介质层振动信号时域分析及其在填埋场漏洞修补技术中的应用

金朝娣,能昌信,常 琳,董 路＊,刘玉强

1.中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所,北京 100012

2.中国矿业大学 (北京)机电与信息工程学院,北京 100083

介质层振动信号时域分析及其在填埋场漏洞修补技术中的应用

金朝娣1,2,能昌信1,常 琳2,董 路1＊,刘玉强1

1.中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所,北京 100012

2.中国矿业大学 (北京)机电与信息工程学院,北京 100083

钻探灌浆修补技术是填埋场防渗层漏洞修补的重要发展方向,难点是如何准确地控制和判断钻头到达填埋场防渗层(即卵石保护层)而不会破坏其下面的HDPE膜.利用采集仪对钻头在防渗层不同介质层中的振动加速度信号进行采集,分别采用波形幅度分析法、循环绝对值求和法及分段均方根法对数据进行了分析.结果表明：①波形幅度分析法能够明显区分垃圾层和卵石层;②循环绝对值求和法与分段均方根法也可区分垃圾层和卵石层,但存在约 1 s的时间误差或 0.5 cm的距离误差,该误差在允许的范围内.3种不同时域分析方法的对比显示,波形幅度分析法简单直观,其他 2种分析方法能够直观地反映信号的包络趋势,据此敏感地反映信号的突变情况和加速度幅度大小在单位时间内的概率分布,进而可以灵活地控制钻机.

防渗层修补;振动信号;时域分析

我国填埋场由多层介质构成,从上到下依次为废物堆体层、反滤层、导排层 (通常采用卵石铺设)、膜上保护层、防渗层和膜下保护层.典型填埋场的层状结构如表 1所示[1].

我国填埋场普遍采用高密度聚乙烯膜 (HDPE)作为防渗层.据国内外研究调查发现,在填埋场人工衬层铺设期间,由于机械或人为的不规范操作会使衬层破损,并且在接缝处容易留下孔隙;在运营期间,因地基不均匀下陷、缩性形变、机械破损、化学腐蚀等可能引起 HDPE膜渗漏.在 1978年,US EPA就报道过所有的垃圾填埋场都会渗漏[2].美国每 km2的防渗层中有2 251个漏洞[3-4];加拿大和法国的 11个单土工膜衬层的填埋场中每 km2有203个漏洞[5-6].如果这些漏洞不及时被发现和修补,垃圾渗滤液将会透过孔隙进入地下水和土壤[7-8],给周边的土壤带来严重的污染.近年来防渗层漏洞的定位是各国专家和学者研究的热点.对漏洞精确定位的主要方法是高压直流电法[9],该方法是利用 HDPE膜的高阻特性,在膜上下分别提供正负高压直流电源,根据感应电势在膜上下介质中的分布情况来进行漏洞定位[10-17].基于该原理,中国环境科学研究院进一步提出了区块化检测方法,即将填埋场库区划分为多个区域,在每个区域中一次性布置数十个检测电极,采用自主研发的便携式渗漏检测仪进行数据的采集分析,以提高检测效率[18-19].

表 1 典型单衬层防渗层系统Table 1 Typical single lining impermeable layer system

关于漏洞的修补,在防渗层铺设阶段以及膜上导水层和集水设施施工阶段发现的渗漏问题,其修补方法都相对简单.但是,在运行和封场阶段,由于防渗层上已经堆积了大量危险废物,其修补不仅需要准确的渗漏点监测定位,还需要相应的工程措施.常规的处理方法是通过挖方和排水措施,暴露出渗漏点后实施修补,该方法工程量大、耗时长.中国环境科学研究院提出通过钻探技术向创面注入高分子灌浆材料对漏洞进行修补的方案,该方案可便捷快速地实现漏洞修补,但需要解决的关键问题是如何准确地判断填埋场介质层中 HDPE膜上的卵石层的位置.当钻机钻到卵石层时就停止打钻,防止钻头打穿 HDPE膜使漏洞扩大,从而给修补带来困难.

基于钻探技术的漏洞修补流程如图 1所示.

图 1 漏洞修补流程Fig.1 Flow chart of leak repair

基于上述需要解决的关键问题,笔者根据振动信号在填埋场不同介质层的响应特性差异,采用时域分析方法来判断填埋场的卵石层,为漏洞修补做好前期工作.

