大坝安全监测仪器简介

大坝安全监测仪器简介一、大坝安全监测仪器选型的基本原则二、监测仪器的检验三、监测仪器及监测系统的验收四、监测仪器分类五、两种主要监测仪器的基本原理六、主要监测仪器简介七、国内外数据自动化采集设备一、大坝安全监测仪器选型的基本原则1、总原则大坝安全监测系统的监测项目、测点布置及系统的功能、性能应满足《土石坝安全监测技术规范》（SL60-94）、《土石坝安全监测资料整编规程》（SL169-96）和《混凝土坝安全监测技术规范》（DL/T5178-2003）要求，如建立自动化监测系统，还应满足《大坝安全自动化监测系统设备基本技术条件》（SL268-2001）的要求。

2、监测任务、测量范围的界定及仪器技术性能分析首先，应明确监测仪器的任务，是变形监测，渗流监测，压力应力监测还是环境量监测？一次还是二次？其次，应根据工程实际情况，预测并确定仪器的量程、范围；根据仪器量程范围、工程对监测精度的要求以及相关规范规定，确定仪器精度等级。

第三，选择仪器型式。

仪器型式的选择最重要的是仪器的可靠性，在可靠性的前提下，再考虑仪器的精确度或准确度。

第四，技术经济评价。

对不同型式的仪器、不同厂家的同类型仪器，比较其采购、运输、室内检测/校准、现场检验、安装方式、可维护性及维护程序、施工期观测及数据处理、（如建立自动化监测系统）占用系统资源等，进行技术、经济评价，选择合适的性价比。

3、监测设施的布设首先，划分监测项目。

其次，根据监测项目及监测目的，确定监测设施安装/埋设位置（包括平面坐标、高程及相应层位），仪器、设施、设备工程编号（唯一性），并以表、平面图、断面图等形式逐一标注。

4、监测设施的安装/埋设根据坝的性质（混凝土坝/土石坝？在建坝/已建坝？混凝土坝『重力坝、拱坝、砌石坝』？土石坝『均质坝、心墙坝<宽心墙坝、窄心墙坝？>、斜墙坝、堆石面板坝、复合坝型』？）设计合适的安装方式及施工工艺。

5、监测仪器选型原则①监测仪器应采用可靠性好，并经过长期现场考验的仪器设备；大坝安全监测和管理自动化系统，推荐采用分布式自动化数据采集系统。

②监测仪器应尽可能实现人工比测。

③根据工程情况、运行条件、监测目的和拟安装层位，确定监测仪器量程范围，以期在满足监测目的的前提下，达到最优的监测精度。

④如建立自动化系统，在技术性能上应具有先进性；运行应稳定可靠；操作简便实用；软件界面应友好，功能应满足数据采集、资料整编要求，有条件的水库宜在进行资料整编的基础上，建立数学模型、统计分析模型，实现监测资料的在线分析。

6、自动化系统数据自动采集设备选型原则①经过工程考验的具有良好的可靠性和长期稳定性的设备，且应易于安装、便于维护。

②宜采用分布式的智能节点网络控制技术和模块化的结构，配置应灵活。

③系统组网应方便，具有较好的适应性、兼容性和可扩展性。

④应能够允许多种供电方式，且功耗较低。

⑤监控软件应具有强大的支持功能，建议设人工补测接口。

⑥应具有良好的抗雷击性能。

二、监测仪器的检测监测仪器大多在隐蔽的环境下长期运行，一旦仪器安装埋设后，一般无法再进行检修和更换。

大坝工程对监测仪器能够长期、稳定运行的基本要求，决定了用于大坝安全监测的仪器的检测是必须的（不仅仅是必要的）。

监测仪器检测的基本目的及内容如下：1、检验仪器工作的稳定性，以确保仪器性能长期稳定对厂家提供的产品，首先应进行外观型式检验，如：仪器外表无损伤、裂纹、锈斑，引出电缆无破损，及其它可能影响使用的残障；仪器标志牌应标明型号、规格、出厂编号、量程、绝缘电阻、制造年月、生产厂家等。

