大坝安全监测仪器和监测设备

大坝安全监测仪器和监测设备储海宁2013年5月14日2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备前言应力应变及温度监测仪器选型的基本要求目录应力应变及温度监测仪器发展应力应变及温度监测仪器的选型分析变形监测仪器渗流监测仪器2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备前言大坝安全监测项目主要有四类，即应力应变和温度监测,变形监测，渗流监测及环境量监测。前三类监测直接关系大坝安全，各类监测都要选用适当的专用传感器，才能长期稳定，准确实现所需监测，否则，不仅浪费工程资金，得不到可靠资料，甚至导致对大坝安全的误判。因此，充分了解监测仪器的性能，正确选型，正确施工安装，及时维护，保证仪器正常运行，至关重要。2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备上世纪30年代，欧洲和北美兴起筑坝的高潮,认识到使用专门的仪器对大坝工作性态进行监测。1932年,美国加利福尼亚大学卡尔逊发明了差阻式仪器。1933年，美国垦务局首先在奥怀希（Owyhee）拱坝上埋设了应变计，用于研究拱坝的应力状态。1933年，在莫瑞斯（Morris）、诺里斯（Norris）、海瓦西（Hiawassee）、方坦那（Fontana）等坝上埋设了大量的应变计，同时埋设了铜电阻温度计，以监测混凝土的温度。上世纪40年代，美国的夏斯塔（Shasta）高重力坝埋设了大量差阻式仪器，取得了良好成果。1947年，葡萄牙即采用观测方法研究大坝的应力状态，1952年前用的是钢弦式仪器，1952年后改用差阻式仪器1.1应力应变及温度监测仪器的发展2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备上世纪五十年代,中国开始建设大型工程,对混凝土坝埋设仪器进行了选型个研究,,认为差阻式仪器优于钢弦式仪器.当时只能从瑞士和日本进口,来满足建设需要。1956年北京航空学院首先研制出差阻式大应变计,此后,上海南京多家工厂仿制和生产了大量差阻式仪器,但因质量不高,只能予以销毁.水电部决定由南京水利电力仪表厂(本单位前身)独家重新研制，1964年首先研制了四个品种，三个品种通过鉴定，此后，陆续研制和改进到了八十年代已可供应全国，且有一定出口。现在生产厂家已不止一家，国电南自仍因历史悠久，产品质量优良，成为客户首选。1.2中国差阻式仪器的研制2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备2应力应变监测仪器应力应变监测：主要监测大坝的应力应变及温度等物理量,包括裂缝或接缝，以了解大坝在施工中和蓄水后的性态，验证设计,评估施工质量，评判大坝安全度，为安全运行及改进设计提供依据。2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备2.1差阻式仪器的基本原理基本原理：差动电阻式仪器采用了两根钢丝，经过预拉张紧交叉缠绕固定在两个方铁杆上的两组绝缘瓷子上，形成内外两圈。拉力的大小由仪器的最大拉压范围和钢丝强度决定。在两端受到外界的拉、压变形时，一根钢丝受拉，电阻增加，一根受压，电阻减小。电阻差动变化，故称差动电阻式仪器，简称差阻式仪器。ΔLLR1R2图1差阻式仪器的基本原理2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备2.2电桥的基本原理差阻式传感器的测量装臵采用电阻比电桥（惠斯通电桥）。电桥内有一可以调节的可变电阻R，两个串联在一起的50Ω固定电阻M/2。仪器钢丝电阻R1、R2、可变电阻R、固定电阻构成电桥电路，可以测得电阻比R1/R2及电阻和R1+R2，见图2.R1R2MRM/2R1+R2RM/2（a）测电阻比（b）测电阻和图2电阻比电桥测量原理检流计指零时：由图（a）有：由图（b）有：MRRR21RMRRM2/2/2121RRR进而有：2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备图3电阻比电桥—三芯、四芯测法原理（SBQ-2）（a）四芯测电阻（b）三芯测电阻3V300ΩR2R1G0G1R50Ω50Ωr4r3r2r1白绿红黑G300Ω3VG0G1R50Ω50ΩR2R1r4r3r1白绿红黑G1421rrRRRT1421rrRRRS2