傳感器在大壩安全監(jiān)測中的發(fā)展與應(yīng)用

摘要:  本文闡述了在大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)中用于傳感、測量、監(jiān)測的各種自動化儀器及其傳感機(jī)理、優(yōu)缺   點(diǎn)、國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀。最后介紹了近年來的先進(jìn)技術(shù)、設(shè)備及大壩監(jiān)測自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵字: 大壩；安全監(jiān)測；傳感器

一、引言

    大壩監(jiān)測自動化經(jīng)歷了從單臺儀器遙測、專用測量裝置、集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)到分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展過程，其發(fā)展與基于儀器設(shè)備的監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步密切相關(guān)，而監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展是以所有監(jiān)測元件的迅猛發(fā)展為標(biāo)志的，包括從相關(guān)的傳感器、測量儀器到轉(zhuǎn)換、處理、存儲、打印和分析設(shè)備的發(fā)展。

    眾所周知，大壩安全監(jiān)測儀器是人們了解大壩運(yùn)行狀態(tài)的耳目，它要能夠在惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定可靠的檢測出大壩微小的物理量變化，所以在某些方面（如在測量精度、長期穩(wěn)定性方面）與其它工業(yè)監(jiān)測行業(yè)相比，其要求更高、難度更大。從外部觀測的靜力水準(zhǔn)、正倒錘、激光準(zhǔn)直到內(nèi)部觀測的滲壓計、沉降計、測斜儀、土體應(yīng)變計、土壓計，其自動化遙測都是建立在高可靠性的傳感器的基礎(chǔ)上。近年來，隨著大型水壩建筑的增多和高科技的應(yīng)用，大壩安全監(jiān)測正向一體化、自動化、數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。

二、變形監(jiān)測

    變形觀測主要是監(jiān)測大壩本身及局部位置隨時間的變化，即確定測點(diǎn)在某一時刻的空間位置或特定方向的位移，可分為水平位移監(jiān)測和垂直位移監(jiān)測。目前，水平位移監(jiān)測自動化主要采用垂線法、引張線法及真空激光準(zhǔn)直法；垂直位移監(jiān)測自動化有真空激光準(zhǔn)直法和靜力水準(zhǔn)法，近年還出現(xiàn)了采用GPS或全站儀實(shí)現(xiàn)水平位移監(jiān)測和垂直位移監(jiān)測自動化的例子。目前，在國內(nèi)工程中使用的新型步進(jìn)式變形監(jiān)測儀器 STC-50型坐標(biāo)儀、SWT50型引張線儀反映效果良好。

1、測垂線坐標(biāo)儀

    隨著傳感技術(shù)進(jìn)步，遙測垂線坐標(biāo)發(fā)展到CCD式和感應(yīng)式垂線坐標(biāo)儀。如采用差動電容感應(yīng)原理的電容感應(yīng)式遙測儀，當(dāng)測點(diǎn)相對于線體垂直方向發(fā)生位置變化時，則差動電容比值隨之發(fā)生變化，通過測量電容比，測出垂直方向的位移。電容感應(yīng)式坐標(biāo)儀技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、長期穩(wěn)定性好、成本低、防水性能優(yōu)越，適用于環(huán)境較惡劣的大壩。

    目前世界上具有研制并生產(chǎn)電容感應(yīng)式坐標(biāo)儀能力的國家僅有三個：法國TELEMAC公司研制生產(chǎn)的變磁阻式坐標(biāo)儀；意大利國家電力局與米蘭大學(xué)研制、SELL公司生產(chǎn)的TCE/03型變磁阻式坐標(biāo)儀；我國國家電力公司電力自動化研究所研究院研制生產(chǎn)的電容感應(yīng)式垂線坐標(biāo)儀和武漢地震所研制的電磁感應(yīng)式垂線坐標(biāo)儀。

2、引張線遙測技術(shù)

    在直線型壩中用引張線法測量壩體的水平位移，其原理與電容感應(yīng)式垂線坐標(biāo)儀相同，區(qū)別僅在于測量的方向。因其設(shè)備簡單、測量方便、測量速度快、精度高、成本低而在我國大壩安全監(jiān)測中起著很重要的作用。