1 振动信号时域分析方法

信号的时域分析方法包括时域波形幅度分析、波峰检测、统计分析和相关性分析等[20].笔者在波形幅度分析的基础上,为进一步分析每 s内振动信号的时域特征,提出循环绝对值求和、分段均方根计算等分析方法.

1.1 波形幅度分析法

波形幅度分析反映了振动加速度幅度随时间的变化规律,加速度是单位时间内速度的变化率,试验采用的加速计是将加速度表示为电压的传感器.钻机钻头在不同介质层时受到的应力不同,其加速度会不同,反映到波形上的幅度也会不同.该方法不需要数值计算,能直接反映信号加速度随时间变化的规律.

1.2 循环绝对值求和法

波形幅度分析法比较直观,当卵石层和垃圾层幅度特征差别不大给识别带来困难时,笔者提出的数值循环绝对值求和的方法可以使数据的微差累加,不仅可反映信号包络的变化趋势,同时提高了变化的灵敏度,根据包络趋势可以直观地反映振动信号在每 s内的变化情况,据此可以灵活地控制钻机,在经过包络线最大值的 1～2 s内停止打钻.

如果某时刻瞬间有很大的突变信号出现,对总和的幅值影响很大,该方法也可以确定瞬间突变信号出现的时刻;当某时刻钻头进入紧密的卵石层时,钻头打在空隙的概率变小,所以大幅值加速度信号的概率增大,总和增大.

根据试验情况先对整个数据进行分段,对于大量的数据,振幅有负有正,为消除数据正负相加抵消的影响,将每段的数据先取绝对值再求和.

1.3 分段均方根法

均方根数学计算式：

式中,xi为输入数字信号的序列;n为数据总数;φx为均方根值.均方根是对每个输入信号序列先平方再求和平均,最后开方的一种数值计算,表示交流信号的有效值或有效直流值,描述信号的平均能量或平均功率,是信号幅度最恰当的量度.

该方法与循环绝对值求和法效果大致一样,均方根值小说明在这 1 s内的小幅度信号出现的概率大;相反,均方根突然变大说明这 1 s内大幅度信号出现的概率大,不同的是该方法数值分辨率比后者大.对整个数据进行均方根计算得出的结果是一个数,不能反映数值大小的变化规律,采用分段均方根将离散的振动信号序列平均分段,对每小段数值求均方根,最后通过曲线拟合可以看出每小段的数值变化规律.

2 试验

2.1 设备及材料

钻床由上海风速机电设备有限公司提供,型号为 RDM-1600B,功率为 370W,最大可夹柄径为 16 mm,钻头转速为 280～3 280 r/min;传感器采用朗斯测试技术有限公司提供的加速度传感器,型号为LC0105,最大值为 196 m/s2,最小值为 -196 m/s2,感应频率范围为 0.35～6 000 Hz;美国国家仪器有限公司提供的N I-PX I-1042型号数据采集仪和内置DAQ数据采集卡;上位机及分析软件;模拟介质层分别为空气、厚度约为 5 cm的垃圾层和厚度为 5 cm的卵石层 (卵石形状不规则,有大有小).

试验模拟装置如图 2所示.

图 2 试验模拟装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the experimental simulator

2.2 试验过程

采集信号的环境分为 4段：空气噪声、垃圾层、卵石层和空气噪声.

在NI-PXI-1042型号数据采集仪上选择通道一,将传感器的输出同轴电缆连接到通道一,另一端粘结在钻机适当位置.开启钻床开始打钻,利用加速度传感器将实时信号传到数据采集卡 (DAQ),DAQ将信号送入 PC机.数据采集卡的主要任务是实现数字信号和模拟信号之间的转换,设置的采样频率为 20 kHz,信号为模拟输入、数字输出.最后通过软件分析数据,判断膜上导排层即卵石层.

3 结果与讨论

3.1 波形幅度分析

采集到的信号加速度时域波形如图 3所示,其中,采样频率为 20 kHz,采取589 200个点需要约30 s.

