大坝安全监测仪器和监测系统资料

大坝安全监测仪器资料一1 监测仪器技术现状大坝安全监测仪器是安全监测技术的感知单元，是保证大坝安全监测系统高精度、高准确度、稳定可靠、长期连续运行的基石。

形象地说，大坝安全监测仪器犹如安全监测系统的“感官”[4]，如果“感官”出了问题，给出的信息失真，即使后续的数据采集单元、数据分析软件的功能再强大，得出的结果也不可能反映大坝的实际运行性态，甚至会是错误的信息。

随着电子测量技术、新材料、新工艺等各种技术的快速发展，安全监测仪器技术也在与时俱进、不断持续发展完善中。

由于安全监测仪器使用环境的特殊性，特别要求其具有可靠性和长期稳定性，相对于普通的消费类电子产品而言，安全监测仪器升级换代速度相对要“保守”些。

即便如此，在过去的一个多世纪里，特别是20 世纪90 年代以来，我国水电建设进入大发展时期，许多巨型的高坝大库相继开工建设并投入运行，对大坝安全监测仪器技术提出了许多新的要求。

在众多大坝安全监测从业人员的不懈努力下，20多年来，传感器原理的先进性与多样性、生产工艺的先进性、传感材料的性能优异性、施工的高效方便性、测量技术先进性等各方面都取得了长足进步。

在此期间，钢弦式仪器得到了广泛应用，高耐水压仪器、超大量程仪器也研制生产和应用成功，光纤传感器和卫星定位测量技术等初步得到推广应用，分布式大坝自动化监测系统日渐成熟，为大坝安全监测提供了准确可靠的技术保障。

1.1埋入式监测仪器埋入式监测仪器是指埋入水工建筑物内部的传感器，用于监测水工建筑物结构相关的各种物理量变化性态，是大坝安全监测技术领域中分布最广泛、涉及被测物理量最多、使用数量最多的仪器，主要用于监测大坝内部应力应变、渗流渗压、裂缝、位移、倾斜、温度场等。

埋入式监测仪器一旦被埋入，就不再具有取出或更换的条件，因此，传感器的可靠性和长期稳定性是仪器最重要的性能之一。

在世界上数以万计的工程的大坝安全监测中，应用最为广泛的埋入式监测仪器类型主要有钢弦式仪器和差动电阻式仪器。

这两类仪器几乎涵盖了绝大部分内观监测项目，还有少数一些其他类型的埋入式仪器，如土石坝内部使用的水管式沉降仪和引张线式水平位移计，用来监测坝体内部沉降和水平位移。

随着材料科学、制造工艺等技术不断发展，埋入式监测仪器系列中也增加了新的传感器，如光纤光栅仪器、MEMS传感器、磁致伸缩传感器、电磁式大量程位移传感器、陶瓷电容式仪器、电位计式仪器、压阻式微压传感器等。

1.2外部安装型监测仪器外部安装型监测仪器一般安装在水工建筑物表面、廊道或边坡表面，用来测量结构物变形、渗流以及环境量等。

外部安装型监测仪器的主要特征是方便维修或更换，容易将最新的各种技术运用于此类监测仪器中。

外部安装型监测仪器以量水堰计、垂线坐标仪、引张线仪、静力水准仪、激光准直系统、GPS 表面位移测量系统等为代表，它们的成功应用可以反映出此类仪器目前的技术水平。

垂线坐标仪、引张线仪和静力水准仪是大坝变形监测的重要仪器，经历了从人工观测到自动遥测、由接触式到非接触式的发展过程，特别是最近10多年来，CCD测量技术和成像灰度分析技术在大坝变形监测中的成功应用，使CCD光电式仪器得到了广泛推广，大坝变形实现了高精度非接触式自动化测量。

目前使用较多的仪器主要有CCD 光电式、钢弦式、光电步进式以及与测量模块一体化的电容感应式和差动电感式等。

真空激光准直系统是在激光准直测量装置基础上，通过管路抽真空的方式，降低大气对激光光线传播的影响，形成的一种实现大坝位移高精度监测的位移测量系统，目前已引入CCD、激光成像、图像处理等技术，实现大量程、高精度的自动化位移测量功能。

