CN112129840A - 水工热-水-力-化耦合动态演化声发射监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水工热‑水‑力‑化耦合动态演化声发射监测系统及方法，该系统包括试验环境馈控组件与声发射监测组件，环境馈控组件包括温控模块、应力控制模块、渗压控制模块、离子浓度控制模块，声发射监测组件包括声发射传感模块、声发射采集模块和声发射分析模块。本发明结合高通量试验技术、声发射监测技术、模块化技术提出了一种声发射实时监测的高通量多场广义耦合试验系统，该系统可同时对多批次试件开展多种试验工况组合下的长周期多场广义耦合试验并获取试验过程中试件的宏细观演化数据，本发明克服了现有技术运行时间短、试验通量小、试验数据量少等不足。

Description

水工热-水-力-化耦合动态演化声发射监测系统及方法

技术领域

本发明涉及水工程结构及材料性能的监测，具体涉及一种水工热-水-力-化耦合动态演化声发射监测系统及方法。

背景技术

水利工程服役于温度场、应力场、化学场、渗流场等多场耦合的复杂环境中，多会同时遭受温度应力、渗透溶蚀、碱骨料反应等一系列复杂问题。而这些问题会极大影响水利工程服役性能及安全，因此对水利工程结构及材料开展多场广义耦合下的试验研究具有重要的科学研究意义与工程应用价值。

混凝土的温度应力成因是大体积现浇混凝土产生的水化热导致混凝土结构内外产生较大温差进而产生附加应力，当附加应力超过混凝土材料强度后混凝土结构会产生裂缝、变形等一系列问题，进而影响水利工程的施工及运行，如青铜峡水库因对温度应力认识不够使工期延误数年；梅山连拱坝右岸跺基因温度应力产生大量裂缝，被迫放空水库进行加固。

渗透溶蚀破坏是混凝土的溶蚀破坏与渗透破坏耦合作用的一种破坏过程，该耦合破坏过程是严重影响混凝土坝服役性能的主要病害之一，混凝土的溶蚀是因混凝土长期和软水接触使得混凝土中石灰被逐渐溶解并带走，导致水泥水化产物分解、混凝土孔隙率增加、强度降低等的一种化学破坏现象；渗透破坏是由于水流通过大坝的裂缝、孔洞、材料分界面等流向低水头区域造成流变、流土、水力劈裂等的一种物理破坏现象。渗透压力是影响渗透破坏的主要因素之一，随着渗透压力的升高，一方面会加快渗透破坏；另一方面，因混凝土溶解产物的加速流失，溶蚀破坏的进程会相应加快，而溶蚀破坏也会通过弱化渗径上材料性能使渗透破坏的进程加快，范围扩大。

碱骨料反应(ASR)号称混凝土的“癌症”，一旦存在就只可减缓不可消除，它是一种由于混凝土孔隙液中的碱性物质与骨料中的活性成分发生膨胀性的化学反应，从而导致混凝土开裂、破坏的化学破坏现象。其与溶蚀破坏的主要区别在于碱骨料反应破坏多从混凝土内部产生并向表面发展，且在碱骨料反应后期趋于稳定，而相应溶蚀破坏进程任呈上升趋势。目前世界范围内发现碱骨料反应破坏的工程实例多来自于美国、瑞典、日本的混凝土坝中，而近些年来我国西南地区的混凝土坝也发现了碱骨料反应的存在，因此开展碱骨料反应对水工混凝土结构和材料影响的研究具有一定的紧迫性与重要性。碱骨料反应(ASR)发生的主要条件包括：(1)足够的湿度，(2)适宜的温度，(3)含活性成分的碱骨料，而水工建筑物的服役环境很好的满足了以上三个条件，以混凝土坝为例，首先大坝作为挡水建筑物服役环境为反应提供了充足的水；其次混凝土坝属于大体积混凝土结构，其内部既存在水化热也存在对外界环境反馈的滞后性，因而为反应提供了适宜的温度场；最后由于大型水利工程骨料产地遵循就近原则，其骨料质量和数量无法完全兼顾，从而使工程中使用到活性碱骨料的概率大大增加。

