孔隙介质渗流过程诱发声发射信号特征研究

吴鑫 朱旭 刘永红 林华李 罗筱毓

摘 要：在不破坏结构情况下，利用声发射（ＡＥ）监测技术探究不同流速下间断级配颗粒介质运动规律，以及孔隙渗流过程声发射信号变化规律。通过渗流过程中由小颗粒介质位移产生的声发射信号和ＰＩＶ 技术相结合进行分析。结果表明：小颗粒介质数量一定时，流速较大的试验组ＡＥ 事件数更多，即振铃计数更大、频谱重心更高；水流量相近时，试验中小颗粒介质含量直接影响ＡＥ 事件数量，即含砂量较大的试验组ＡＥ 事件数更多；含有小颗粒介质情况下，水流量越大小颗粒运动速度越快同时ＡＥ 初始信号强度越大。研究表明：声发射监测技术能较好地反映孔隙渗流中颗粒介质的运动，为孔隙介质渗流过程中的小颗粒搬运监测和堤坝管涌预警提供一定的研究基础。

关键词：孔隙介质；渗流；声发射；间断级配；ＰＩＶ

中图分类号：Ｘ９３６ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．００９

引用格式：吴鑫，朱旭，劉永红，等．孔隙介质渗流过程诱发声发射信号特征研究［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（３）：４７－５１，５７．

０ 引言

堤坝作为防洪减灾工程中重要的组成部分，是防御洪水泛滥、保护人民生命财产安全和工农业生产的重要水利工程。近年来，许多学者利用离心模型［１］ 、物理模型［２］ 、数值模型［３］ 和微摄像技术［４］ 探究堤基防护中的渗流破坏。由于堤基结构复杂且隐患众多，因此堤防安全监测需要一项实时的监控手段。

声发射作为一种重要的无损检测方法，具有灵敏度高、响应及时、全周期实时监测等优点［５］ ，在工程安全监测领域具有广阔的应用前景。颗粒碰撞产生快速释放的局部声源，其产生的瞬态弹性波的现象称之为声发射（ＡＥ），本质上是一种具有不同频率和强度的弹性波［６］ 。目前，声发射广泛应用于各监测领域中，其中在地下工程安全监测［７］ 等领域有着很好的应用前景。２０１２ 年，Ｆｒａｎｚｉｓｋａ 等［８］ 对不同流速下玻璃珠流体前沿位移进行声发射试验，发现ＡＥ 事件数量与水位移相关。之后，众多学者开始在流体夹带颗粒物质方面做进一步声发射研究，Ｗａｎｇ 等［９］ 通过时频分析和细化快速傅里叶变换（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＦＦＴ）识别了各频带的砂土振动声学特性，找到了砂－水两相流中固体颗粒的振动和声信号最佳砂土特征频带；Ｅｌ－Ａｌｅｊ 等［１０］ 利用声发射手段研究水和水－砂在水平管道中的能量，结果表明声发射能量水平受表观气速和液滴体积变化的影响，证明声发射能级同液滴体积和表观气速存在相关性；Ｈｕ 等［１１］ 从ＡＥ 事件的峰值电压推断颗粒大小；明攀等［１２］ 通过分析渗流过程中的渗流量、平均水力坡降与ＡＥ 数据对比，发现管涌过程中的水力参数和ＡＥ 参数具有相同的分布规律，管涌的连续破坏过程中有明显的破坏阶段。

随着科技的发展，图像处理技术有了很大突破，有许多学者将此技术运用到流体运动相关研究中。例如：Ｖａｚｑｕｅｚ 等［１３］ 利用水声传感器和高速摄像机拍摄相结合的试验手段，分析沉积物床中气泡的声学特征并估测出气泡的产生率；Ｓａｒｂａｎｈａ 等［１４］ 对流场中示踪粒子利用ＰＩＶ（粒子图像测速）方法测得粒子的流速场。但上述试验并未考虑利用渗流过程中声发射的特征参数与ＰＩＶ 的图像数据进行关联结合，通过ＡＥ 特征参数反推实际管涌中粒子的运动情况，并且也没有针对性地研究管涌在水流量的变化和含砂状况下的两个特征变量的影响。同时，大尺寸试验装置在运用过程中，ＡＥ 传感器只能接收到传感器附近的信号，并采集了大量反射波［１５］ 。