近10 年来，全球卫星定位系统在民用技术应用领域的开放为大坝表面位移监测提供了一种新的测量系统。

该系统接收机的基本类型有导航型和测地型，在工程测量中，一般采用双频多站差分接收方式，以提高测量精度，测地型接收机标称精度目前可达到二等水准测量精度的要求。

随着电子技术和自动化测控技术的发展，外部安装型监测仪器系列中也增加了一些新成员，以全站仪、三维激光扫描仪为代表的光波测距仪和以二2 硬件2 ．1 监测仪器大坝上多采用正、倒垂线为基准来自动监测大坝的竖向和水平位移，包括混凝土大坝的挠度。

观测仪器多采用垂线坐标仪、引张线仪、静力水准仪等。

近年来，这些传统的观测仪器得到了很大的发展，在大量程、高精度和高可靠性上取得了长足的进步。

引张线仪由单向实现了向双向的发展和应用。

遥测垂线坐标仪和引张线仪已经从接触式发展到非接触式，非接触式仪器包括步进式和CCD 式。

遥测静力水准仪近年来得到了较快的发展，以前多是采用进口仪器，近年来国内已有多种原理的静力水准仪。

静力水准仪是应用连通管原理测量测点间的相对位移。

一侧沉降将引起浮子升降，通过各种量测技术来测量浮子的升降，从而观测点间的相对位移。

目前主要有差动变压器式、电感式和C CD式等静力水准仪。

光纤传感器是新近发展起来的体积小、精度高、不受电磁干扰、抗腐蚀性环境的传感器，可用于测量温度、位移、应变、压力等物理量。

该新型仪器最大的优点是不受电磁干扰，目前防雷抗干扰已经成为我国大坝安全监测自动化中最为棘手的问题。

光纤传感器的使用为彻底解决防雷抗干扰问题创造了极为有利的条件。

尽管光纤传感器在国内水利工程上的应用尚处于起步阶段，但由于有其他传感器无法比拟的优越性，将使其具有十分广泛的应用潜力，独领风骚几十年的发展前景可能成为不远的现实。

国内这方面的研究和研制也已起步，四川大学、长江科学院、武汉大学的有关研究论文近年来已在各专业期刊中发表。

差动电阻式传感器近年来解决了长导线电阻、导线电阻变差对测值的影响，并实现自动化遥测，得到了很大发展。

目前差阻式仪器由4 线制改为5 线制测量方式，仪器电阻、电阻比测量精度、遥测距离、抗干扰能力均优于国外厂家，处于国际先进水平。

更为重要的是，差阻式仪器已经完成了大量程、高弹模量和耐高压产品的研制并能批量生产。

国内研发钢弦式仪器已有40 多年的历史，随着大坝安全监测自动化的发展，钢弦式传感器近年来也得到了一些发展。

至2001 年，钢弦式仪器精度、性能、外观都有较大的改观。

同时，大多传感器已增加测温功能，对其进行温度补偿修正，率定精度也有所提高。

在单支仪器性能方面与国外同类产品相比，仍有一定的差距，但是在振弦式仪器测量方面，国内技术比较高，测量电路能够实现对国产和进口两种不同激振电压的兼容。

传感器的智能化程度不断提高。

目前国内已有多家传感器厂家(包括振弦式和压阻式)将率定曲线、传感器出厂编号等直接固化在传感器内部的IC中，这样既提高了测量精度，又可以方便在电缆截断或电缆编号丢失的情况下，对仪器编号的确认和恢复。

另外，这种仪器还提供R S_485 或R S一232 接口，简化了系统结构。

在外部变形监测仪器方面，如水准仪、电子经纬仪和全站仪等，国内也开始批量生产并占有一定的市场份额，但在稳定性和环境适应性方面还需要提高。

采用电子经纬仪和水准仪可使传统的外部变形监测实现自动化，电子水准仪+全站仪实现水工建筑物安全监测自动化已经在多个工程获得应用。

G Ps 具有土建工程量小、可以测量三维变形等优点，比较适合高土石坝的外部变形监测。

G Ps 技术已经在清江隔河岩大坝安全监测自动监测系统中得到成功应用。

另外，合成孔径雷达干涉测量技术已经开始应用于地震形变、地表沉降和滑坡监测，如果能进一步提高精度，实现地表连续变形测量，这对于大坝，尤其是高土石坝，将具有明显优势。

