摘要：各种材料声发射信号的频率范围很宽（从数Hz到数MHz），声发射信号幅度的变化范围也很大，有些声发射信号人耳可以听到，而有些声发射信号人耳听不到。许多材料的声发射信号强度很弱，需要借助专门的检测仪器才能检测出来。材料在应力作用下的变形与开裂是结构失效的重要机制。这种直接与变形和断裂机制有关的源，称为声发射源。用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射检测。基于此，本文主要对声发射检测技术在水利水电工程上的应用进行分析探讨。
关键词：声发射检测技术；水利水电工程；应用
1、声发射技术原理及发展概述
声发射（AcousticEmission，简称AE），是指材料或结构受力发生变形或断裂时，以弹性波的形式释放出应变能的一种物理现象。在应力作用下，材料发生变形或断裂，这是材料结构失效的重要机制，这种直接与变形或断裂机制有关的源，称为声发射源。各种材料的声发射频率范围从次声频、声频到超声频，声发射检测技术（AcousticEmissionTesting，简称AET）就是利用仪器监测、记录和分析声发射信号，并利用声发射信号推断声发射源的技术，属于动态无损检测技术。
声发射技术于20世纪70年代初期引入我国，最初是用于压力容器的检验；随后因为技术的可靠性等问题，声发射技术进入了一段低谷；80年代中期劳动部锅炉压力容器检测研究中心从美国引进一些先进的声发射检测设备和信号处理分析系统，并成功地应用在国内一些大型球形储罐和卧罐等压力容器的检测上，从此我国的声发射技术走出了低谷；20世纪90年代至今，声发射技术的研究和应用得到了迅猛发展。
2、声发射检测系统
2.1系统的组成
岩石产生声发射的必要条件是：①局部塑形变形或断裂产生应力降；②快速卸载。声发射信号以波的形式在岩石介质中传播，包括纵波和横波（统称体波）。在岩石表面传播时，还会发生表面波。通过对监测到的信号进行处理，可以获得声发射的表征参数。比如：声发射事件、振铃计数率和总数、振幅和振幅分布、能量和能量分布、有效电压值、频谱和波形等。因此，声发射监测系统主要由如下部分构成：
（1）传感器。用于讲应力波转换为电子信号。
（2）低噪信号放大器。用于将声发射信号放大至可以使用的强度。
（3）信号处理元件。用于声发射波形捕捉和表征参数提取。
（4）微型计算机和以数字信号处理为基础的并行分布式分析装置。
（5）信号分析软件等。
2.2系统的功能要求
岩石材料受力变形产生的向外发射的声波，比平常人耳听得见的声音要广泛得多，既有人耳能听到的频率约为20～20000Hz的声音，也有超声波和次声波。一般来说，所研究的对象越大，岩石声发射的主要频率就越低，如天然地震声发射的频率可以低至0．01Hz，而实验室中岩石样品声发射能量主要集中在几十至几百千赫兹。声发射信号波瞬变随机、重复频率高，前沿时间仅为几十到几百毫微秒。信号波频率范围几十到几百兆，主要分布在次声到超声。故要求声发射监测仪器具有高灵敏度、高响应速度、高增益、宽动态范围、强阻塞恢复能力、频率检测窗口可以选择等功能，并且具有抗干扰能力和排除噪声的能力。
目前，声发射监测仪大致可分为单通道声发射监测仪和多通道声发射源定位及分析系统两种。从发展趋势来看，集多通道、自动化采集信号、计算机分析处理数据、动态显示和打印输出等环节于一体是主要方向。代表性的仪器系统有美国声发射技术公司（PhysicalAcousticsCorporation，简称PAC）生产的DiSP序列和SAMOS序列，加拿大ESG公司的HyperionGIGA序列，日本NF回路株式会社（NFCorporation）生产的NF－AE900系列等。
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2.3系统的基本应用
