大壩安全監(jiān)測儀器和監(jiān)測系統(tǒng)資料

1、大壩安全監(jiān)測儀器資料1 監(jiān)測儀器技術(shù)現(xiàn)狀 大壩安全監(jiān)測儀器是安全監(jiān)測技術(shù)的感知單元，是保證大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)高精度、高準(zhǔn)確度、 穩(wěn)定可靠、長期連續(xù)運(yùn)行的基石。形象地說，大壩安全監(jiān)測儀器猶如安全監(jiān)測系統(tǒng)的“感官” 4，如果“感官”出了問題，給出的信息失真，即使后續(xù)的數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)分析軟件 的功能再強(qiáng)大，得出的結(jié)果也不可能反映大壩的實(shí)際運(yùn)行性態(tài)，甚至?xí)清e(cuò)誤的信息。隨著 電子測量技術(shù)、新材料、新工藝等各種技術(shù)的快速發(fā)展，安全監(jiān)測儀器技術(shù)也在與時(shí)俱進(jìn)、 不斷持續(xù)發(fā)展完善中。由于安全監(jiān)測儀器使用環(huán)境的特殊性，特別要求其具有可靠性和長期 穩(wěn)定性，相對于普通的消費(fèi)類電子產(chǎn)品而言，安全監(jiān)測儀器升級換代速度

2、相對要“保守”些。 即便如此，在過去的一個(gè)多世紀(jì)里，特別是 20 世紀(jì) 90 年代以來，我國水電建設(shè)進(jìn)入大發(fā) 展時(shí)期，許多巨型的高壩大庫相繼開工建設(shè)并投入運(yùn)行，對大壩安全監(jiān)測儀器技術(shù)提出了許 多新的要求。在眾多大壩安全監(jiān)測從業(yè)人員的不懈努力下，20 多年來，傳感器原理的先進(jìn) 性與多樣性、生產(chǎn)工藝的先進(jìn)性、傳感材料的性能優(yōu)異性、施工的高效方便性、測量技術(shù)先 進(jìn)性等各方面都取得了長足進(jìn)步。在此期間，鋼弦式儀器得到了廣泛應(yīng)用，高耐水壓儀器、 超大量程儀器也研制生產(chǎn)和應(yīng)用成功，光纖傳感器和衛(wèi)星定位測量技術(shù)等初步得到推廣應(yīng)用， 分布式大壩自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)日漸成熟，為大壩安全監(jiān)測提供了準(zhǔn)確可靠的技術(shù)保障。1

3、.1埋入式監(jiān)測儀器 埋入式監(jiān)測儀器是指埋入水工建筑物內(nèi)部的傳感器，用于監(jiān)測水工建筑物結(jié)構(gòu)相關(guān)的各種物 理量變化性態(tài)，是大壩安全監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域中分布最廣泛、涉及被測物理量最多、使用數(shù)量最 多的儀器，主要用于監(jiān)測大壩內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變、滲流滲壓、裂縫、位移、傾斜、溫度場等。埋 入式監(jiān)測儀器一旦被埋入，就不再具有取出或更換的條件，因此，傳感器的可靠性和長期穩(wěn) 定性是儀器最重要的性能之一。在世界上數(shù)以萬計(jì)的工程的大壩安全監(jiān)測中，應(yīng)用最為廣泛 的埋入式監(jiān)測儀器類型主要有鋼弦式儀器和差動(dòng)電阻式儀器。這兩類儀器幾乎涵蓋了絕大部 分內(nèi)觀監(jiān)測項(xiàng)目，還有少數(shù)一些其他類型的埋入式儀器，如土石壩內(nèi)部使用的水管式沉降儀 和引張

