水利大坝裂缝转异诊断中的小波分析方法

2010-08-15河南洛阳嵩县水利局陈海波

河南科技 2010年16期

河南洛阳嵩县水利局陈海波

水利大坝裂缝转异诊断中的小波分析方法

河南洛阳嵩县水利局陈海波

在现在情况中，工程中的很多问题都可以用偏微分方程的求解。小波分析法就是这种计算中的一种，小波分析法的定义具有很大的开放性，所以在各种问题上进行运用，只要能够选对方法就能够进行解题。本文用小波分析方法对水利大坝上的裂缝诊断中建立模型，结合水利大坝的工程实例,利用小波分析方法提取裂缝变形,在此基础上建立模型对裂缝进行诊断，这种方法现在被广泛运用，在实践中已经为结构的安全运行提供支持。

大坝裂缝诊断小波分析

何谓小波分析法，小波分析法是一种微积分计算法，在实际上，经常为各种工程问题提供决策，应用小波变换的图像分解和重构来对水利大坝上的裂缝进行诊断，是比较可靠的方法，在诊断同时可以进行裂缝性质的识别。他的作用方法比较复杂，但是原理基本可以分为首先对水利大坝上的图像进行小波分解，根据小波系数模最大值和相位(梯度方向)这两个分量的大小确定边缘的位置。并通过实验分析和讨论了不同的小波基、不同分辨率水平、重构中使用的分解子图像对路面图像裂缝分割的影响，最后用简单的阈值技术生成二值图像，把裂缝从背景图像中分离出来。

在工程学上，由于混凝土的结构处于一种变化状态，但在特殊情况下，混凝土的结构在其他特殊情况的作用下，裂缝就会演变成为不连续状态，比如在地震或是其他的地址结构发生变化的情况下，或是其他的情况，裂缝的突变基本就是成为裂缝转异，裂缝转异是一种比较常见的情况，通过一些工程方法可以做到测出或是修补。

裂缝是可以通过资料的实际测算而得知其演变过程的，基本上来说，每道裂缝的影响因素不外乎水压、温度和时效，而前两者能够引起的裂变主要是弹性的，而时效变形的原因就非常复杂了，基本上来说，时效变形综合反映了大坝结构的变形以及有些原因不明的不可逆变形；当时效变形突然增大时说明着裂缝转异，因此工程专家们一般通过分析裂缝时效变形来判断裂缝转异。

一、小波分解方法对裂缝的检测和分析

小波分析法是一种信号的时间一频率分析方法，将裂缝的实测数据序列看成由不同频率成分组成的数字信号序列，时效变化部分表现为低频(长周期)的变化，由此可采用小波分析来提取裂缝的时效变形；之后可以采取其他方法来做提取和演算等，但是不可否认，小波分析法在计算裂缝的过程中具有非常典型的价值和意义。

裂缝实测资料序列可以看成一个由不同频率成分组成的数字信号序列，其中受水位、温度等影响部分具有一定的周期性，受随机因素及观测误差影响的随机部分表现为高频率(短周期)的颤动，而时效(趋势)变化部分则表现为低频率(长周期)的变化。以下简单的概述下其流程与方法。

首先将小波多层分析的裂缝信号序列随机的成分剔除，除此以外还要剔除水位温度变化而引起的高频部分，剩下的低频部分也就是时效因素的部分，就是能够对大坝裂缝的发展进行观测的部分，这就是我们上面介绍的裂缝的时效变形。

然后将小波分析中所能够利用的低频部分变换成为低频系数，低频系数对于尺度增加非常敏感，可以在很短的时间期间内裂缝变化进行分辨，而这种精确度在对信号的趋势表现得更为明显。

二、应用实例

我们可以以某大坝为例来对小波分析法的准确过程进行一个衡量。比如此大坝的该重力坝顶高126m，最大坝高74m，坝顶宽9m，坝底宽57.5m，那么再加上自左向右有28个坝段。我们可以据此来算算这个裂缝的异转情况，再挑选一个测点为基础分析该测点处裂缝是否发生转异。可以先按照小波分析法的流程利用小波分析理论提取时效变形，然后选取时效变化较显著的区段进行分析，在该大坝的裂缝信号序列上最为显著的是1979年到1982年底的那段，可以以此为例。结合该大坝运行的实际情况可以分析出具体的原因，原因可能是因为在在该时段内出现了地震等情况，虽然震级不强烈但是经过其他的一些不明情况使得裂缝开度明显增大，出现转异。这与信号所显示的低频段基本一致。该方法中裂缝时效的提取或计算是至关重要的，传统的时效计算方法虽然能够反映裂缝的发展演变趋势，但却受人为因素影响较大，而且不能具体反映裂缝究竟在何时发生转异。本文采用小波分析理论提取裂缝的时效变形，利用相平面来对裂缝是否发生转异进行诊断，识别裂缝的时效转异点。