因此，笔者改用自制的透明薄片状小型试验容器，既减少反射波也便于拍摄；同时通过ＦＦＴ 和频谱分析等方法找到水－砂相互作用的ＡＥ 特征，并结合ＰＩＶ 分析揭示特征向量的内在联系。

１ 试验方法

１．１ 试验装置与材料

试验采用ＤＳ５－１６Ｂ／ Ｃ 型ＡＥ 测试系统（ＵＳＢ ３．０），该系统具有灵敏度高、稳定性好的特点［１６］ 。试验设置采样频率为３ ＭＨｚ，使用频率响应范围为１００～４００ ｋＨｚ的ＲＳ－２Ａ 压电陶瓷传感器和４０ ｄＢ 前置放大器；并采用内径为８ ｍｍ 的胶管，流量监测使用高精度电子数显流量计。

自制透明长方体薄板状亚克力容器填装试验所用间断级配颗粒介质（见图１）。在预试验中选定骨架颗粒介质的尺寸为６ ～ ９ ｍｍ 和小颗粒介质的尺寸为０．３～０．５ ｍｍ 的两种间断级配砂砾组合，骨架颗粒选用纯白色的白玉石（碳酸盐矿物）、小颗粒选用纯黑色的太行砂（石英）。

１．２ 试验方案

为探究多孔介质渗流过程中小颗粒移动诱发的声发射信号模式，使用非入侵式的声发射仪器进行３ 组试验（见表１）：空白组Ａ（即无小颗粒介质，分８ 级流速），作为对照得出小颗粒介质对管涌声发射的影响；含砂组Ｂ（即含有固定质量的小颗粒介质）进行６ 级流速下的试验，探究不同流速对管涌声发射的影响；变速组Ｃ（不重复填砂）进行１２ 级流速试验，判断含砂量对声发射的影响。

１．３ 试验步骤

以自来水为液相流体，通过观察流量计和调节阀门来控制流速。每组试验均为同一组骨架颗粒，具体试验步骤为：１）试验开始前填充好骨架颗粒，确保容器内只有骨架颗粒，并分别进行无小颗粒介质的８ 级流速空白对照试验；２）每次都重新填充２ ｇ 太行砂在容器进水口后，进行６ 级流速含砂试验；３）为探究持续过程，在重新填充好太行砂后，进行一次１２ 级流速阶梯式试验。

２ 数据分析

２．１ 振铃计数

本试验采用薄型容器，可减少反射波影响，但环境噪声同样会干扰试验数据，故采集时利用ＤＳ５－１６Ｂ／ Ｃ声发射仪器进行硬件滤波。因采集的为电压信号，综合对比后，计算门槛值设定为０．００４ ８ ｍＶ。在渗透作用下，大颗粒砂石会因水力、摩擦力、重力等力的作用而形成具有动态稳定的通道性质孔隙的管涌通道。小颗粒与骨架颗粒之间和小颗粒自身的碰撞与摩擦是造成ＡＥ 事件的主要原因。水流速度的提高会缩短渗流过程，由于渗流过程的复杂性和变化性，难免会出现一些不规则的离散异常值，因此含砂量和水流量变化对振铃计数的影响采用统计方法进行分析（见图２）。从图２（ａ）可见，含砂与未含砂相对比，空白组振铃计均值线均最低，且随水流量变化空白组没有太大变化；相同含砂量条件下，水流量越大，振铃计数值也越大。从图２（ｂ）可见，不同含砂量条件下，在小颗粒数量减小时，即使水流量增大，振铃计数值也会随之降低，但始终高于空白组。

为深入探究小颗粒数量和水流量大小对振铃计数的影响，对变速组的１２ 级流速，均取前１０ ｓ 进行振铃分析（见图３）。图３ 中灰色条表示在流速没有稳定之前的水流加速阶段，声发射事件的变化较为紊乱。变速组随着流量的增大和时间推移，其振铃计数单次加速一开始就达最大值，之后接近于空白组但总高于空白组。同理，按变速组的试验方法，进行了分段式递增流量的空白试验，结果与上述８ 级流速空白组的振铃规律基本一致，且其分析后的数值远小于含砂变速组的，参考价值不大，故不做详细分析。