4、線式水平位移計(jì)，用來監(jiān)測壩體內(nèi)部沉降和水平位移。隨著材料科學(xué)、制造工藝等技 術(shù)不斷發(fā)展，埋入式監(jiān)測儀器系列中也增加了新的傳感器，如光纖光柵儀器、MEMS傳感器、 磁致伸縮傳感器、電磁式大量程位移傳感器、陶瓷電容式儀器、電位計(jì)式儀器、壓阻式微壓 傳感器等。1.2外部安裝型監(jiān)測儀器 外部安裝型監(jiān)測儀器一般安裝在水工建筑物表面、廊道或邊坡表面，用來測量結(jié)構(gòu)物變形、 滲流以及環(huán)境量等。外部安裝型監(jiān)測儀器的主要特征是方便維修或更換，容易將最新的各種 技術(shù)運(yùn)用于此類監(jiān)測儀器中。外部安裝型監(jiān)測儀器以量水堰計(jì)、垂線坐標(biāo)儀、引張線儀、靜 力水準(zhǔn)儀、激光準(zhǔn)直系統(tǒng)、 GPS 表面位移測量系統(tǒng)等為代表，它們的成功應(yīng)用

5、可以反映出 此類儀器目前的技術(shù)水平。垂線坐標(biāo)儀、引張線儀和靜力水準(zhǔn)儀是大壩變形監(jiān)測的重要儀器， 經(jīng)歷了從人工觀測到自動(dòng)遙測、由接觸式到非接觸式的發(fā)展過程，特別是最近10 多年來，CCD測量技術(shù)和成像灰度分析技術(shù)在大壩變形監(jiān)測中的成功應(yīng)用，使CCD光電式儀器得到 了廣泛推廣，大壩變形實(shí)現(xiàn)了高精度非接觸式自動(dòng)化測量。目前使用較多的儀器主要有CCD 光電式、鋼弦式、光電步進(jìn)式以及與測量模塊一體化的電容感應(yīng)式和差動(dòng)電感式等。真空激 光準(zhǔn)直系統(tǒng)是在激光準(zhǔn)直測量裝置基礎(chǔ)上，通過管路抽真空的方式，降低大氣對激光光線傳 播的影響，形成的一種實(shí)現(xiàn)大壩位移高精度監(jiān)測的位移測量系統(tǒng)，目前已引入CCD、激光成 像、圖

6、像處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大量程、高精度的自動(dòng)化位移測量功能。近10 年來，全球衛(wèi)星 定位系統(tǒng)在民用技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的開放為大壩表面位移監(jiān)測提供了一種新的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng) 接收機(jī)的基本類型有導(dǎo)航型和測地型，在工程測量中，一般采用雙頻多站差分接收方式，以 提高測量精度，測地型接收機(jī)標(biāo)稱精度目前可達(dá)到二等水準(zhǔn)測量精度的要求。隨著電子技術(shù) 和自動(dòng)化測控技術(shù)的發(fā)展，外部安裝型監(jiān)測儀器系列中也增加了一些新成員，以全站儀、三 維激光掃描儀為代表的光波測距儀和以2 硬 件2 1 監(jiān) 測 儀 器大壩上多采用正 、倒垂線為基準(zhǔn)來 自動(dòng)監(jiān)測大壩 的豎 向和水平位移 ，包括混凝土大壩 的撓度。觀測儀器多采用垂線坐標(biāo)儀 、引張線

7、儀、靜力水準(zhǔn)儀等 。近年來 ，這些傳統(tǒng)的 觀測儀器得到了很大的發(fā)展 ，在大量程 、高精度和高可靠性上取得 了長足的進(jìn)步 。引 張線儀由單 向?qū)崿F(xiàn)了向雙 向的發(fā)展和應(yīng)用。遙測垂線坐標(biāo)儀和 引張線儀 已經(jīng)從 接觸式 發(fā)展到非接觸式 ，非接觸式儀器包括步進(jìn)式和 CCD 式 。遙測靜力水準(zhǔn)儀近年來得到 了 較快 的發(fā)展 ，以前多是采用進(jìn) 口儀器 ，近年來 國內(nèi)已有多種原理 的靜力水準(zhǔn)儀。靜力 水準(zhǔn)儀是應(yīng)用連通管原理測量測點(diǎn)間的相對位移。一側(cè)沉降將引起浮子升降，通過各種量測 技術(shù)來測量浮子的升降，從而觀測點(diǎn)間的相對位移 。目前 主要有差動(dòng)變壓器式 、電感式 和 C CD 式等靜力水準(zhǔn)儀 。光纖傳感器是新