    早期安裝在壩上的引張線儀，由人工來測讀標(biāo)尺上的水平位移，隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)已有步進(jìn)電機(jī)光電跟蹤式引張線儀、電容感應(yīng)式引張線儀、CCD式引張線儀及電磁感應(yīng)式引張線儀。僅南京電力自動化研究院一家在現(xiàn)場安裝的遙測引張線儀就達(dá)1500套。但由于引張線裝置受環(huán)境影響較大，尤其是在線體較長和溫度變幅較大的情況下，在北方（如豐滿、太平哨等工程中）己被真空激光準(zhǔn)直所代替；再者就是在采用引張線實(shí)現(xiàn)水平位移監(jiān)測時，要定期檢查線體及補(bǔ)充浮液，從而使“自動化”受到一定程度的限制。

3、遙測靜力水準(zhǔn)儀

    基礎(chǔ)沉降、傾斜監(jiān)測是壩體的重要監(jiān)測項目。所以要求測量儀器量程小、精度高、長期測量穩(wěn)定可靠，國內(nèi)外在該領(lǐng)域都投入了較大的力量，開發(fā)出了技術(shù)先進(jìn)、性能價格比高的產(chǎn)品。

   （1）國內(nèi)生產(chǎn)的電容感應(yīng)式靜力水準(zhǔn)儀是與連通管配合用于測量各測點(diǎn)的垂直位移的儀器。當(dāng)儀器位置發(fā)生垂直位移時，通過采用屏蔽管接地改變電容的感應(yīng)長度，以達(dá)測量的目的。 
   （2）武漢地震所研制生產(chǎn)的浮子式靜力水準(zhǔn)儀是利用差動變壓器式位移傳感器對垂直位移進(jìn)行測量的，它在國內(nèi)使用較多，是一種測量精度和穩(wěn)定性較好的儀器。該儀器通過浮子上的鐵芯在傳感器的線圈中上下相對移動而測出垂直位移。
   （3）步進(jìn)馬達(dá)式靜力水準(zhǔn)儀的工作原理是通過步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動絲桿垂直的上下運(yùn)動，測出步進(jìn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動脈沖數(shù)以得知儀器垂直位移的大小。該型儀器由步進(jìn)馬達(dá)測針跟蹤液面，精度較高；不足之處是存在長期高濕度環(huán)境下機(jī)械傳動部件防潮的問題及探針探測液位精度及探針腐蝕的問題。
   （4）意大利SIS公司高精度水管式靜力水準(zhǔn)儀是通過渦流傳感器非接觸測量浮子的上下移動來實(shí)現(xiàn)垂直位移測量的。但由于測量范圍小、價格高而未在國內(nèi)運(yùn)用。國外還有水管式靜力水準(zhǔn)儀，是一種利用超聲傳感器自動測量液位高度變化的儀器。
   （5）鋼弦式靜力水準(zhǔn)儀的原理是當(dāng)發(fā)生垂直位移時，圓柱形浮體上下移動，通過圓柱體的弦式測力傳感器測出浮體上下移動引起的浮力大小的變化而感知測點(diǎn)垂直位移的變化。該儀器測量范圍大、測量精度較高、長期穩(wěn)定性好。

4、激光準(zhǔn)直測量技術(shù)

    真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)，是將三點(diǎn)法激光準(zhǔn)直和一套適于大壩變形觀測特點(diǎn)的動態(tài)軟連接真空管道結(jié)合起來的系統(tǒng)，又稱波帶板激光準(zhǔn)直。它由發(fā)射端設(shè)備（用一個激光源）、接受端設(shè)備、測點(diǎn)設(shè)備、真空管道和真空泵等組成。由于各測點(diǎn)設(shè)備均布設(shè)在真空管道內(nèi)，因此不受外界溫度、濕度等環(huán)境條件的影響，觀測精度大為提高，還可同時測得大壩的水平位移和垂直位移。真空管道波帶板激光準(zhǔn)直可進(jìn)行三維測量，能在惡劣環(huán)境下工作，它滿足了大壩變形監(jiān)測及時、迅速、準(zhǔn)確的要求。國內(nèi)已有東北勘測設(shè)計院科研所、朝陽監(jiān)測技術(shù)研究所、西北勘測設(shè)計院、電力自動化研究所研制生產(chǎn)了該系統(tǒng)，并已在工程上運(yùn)用。但該設(shè)備也有局限性，即激光設(shè)備要求用于直線型、可通視環(huán)境，一般安裝在直線壩的壩面或水平廊道，對于拱壩、曲線壩則無能為力，所以有待于實(shí)現(xiàn)激光轉(zhuǎn)角來拓展其應(yīng)用范圍。