声发射技术在工程结构安全检测中得到广泛应用。其基本应用是利用结构的声发射事件数随时间的变化判断结构的安全状况，更先进的应用则利用了声发射的定位技术。此外。声发射现象也常用于实验室测定岩体应力，即所谓“凯塞效应”。“凯塞效应”是指曾经受过应力作用的岩石，如果再次加载，当荷载没有超过以前的应力时，岩石几乎没有声发射现象；当荷载超过以前的应力时，声发射现象将明显增加。应用“凯塞效应”，在三维场中可确定岩体中的原始应力。这种方法已在三峡、小浪底等大型水利枢纽工程中得到成功应用，测得的应力值和方向与现场测得的应力值和方向基本一致。
3、声发射技术在三峡工程中的应用
高边坡安全监测是以边坡整体稳定性监测为主，兼顾局部稳定性监测。应监测边坡性态变化的全过程，特别应注重施工期安全监测与运行期安全监测的衔接和连续性。常规的变形、渗流和应力应变等监测项目只能监测到典型断面测点位置的位移、应力等信息，而且早期预警预报能力也不强。
3.1概况
三峡双线五级船闸主体位于坛子岭以北的山体中，整个闸室都在山体中开挖形成，开挖后形成的永久性边坡高度为137m～174．5m，闸室段墙顶以下的直立边坡高50m～70m。为了获取双线五级船闸高边坡施工期和运行期边坡稳定性实时、连续、全面的信息，并能对失稳岩体做到早期预测预报，根据双线五级船闸高边坡的特点，采用声发射技术对船闸高边坡进行监测。
3.2监测成果分析
声发射监测测孔布设在1000多个潜在不稳定块体上，孔距30m左右，孔深依据块体结构情况而定，一般为4m～9m，最深的17m。南北高边坡共设39个监测孔，监测工作从1999年1月开始，2003年12月份结束。对监测数据进行整理分析，得出以下结论：
（1）双线五级船闸直立高边坡声发射总体水平较低且分布较均匀。实测单孔月最大声发射事件数出现在99年2月份南线二闸室直立高边坡某孔，为23168个，其它测孔实测单孔最大月声发射事件数都小于5000个。
（2）从时间分布来看，声发射事件数分布比较均匀，最高频度为2个/分，平均频度仅0．5个/分，属低应力下声发射水平。闸室开挖爆破过程中有少数测孔声发射事件数水平较高，但由于及时的对边坡进行了支护加固，限制了受损岩体裂纹的进一步发展，边坡岩体仍只是处于低应力稳态裂纹初期阶段。
（3）从空间分布来看，在闸室开挖期间闸首、闸尾部位相对闸室中部部位的声发射事件数要高些，这是由于闸首、闸尾部位边坡形状较为复杂，在爆破开挖过程中其边坡岩体受力较复杂，因此裂纹相对较多。在闸室开挖结束后，闸首、闸尾部位的声发射水平与其它部位一样，有明显降低。
3.3结论
声发射监测技术在三峡双线五级船闸高边坡岩体上的应用，成功做到了：①对高边坡的实时整体全面监测；②对施工期岩体失稳进行预报；③对岩体支护效果进行评价。总之，此次声发射技术的应用效果较好，达到了预期效果，是水电工程安全监测方面的一次突破，为以后声发射技术在水电工程安全监测方面的开展应用有很好的借鉴作用。
4、结束语
水电工程的安全监测工作关系到大坝自身及下游城市、基础设施以及人民的生命和财产安全，意义非常重大。近几年，我国的水电工程安全监测自动化技术已取得长足进步，但常规的监测技术仍然存在一些漏洞，这就需要监测系统的设计、施工、科研人员共同努力，在把声发射等新技术引入水电工程安全监测领域的同时，使监测系统具有更好的稳定性、适应性和兼容性。
参考文献：
[1]云南龙江水电站枢纽工程第一次阶段性蓄水安全鉴定报告[R].南京：南京水利科学研究院，2009.
[2]云南龙江水电站枢纽工程第二次阶段性蓄水安全鉴定报告[R].南京：南京水利科学研究院，2010.
论文作者:李彦鹏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/7
标签：应力论文; 信号论文; 技术论文; 船闸论文; 岩石论文; 频率论文; 材料论文; 《基层建设》2019年第15期论文;