目前就上述水利工程服役问题的试验研究多以对其中一个问题单独研究为主，对多个问题同时开展即开展多场广义耦合下的试验研究较少，主要原因在于(1)上述问题属于耐久性问题，试验周期需要数十天至数白天，现有试验设备多采用液压站提供压力源，而液压站发热量过大不适宜长时间连续运行；(2)碱骨料反应破坏试验与渗透溶蚀破坏试验的试件数量较大，一次可达数十至数百个，而现有试验设备一次试验仅能容纳1～2个试件，无法同时对多样本开展试验即开展高通量的多场广义耦合试验；(3)由于装置气密性的要求，现有试验设备在试验过程中获取试件细观演化活动等的数据较为困难，且相关数据为有限的宏观性能数据，试件细观演化数据尚无法获取；(4)广义多场耦合试验是多个物理场及化学场联合进行试验的过程，现有试验设备在试验空间内一次可进行一种试验工况组合的试验，无法满足同一试验空间内同时对多批次试件进行多种试验工况组合的并行试验要求。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种水工热-水-力-化耦合动态演化声发射监测系统及监控方法，解决不能满足多种试验条件的水工材料的声发射监测，不能对多试件进行监测的问题。

技术方案：本发明所述的水工热-水-力-化耦合动态演化声发射监测系统，包括养护容器、集流箱和数据采集控制装置，所述养护容器底部设置有若干渗流孔，所述养护容器内侧壁不同高程处设置有限位箍筋，所述限位箍筋上设置有若干试件固定装置，所述试件固定装置内可拆卸安装试件，所述试件上设置有与所述数据采集控制装置电连接的声发射一体化传感器，所述限位箍筋分割的不同养护容器区间内均设置有与所述数据采集控制装置电连接的水压力传感器、离子浓度传感器和温度控制器，所述养护容器上部设置有加压装置，所述集流箱对应设置在所述养护容器下方，所述集流箱通过管道与养护容器和加压装置连通，所述集流箱顶部设置有集水漏斗，所述集水漏斗的出水口设置有流量计，所述集流箱内设置有与数据采集控制装置电连接的调节液电控储存盒和离子浓度传感器。

其中，所述试件固定装置包括试件座，所述渗流孔设置在试件座底部，所述试件座内设置有密封件。

所述水压力传感器、离子浓度传感器和温度控制器均通过可调节支托固定在所述养护容器内壁，所述可调节支托包括调节机构和支托，所述调节机构固定在养护容器侧壁，所述调节机构上开设有若干限位孔，所述支托通过螺栓固定在调节机构的限位孔里。

所述的养护容器上部设置有水位传感器，所述水位传感器与数据采集控制装置电连接。

所述加压装置包括上压板、下压板和加压气囊，所述加压气囊设置在所述上压板和下压板之间，所述上压板上方设置有约束装置，所述约束装置包括交叉的主钢管和副钢管，所述主钢管和副钢管通过限位孔固定在养护容器侧壁。

所述加压气囊和养护容器均通过管道与集流箱连通，所述加压气囊、养护容器和集流箱之间的管道上设置有加压水泵和电控阀门。

所述加压气囊为橡胶材质，所述加压水泵为离心泵。

本发明所述的工热-水-力-化耦合动态演化声发射监测系统的监控方法，包括以下步骤：

(1)数据采集控制装置通过温控装置中的温度传感器接收养护容器的温度数据，比较温度数据与第一设定温度的温度差值，根据温度差值，通过数据采集控制装置调节温控装置中的加热装置的加热，直至温度差值小于预设的温度差值；

(2)数据采集控制装置通过养护容器内离子浓度传感器接收养护容器内水体离子浓度数据，通过集流箱内离子浓度传感器接收集流箱内水体的离子浓度数据，比较养护容器水体离子浓度数据与设定离子浓度的离子浓度差值，数据采集控制装置根据离子浓度差值控制调节液电控储存盒动作，进而调节集流箱水体的离子浓度，直至养护容器水体离子浓度差值小于预设离子浓度差值；

(3)数据采集控制系统通过水位传感器接收养护容器的水位数据，比较水位数据与设定水位的水位差值，通过数据采集控制装置根据水位差值控制电控阀门动作，使集流箱和加压水泵向养护容器注水以调节水位，直至水位差值小于预设水位差值；

(4)数据采集控制装置通过水压力传感器接收养护容器底部的压力数据，比较压力数据与设定压力的压力差值，数据采集装置根据压力差值控制向加压气囊注水，进而控制加压气囊内压，直至压力差值小于预设压力差值；

(5)数据采集控制装置通过流量计接收养护试件的总渗流量数据，根据养护试件数量及渗流孔面积计算单个试件的渗流量，进而得到水工材料的渗透率；

(6)在步骤(1)-(5)的条件下，声发射传感器捕获试件内部声发射活动，并将声发射活动的声信号转换为电信号传输至数据采集控制装置的声发射数据采集模块进行存储，声发射处理模块提取存储的声发射数据进行处理，对声发射活动进行评估，分析其平静状态、稳定上升状态、快速增长状态的状态变化。