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备图4电阻比电桥—三芯、四芯测法原理（SBQ-2）（c）四芯测电阻比（d）三芯测电阻比300ΩR2R1G0G1100Ωr4r3r2r1白绿红黑G3VR300ΩR2R1G0G1100Ωr4r3r1白绿红黑G3VR4211100rRrRR4211100rRrRR2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备图5电阻比电桥—恒流源五芯测法原理（SQ-5/PRM-1）ＲsUsr4黑r3红U2r2绿U１U3r1白I0r5蓝R2R1接五芯电缆传感器Rs为标准电阻，I0为恒流电流。如图可得出：Us=I0*RsU1=I0*R1U2=I0*R2U3=I0*(R1+r1)ss2121tRUUURRR2121UURRZ2应力应变监测仪器2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备（1）测量技术和测量设备进行了根本性改革，实现了远距离准确测量和自动化。采用五芯电缆连接仪器：传统的四芯测法和三芯测法不能完全消除电缆电阻对测量的影响，特别是芯线电阻变差（即芯线电阻之间的差值随着时间发生变化，如芯线氧化或端部断丝即会产生这样的变差）影响。芯线电阻变差对长期监测资料的准确性有很大的危害，造成测值的跳动，尤其是电阻比测值更易受影响。为了解决这个难题，采用了五芯测法。3差阻式仪器的技术改革2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备（2）发展新品种，研发生产耐高压传感器。传统的差阻式仪器只能承受0.5MPa的水压力，对于中小型工程是可以满足要求的，但不能满足当代越来越多的高坝建设的需要。为了仪器能够承受更高的水压力，我们采取内外压力平衡技术，使仪器能承受3MPa以上的高水压力，可适合300m高坝、抽水蓄能电站、高水头压力钢管或深复盖坝基防渗墙使用。3差阻式仪器的技术改革2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备（3）提高仪器灵敏度，增大测量范围。差阻式渗压计因其测值稳定，能兼测温度而在测量水工建筑物的渗透压力时广泛应用，但是其灵敏度较低。SZ-4A型渗压计，它的满量程的电阻比360个，比原来的180个电阻比增加了一倍，其灵敏度也就提高了一倍。差阻式钢筋计原有的测量范围只有200MPa，相应的电阻比为250个，现在测量范围提高到400MPa，相应的电阻比为330个。这样不仅提高了灵敏度，而且更适用于高强度钢筋的钢筋混凝土中应用。3差阻式仪器的技术改革2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备（4）发展新品种，扩大应用范围。现在差阻式仪器的品种已经由原来的8种增加到数十种，其中安全监测仪器即传感器有16个品种，包括大应变计、小应变计、钢板应力计、无应力计、钢筋计、锚杆应力计、渗压计、应力计、测缝计、位移计、基岩变形计、裂缝计、多点位移计、锚索测力计、土压力计、电阻温度计。测量仪表和自动化数据采集装臵各一种，配套检测率定等设备有各种规格的校正仪、电桥率定器、电缆硫化器等10种。3差阻式仪器的技术改革2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备上世纪三十年代，在欧洲，法，德，前苏联都各自研制成功钢弦式仪器，有工厂生产。这种仪器的优点是能远距离测量，分辨力高，体积小，重量轻，便于使用。工作原理：利用钢丝的自振频率变化显示所测物理量的变化。它只能测量一种物理量，不能同时测量温度量。为了改进这个缺点，现代的振弦式仪器中加装了热敏电阻，用于测量温度。4钢弦式仪器的基本原理波纹管外壳钢弦夹线器电磁铁/线圈引出线图6钢弦式仪器的工作原理2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备（1）仪器的长期稳定性要好。埋设仪器的工作条件是很特殊的，一旦埋入建筑物或基岩内部，就不可能更换、维修、率定，因此必须能够在长达十几年的使用期内保持稳定的测值。也就是说，仪器的基准零点不能变化，仪器的最小读数（灵敏度）不能变化，仪器的温度系数不能变化。5应力应变及温度监测仪器选型的基本要求2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备（2）仪器测值应不受电缆阻抗的影响，在实现遥测自动化时能保证测值准确性。