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大坝溃坝及坡面侵蚀试验振动与声信号特征分析

2025-03-04 40 上传者：管理员

摘要：大坝溃坝时能量释放伴随着明显的振动和声信号。为深入研究溃坝过程中的信号特征，建立坝坡模型，模拟记录仿真大坝破坏试验中的振动与声学信号。结果表明，声信号在描述和反应破坏事件方面要早于振动信号，两种信号所包含的信息具有一致性，振动信号可表达洪水信息。研究结果有助于在早期识别洪水溃坝的信号，减少灾害损失。

关键词：
土坝洪水破坏
声信号
大坝溃坝
实体实验
振动信号
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强降雨经常引起山洪灾害｡Costa和Schuster[1]确定降雨､融雪和振动是造成土坝洪水破坏的主要原因｡Hanson等人[2]通过7次大规模溢顶破坏试验,得到黏性土坝的四阶段裂口侵蚀过程｡分别是:图1“大坝-边坡”联合模型剖面示意图①漫顶和顶切发育初始阶段;②顶切从河堤下游向上游波峰迁移阶段;③波峰下降阶段;④缺口加宽阶段｡大坝的侵蚀过程中,溢流水会从大坝下游坝顶向下冲,向上游坝顶前进,反复循环,导致上游坝顶逐渐形成溃坝口｡溢流达到峰值流量时,溃口尺寸逐渐稳定｡土坝决口时,大量的洪水被释放出来,由于反应时间相对较短,下游居民应对仓促[3]｡因此,了解溃坝侵蚀过程及预兆特征十分必要｡

1、实验过程

1.1“大坝-边坡”联合模型实验

测试河床的坡度约为6°,在干涸河床上建立大坝模型,大坝顶部中心保留约0.5m深的缺口,便于溢流和降水后水流通过缺口｡大坝模型下游40m处建立了1个边坡模型,用于模拟边坡冲击,如图1所示｡

本研究使用731A和793型加速度计监测试验过程中的振动信号;使用MI-17型麦克风,记录测试过程中洪水产生的声信号｡加速度计A1(型号731A),位于大坝顶部缺口右侧4m处,用于监测溃坝时的振动信号｡麦克风M1､M2､M3､M4分别位于大坝模型下游10､50､90､110m处,用于记录溃坝和洪水产生的声信号｡加速度计B1､B2､B3､B4(型号793)分别位于大坝模型下游50､70､90､110m的河岸上,用于监测洪水通过时地面产生的振动｡加速度计C1(型号731A),位于斜坡模型上,用于监测洪水和滑坡对边坡模型造成的振动｡

图1“大坝-边坡”联合模型剖面示意图

此外,试验期间,2架大疆Phantom4ProV2.0无人机(UAVs)在边坡模型上空飞行,连续捕捉坡体模型趾部侵蚀引起的滑坡过程坡面形变,生成高程模型,计算6个滑坡的体积｡

1.2基于HHT变换的振动信号处理

Hilbert-Huang变换(HHT)[4]非常适用于分析试验中监测到的声和振动信号｡HHT由经验模态分解(EMD)和希尔伯特变换两部分组成:通过EMD将信号分解为多个本征模态函数(IMFs)和一个残差分量｡再通过希尔伯特变换(Hilberttransform,HT)得到瞬时频率和时频频谱,揭示谱幅值(即瞬时能量)､瞬时频率和时间之间的关系｡还可以分析每个IMF的固有性质(即是否与对应物理现象相关),确定每个IMF的频率范围和能量百分比｡本文使用Spyder结合Scipy库进行HHT分析｡

2、结果与分析

首先采集环境背景信号5min(0~300s),在第300s开闸放水,在坝体模型上游缓慢蓄积｡在T1=1356s左右坝顶水溢出,溢流开始｡由于冲垮速度快,溢流水逐渐向下切割大坝模型,T2=1476s时洪水冲垮水坝,迅速向下游发展,因此,将时间T2定义为溃坝开始时间｡

溃坝时A1记录的信号如图2所示｡总时间到达1360s左右,由于大坝的振动,A1开始采集到振动信号,导致时频谱上的能量逐渐增强｡振动能量在1476s左右达到最大值(对应图2中201.5s时刻)｡虽然在下切过程中,坝体材料发生多次局部坍塌和滑动事件,由于试验人员对坝体产生了严重的振动/干扰,信号和频谱上难以识别｡