8、近發(fā)展起來的體積小 、精度高、不受電磁干擾 、 抗腐蝕性環(huán)境 的傳感器 ，可用于測量溫度、位移 、應(yīng)變、壓力等物理量。該新型儀器最 大的優(yōu)點(diǎn)是不受 電磁干擾，目前防雷抗干擾已經(jīng)成為我國大壩安全監(jiān)測 自動(dòng)化 中最為棘 手的問題 。光纖傳感器的使用為徹底解決防雷抗干擾問題創(chuàng)造了極為有利的條件 。盡管光 纖傳感器在 國內(nèi)水利工程上的應(yīng)用尚處于起步階段 ，但 由于有其他傳感器無法 比擬的優(yōu) 越性 ，將使其具有十分廣泛的應(yīng)用潛力 ，獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷幾十年 的發(fā)展前景可能成為不遠(yuǎn)的現(xiàn) 實(shí)。國內(nèi)這方面的研究和研制也 已起步 ，四川大學(xué) 、長江科學(xué)院、武漢大學(xué) 的有關(guān)研究 論文近年來 已在各專業(yè)期刊 中發(fā) 表 。差動(dòng)

9、 電阻式傳感器近年來解決 了長導(dǎo)線 電阻 、 導(dǎo)線 電阻變差對測值的影響 ，并實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)化遙測 ，得到了很大發(fā)展 。目前差阻式儀器 由 4 線制改為 5 線制測量方式 ，儀器電阻 、電阻比測量精度 、遙測距離 、 抗干擾能力均優(yōu) 于國外廠家 ，處于國際先進(jìn)水平。更為重要的是 ，差阻式儀器 已經(jīng)完成 了大量程 、高彈模量和耐高壓產(chǎn)品的研制并 能批量生產(chǎn) 。國內(nèi)研發(fā)鋼弦式儀器已有 40 多 年的歷史 ，隨著大壩安全監(jiān)測 自動(dòng)化的發(fā)展 ，鋼弦式傳感器近年來也得到了一些發(fā)展。 至 2001 年 ，鋼弦式儀器精度、性能、外觀都有較大的改觀 。同時(shí)，大多傳感器 已增加 測溫功能 ，對其進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正 ，

10、率定精度也有所提高。在單支儀器性能方面與國外 同 類產(chǎn)品相比，仍有一定的差距 ，但是在振弦式儀器測量方面，國內(nèi)技術(shù)比較高 ，測量電路 能夠?qū)崿F(xiàn)對 國產(chǎn)和進(jìn) 口兩種不同激振電壓的兼容。傳感器的智能化程度不斷提高。 目前 國內(nèi)已有多家傳感器廠家 （包 括振弦式和壓 阻式 ）將率定 曲線 、傳感器 出廠編號等直 接固化在傳感器內(nèi)部的 IC 中，這樣既提高了測量精度 ，又可 以方便在 電纜截?cái)?或電纜編號丟失的情況下 ，對儀器編號的確認(rèn)和恢復(fù)。另外 ，這種儀器還提供 R S_485 或 R S 一 232 接 口，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在外部變形監(jiān)測儀器方面 ，如水準(zhǔn)儀 、電子經(jīng)緯儀 和全站儀等 ，國內(nèi)也開

11、始批量生產(chǎn)并 占有一定的市場份額 ，但在穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性方 面還需要提高。采用電子經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀可使傳統(tǒng) 的外部變形監(jiān)測實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)化 ，電子水 準(zhǔn)儀+全站儀實(shí)現(xiàn)水工建筑物安全監(jiān)測自動(dòng)化已經(jīng)在多個(gè)工程獲得應(yīng)用。G Ps具有 土建工程量小、可以測量三維變形等優(yōu)點(diǎn)，比較適合高土石壩的外部變形監(jiān)測。G Ps技術(shù) 已經(jīng)在清江隔河巖大壩安全監(jiān)測 自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。另外 ，合成孔徑雷達(dá)干涉 測量技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于地震形變、地表沉降和滑坡監(jiān)測，如果能進(jìn)一步提高精度 ，實(shí)現(xiàn) 地表連續(xù)變形測量，這對于大壩，尤其是高土石壩，將具有明顯優(yōu)勢。雙向引張線 自動(dòng)測 量技術(shù)能夠通過一條引張線同時(shí)測量水平和垂直位