其次应进行稳定性检查，一般在室温0载荷状态下对传感器进行至少为期15天的观测并记录，剔除不满足要求的产品；试验结果如不合格率超过5％，应相应延长观测周期，以确保观测的可靠性。

如振弦式传感器，标准规定两种试验方法的零点漂移值均为0.25％F.S.，一般掌握的绝对漂移数值2～3Hz。

2、校核仪器出厂参数的可靠性按相关标准、规范或仪器校验方法，对厂家提供的仪器进行率定、检测或校验，检验仪器精度、分辨率、重复性、线性度、滞后等技术性能指标是否满足厂标或国标的要求（厂标高于行业标、行业标高于国标）。

3、检验仪器在搬运、运输过程中是否损坏此处注意：从仪器生产地运输至使用地时，检验仪器稳定性和性能时，除考虑（2）中零点漂移外，对受气压影响的仪器，应扣除由于气压影响（高程不同）。

以振弦式仪器为例（非通气型），高程每增加100m，相应地频率增加1～3Hz或5～25个线性单位（频率模数）；对于超过100m的高坝，安装埋设过程中，应考虑因高程变化引起的传感器零点的变化，即每降低100m，仪器零点应以约10cm 水头换算频率变化量，并以此对传感器零点进行修正（＋）。

对于设气压观测的项目，应根据当地实际气压变化量；订货时提出明确要求，如不能确知，应标明安装地大致高程。

在我们的生产实践中，国外进口传感器运输至国内，一般不合格率约5％左右（GEOKON、ROCTEST、SOIL等国外仪器生产厂家无一例外）；国内厂家的不合格率一般小于5％。

正因如此，不论是进口产品还是国内产品，都不应以任何单方的资料或保证，作为免检的借口，检验测试是必须的途径，以避免不合格仪器应用于工程，造成不必要的损失，或因其不能提供可靠的数据依据造成误报警的假相以及给资料分析带来麻烦。

三、监测仪器及监测系统的验收尽管大坝安全监测系统在监测项目、测点布置及系统的功能、性能方面可遵循SL60-94、SL169-96和DL/T5178-2003，自动化监测系统设备可遵循《大坝安全自动化监测系统设备基本技术条件》（SL268-2001），但目前为止，水利行业既未发布准入办法（如发布，相对的讲在选型、验收等方面要简单些），也未制定检验规程和验收标准，监测仪器或监测系统尚无可供遵循的条条框框。

有鉴于此，对于监测系统及监测仪器设备的验收建议如下。

1、监测仪器安装前验收①生产厂家提供的监测仪器生产许可证复印件；②生产厂家提供的监测仪器检验合格证原件；③由具有资质的计量检测单位出具的检测报告/校验报告原件，重要项目在必要时可向计量检测单位索取原始试验数据复印件；④其它信誉证明文件和质量保证承诺；⑤安装前开箱检验合格的证明(附检验人、见证人及现场监理签证确认手续)。

2、监测仪器安装后验收监测仪器安装后，安装单位应及时提供仪器设备安装/埋设记录表、安装/埋设考证表、埋设状态描述文件（如渗流监测仪器钻孔埋设柱状图）、安装竣工图、施工期观测记录表等一应证明监测仪器安装过程、安装后监测仪器处于正常工作状态的记录和文件，以及观测数据所反映的工程性态的分析图、表。

在提供上述文件资料的基础上，按单元划分情况，安装单位应对仪器的安装进行质量评定。

以钻孔埋设渗流监测仪器为例，下表为将一个钻孔作为一个单元工程的质量评定示例。

XXX水库单元工程施工质量评定表3、监测系统验收监测系统的验收形式建议参照《水利水电建设工程验收规程》（SL223-1999）和《水利水电工程施工质量评定规程》（SL176-1996）执行，验收内容按/参照《大坝安全自动化监测系统设备基本技术条件》（SL268-2001）。