图 3 加速度时域波形幅度Fig.3 Time-domain acceleration waveform

从图 3可以看到,波形幅度范围呈现明显的 4段：在 13 s前,对应的点数为260 000个,波形幅度集中在 7.5 m/s2左右,持续时间为 13 s;约在 13 s时,波形幅度发生小的突变,幅值上升到 18 m/s2左右,在第 13～18秒之间波形幅度大小不定,但大部分集中在 10 m/s2左右,整体来看比 13 s前大;从 18～21 s波形幅度降低是因为模拟介质层成分复杂,钻头在这段下降的时段有可能打到了空隙处,随着钻头在垃圾层的转动,垃圾层越来越松散,钻头受到的应力变小,加速度变小,在420 000个点时,对应时间约为 21 s,波形幅度增量再次发生突变,大部分在20 m/s2以上且非常集中,初步可以判断钻头在 21 s左右进入卵石层;28 s左右波形幅度降至与 13 s前的一致.以上分析表明,加速度波形发生突变的时间点分别是在 13和 21 s,说明在这 2个时间点钻头从一种介质过渡到另一种介质.在试验过程中通过观察和声音辨别作记录：采样频率为20 000 Hz,采样点数为589 200个,采集时间为 29.46 s;前 13 s采集的是随机噪声的信号,在 13 s左右钻头进入垃圾层,13～21 s钻头处于垃圾层,第 21秒进入卵石层,持续时间为 6 s;关闭钻机,继续采集一段空气噪声,约在 2 s后停止打钻.

试验结果表明,该方法和试验过程记录的结果一致,说明该方法有效地区分了垃圾层和卵石层.

3.2 数值绝对值求和分析

为了对比性和不失一般性,该方法采用的数据与 3.1节分析的数据一样,数据单位一致.将采集的数据每20 000个分为一组,正好与 1 s的时间相对应,对所有的数据先取绝对值后求和.试验数据进行循环求和,结果如图 4所示.图 4中,纵轴表示20 000个数的和;横轴为循环次数,循环次数需要 30次,对应的总时间是 30 s.整个图 4包络有 5段：第1次循环到第 12次循环也就是第 1～12秒,包络线近似一条斜率很小的直线,总和值逐渐变小;第13～20次循环,包络线近似一条二次曲线的一部分,总和值呈上升趋势,总体值在20 000以下;第 21～26次循环,包络线近似三角脉冲,所有值都在30 000个以上,最大值为59 000个,对应的时刻是 23 s,说明在 22～23 s内,振动钻头充分进入卵石层,打到空隙的概率最小,此时卵石铺垫很密,获得大幅值的加速度的概率最大;第 26次循环开始包络线下降很快,第 27和 28次循环总和值与第 13次循环大体一致;软件分析数据时设置的循环次数为 30次,最后一次循环的20 000个点不够,需要补11 800个零点,所以最后一次循环值非常小.从图 4来看,整个包络线有 4个特征点,分别为第 13,21,23和 26次循环,对应的时间分别为第 13,21,23和 26秒,除了第23次循环是最大值点外,其他特征点分别与试验记录中的第 13,21和 27秒相对应.试验结果的第 26秒和试验记录的第 27秒存在 1 s的误差,根据钻头打钻的速度,1 s的时间钻头下降的距离约为 0.5 cm,典型填埋场卵石层厚度不小于 30 cm,且在修补工作中不必且不能打穿卵石层,故 0.5 cm的距离误差不影响修补工作.与试验记录进行比较可知,该方法能作为区分卵石层的有效方法之一.

图 4 循环绝对值求和Fig.4 The result of the cycle sum of absolute value

3.3 分段均方根分析

每 20 000个点进行均方根计算,总数为589 200个,约有 29个结果,对应的时间为 29 s,将循环计算结果非线性拟合,结果如图 5所示.从图 5可以看出,整个曲线的变化趋势与图 4近似,总的包络变化趋势一致,分为比图 4更加精确的 5段：第1～12秒的均方根值比较稳定,集中在 0.9左右;第 13秒是一个明显的突变点,均方根值较前 12 s明显增大;另一个突变点是第 21秒,此时均方根再次大幅增大,说明钻头进入卵石层;第 23秒均方根最大,说明钻头充分接触卵石层;第 26秒开始均方根下降至与第 1～12秒的值大小一致.与循环绝对值求和法不同的是,该方法相当于将整体数据压缩,提高了数值分辨率,而循环绝对值求和法相当于将整体数据扩大.因此,该方法可以作为区分卵石层的有效方法之一.

图 5 分段均方根Fig.5 The result of sub-root-mean-square

从图 4,5可以判断,钻头在第 13秒进入土壤层,在第 21秒进入卵石层,在第 23秒充分进入卵石层,打在空隙的概率很小.考虑到漏洞修补时无需且不能打穿卵石层,可以在第 24秒左右考虑停止打钻.