5、GPS技術(shù)

    GPS衛(wèi)星定位技術(shù)已對測量界產(chǎn)生了深刻影響，在國內(nèi)混凝土壩和土壩變形監(jiān)測中已開始運(yùn)用。GPS接收機(jī)體積小、測量精度高，適合野外工作，在潮濕、多粉塵、炎熱或嚴(yán)寒的環(huán)境下也能長期正常工作。該系統(tǒng)具有全天候、實(shí)時、自動化監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，可用于大壩的動態(tài)實(shí)時位移監(jiān)測、振動頻率測試和安全運(yùn)營報警系統(tǒng)。GPS運(yùn)用于隔河巖大壩的變形監(jiān)測已多年，在 1998年 8月大壩蓄水至150年一遇的洪水水位期間，GPS監(jiān)測系統(tǒng)一直安全可靠的工作，其抗干擾能力強(qiáng)、監(jiān)測精度高、數(shù)據(jù)分析處理及時，能夠快速反映大壩在超高蓄水下的3-D變形，不僅確保了大壩的安全，也成功地實(shí)現(xiàn)了洪水錯峰，對防洪減災(zāi)起到重大作用。

三、滲流監(jiān)測

    土石壩變形方面出現(xiàn)的問題，如迎水面和下游面的滑坡、塌陷、壩基的滑動等，都是和孔隙水壓力變化密切相關(guān)的，其發(fā)生的原因也多半是由于滲流破壞引起的。因此，滲流監(jiān)測被認(rèn)為是土石壩安全監(jiān)測中的重點(diǎn)?；炷翂蔚臐B流監(jiān)測主要是揚(yáng)壓力、滲流量監(jiān)測。該類儀器對長期穩(wěn)定性要求較高。    

1、弦式儀器

    該儀器利用鋼弦振動頻率隨鋼絲引力變化的原理，通過電磁鐵激振鋼絲，由磁鐵線圈感應(yīng)鋼弦振動頻率得知鋼絲應(yīng)變。其一般采用進(jìn)口的鋼弦式滲壓計，這種儀器直徑較小，可以安裝在測壓管中，測值穩(wěn)定、精度及靈敏度高、飄移量較小且溫度影響可以修正。用測壓管進(jìn)行滲流監(jiān)測，有兩個突出優(yōu)點(diǎn)：  

   ①人工比測和自動化監(jiān)測可以同時進(jìn)行，并可以相互校驗(yàn)；
   ②萬一放置在測壓管中的滲壓計損壞或性能較差，可進(jìn)行更換，不會影響繼續(xù)監(jiān)測。
   美國Geokon公司的振弦式儀器性能較為穩(wěn)定，4500S系列用于測壓管水位監(jiān)測效果較好，而帶通氣孔的4500ALV及4580系列振弦式儀器由于自身能平衡大氣壓，加之精確度較高、穩(wěn)定性好，可以滿足采用量水堰法進(jìn)行滲漏量監(jiān)測的需要。

2、壓阻傳感器

    壓阻傳感器用在硅半導(dǎo)體材料上制成的壓敏感電阻作為敏感元件，在水壓力作用下使做成橋路的半導(dǎo)體電阻因壓阻效應(yīng)而輸出電量，由此測出水壓的變化。由于壓阻傳感器靈敏度高、分辨率高、體積小，所以在大壩工程上的運(yùn)用步伐逐步加快。國家電力公司電力自動化研究院生產(chǎn)的NYZ型壓阻傳感器已在多個工程中運(yùn)用。

3、滲流量儀

    水位監(jiān)測除可采用高精度壓力傳感器外，國內(nèi)單位生產(chǎn)的浮子式水位計同樣能滿足工程需要。監(jiān)測滲流的儀器有管口滲流量計和多種型式量水堰滲流量儀。量水堰滲流量儀的浮子直接感應(yīng)堰上的水位變化，進(jìn)而求出流量。目前，在工程上應(yīng)用較多的是電容感應(yīng)式和步進(jìn)馬達(dá)跟蹤式量水堰儀。電容感應(yīng)式量水堰滲流量儀測量范圍大、測量精度高、結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。當(dāng)然，滲流量測量還可采用其它多種方案，如用高精度微壓計進(jìn)行量水堰水位監(jiān)測，或采用超聲波流量計等。一些不適宜用量水堰測量的滲流量可以采用翻斗式的遙測滲流量計，對于集水井的平均滲流量可采用集水井專用測控裝置及配套的水位傳感器測量，它能按設(shè)定水位自動控制水泵抽水并給出大壩的總滲流量。