有益效果：本发明以有压水浴环境作为耦合载体，可在同一试验系统中同时对样本开展多种试验组合下的多场广义耦合试验，通过应力控制模块、温控模块、浸润线控制模块、离子浓度控制模块的调节，可实现水流循环下温度场、应力场、渗流场、化学场的独立自动精细控制，进而可实现多种试验组合下的多场广义耦合，且调节过程中不会对试件产生直接影响，通过加压气囊对养护容器进行加压及密封，可实现结构简单、操作方便、成本可控的要求，通过流量计与声发射监测装置，可实现对试验材料在不同温度、不同水压、不同渗压、不同化学反应破坏下的定量研究，宏观尺度上通过渗流量获取渗透系数与时间、碱溶出与时间等变化关系，细观尺度上，通过声发射监测组件监测试验材料内部发生断裂时的声发射活动，可实现材料内部空间定位、高空间分辨率、高探测精度的感知，对于开展水工程结构及材料在复杂服役环境下宏细观性能演化规律研究具有工程应用意义与科学研究价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中A-A截面俯视图；

图3为固定装置俯视图；

图4为加压气囊完全展开示意图；

图5为支托俯视结构示意图；

图6为支托侧视结构示意图；

图7为本发明运行控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1-6所示，本发明公开的水工热-水-力-化耦合动态演化声发射监测系统，包括试验环境馈控组件和声发射监测组件，试验环境馈控组件包括应力控制模块、温度控制模块、渗压控制模块和离子浓度控制模块，声发射监测模块包括：声发射传感模块、声发射采集模块、声发射分析模块，声发射传感模块为由前端放大器与声发射传感器一体化封装的声发射一体化防水传感器，声发射采集模块由多通道声发射数据采集卡与声发射数据存储卡组成，声发射分析模块由64位处理器与数据分析软件组成，声发射采集模块和声发射分析模块集成在数据采集控制装置内。

系统包括养护容器16、集流箱31和数据采集控制装置，养护容器16为下小上大的微锥形容器，内部构成用以容纳试样的空间，养护容器底部设置有若干渗流孔21，渗流孔21为小于养护试件径向内切圆的孔洞，均匀随机布设于养护容器底部，数量根据试验通量确定，养护容器16内侧壁不同高程处设置有限位箍筋6，限位箍筋6为固定于养护容器内壁的环形结构，限位箍筋6上设置有若干试件固定装置15，试件固定装置15内可拆卸安装试件4，试件固定装置15包括试件座，渗流孔21设置在试件座底部，试件座内设置有密封件，试件上设置有与数据采集控制装置电连接的声发射一体化传感器14，限位箍筋6分割的不同养护容器16区间内均设置有与数据采集控制装置电连接的水压力传感器10、离子浓度传感器11和温度控制器13，水压力传感器10、离子浓度传感器11和温度控制器13均通过可调节支托12固定在养护容器16内壁，可调节支托12包括调节机构和支托，支托用以支撑温控装置13、水压力传感器10、水位传感器9、离子浓度传感器11，支托部分为桶形结构，支托侧壁高度不超过所支撑传感器尺寸，侧壁上设有一限位孔1，调节机构为固定于养护容器侧壁的凹轨，凹轨侧壁沿轴向开有多个限位孔1，支托可通过限位螺栓固定于轨道不同限位孔处，养护容器上部设置有水位传感器9，水位传感器9与数据采集控制装置电连接，养护容器上部设置有加压装置，加压装置包括上压板38、下压板和加压气囊2，加压气囊2设置在上压板和下压板之间，上压板上方设置有约束装置33，约束装置33包括交叉的主钢管和副钢管，主钢管和副钢管通过限位孔1固定在养护容器侧壁，集流箱31对应设置在养护容器16下方，集流箱31通过管道与养护容器16和加压装置连通，加压气囊2、养护容器16和集流箱31之间的管道上设置有加压水泵23和电控阀门18，加压气囊2为橡胶材质，完全展开状态下形状与养护容器16形状相似，径向尺寸略大于养护容器径向大小，轴向尺寸根据试验加载与气囊最大内压选定，不大于养护容器轴向尺寸，加压水泵23为离心泵，扬程大于试验系统应力加载要求，加压气囊2和养护容器16与加压水泵23连接的有压管道进水口固接于给集水箱底部，且在有压进水管20上设有电控阀门，集流箱顶部设置有集水漏斗27，集水漏斗27的出水口设置有流量计28，集流箱31内设置有与数据采集控制装置电连接的调节液电控储存盒30和离子浓度传感器11。