溃坝过程中M1记录的原始声信号､声分贝曲线和声时频谱如图3所示｡声信号主要是由水流声和土壤颗粒运动引起的,由于仪器采集频率设置过小,在时序后期时声信号呈现失真状态(图3b)｡如图3b所示,当大坝模型在T1=1356s倾覆时(对应图3的201.5s时刻),M1(位于大坝模型10m处)记录声信号｡T2=1476s溃坝泄洪时(图3中351.5s时刻),声分贝进一步增大(图3c)｡

图2A1记录振动波形(a)与频谱(b)

对所有采集得到的振动波形与声信号文件进行时间对齐,对A1信号的频率和能量百分比进行分析,并与图3频谱中的能量迹线进行对比,选择能量相对较高的50Hz频率提取,绘制频谱幅度曲线,如图4所示｡同样,对于河岸M1的声信号,提取240Hz相对高能频率的频谱截面,绘制在同一张图中｡大坝被严重侵蚀后,上游蓄水水位迅速下降(T2=1476s)｡从A1的频谱截面来看,A1接收到T1(1356s)发生过顶引起的振动信号时,频谱震级逐渐增大,M1接收到过顶水产生的声信号时,频谱震级曲线(240Hz)也逐渐增大｡由图4可知,由于溃坝引起的涌水,T2后M1声信号的频谱幅值(240Hz)为1｡相比之下,浪涌水没有增加A1的频谱幅度(50Hz)｡随着水位的降低,A1的谱值逐渐减小｡在T3=1524s左右,洪水体积接近峰值,对应M1声信号的最大谱幅值｡尽管如此,A1测量的大坝振动能量趋于稳定｡

图3M1记录声音波形(a)､分贝曲线(b)与声时频谱(c)

图4频谱幅度曲线与水位对照

距离大坝模型约50m的同一位置,比较河岸上的B1和M2信号｡当大坝模型在T1(1356s)漫顶时,由于初始漫顶时流量较小,B1未接收到洪水产生的振动信号｡B1在1495s左右开始接收到洪水产生的振动信号,能量不断增强｡大坝模型在T1(1356s)被淹没时,尽管M2位于距离大坝模型50m处,但M2立即接收到声信号｡在T1(1356s)后,声分贝能量逐渐增加｡B1和M2振动能量相对较高,分别为110Hz和190Hz,2条曲线的变化趋势相似,都与水位的上升趋势相匹配[5]｡

此外,通过对不同振动､声信号传感器的声波达峰时刻差进行差分计算,能够得到洪峰抵达最近点时的瞬时速度｡通过对河岸不同位置振动信号的监测和频谱震级分析,估算出洪水速度分别为5.71､5.06m/s｡二者差值为可接受范围,均可作为评估洪水速度的代理信息｡

3、结论

(1)采用加速度计和麦克风收集的振动和声学信号,能准确识别溃坝事件的发生时间和特征｡T1(1356s)时大坝溢出,T2(1476s)时洪水冲垮大坝｡洪水水位与振动信号的谱震级曲线相对应,可作为洪水水位的代理曲线｡

(2)Hilbert-Huang变换(HHT)分析显示,声信号在破坏事件中反应更早且能量增大显著｡在T2(1476s)时,M1声信号频谱幅值在240Hz处达到最大值,A1振动信号在50Hz处未显著增加｡

(3)分析河岸不同位置振动信号的监测和频谱震级,估算出洪水速度分别为5.71､5.06m/s,差异在可接受范围内,可用于洪水速度评估｡

(4)由于实验中模拟的洪水信息与实际情况存在偏差,因此,研究结论应经过研究,提高预报的精确度｡

参考文献:

[3]石振明,周明俊,彭铭,等.崩滑型堰塞坝漫顶溃决机制及溃坝洪水研究进展[J].岩石力学与工程学报,2021,40(11):2173-2188.

[4]王超,沈斐敏.一维HHT变换在探地雷达数据处理中的应用[J].工程地质学报,2015,23(2):328-334.

[5]沈昊,王铁力,吴东伟,等.基于SVM的水闸安全综合评价模型及其应用[J].水利技术监督,2023(9):258-262.

文章来源:刘士政.大坝溃坝及坡面侵蚀试验振动与声信号特征分析[J].水利技术监督,2025,(03):154-155+239.