4、計算機(jī)層析成像技術(shù)

    計算機(jī)層析成像技術(shù)（CT：Computerized  Topography，）指在不破壞物體結(jié)構(gòu)的前提下，根據(jù)在物體周邊所獲取的某種物理量（如波速、X射線光強(qiáng)）的一維投影數(shù)據(jù)，運(yùn)用某種數(shù)學(xué)方法，通過計算機(jī)處理，重建物體特定層面上的二維圖像及三維圖像的技術(shù)。由于其能夠定量反映大壩內(nèi)部材料性質(zhì)的分布情況和缺陷部位，所以減少了儀器設(shè)備的復(fù)雜性并提高了大壩的安全度，同時對大壩內(nèi)部性態(tài)檢測、缺陷搜索和老化評判提供重要依據(jù)。所以意大利、日本先后將CT技術(shù)用于大壩性態(tài)診斷，有效地進(jìn)行了大壩安全檢查及工程處理效果驗(yàn)證。

四、應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測

    通過埋設(shè)在大壩內(nèi)部特定部位的儀器，如應(yīng)變計、測縫計、裂縫儀、滲壓計、揚(yáng)壓力計、溫度計等，對大壩的應(yīng)力應(yīng)變、裂縫、滲流滲壓及溫度等進(jìn)行持續(xù)自動化觀測來計算拱壩的徑向應(yīng)力、拱向應(yīng)力和梁向應(yīng)力，這對于大壩的安全評判十分重要。目前差動電阻式儀器(卡爾遜儀器)和弦式儀器廣泛地用于混凝土壩的溫度、應(yīng)力應(yīng)變、滲壓等監(jiān)測中。

1、差動電阻式儀器

    利用電阻絲變形與電阻成正比的原理實(shí)現(xiàn)的該類儀器因其防潮、長期測量穩(wěn)定可靠、測試方法簡單、絕緣要求低、防雷能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)、可兼測溫度而在國內(nèi)得到了較廣泛的運(yùn)用。針對該類儀器內(nèi)阻低、儀器電阻變差會影響測值等難題，國內(nèi)工程技術(shù)人員創(chuàng)造了5芯儀器測量原理，使得儀器測量與電阻變差及電纜芯線電阻大小無關(guān)，實(shí)現(xiàn)了差阻式儀器的自動化監(jiān)測。

2、光纖傳感技術(shù)

    光纖傳感是用光導(dǎo)纖維來感受各種物理量并傳送所感受信息的技術(shù)。光纖傳感器自身不產(chǎn)生幅射、不發(fā)熱、不產(chǎn)生火花，且不受外界電磁幅射的干擾，可安裝在物體的表面或內(nèi)部，連續(xù)地對諸如應(yīng)變、應(yīng)力、位移、裂縫、孔隙壓力、溫度等狀況進(jìn)行監(jiān)測。它以激光作載波，光導(dǎo)纖維作傳輸路徑來感應(yīng)、傳輸各種信息，可以替代高雷區(qū)、強(qiáng)磁場區(qū)或潮濕地帶的電子儀器。國外利用分布式光纖網(wǎng)絡(luò)溫度測量來確定大壩中的滲漏位置和用分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)測定壩體混凝土中裂縫大小及位置等方面已有報道，國內(nèi)在應(yīng)用理論研究上也有了較快發(fā)展，針對大壩監(jiān)測研究的幾種光纖傳感系統(tǒng)已獲得專利權(quán)。光纖傳感器可布設(shè)成分布式網(wǎng)絡(luò)，具有許多傳統(tǒng)傳感器無法替代的優(yōu)點(diǎn)：

   （1）傳感和數(shù)據(jù)通道集為一體，便于組成遙測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線分布式監(jiān)測；
   （2）測量對象廣泛，適于各種物理量的觀測； 
   （3）體積小、質(zhì)量輕、非電連接、無機(jī)械活動件，不影響埋設(shè)點(diǎn)物性；
   （4）通信容量大、速度快、靈敏度高，可遠(yuǎn)距測量；
   （5）耐水性、電絕緣好、耐腐蝕，抗電磁干擾；
   （6）頻帶寬，有利于超高速測量。

