基于声发射层析成像的堤防管涌通道追踪和定位关键技术研究

Research on Seepage deformation of embankment engineering in China has been one of the key subjects in its studies, while tracking and locating of piping channel are the main scientific problems. Detecting instruments for hidden trouble in embankment leakage, which are used coming from geophysical prospecting instruments of geological exploration, can’t absolutely satisfy the demand of hidden trouble detecting, and especially can't accurately track and locate the piping channel. The purpose of this project is to develop a new type of monitoring technology for embankment leakage, meanwhile, the relationship between its mechanics mechanism and characteristic parameters of acoustic emission could be obtained. In this study, sensor parameters of the multichannel acoustic emissions are analyzed by data fusion, and 3D locating graph of piping channel in the embankment is also built by wave velocity changing. Algorithms of source localization on acoustic emission and algorithms of tomographic imaging are determined based on simulation experiments of acoustic emission in embankment leakage monitoring. Tomographic imaging technology of acoustic emission is detected for tracking and locating of embankment piping channel, and this study provides a theoretical foundation for the development and application of visual monitoring technology in embankment leakage. Furthermore, Results of the project also provide a new way of analysis methods for internal defects of hydraulic concrete structure and deformation monitoring on high slope of reservoir dam.

我国堤防工程的渗透变形研究一直是堤防研究的重点课题，而管涌通道的追踪与定位是其中最主要科学问题。目前堤防渗漏隐患探测仪器，大多借用地质勘探用的物探仪器，不能完全满足堤防隐患探测需要，尤其不能准确地追踪和定位管涌通道。本项目研究目的是开发一种新型堤防渗漏监测技术，研究堤防渗漏的力学机理与渗流声发射特征参量的关系，对多通道声发射传感器参数进行数据融合分析，通过波速变化重构堤防内部集中管涌通道的三维定位图；基于声发射监测堤防渗漏仿真实验，优化声发射源定位算法，建立渗漏层析成像算法，提出堤防管涌通道追踪和定位的声发射层析成像技术，为堤防渗漏可视化监测技术的开发与应用奠定理论基础。项目的研究结果也为水工混凝土结构内部缺陷、水库大坝高边坡变形监测等研究提供一种新的思路与分析方法。

洪水灾害是世界上最严重的自然灾害之一，我国是水灾频发且影响范围较广的国家，每年都会因为水灾造成大量的财产损失和人员伤亡，因此自古以来人民就修建了堤防工程进行防洪抗汛。目前，我国堤防线长且地质复杂，在长期防御洪水的过程中，由于环境因素的作用，出现了各种各样的隐患，其中以渗漏管涌破坏为主。为保证堤防工程安全运行，对堤防的管涌破坏规律进行研究和管涌过程的安全监测变得尤为重要，因此本文结合声发射技术（AE），开展了发展型管涌的室内试验，主要研究了以下内容：..1、基于变水头作用下的管涌破坏试验，通过设定不同的AE通道组设置参数，得到了不同前放增益对应的最佳门槛值，以及采样长度、采样频率等参数。通过波形流采集的方法，对AE的定时参数：峰值鉴别时间(PDT)、撞击鉴别时间(HDT)和撞击闭锁时间(HLT)进行相关的设定。最后建立一套适合堤基管涌破坏过程声发射采集的基本设置参数。 .2、开展了不同来水流量下的室内变水头砂槽模型试验，研究了不同来水流量下堤基管涌过程中的渗流特性，发现不同的来水流量，江河水位的上升速率不一样，导致堤基管涌破坏危害程度也不一样。由管涌破坏过程水力参数在时域的变化特性，将管涌连续破坏的过程分为了4个阶段。基于井流理论，推导出了水平渗透坡降、渗透系数和渗漏层深度的表达式。..3、基于采集得到的AE信号，与管涌过程中的水力参数对比分析，发现根据AE特性参数的变化可以对管涌的发生和发展进行识别。对AE信号的波形进行小波包能量谱的分析，发现管涌过程中AE信号频带主要集中在[0,20kHz]和[20 kHz,40kHz]，由AE波形频带能量谱时域的转折点，AE信号特性分形维数值和AE波形维数值，建立了多种准则对管涌的发生和发展进行判别，根据特定的分形维数值可以实现对管涌发生和发展的预警。.4、提出了AE波形时窗选取方法，建立了Lipschitz-AIC判别准则，和中值高通滤波方法，给出了可靠地自动的AE初至时刻拾取流程，得到了一套更准确的AE定位方法。