4 结论

a.将数值绝对值求和法及分段均方根法与波形幅度分析法一起来分析介质层的振动信号特征,不但能够直观地反映加速度的幅值变化情况,还能直观地反映每 s内振动信号的幅度大小分布特征,能够有效地区分卵石层和辨别卵石层铺垫的疏密程度,方便了防渗层 HDPE膜形成的破损漏洞的修补,为漏洞修补工作做好了必要的准备.

b.信号时域分析方法能够反映波形的幅度随时间的变化规律,但是对于不同介质层的频谱特征的提取有局限性,因此考虑进一步研究频域分析方法.

[1] 王琪.危险废物及其鉴别管理[M].北京：中国环境科学出版社 ,2008：314-315.

[2] WHITE C C,BARKER R D.Electrical leak detection system for landfill liners：a case history[J].Ground Water Monitor Remediation,1997,17(3)：153-159.

[3] ROLL IN A L,MARCOTTE M,JACQUEL IN T,et al.Leak location in exposed geomembrane liners using an electrical leak detection technique[R].Boston：Proceedings of Geosynthetics,1999：615-626.

[4] W ILL IAMSCV,DUNN SD,LOWRY W E.Tracer verification and monitoring of containmenty stems(Ⅱ)[C]//Proceedings of the international contaminant technology conference. St.Petersburg,Florida：[s.n.],1997：1039-1045.

[5] RUMER R R,MITCHELL J K.Assessmentof barrier containment technologies [M ]. Baltimore, Maryland： International Containment Ecoknology Workshop,1995：355-394.

[6] GLENN TD,JORGEO P.The electrical leak locationmethod for geomembrane liners[J].J Hazard Materi,1989,21(2)：177-187.

[7] JORGEN T,ROLF S,ANNA A.Electrokinetic monitoring of synthetic geoclay liners[J].Applied Clay Science,2003,23(1)：211-218.

[8] CREGORYPV,STEPHEN K P,PATRICK H.Monitoring leaks from storage ponds using resistivity methods[J].Geophysics,2002,56(8)：1267-1270.

[9] 能昌信,董路,王琪,等.土工膜渗漏检测系统的开发 [J].环境科学研究,2005,18(4)：67-70.

[10] 能昌信,董路,孙静,等.土工膜渗漏定位方法研究 [J].环境科学研究,2006,19(1)：64-66.

[11] LA INED L,DARILEK G T.Locating leaks in geomembrane liners of landfills covered with a protective soil[C]//Geosynthetics’93-Vancouver,Canada：[s.n.],1993：1403-1412.

[12] COLUCCIP,CROZIER E,LA INE D L.Geomembrane liner testing using the GLLS：a high-voltage electrical leak location system[M].Rotterdam：Balkema,1996：749-750.

[13] 王斌,王琪,董路.垃圾填埋场防渗层渗漏检测方法的比较[J].环境科学研究,2002,15(5)：47-48.

[14] 王斌,王琪,董路,等.垃圾填埋场人工衬层渗漏的电学法检测研究[J].环境科学研究,2004,17(4)：63-66.

[15] 能昌信,董路,王琪,等.填埋场地电模型的电学特性 [J].中国环境科学,2004,24(6)：200-203.

[16] 能昌信,王彦文,王琪,等.填埋场渗漏检测高压直流电法等效电路模型的建立[J].环境科学,2005,25(1)：200-203.

[17] 杨萍,董路,能昌信,等.单衬层填埋场渗漏检测 EL IM法的正演解析[J].环境科学研究,2005,18(Sl)：77-79.

[18] 潘俊峰,能昌信,张赟,等.便携式渗漏检测装置在填埋场防渗层完整性检测的应用[J].环境科学研究,2008,21(6)：43-47.

[19] 能昌信,管绍朋,董路.填埋场渗漏检测偶极子法的影响因素分析[J].环境科学研究,2008,21(6)：35-39.

[20] 科恩.时频分析 [M].西安：西安交通大学出版社,1998：103-154.

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

国家高技术研究发展计划(863)项目(2007AA061303)作者简介：金 朝 娣 (1984 -),女,安 徽 安 庆 人,skyblue5570@sina.com.

＊责任作者,董路 (1963-),男,山东济南人,副研究员,主要从事固体废物处理处置研究,donglu@139.com

(责任编辑：潘凤云)