双向引张线自动测量技术能够通过一条引张线同时测量水平和垂直位移，相当于同时安装了原引张线和静力水准系统，且针对老引张线改造不需要增加任何土建工作，施工方便，特别适合我国广大已安装引张线项目的更新改造。

在环境量监测仪器方面，水位、雨量等常规测量仪器近年来随着水文、气象等部门的大量需求得到了快速发展，国产仪器设备的市场占有率非常高，其精度、设备种类、稳定性都相对优于其它监测项目的监测仪器设备。

随着合成孔径雷达干涉测量(InSA R )和差分干涉测量(D —InSA R )技术发展，其在地表沉陷监测中应用已经全面展开，如 D —InSA R 技术已经在煤矿开采沉陷变形监测中得到应用并用于矿区 D EM 数据更新。

由于该技术的大尺度和面监测特点，在大坝及边坡的表面变形监测中将具有十分明显的优势。

在新型监测系统方面，国外也有很多成功的技术，如英国的高精度微震监测技术就已经在多个边坡工程获得成功运用。

该技术克服了目前常规点监测代表性不足、预警能力不强、资料分析困难等缺点，对水库的高边坡与地基监测具有很强的针对性。

声发射技术的原理是当岩体的应力发生改变并超过历史水平时，岩体就会发出一种振动波向四方传播，应力改变愈大，这种波就愈强。

在岩体中埋设传感器采集这些振动波的信号，利用专门的软件包加以处理分析，就可以测定出振动波源的空间位置和振源强度，从而揭示出岩体内部可能发生大变形的部位，以便及时采取相应措施。

目前在澳大利亚、美国、加拿大等都有应用这种监测技术进行大坝监测的案例。

2．2 自动采集设备自动采集设备包括测量控制单元(M C U )、水雨情遥测终端等。

随着大坝安全监测技术的不断进步，自动采集设备也得到了跨越式发展。

不仅可以实现传感器的在线式单点测量、巡测，还可实现定时、变幅测量上报。

同时还具有存储历史测量数据、校时、可配置及支持多种通信方式等功能，能够满足各种环境条件下的自动采集测量需求。

大坝安全监测系统在安全监测仪器提供的原始测量数据中，包含了大量与大坝结构性态相关的信息，但这些信息需要通过数据分析才能被准确获取，为了解掌握大坝的运行性态及评价大坝运行状态提供科学依据。

数据分析成果直接关系到安全监测仪器的实际使用效果，因此数据分析手段对安全监测仪器技术而言是息息相关的，而安全监测软件是实现大坝安全监测数据分析的主要技术手段。

近几年来，安全监测软件的技术水平有了较大提高，逐步实现了分析理论、分析模型的软件化操作。

在安全监测资料分析理论方面的进步尤为显著，如模糊数学“灰色系统”、神经网络“遗传算法”、时间序列分析、“因果理论”、混沌分形理论、粗集理论等模型分析理论，以及“一机四库”理论等，这些理论的产生使安全监测软件的分析处理能力和分析结论的准确性有了很大的提高，并切实有效地在大坝运行安全管理中发挥了重要作用。

大坝安全监测自动化系统由采集装置、通信网络、计算存储系统和监控管理软件等部分构成。

由于大坝安全监测的传感器多为非标准量，其采集装置通常为专门研制，故自动化监测系统同传感器的关系密不可分，例如真空激光准直系统的测量和控制本身就是一个整体。

不同于一般工业测控领域的自动化，大坝安全自动化监测系统是一个以采集为主的开环系统，它的核心任务是实施长期、稳定、精确的数据采集和存储，并完成对数据的分析和应用；系统通常设置在野外，常年处于高低温、高湿度和露天的工作环境；系统往往要跨越复杂和宽广的地域，并经常要遭受雷电及强电磁干扰。