使用本发明时，用抗拉强度为3.5MPa的镀锌钢板制作底部直径为35cm，顶部直径为40cm，高为180cm的微锥形钢桶，钢桶底部开有如图3所示卡槽与渗流孔，卡槽内径为25mm，渗流孔直径为12mm，钢桶侧壁不同高程处设有与钢桶侧壁紧密连接的限位箍筋6，以限位箍筋6将容器内部空间进行分层，每层容器空间安装有温控装置13、水压力传感器10、离子浓度传感器11、声发射一体化传感器14，且在最上层容器空间安装有水位传感器9，连接上述仪器的导线均穿过固定于养护容器16侧壁的铠装束线管3穿出容器，加压气囊2完全展开后为直径50cm，高120cm圆柱体，最大内压可达0.6MPa。加压水泵为扬程15m的离心泵，声发射数据采集处理装置为美国Physics Acoustic公司SENSOR HIGHWAY III设备，声发射传感器选用美国Physics Acoustic公司RT15-L一体化防水传感器，调节液电控储存盒储存有碱浓度为5％的氧化钠溶液，养护试件为25×25×285mm砂浆棒；

按照ASTM-C1260标准要求制作25×25×285mm砂浆棒试件，脱模后选取完好、无损的棱柱体作为试验用试件；在试件固定装置15内部充填不透水胶凝材料，然后从容器上部将试件放入试件固定装置内，并施加适当轴向压力确保试件底部与试件固定装置完全接触，然后将从固定卡槽四周溢出的胶凝材料擦拭干净，将声发射一体化传感器14通过环氧树脂贴附于试件顶部，通过试件固定装置的吊环将上述试验模块吊装于对应限位箍筋处，从传感器输出端引出导线，穿过铠装束线管后与声发射采集分析一体机输入端电性连接，并对试件进行断铅试验以确认声发射仪器工作正常；

吊装好后，将水压力传感器10、离子浓度传感器11、温控装置13固定于以限位箍分层所对应的容器空间侧壁，从上述仪器的输出端引出导线，穿过铠装束线管后外部设备电性连接，并检查上述仪器设备工作正常；

按照上述装配顺序，遵循从下至上的原则，在养护容器内逐层对仪器和试件进行装配。其中在最上层设备安装中附加安装水位传感器9。

如图7示，本装置运行进行监测时，开启流量计28接收渗流量数据，并开启调节液电控储存盒30释放碱浓度为5％的氧化钠溶液至集流箱31水体中使水体ph至11，然后开启电控阀门并通过数据采集控制装置25控制加压水泵23运转将集流箱31内水体经注水孔缓慢注入容器内，接收离子浓度传感器11数据，容器内外水体容许ph差值为±1，数据采集控制装置25根据ph差值即时调节调节液电控储存盒30中氧化钠溶液的释放，直至养护容器16内水体ph在定ph设定波动范围。，注水过程中，观察水压力传感器10数据是否正常变化，然后数据采集控制装置25接收到水位传感器9水位数据为80cm时，停止注水并关闭电控阀门；

开启温控装置13调节容器内水浴温度至23±2℃，确认各项仪器设备正常工作后，将加压气囊2放入容器中并安装好上部的轴向约束装置，打开电控阀门并通过加压水泵23将给水箱38内水体缓慢注入加压气囊2内直至水压力传感器10读数至0.2±0.02MPa停止注水并关闭电控阀门；

开启声发射监测组件连续试件记录声发射活动；

当数据采集控制装置25接收到水位传感器9水位为50±5cm时，自动控制重复进行上述注水过程，离子浓度调节、温度控制、加载过程可根据接收到的数据与水位控制过程并行运转；

试验周期为365天，数据采集控制装置25自动控制养护容器16内环境为设定水位、设定水压、设定温度、设定ph，声发射监测组件连续被动监测试件内部声发射活动，流量计连续监测总渗流量。

Claims (8)