12、移，相當(dāng)于同時(shí)安裝了原引張線和靜力水 準(zhǔn)系統(tǒng) ，且針對老引張線改造不需要增加任何土建工作，施工方便 ，特別適合我國廣大已 安裝引張線項(xiàng) 目的更新改造。在環(huán)境量監(jiān)測儀器方面，水位 、雨量等常規(guī)測量儀器近年來 隨著水文 、氣象等部門的大量需求得 到了快速發(fā)展 ，國產(chǎn)儀器設(shè)備的市場占有率非常高 ， 其精度 、設(shè)備種類 、穩(wěn)定性都相對優(yōu)于其它監(jiān)測項(xiàng) 目的監(jiān)測儀器設(shè)備。隨著合成孔徑雷 達(dá)干涉測量(InSA R )和差分干涉測量(D InSA R )技術(shù)發(fā)展，其在地表沉陷監(jiān)測中應(yīng)用 已 經(jīng)全面展開 ，如 D InSA R 技術(shù)已經(jīng)在煤礦開采沉 陷變形監(jiān)測中得到應(yīng)用并用于礦區(qū) D EM 數(shù)據(jù)更新。由于該技術(shù)

13、的大尺度和面監(jiān)測特點(diǎn)，在大壩及邊坡的表面變形監(jiān)測中將具有 十分明顯的優(yōu)勢。在新型監(jiān)測系統(tǒng)方面 ，國外也有很多成功的技術(shù) ，如英國的高精度微震 監(jiān)測技術(shù)就已經(jīng)在多個(gè)邊坡工程獲得成功運(yùn)用。該技術(shù)克服 了目前常規(guī)點(diǎn)監(jiān)測代表性不足、 預(yù)警能力不強(qiáng)、資料分析困難等缺點(diǎn) ，對水庫的高邊坡與地基監(jiān)測具有很強(qiáng)的針對性。 聲發(fā)射技術(shù)的原理是當(dāng)巖體 的應(yīng)力發(fā)生改變并超過歷史水平時(shí)，巖體就會(huì)發(fā)出一種振動(dòng)波 向四方傳播，應(yīng)力改變愈大，這種波就愈強(qiáng)。在巖體中埋設(shè)傳感器采集這些振動(dòng)波的信號 ， 利用專門的軟件包加以處理分析 ，就可以測定出振動(dòng)波源的空間位置和振源強(qiáng)度 ，從而揭 示出巖體內(nèi)部可能發(fā)生大變形的部位 ，以便及時(shí)

14、采取相應(yīng)措施。目前在澳大利亞、美國、 加拿大等都有應(yīng)用這種監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行大壩監(jiān)測的案例。22 自動(dòng) 采集設(shè) 備 自動(dòng)采集設(shè)備包括測量控制單元 (M C U )、水雨情遙測終端等。隨著大壩安全監(jiān)測技術(shù)的不 斷進(jìn)步 ，自動(dòng)采集設(shè)備也得到了跨越式發(fā)展。不僅可以實(shí)現(xiàn)傳感器的在線式單點(diǎn)測量 、巡 測 ，還可實(shí)現(xiàn)定 時(shí)、變幅測量上報(bào) 。同時(shí)還具有存儲(chǔ)歷史測量數(shù)據(jù) 、校時(shí)、可配置及支 持多種通信方式等功能 ，能夠滿足各種環(huán)境條件下的自動(dòng)采集測量需求。大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)在安全監(jiān)測儀器提供的原始測量數(shù)據(jù)中，包含了大量與大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)相關(guān)的信息，但這 些信息需要通過數(shù)據(jù)分析才能被準(zhǔn)確獲取，為了解掌握大壩的運(yùn)行性態(tài)及評價(jià)

