。結(jié)合前文聲發(fā)射分析數(shù)據(jù)可知：相同數(shù)量小顆粒在高水流量條件下傳感器附近管涌中的顆粒速度最快，且相對應(yīng)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)值也是最大的；變速組即便在最大流速下，因總體顆粒介質(zhì)數(shù)量相對含砂組為最少，故傳感器附近顆粒移動速度值總是低于含砂組的；ＡＥ 傳感器位于骨架顆?？p隙夾角（管涌通道分流處），小顆粒介質(zhì)在水流的帶動下快速旋轉(zhuǎn)，并且隨之產(chǎn)生高速小顆粒之間的碰撞和小顆粒與骨架顆粒之間的碰撞；空白組因沒有小顆粒介質(zhì)的加入，故ＰＩＶ 監(jiān)測到的微小速度場為水流中氣泡的夾帶運(yùn)動和震蕩。

４ 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

１）彈性波振鈴計(jì)數(shù)值與滲流中小顆粒的數(shù)量及水流量正相關(guān)，即含砂量越大、水流量越大監(jiān)測到的振鈴計(jì)數(shù)值也越大。

２）隨著小顆粒介質(zhì)的流失，頻譜重心變化規(guī)律為總體呈下降趨勢；總平均絕對差值：空白組＞含砂組＞變速組，即小顆粒介質(zhì)的加入降低了主頻與頻譜重心的絕對差值。

３）ＰＩＶ 分析可知，傳感器水平方向?qū)?yīng)顆粒速度變化與ＡＥ 數(shù)據(jù)變化方向上吻合，即振鈴計(jì)數(shù)值越大，實(shí)際管涌中小顆粒介質(zhì)移動速度越快，反之則越小。綜上，聲發(fā)射在多孔介質(zhì)滲流監(jiān)測中具有廣闊的應(yīng)用前景和潛力；同時(shí)，結(jié)合ＰＩＶ 分析可以有效監(jiān)測和研究多孔介質(zhì)滲流過程中的小顆粒運(yùn)動情況，為小顆粒運(yùn)動監(jiān)測和滲流破壞預(yù)警提供了一種新的方法。

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