水工建筑物安全监测自动化技术研究

水工建筑物安全监测自动化技术研究
摘要为适应水工建筑物安全管理技术的发展，提高水工建筑物安全监测自动化的技术水平，本文以风险分析思想为主线，应用可靠性分析方法，根据典型水工建筑物的具体特点，在分析有关概念和理论假设的前提下对监测项目设置和测点布置、自动监测方法选择、监测仪器和监测系统的技术指标及可靠性评价、通信组网方式、提高系统可靠性措施等方面对水工建筑物安全监测自动化技术进行了系统深入的研究。

关键词水工建筑物；安全监测；自动化技术
1 水工建筑物与安全监测自动化技术的概述
所谓的水工建筑物是指在水的静力或动力条件下工作，并与水发生相互影响的各种建筑物。

针对安全监测而言，水工建筑物的安全监测的范围除了建筑物本身外，还包括与建筑物安全直接相关的基础、肩部及支撑结构、近建筑物岸边坡、相关建筑物和设备等。

水工建筑物安全监测自动化系统就是能实现水工建筑物安全信息长期、周期性自动采集、自动传输和自动分析处理和安全评价的系统。

根据目前的实际情况，水工建筑物安全监测自动化系统可以分解为数据信息采集系统和信息管理安全评价系统。

前者由传感器监测仪器、通信介质与电源设施、测量控制装置，也称数据采集單元和数据采集工作站等构成。

后者由信息录入子系统、数据预处理与误差分析子系统、数学模型与测值预报子系统、信息融合与安全评价子系统以及结果输出子系统等构成[1]。

2 风险分析为补充的监测项目设置和测点布置
2.1 风险分析
测系统风险从小方面讲是监测系统失效概率及其投资的乘积，从大的方面讲是由于系统失效或达不到预期功能从而使水工建筑物安全风险未能降低的值。

由于后者计算比较困难，本文只考虑前者。

但在自动监测系统建设过程中，我们必须认识到后者的重要性。

筑物安全风险严格按照荷载、结构和地质条件的概率分布及功能函数，并在此基础上考虑失事损失的风险分析方法过程比较复杂，更何况许多损失难以采用定量的方式加以描述，因此考虑结构体系失效及其损失的风险分析方法目前尚缺乏实用性。

为此本文采用国际大坝委员会会刊推荐的风险度方法对大坝进行风险分析，风险指数估算表中考虑的大坝风险因素如表1所示。

2.2 监测项目设置和测点布置及其自动化
在监测项目设置和测点布置过程中，首先就是应该根据规范和风险分析的结果确定监测项目和测点。

这些监测项目和测点能否实现自动化就需要考虑到自动
监测技术是否成熟。

这样按照先确定监测项目和测点，再根据自动化技术水平确定那些项目和测点实现自动化是一般监测项目设置和测点布置的正确步骤。

2.3 两类监测项目设置中应注意的问题
应力监测包括混凝土应力、面板应力、钢板应力和钢筋应力。

应力监测的目的首先是与材料强度指标进行比较，以此了解水工建筑物的安全状况其次是与设计计算和模型实验进行相互校核，以此检验设计计算理论的正确性应力监测可以分成空间问题、平面问题和单向受力问题，空间和平面应力变监测一般是采用应变计组的方法实现的，根据弹性力学有关理论可确定需要埋设应变计组中的应变计数量。

由于同一组应变计一是测量同一“点”的应力的，因此应变计组中的各只应变计是否属于同一个应力状态，即点应力状态是影响应力监测效果的关键因素之一，这也就是采用应变计组进行混凝土应力监测时候，不能将应变计组埋设在应力梯度较大的原因所在。

在土石料结构内部，由于材料本构关系的复杂性，一般不设置应变计组进行应力监测，而是在土体内部或土体和混凝土的接触面、土体与基岩接触面上采用压应力计直接测量压应力。

混凝土应力监测要考虑到混凝土的徐变、温度变形和自身体积变形等因素，因此需要在应变计组附近设置无应力计，并且确保无应力计所测得的应变是真正的自由应变，而且这种自由应变必须与对应应变计组处混凝土的自由应变相等，因此在混凝土材料、湿度和温度等方面必须保证两者一致。

实际上由于在应变计组埋设时候对骨料的剔除、混凝土物理性质离散性、仪器的超然性、测量误差、初始值的确定等原因，使得实测应力也存在一定的误差。

面板应力是面板堆石坝中经常需要进行的监测项目，一般将面板应力看成平面问题进行仪器布置。

实践证明，钢筋应力监测具有比较高的精度，钢筋應力监测与无应力监测配使用对分析结构性态变化具有一定的现实意义[2]。

3 自动监测方法
3.1 垂线法
垂线法具有测值直观、精度高只要是采用高情度的监测仪器，垂线法的综合精度可以达到、实现自动化简单也能进行人工测量、能同时测量两个水平方向上水平位移等优点。