1.一种水工热-水-力-化耦合动态演化声发射监测系统，其特征在于，包括养护容器(16)、集流箱(31)和数据采集控制装置(25)，所述养护容器(16)底部设置有若干渗流孔(21)，所述养护容器内侧壁不同高程处设置有限位箍筋(6)，所述限位箍筋(6)上设置有若干试件固定装置(15)，所述试件固定装置(15)内可拆卸安装试件(4)，所述试件上设置有与所述数据采集控制装置电连接的声发射一体化传感器(14)，所述限位箍筋(6)分割的不同养护容器区间内均设置有与所述数据采集控制装置电连接的水压力传感器(10)、离子浓度传感器(11)和温度控制器(13)，所述养护容器上部设置有加压装置(2)，所述集流箱(31)对应设置在所述养护容器(16)下方，所述集流箱(31)通过管道与养护容器和加压装置连通，所述集流箱(31)顶部设置有集水漏斗(27)，所述集水漏斗(27)的出水口设置有流量计(28)，所述集流箱(31)内设置有与数据采集控制装置电连接的调节液电控储存盒(30)和离子浓度传感器。

2.根据权利要求1所述的水工热-水-力-化耦合动态演化声发射监测系统，其特征在于，所述试件固定装置包括试件座，所述渗流孔(21)设置在试件座底部，所述试件座内设置有密封件。

3.根据权利要求1所述的水工热-水-力-化耦合动态演化声发射监测系统，其特征在于，所述水压力传感器(10)、离子浓度传感器(11)和温度控制器(13)均通过可调节支托(12)固定在所述养护容器(16)内壁，所述可调节支托(12)包括调节机构和支托，所述调节机构固定在养护容器侧壁，所述调节机构上开设有若干限位孔，所述支托通过螺栓固定在调节机构的限位孔里。

4.根据权利要求1所述的水工热-水-力-化耦合动态演化声发射监测系统，其特征在于，所述养护容器(16)上部设置有水位传感器(9)，所述水位传感器(9)与数据采集控制装置电连接。

5.根据权利要求1所述的水工热-水-力-化耦合动态演化声发射监测系统，其特征在于，所述加压装置包括上压板(38)、下压板和加压气囊(2)，所述加压气囊(2)设置在所述上压板和下压板之间，所述上压板上方设置有约束装置(33)，所述约束装置(33)包括交叉的主钢管和副钢管，所述主钢管和副钢管通过限位孔(1)固定在养护容器侧壁。

6.根据权利要求5所述的水工热-水-力-化耦合动态演化声发射监测系统，其特征在于，所述加压气囊(2)和养护容器(16)均通过管道与集流箱(31)连通，所述加压气囊(2)、养护容器(16)和集流箱(31)之间的管道上设置有加压水泵(23)和电控阀门(18)。

7.根据权利要求6所述的水工热-水-力-化耦合动态演化声发射监测系统，其特征在于，所述加压气囊(2)为橡胶材质，所述加压水泵(23)为离心泵。

8.根据权利要求1-8任一项所述的水工热-水-力-化耦合动态演化声发射监测系统的监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)数据采集控制装置通过温控装置(13)中的温度传感器接收养护容器(16)的温度数据，比较温度数据与第一设定温度的温度差值，根据温度差值，通过数据采集控制装置调节温控装置(13)中的加热装置的加热，直至温度差值小于预设的温度差值；

(2)数据采集控制装置通过养护容器内离子浓度传感器(11)接收养护容器(16)内水体离子浓度数据，通过集流箱(31)内离子浓度传感器接收集流箱(31)内水体的离子浓度数据，比较养护容器水体离子浓度数据与设定离子浓度的离子浓度差值，数据采集控制装置根据离子浓度差值控制调节液电控储存盒(30)动作，进而调节集流箱(31)水体的离子浓度，直至养护容器(16)水体离子浓度差值小于预设离子浓度差值；

(3)数据采集控制系统通过水位传感器(9)接收养护容器(16)的水位数据，比较水位数据与设定水位的水位差值，通过数据采集控制装置根据水位差值控制电控阀门(36)动作，使集流箱(31)和加压水泵(23)向养护容器(16)注水以调节水位，直至水位差值小于预设水位差值；

(4)数据采集控制装置通过水压力传感器(10)接收养护容器(16)底部的压力数据，比较压力数据与设定压力的压力差值，数据采集装置根据压力差值控制向加压气囊(2)注水，进而控制加压气囊(2)内压，直至压力差值小于预设压力差值；

(5)数据采集控制装置通过流量计(28)接收养护试件的总渗流量数据，根据养护试件数量及渗流孔面积计算单个试件的渗流量，进而得到水工材料的渗透率；

(6)在步骤(1)-(5)的条件下，声发射传感器捕获试件内部声发射活动，并将声发射活动的声信号转换为电信号传输至数据采集控制装置的声发射数据采集模块进行存储，声发射处理模块提取存储的声发射数据进行处理，对声发射活动进行评估，分析其平静状态、稳定上升状态、快速增长状态的状态变化。

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