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水 利 学 报

２０２３年 ５月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ５期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０５ － ０５８７ － １２

基于原型试验的输水工程 ＰＣＣＰ断丝信号智能识别与分析方法

张 野，袁思敏，李炎隆，温立峰，司 政，孙凯宇
（西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 ７１００４８）

摘要：在引调水工程中，钢丝断裂易导致预应力钢筒混凝土管（ＰｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄＣｏｎｃｒｅｔｅＣｙｌｉｎｄｅｒＰｉｐｅ，ＰＣＣＰ）出现结
构破坏和功能失效。本研究通过智能学习模型分析原型试验信号特征并判别断丝类型。采用内径 ３．４ｍ，长度 ５ｍ
埋置式 ＰＣＣＰ开展断丝原型试验，利用分布式光纤传感器分别对切割断丝、腐蚀断丝和敲击噪声信号进行实时监
测，并基于短时傅里叶变换和深度学习模型重构断丝信号，最终利用支持向量机建立了断丝信号识别模型。以
Ｉｎｃｅｐｔｉｏｎ － ＲｅｓＮｅｔ － ｖ２重构信号的断丝识别模型最低和最高准确率分别为 ９２．９％和 １００％，之后利用 ｔ － ＳＮＥ证明了
信号重构的有效性。本研究结合不同智能学习方法实现了 ＰＣＣＰ断丝类型的有效判别，为其长期运行断丝监测及
预警分析提供了新的手段。
关键词：预应力钢筒混凝土管；深度学习；知识迁移；短时傅里叶变换；断丝信号；智能识别
中图分类号：ＴＶ３３２
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０９１３

１ 研究背景

预应力钢筒混凝土管（ＰｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄＣｏｎｃｒｅｔｅＣｙｌｉｎｄｅｒＰｉｐｅ，ＰＣＣＰ）因其较强的承压能力和较好的耐
久性在长距离输水工程中得到了广泛应用，如美国加利福尼亚州的中央亚利桑那调水工程、利比亚的大
人工河工程 ［１］ 以及国内的南水北调工程 ［２］ 、引黄入晋工程 ［３］ 和引汉济渭工程 ［４］ 等。ＰＣＣＰ在美国和加拿
［６］
［５］
大应用很多，约 ９０％的美国自来水公司在供水工程中采用 ＰＣＣＰ ，美国已使用 ＰＣＣＰ超 ３５０００ｋｍ 。
ＰＣＣＰ长期服役于输水工程中，会受到水锤、腐蚀、地形、接口问题等多方面影响而造成管体破
坏。中央亚利桑那调水工程的 ＰＣＣＰ服役 １５年即因大规模腐蚀而失效 ［７］ ，这不仅远低于引调水工程的
设计年限，也低于管体的设计寿命。ＰＣＣＰ中预应力钢丝是承担水压的主要结构，一旦断丝发生并在
管线运行过程中持续发展，可能导致管体产生裂缝甚至出现爆管现象，威胁群众财产安全 ［８］ 。针对
ＰＣＣＰ承载力和断丝的研究已取得许多进展，如窦铁生等 ［９ － １０］ 基于原型试验研究了在内外压力作用下
ＰＣＣＰ管体变形规律，也分析了断丝数量对于管体承载力的影响 ［１１］ 。翟科杰等 ［１２］ 利用 ＣＦＲＰ加固断丝
并利用试验和仿真的方法进行了验证。胡少伟等 ［１３］ 也分析了断丝对于超大口径 ＰＣＣＰ结构承载力的影
响。但目前 ＰＣＣＰ断丝信号特征的重构与分析仍是工程中的难题。
［１４］
在 ＰＣＣＰ缺陷检测研究方面，许多学者将不同的无损检测方法应用于这一领域。Ｒｉｚｚｏ 以及 Ｌｉｕ
等 ［１５］ 总结了输水管道失效的无损检测方法并分析其优缺点。众多学者也将新技术应用于 ＰＣＣＰ安全监
测中，如声发射技术 ［１６ － １７］ 、声谱共振 ［１８］ 以及电磁法 ［１９ － ２０］ 等。Ｅｌｆｅｒｇａｎｉ等 ［２１］ 在实验室条件下利用声发
射技术对腐蚀断丝进行长时间监测，以证实这一技术的可行性，但工程实践应用还需进 一步研究。

收稿日期：２０２２ － １１ － ０５；网络首发日期：２０２３ － ０５ － １８
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０５１７．１２５０．００４．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金青年项目（５２００９１０９）；博士启动基金项目（１０４ － ４５１１２０００５）；陕西省自然科学基础研究计划—引汉
济渭联合基金项目（ ２０２１ＪＬＭ－ ４６）
作者简介：张野（ １９９０ － ），讲师，主要从事水利工程仿真与智能化分析研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｙｅ１９９０＠ｘａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
通讯作者：李炎隆（１９８０ － ），教授，主要从事水工结构数值仿真研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｌｉｙａｎｌｏｎｇ＠ｘａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

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