四、监测仪器的分类五、两种主要监测仪器的基本原理1、振弦式仪器①发展历史最早开发振弦式仪器的国家是前苏联，时间约在20世纪30年代初。

弦式传感器法国的TELEMAC公司在三十年代中期即研制开发, 三十年代末投入正式应用, 至今已有70多年的历史，1999年TELEMAC公司因经营不善及软件对克因公司的过分依赖，导致被加拿大ROCTEST 公司收购。

五十年代, 美国(如SINCO公司)、德国、意大利, 加拿大（ROCTEST 公司）等国家相继开发了不同型式的弦式仪器。

1996——2002年中加合作项目引进的主要是ROCTEST 公司的监测仪器和美国GEOMATION公司的数据采集系统。

我国对弦式仪器的开发研制, 始于六十年代初, 由上海城建局和南京水利科学研究院土材所研制、应用。

弦式仪器在我国土石坝原型观测中的应用始于1965年, 首先在浙江横山水库试用并取得成功, 正常运用达二十六年之久。

国内的仪器生产史已近40年，客观的讲，国内振弦式仪器的生产当以南京水科院为最早，在20世纪末国内10数家上产厂家的技术基本上源于水科院。

但真正的发展和技术上进步应属于近5年的事，不管是性能、系列还是外在质量，都取得长足的进步，应用领域进一步拓宽，在水利工程、地基加固及石油化工等领域都得到广泛应用, 在水利工程上的应用前景是广阔的。

70年的历史说明：②振弦式孔隙水压力计工作原理承压膜钢弦线圈支架3传感器结构示意图对于两端固定且拉紧的弦, 其自振频率如下式所示:f =12l σρ(1) 式中:f ——钢弦的自振频率(Hz)或(1/s),l ——钢弦的长度(m)，σ——钢弦所受张(应)力(kN/m 2)， ρ——钢弦的材料密度(kg/m 3)。

传感器的承压膜可视为周边嵌固的圆形薄板, 在均布载荷作用下, 其中心挠度如下式所示:ω=316(E 21μ-)r H43P (2)式中:r ——承压膜有效半径(m)，H ——承压膜厚度(m)，μ——承压膜材料泊松比(无量纲), P ——承压膜所受均布载荷(MPa)， E—— 承压膜材料杨氏模量(GPa)， ω 承压膜中心挠度(m)。

由图1可见, 承压膜挠度ω与钢弦的微变形Δl 如有下关系: ω= -Δl (3) 由(1)、(2)、(3)式可得:P=64313324l H E E r f ρμ()-(f 02-f i 2)-128312324l H E E r f ρμ()-²Δl ²f i 2 (4a) 令K=64313324l H E E r f ρμ()-则有P=K(f 02-f i 2)-2Δl l²K ²f i 2 (4b)如略去一阶小量Δl 的影响,可得P=K(f 02-f i 2) (5) 式中: f 0 ——传感器零压下的钢弦振动频率(Hz)，f i ——传感器在U 压力下的振动频率(Hz)，K ——传感器系数(MPa.s 2)，E f ——钢弦材料杨氏模量。

由式(5)可知, 传感器一旦装配完成, 其零压频率f和其传感器系数K也随, 压力P也便随之确定。

之确定, 只要测得受压工作状态下的频率fi③特点●非电量测量，基本不受接引线长度影响，信号传输距离可达1km，经特殊处理，信号可传输数公里。

●结构简单，长期稳定性好。

●易于实现自动化。

2、差阻式仪器①差动的概念首先，差动是减小非线性的一种技术措施，目的在于消除或减小由于结构原因引起的共模误差，基本原理如下：设一传感器之输出为：Y1=a0+a1X+a2X2+a3X3+a4X4+ (1)另一个相同的传感器，但其输入量符号相反，它的输出为Y2=a0－a1X+a2X2－a3X3+a4X4－ (2)（1）－（2）即为：ΔY=2(+a1X+ a3X3+……)这样，总输出消除了零位输出和偶次非线性项，得到的是对称于原点的相当宽的近似线性范围，在减小非线性的同时，使传感器灵敏度提高一倍，且抵消了共模误差（如温度误差）。