埋设仪器在实际使用时已埋设在建筑物或岩土体内部，观测人员是不可能直接接触该仪器以进行测量。现在通用的埋设仪器都是用电缆传输测值信号，以便在远离埋设点的监测站进行测量。埋设仪器中的敏感元件利用各种电感、电容、电阻或振动频率将物理量变换为电量通过电缆远传，电缆中的阻抗会对测值信号造成影响，使仪器的精度降低，有规律的影响可以设法修正，无规律的影响只能视为系统误差而不能修正5应力应变及温度监测仪器选型的基本要求2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备（3）仪器使用寿命要长，能保证10～20年内连续正常使用。水工建筑物施工周期长，运行年限更长。已埋设仪器在建筑物长期施工运行中不能更换，也不可能和建筑物同寿。仪器的使用寿命必须延长到10年以上，保证能用于施工期监测，在蓄水后3～5年内也能正常使用。仪器使用寿命是难以用试验方法测试的指标，必须从现场实际使用情况进行考察，仪器质量也和使用寿命有一定关联，因此在仪器选型时还需要考虑到生产厂家。5应力应变及温度监测仪器选型的基本要求2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备（4）埋设仪器性能必须与监测功能要求匹配。这是一个易于忽略的问题，选定的仪器必须满足监测功能的要求，以实现设计中预期的监测目的。为了解决这个问题首先要对仪器的性能和使用方法充分了解，选择那些和预期监测目的相适应的仪器。例如设计要求监测混凝土应力，就要求仪器的变形模量不高于500MPa，且能同时测出测点的温度，否则就不能选用。5应力应变及温度监测仪器选型的基本要求2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备（5）埋设仪器要有较强的防水防雷性能，要有较高的绝缘度。大坝岩土环境十分恶劣，埋设仪器需要能在一定水压下长期工作，仪器和连接电缆不能进水，其绝缘度不能降低到不能工作或引入很大误差。大坝通常位臵于雷电高发地区，仪器要有抗感应雷电流的能力，否则易于为雷电流损坏。5应力应变及温度监测仪器选型的基本要求2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备（6）埋设仪器要配套齐全，厂家应有成套产品供应在大坝和岩土工程中埋设仪器通常都需要不少品种，从采购、率定、埋设和测量等各个环节都希望采用同一类型的仪器，这样工作单纯和方便。如果在同一工程中采用多种类型的仪器，各自都要专用的率定、测量设备，采购、率定、埋设、观测工作量都大为增加。因此，仪器选型时同时要了解仪器的配套性，尽可能为实施监测设计取得良好的监测效果创造条件。5应力应变及温度监测仪器选型的基本要求2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备（1）差阻式仪器的长期稳定性优良。差阻式仪器由两阻钢丝组成，其测值稳定性取决于钢丝材料的松弛，钢丝的锈蚀和焊接点的脱焊。生产厂家（南京电力自动化设备厂）经过几十年的努力，钢丝的锈蚀和焊接点的脱焊已完全解决。从这种仪器的原理来看，钢丝材料的松弛，对电阻的影响是一次性的，电阻比是内外两个线圈电阻值的比值，因此基本不受影响。现在，对钢丝材料的松弛也有一定的工艺进行处理，可使其影响十分微小，长期稳定性良好。钢弦仪器依靠单根钢弦的振动，其频率和钢弦的应力成平方根关系，频率的平方和应力成一次关系，钢丝材料的松弛对测值的影响比差阻式仪器严重得多。长期稳定性就成为钢弦式仪器作为埋设仪器的大患。6应力应变及温度监测仪器的选型分析2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备（2）差阻式仪器可兼测同一测点的温度。对于混凝土坝来说，温度是一非常重要的物理量。混凝土的温度控制和温度应力监测都需要了解温度的大小、分布和变化规律。埋设仪器资料的温度修正（温度补偿）需要温度测值。对于土石坝来说，根据坝体和坝基的温度场，可以及时发现渗流问题。钢弦式仪器原来不能兼测测点温度，需要另外埋设温度计。现在有的新式钢弦式仪器中安装了温度传感器，是高阻值的热敏电阻，能够测温。这样可以解决这种仪器本身需要的温度修正（温度补偿）问题，也可提供测点的温度测值。但从实际使用情况看，其测值精度较低，易于损坏，因为其阻值高，在受潮后易于短路。6应力应变及温度监测仪器的选型分析2013年5月大坝安全监测仪器和监测设备（3）差阻式应变计变形模量低，更适合测量