２．２ 频谱演化规律

将收集到的波形信号文件转化为ｔｘｔ 格式文本文件，对采样频率为３ ＭＨｚ 的信号文件，以１ ｓ 进行分割。通过频谱分析得到每１ ｓ 的信号主频率和频谱重心数据后对所有试验组的数据按照流速从小到大进行横向对比。为探究水流量对频谱重心的影响，选取每组第１ 级流速前４５ ｓ 进行分析，如图４ 所示，当含砂量一定时，水流量越大则频谱重心频率越高，但不会低于无砂空白组的；随含砂量的减少，３ 组试验的第１ 级流速频谱重心呈现下降趋势。空白组ＡＥ 主频率和频谱重心变化相对流量变化不明显；含砂组的主频率最大，但随含砂量变小，频谱重心从最大值减小到一个固定范围；变速组的频谱重心在水流稳定时会降低到一个低值。

最后，利用上述方法，求出所有试验流速的ＡＥ 主频率和频谱重心（见表２）。由表２ 可知，空白组的主频和频谱重心的绝对差值变化不大，含砂组的绝对差值随着流量的增大而变小，平均绝对差值空白组为６９．６６ ｋＨｚ、含砂组为５５．５７ ｋＨｚ、变速组为３９．８８ ｋＨｚ。综上所述，在管涌发生过程中，小颗粒介质对ＡＥ主频率和频谱重心产生了较大的影响。

３ ＰＩＶ 分析

管涌通道错综复杂且孔隙率不尽相同，导致同水流量下不同管涌通道中水流速不同。ＰＩＶ 分析见图５。由图５ 看到空白组的大部分区域实际是紧密的骨架颗粒，未发生较大相对位移。在含砂组试验中，骨架颗粒并没有较大幅度移动，并且图５ 中画线箭头覆盖线段，骨架颗粒两侧产生了多股管涌通道且通道中出现了砂子流动的情况，同时，水流流量越大、ＰＩＶ 监测到小颗粒运动速度也越快。由于在不同条件下管涌发生具有随机性，因此各级流速的管涌通道位置不同。

在图５ 基础上提取每幅图中传感器附近的线上距离方向上每个点的位移速度，如图６ 所示。结合前文声发射分析数据可知：相同数量小颗粒在高水流量条件下传感器附近管涌中的颗粒速度最快，且相对应声发射振铃计数值也是最大的；变速组即便在最大流速下，因总体颗粒介质数量相对含砂组为最少，故传感器附近颗粒移动速度值总是低于含砂组的；ＡＥ 传感器位于骨架颗粒缝隙夹角（管涌通道分流处），小颗粒介质在水流的带动下快速旋转，并且随之产生高速小颗粒之间的碰撞和小颗粒与骨架颗粒之间的碰撞；空白组因没有小颗粒介质的加入，故ＰＩＶ 监测到的微小速度场为水流中气泡的夹带运动和震荡。

４ 结论

根据试验结果，可得出以下结论：

１）弹性波振铃计数值與渗流中小颗粒的数量及水流量正相关，即含砂量越大、水流量越大监测到的振铃计数值也越大。

２）随着小颗粒介质的流失，频谱重心变化规律为总体呈下降趋势；总平均绝对差值：空白组＞含砂组＞变速组，即小颗粒介质的加入降低了主频与频谱重心的绝对差值。

３）ＰＩＶ 分析可知，传感器水平方向对应颗粒速度变化与ＡＥ 数据变化方向上吻合，即振铃计数值越大，实际管涌中小颗粒介质移动速度越快，反之则越小。综上，声发射在多孔介质渗流监测中具有广阔的应用前景和潜力；同时，结合ＰＩＶ 分析可以有效监测和研究多孔介质渗流过程中的小颗粒运动情况，为小颗粒运动监测和渗流破坏预警提供了一种新的方法。

参考文献：

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【责任编辑 简 群】