到目前位置，垂线法是实现水平位移监测自动化的主要自动测量方法，尤其是针对混凝土坝，因此在国内外有着广泛的应用。

影响垂线法使用效果的主要因素包括：夕倒垂线锚固深度不够、有效孔径不够、垂线孔内有异物工垂线缺乏保护管，线体受风、雨水或动物影响到垂线浮子过小、倒垂浮桶油量不够或漏油，以及正垂线由于挂重不够等原因引起的钢丝张拉力不够、钢丝强度不够甚至折断等。

在垂线法应用过程中还需要注意的两个问题是由于倒垂线的线体锚固在地面以下，当锚固点与地接通或线体通过地下水与大地接通时候，将使线体形成一个天然的接地体，从而引起雷电破坏，或通过仪器干扰自动监测系统的稳定性，笔者在多个工程中都曾经发现过这一问题水库蓄水或重力场方向对垂线测量的影响，针对这个问题，华锡生教授等有比较深入的研究。

研究结果认为高坝大库应该考虑到水库蓄水或重力场方向对垂线测量的影响[3]。

3.2 引张线法
引张线法具有测量直观、精度相对较高和同时能进行人工测量等优点，尤其
适用于轴线长度小于的水工建筑物，是目前国内采用最多的水平位移自动监测方法之一，特别是在混凝土重力坝上。

由于采用引张线法进行结构水平位移测量时，当需计算测点的绝对位移，则要求知道引张线两个端点的位移。

为此，需要将引张线端点设置在稳定的基岩上，或在引张线端点设置倒垂线，而后者在工程中已被大量采用。

引张线法的自动化与实现垂线法自动化的原理基本相同，它是通过遥测引张线仪实现的，遥测引张线仪原理与结构同遥测垂线坐标仪相同或相似。

3.3 竖直位移
竖直位移沉降常用的自动监测方法是静力水准法。

静力水准法是利用液体连通管的原理，即在同一个重力场与大气压下，连通的液体表面保持在同一高度。

在基准点和测点上设置储液桶，测点沉降将引起所在测点处储液桶内液体深度的变化。

从理论可知，只要液体保持一个平面即可利用静力水准法实现建筑物竖直位移监测，與液体体积或密度无关。

因此从这个意义上讲，适应于重力场、液体密度和大气压均匀的一切应用场合。

目前静力水准仪厂家提出仪器温度使用范围主要是考虑到实际液体水的物理特性及免蒸发成对仪器测量的影响而做出的结论。

影响液体静力水准仪精度的因素很多，其中主要有两种，一种是误差，另一种是外界环境的影响，对于仪器误差中的安装误差、加工误差、毛细现象引起的误差、操作误差、各连接部位变形误差以及液体流失误差，均可以采取措施较好地削弱，而外界影响却难以避免和削弱，导致液体各部分密度不一致而造成误差[4]。

3.4 内部水平位移
影响系统测量误差的主要原因包括钢丝的温度变形、徐变和固定测量如固定游标卡尺的测点墩的位移沉降。

还有的研究者认为，引张线式水平位移计量由于探头在坝体内随着坝体土石料的变形中包括垂直沉降，而垂直沉降导致的钢丝长度变化可能会超过测点的水平位移，因此引张线式水平位移计测量原理和精度还有许多值得商讨的地方。

对此，在资料分析过程中必须考虑到这一因素。

为了减小钢丝长期承受拉力产生徐变、测读结束后，应轻轻移开砝码以减小拉力，这将要求自动监测系统具有控制功能。

每次观测，都必须先测出基准的水平位移计标点水平变形量，再给每个测点引张线钢丝加拉力到一定程度，待读数稳定再进行测量。

当气温与坝体内温度变化较大时，应对测值加上温度影响修正值，一般在坝体内的测点很少设温度观测，为了修正温度对水平位移大小的影响，应在坝体测点位置上设温度测点[5]。

4 结束语
总而言之，本文从多个方面进行分析了讨论，对较为常见的检测方法加以论述，其不足之处还需他人完善。

参考文献
[1] 许光，苏克忠，郭永刚，常廷改，许亮华.国内水工建筑物强震安全监测技术进展[J].水电自动化与大坝监测，2012，36（2）：63-67.
[2] 张志勇，段国学.三峡水利枢纽建筑物安全监测设计[J].人民长江，1997，（10）：41-43.
[3] 胡晓，张艳红，苏克忠.水工建筑物强震监测技术[J].大坝与安全，2015，（2）：53-58.
[4] 张东升，陈洪伟，李占省，李锐.小浪底水利枢纽水工建筑物运行管理与评价[J].人民黄河，2016，38（10）：145-147+152.
[5] 陈星豪，李裕勇.基于本体推理的水電站水工建筑物安全决策模型[J].电子世界，2014，（7）：178-179.。