15、大壩運(yùn)行狀態(tài) 提供科學(xué)依據(jù)。數(shù)據(jù)分析成果直接關(guān)系到安全監(jiān)測儀器的實(shí)際使用效果，因此數(shù)據(jù)分析手段 對安全監(jiān)測儀器技術(shù)而言是息息相關(guān)的，而安全監(jiān)測軟件是實(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的主 要技術(shù)手段。近幾年來，安全監(jiān)測軟件的技術(shù)水平有了較大提高，逐步實(shí)現(xiàn)了分析理論、分 析模型的軟件化操作。在安全監(jiān)測資料分析理論方面的進(jìn)步尤為顯著，如模糊數(shù)學(xué)“灰色系 統(tǒng)”、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)“遺傳算法”、時(shí)間序列分析、“因果理論”、混沌分形理論、粗集理論等模型 分析理論，以及“一機(jī)四庫”理論等，這些理論的產(chǎn)生使安全監(jiān)測軟件的分析處理能力和分 析結(jié)論的準(zhǔn)確性有了很大的提高，并切實(shí)有效地在大壩運(yùn)行安全管理中發(fā)揮了重要作用。大壩安全監(jiān)測

16、自動(dòng)化系統(tǒng)由采集裝置、通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算存儲(chǔ)系統(tǒng)和監(jiān)控管理軟件等部分 構(gòu)成。由于大壩安全監(jiān)測的傳感器多為非標(biāo)準(zhǔn)量，其采集裝置通常為專門研制，故自動(dòng)化監(jiān) 測系統(tǒng)同傳感器的關(guān)系密不可分，例如真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的測量和控制本身就是一個(gè)整體。 不同于一般工業(yè)測控領(lǐng)域的自動(dòng)化，大壩安全自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)以采集為主的開環(huán)系統(tǒng)它的核心任務(wù)是實(shí)施長期、穩(wěn)定、精確的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，并完成對數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用；系 統(tǒng)通常設(shè)置在野外，常年處于高低溫、高濕度和露天的工作環(huán)境；系統(tǒng)往往要跨越復(fù)雜和寬 廣的地域，并經(jīng)常要遭受雷電及強(qiáng)電磁干擾。因此，大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化的有效實(shí)施遠(yuǎn)較 工業(yè)測控自動(dòng)化復(fù)雜和困難。自動(dòng)化采集方式 目前

17、國內(nèi)外采用的大壩安全自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)按采集方式可粗略地分為三類：即集中式、分 布式和混合式。所謂集中式采集方式，典型的布置是在壩內(nèi)設(shè)一專門的監(jiān)測室，內(nèi)置采集裝 置，布設(shè)于大壩各處的儀器通過電纜直接與采集裝置相連，儀器信號通過采集裝置轉(zhuǎn)換為數(shù) 字信號傳到壩外的微機(jī)監(jiān)控室進(jìn)行存儲(chǔ)管理，如圖所示。對中小型工程，它不失為一種經(jīng) 濟(jì)實(shí)用的采集方式。集中式采集系統(tǒng)示意圖分布式采集方式是將采集裝置分散布置在靠近儀器的地方，一般稱為數(shù)據(jù)采集單元，如 圖所示。 可完成所轄測點(diǎn)的控制測量、 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)暫存和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｓ捎跀?shù)字量的遠(yuǎn) 距離傳輸較之模擬量相對簡單，因此它可根據(jù)儀器的布置情況，靈活地分散設(shè)置在靠近儀器 的地方，縮短了模擬量傳輸?shù)木嚯x，降低了系統(tǒng)防外界干擾的技術(shù)難度。由上述特點(diǎn)可知 分布式采集方式較適合于工程規(guī)模大、測點(diǎn)數(shù)量多且分散的監(jiān)測系統(tǒng)。弐弐MUClI布式采集系統(tǒng)示意圖混合式是介于集中式和分布式之間的一種采集