孔隙介質滲流過程誘發聲發射信號特征研究

吳鑫 朱旭 劉永紅 林華李 羅筱毓

摘 要：在不破壞結構情況下，利用聲發射（ＡＥ）監測技術探究不同流速下間斷級配顆粒介質運動規律，以及孔隙滲流過程聲發射信號變化規律。通過滲流過程中由小顆粒介質位移產生的聲發射信號和ＰＩＶ 技術相結合進行分析。結果表明：小顆粒介質數量一定時，流速較大的試驗組ＡＥ 事件數更多，即振鈴計數更大、頻譜重心更高；水流量相近時，試驗中小顆粒介質含量直接影響ＡＥ 事件數量，即含砂量較大的試驗組ＡＥ 事件數更多；含有小顆粒介質情況下，水流量越大小顆粒運動速度越快同時ＡＥ 初始信號強度越大。研究表明：聲發射監測技術能較好地反映孔隙滲流中顆粒介質的運動，為孔隙介質滲流過程中的小顆粒搬運監測和堤壩管涌預警提供一定的研究基礎。

關鍵詞：孔隙介質；滲流；聲發射；間斷級配；ＰＩＶ

中圖分類號：Ｘ９３６ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．００９

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

０ 引言

堤壩作為防洪減災工程中重要的組成部分，是防御洪水泛濫、保護人民生命財產安全和工農業生產的重要水利工程。近年來，許多學者利用離心模型［１］ 、物理模型［２］ 、數值模型［３］ 和微攝像技術［４］ 探究堤基防護中的滲流破壞。由于堤基結構復雜且隱患眾多，因此堤防安全監測需要一項實時的監控手段。

聲發射作為一種重要的無損檢測方法，具有靈敏度高、響應及時、全周期實時監測等優點［５］ ，在工程安全監測領域具有廣闊的應用前景。顆粒碰撞產生快速釋放的局部聲源，其產生的瞬態彈性波的現象稱之為聲發射（ＡＥ），本質上是一種具有不同頻率和強度的彈性波［６］ 。目前，聲發射廣泛應用于各監測領域中，其中在地下工程安全監測［７］ 等領域有著很好的應用前景。２０１２ 年，Ｆｒａｎｚｉｓｋａ 等［８］ 對不同流速下玻璃珠流體前沿位移進行聲發射試驗，發現ＡＥ 事件數量與水位移相關。之后，眾多學者開始在流體夾帶顆粒物質方面做進一步聲發射研究，Ｗａｎｇ 等［９］ 通過時頻分析和細化快速傅里葉變換（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］ 利用聲發射手段研究水和水－砂在水平管道中的能量，結果表明聲發射能量水平受表觀氣速和液滴體積變化的影響，證明聲發射能級同液滴體積和表觀氣速存在相關性；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 數據對比，發現管涌過程中的水力參數和ＡＥ 參數具有相同的分布規律，管涌的連續破壞過程中有明顯的破壞階段。

隨著科技的發展，圖像處理技術有了很大突破，有許多學者將此技術運用到流體運動相關研究中。例如：Ｖａｚｑｕｅｚ 等［１３］ 利用水聲傳感器和高速攝像機拍攝相結合的試驗手段，分析沉積物床中氣泡的聲學特征并估測出氣泡的產生率；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。但上述試驗并未考慮利用滲流過程中聲發射的特征參數與ＰＩＶ 的圖像數據進行關聯結合，通過ＡＥ 特征參數反推實際管涌中粒子的運動情況，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特征變量的影響。同時，大尺寸試驗裝置在運用過程中，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容器，既減少反射波也便于拍攝；同時通過ＦＦＴ 和頻譜分析等方法找到水－砂相互作用的ＡＥ 特征，并結合ＰＩＶ 分析揭示特征向量的內在聯系。

１ 試驗方法

１．１ 試驗裝置與材料

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

自制透明長方體薄板狀亞克力容器填裝試驗所用間斷級配顆粒介質（見圖１）。在預試驗中選定骨架顆粒介質的尺寸為６ ～ ９ ｍｍ 和小顆粒介質的尺寸為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 試驗方案

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

１．３ 試驗步驟

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

２ 數據分析

２．１ 振鈴計數

本試驗采用薄型容器，可減少反射波影響，但環境噪聲同樣會干擾試驗數據，故采集時利用ＤＳ５－１６Ｂ／ Ｃ聲發射儀器進行硬件濾波。因采集的為電壓信號，綜合對比后，計算門檻值設定為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穩定的通道性質孔隙的管涌通道。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，由于滲流過程的復雜性和變化性，難免會出現一些不規則的離散異常值，因此含砂量和水流量變化對振鈴計數的影響采用統計方法進行分析（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，振鈴計數值也越大。從圖２（ｂ）可見，不同含砂量條件下，在小顆粒數量減小時，即使水流量增大，振鈴計數值也會隨之降低，但始終高于空白組。

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

２．２ 頻譜演化規律

將收集到的波形信號文件轉化為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據后對所有試驗組的數據按照流速從小到大進行橫向對比。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 進行分析，如圖４ 所示，當含砂量一定時，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 組試驗的第１ 級流速頻譜重心呈現下降趨勢?？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固定范圍；變速組的頻譜重心在水流穩定時會降低到一個低值。

最后，利用上述方法，求出所有試驗流速的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，在管涌發生過程中，小顆粒介質對ＡＥ主頻率和頻譜重心產生了較大的影響。

３ ＰＩＶ 分析

管涌通道錯綜復雜且孔隙率不盡相同，導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域實際是緊密的骨架顆粒，未發生較大相對位移。在含砂組試驗中，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，骨架顆粒兩側產生了多股管涌通道且通道中出現了砂子流動的情況，同時，水流流量越大、ＰＩＶ 監測到小顆粒運動速度也越快。由于在不同條件下管涌發生具有隨機性，因此各級流速的管涌通道位置不同。

在圖５ 基礎上提取每幅圖中傳感器附近的線上距離方向上每個點的位移速度，如圖６ 所示。結合前文聲發射分析數據可知：相同數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，且相對應聲發射振鈴計數值也是最大的；變速組即便在最大流速下，因總體顆粒介質數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），小顆粒介質在水流的帶動下快速旋轉，并且隨之產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的加入，故ＰＩＶ 監測到的微小速度場為水流中氣泡的夾帶運動和震蕩。

４ 結論

根據試驗結果，可得出以下結論：

１）彈性波振鈴計數值與滲流中小顆粒的數量及水流量正相關，即含砂量越大、水流量越大監測到的振鈴計數值也越大。

２）隨著小顆粒介質的流失，頻譜重心變化規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，傳感器水平方向對應顆粒速度變化與ＡＥ 數據變化方向上吻合，即振鈴計數值越大，實際管涌中小顆粒介質移動速度越快，反之則越小。綜上，聲發射在多孔介質滲流監測中具有廣闊的應用前景和潛力；同時，結合ＰＩＶ 分析可以有效監測和研究多孔介質滲流過程中的小顆粒運動情況，為小顆粒運動監測和滲流破壞預警提供了一種新的方法。

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【責任編輯 簡 群】