3、滲流熱監(jiān)測技術(shù)

    根據(jù)低溫和大量滲漏存在聯(lián)系，及溫度測值和抽水試驗(yàn)所得到的滲透系數(shù)間有很好的負(fù)線性相關(guān)系數(shù)等事實(shí)，可以認(rèn)為溫度分布圖像可幫助發(fā)現(xiàn)滲漏較嚴(yán)重部位，有效實(shí)現(xiàn)滲流異常報警。目前壩體監(jiān)測中大多安置了測溫計，溫度測頭可放置在結(jié)構(gòu)物或地下一定深度只受氣溫年變化影響而不受氣溫短期變化影響處，發(fā)現(xiàn)溫度異常即可判斷存在滲漏。根據(jù)能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程、滲流運(yùn)動方程及初始條件、邊界條件、推導(dǎo)出有關(guān)計算公式、設(shè)計數(shù)據(jù)計算方法及程序后，就可以把溫度測得數(shù)據(jù)代入，得出定量描述壩及地基中的熱流和滲流場， 這樣通過分析溫度變化就能較準(zhǔn)確地估計其滲透性。此項技術(shù)在美、前蘇、瑞典等國己成功應(yīng)用。要在我國大壩監(jiān)測中推廣，重要的是根據(jù)具體壩的情況設(shè)計出合理的計算公式和數(shù)據(jù)處理程序軟件。

五、環(huán)境量監(jiān)測

    環(huán)境量監(jiān)測包括對水位、氣溫、降雨量等量的監(jiān)控，比如，用水位計測量大壩的上下游水位、溢流堰水位，用雨量計測量降水量，用溫度計測大氣干濕溫度等。銅電阻溫度計或長春氣象儀器研究所HBW型鉑電阻溫度計目前應(yīng)用較好，其它環(huán)境量監(jiān)測儀器則可選水利部南京水利水文自動化研究所的水文儀器，因?yàn)樵撍a(chǎn)品己在國內(nèi)外200多個工程中得到應(yīng)用，已出口美國、澳大利亞等國。

六、監(jiān)測新進(jìn)展

    隨著電子計算機(jī)、激光、GPS、空間技術(shù)、光纖傳感等高技術(shù)的發(fā)展，一些新的技術(shù)和設(shè)備引入了大壩監(jiān)測系統(tǒng)，比如用熱梯度面檢查可發(fā)現(xiàn)滲漏，用聲學(xué)裝置可發(fā)現(xiàn)裂紋，經(jīng)緯儀在確定自身位置后，可測出水庫邊坡的系列標(biāo)高；更為精確的全球定位系統(tǒng)可用于監(jiān)測位移；遠(yuǎn)程攝影可對暫時無法接近的大壩全貌進(jìn)行拍攝，也可監(jiān)測溢洪道或泄洪底孔安全，并對為防止遭受破壞而未經(jīng)許可不得進(jìn)入的附屬設(shè)施和控制單元進(jìn)行監(jiān)測；遙控機(jī)器人則可對水下的壩體、進(jìn)水口和壓力管道進(jìn)行檢查，而無需抽干水庫；光導(dǎo)纖維傳輸信號不但可以避免光照影響、電波頻率和電磁波的干擾，而且可以對光纖傳感器檢測到的壓力和應(yīng)力分布以及溫度在整個長度范圍內(nèi)的變化以高精度傳輸。此外，一批應(yīng)用了新技術(shù)的設(shè)備也已開始嶄露頭角，如滑動微分儀、差分儀、延展儀、激光測距儀以及為了測量瀝青混凝土心墻變形的磁性儀器等。

七、結(jié)束語

    目前，國內(nèi)外大壩監(jiān)測系統(tǒng)隨著高科技的應(yīng)用，自動化程度有了很大的提高。其中，基于總線結(jié)構(gòu)和單板結(jié)構(gòu)的測控裝置使得測控系統(tǒng)在監(jiān)測準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、可靠性、通用性及簡易性等方面都有了大幅提高。在幾何學(xué)、物理學(xué)、計算機(jī)仿真等多學(xué)科、多領(lǐng)域的融合下，大壩觀測技術(shù)將向一體化、自動化、數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。