设备管理_大坝安全监测仪器和监测设备讲义

大坝安全监测仪器和监测设备 储海宁储海宁 2013年5月14日 20132013年年5 5月月 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 前言前言 应力应变及温度监测仪器选型的基本要求应力应变及温度监测仪器选型的基本要求 目目 录录 应力应变及温度监测仪器发展应力应变及温度监测仪器发展 应力应变及温度监测仪器的选型分析应力应变及温度监测仪器的选型分析 变形监测仪器变形监测仪器 渗流监测仪器渗流监测仪器 20132013年年5 5月月 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 前前 言言 大坝安全监测项目主要有四类，即应力应变和温度监测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，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。维护，保证仪器正常运行，至关重要。 20132013年年5 5月月 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 上世纪上世纪3030年代，欧洲和北美兴起筑坝的高潮年代，欧洲和北美兴起筑坝的高潮, , 认识到使用专门的仪认识到使用专门的仪 器对大坝工作性态进行监测。器对大坝工作性态进行监测。 19321932年年, ,美国加利福尼亚大学卡尔逊发明了差阻式仪器。美国加利福尼亚大学卡尔逊发明了差阻式仪器。 19331933年，美国垦务局首先在奥怀希（年，美国垦务局首先在奥怀希（OwyheeOwyhee）拱坝上埋设了应变计）拱坝上埋设了应变计 ，用于研究拱坝的应力状态。，用于研究拱坝的应力状态。 19331933年，在莫瑞斯（年，在莫瑞斯（MorrisMorris）、诺里斯（）、诺里斯（NorrisNorris）、海瓦西（）、海瓦西（ HiawasseeHiawassee）、方坦那（）、方坦那（FontanaFontana）等坝上埋设了大量的应变计，同时埋）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。设了铜电阻温度计，以监测混凝土的温度。 上世纪上世纪4040年代，美国的夏斯塔（年代，美国的夏斯塔（ShastaShasta）高重力坝埋设了大量差阻）高重力坝埋设了大量差阻 式仪器，取得了良好成果。式仪器，取得了良好成果。 19471947年，葡萄牙即采用观测方法研究大坝的应力状态，年，葡萄牙即采用观测方法研究大坝的应力状态，1952 1952 年前年前 用的是钢弦式仪器，用的是钢弦式仪器，1952 1952 年后改用差阻式仪器年后改用差阻式仪器 1.11.1应力应变及温度监测仪器的发展应力应变及温度监测仪器的发展 20132013年年5 5月月 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 上世纪五十年代上世纪五十年代, ,中国开始建设大型工程中国开始建设大型工程, ,对混凝土坝埋设仪器进行对混凝土坝埋设仪器进行 了选型个研究了选型个研究,认为差阻式仪器优于钢弦式仪器认为差阻式仪器优于钢弦式仪器. . 当时只能从瑞士和日当时只能从瑞士和日 本进口本进口, ,来满足建设需要。来满足建设需要。 19561956年北京航空学院首先研制出差阻式大应变计年北京航空学院首先研制出差阻式大应变计, ,此后此后, ,上海南京多上海南京多 家工厂仿制和生产了大量差阻式仪器家工厂仿制和生产了大量差阻式仪器, ,但因质量不高但因质量不高, ,只能予以销毁只能予以销毁. .水水 电部决定由南京水利电力仪表厂电部决定由南京水利电力仪表厂( (本单位前身本单位前身) )独家重新研制独家重新研制，19641964年首年首 先研制了四个品种先研制了四个品种，三三 个品种通过鉴定个品种通过鉴定，此后此后，陆续研制和改进到了陆续研制和改进到了 八十年代已可供应全国八十年代已可供应全国，且有一定出口且有一定出口。 现在生产厂家已不止一家现在生产厂家已不止一家，国电南自仍因历史悠久国电南自仍因历史悠久，产品质量优良产品质量优良 ，成为客户首选成为客户首选。 1.2 1.2 中国差阻式仪器的研制中国差阻式仪器的研制 20132013年年5 5月月 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 2 应力应变监测仪器应力应变监测仪器 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。，评判大坝安全度，为安全运行及改进设计提供依据。 20132013年年5 5月月 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 2.1 2.1 差阻式仪器的基本原理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。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，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 器器 。 LL R1 R2 图图1 1 差阻式仪器的基本原理差阻式仪器的基本原理 20132013年年5 5月月 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 2.2 2.2 电桥的基本原理电桥的基本原理 差阻式传感器的测量装臵采用电阻比电桥（惠斯通电桥）。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电桥内有一可以调节的可变电阻R R，两个串联在一起的，两个串联在一起的5050固定固定 电阻电阻M/2M/2。仪器钢丝电阻。仪器钢丝电阻R1R1、R2R2、可变电阻、可变电阻R R、固定电阻构成电、固定电阻构成电 桥电路，可以测得电阻比桥电路，可以测得电阻比R1/R2R1/R2及电阻和及电阻和R1+R2 R1+R2 ，见图，见图2.2. R1 R2 M R M/2 R1+R2 R M/2 （a）测电阻比（b）测电阻和 图图2 2 电阻比电桥测量原理电阻比电桥测量原理 检流计指零时：检流计指零时： 由图（由图（a a）有：）有： 由图（由图（b b）有：）有： M R R R 2 1 R M RR M2/2/ 21 21 RRR 进而有：进而有： 20132013年年5 5月月 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 图图3 3 电阻比电桥电阻比电桥三芯、四芯测法原理（三芯、四芯测法原理（SBQSBQ- -2 2） （a）四芯测电阻（b）三芯测电阻 3V 300 R2R1 G0G1 R 50 50 r4r3r2 r1 白绿红黑 G 300 3V G0G1 R 50 50 R2R1 r4r3 r1 白绿红黑 G 1421 rrRRRT1421 rrRRRS 20132013年年5 5月月 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 图图4 4 电阻比电桥电阻比电桥三芯、四芯测法原理（三芯、四芯测法原理（SBQSBQ- -2 2） （c）四芯测电阻比（d）三芯测电阻比 300 R2R1 G0 G1 100 r4r3r2 r1 白绿红黑 G 3VR 300 R2R1 G0 G1 100 r4r3 r1 白绿红黑 G 3VR 42 11 100rR rRR 42 11 100rR rRR 20132013年年5 5月月 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 图图5 5 电阻比电桥电阻比电桥恒流源五芯测法原理恒流源五芯测法原理 （SQSQ- -5/PRM5/PRM- -1 1） s Us r4黑 r3红 U2 r2绿 U U3 r1 白 I0 r5蓝 R2 R1 接五芯电缆传感器接五芯电缆传感器 R Rs s为标准电阻，为标准电阻，I I0 0为恒流电为恒流电 流。如图可得出：流。如图可得出： U Us s=I=I0 0*R*Rs s U U1 1=I=I0 0*R*R1 1 U U2 2=I=I0 0*R*R2 2 U U3 3=I=I0 0*(R*(R1 1+r+r1 1) ) s s 21 21t R U UU RRR 2 1 2 1 U U R R Z 2 应力应变监测仪器应力应变监测仪器 20132013年年5 5月月 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 （1 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）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。量和自动化。 采用五芯电缆连接仪器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：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。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。法。 3 3 差阻式仪器的技术改革差阻式仪器的技术改革 20132013年年5 5月月 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 （2 2）发展新品种，研发生产耐高压传感器。）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传统的差阻式仪器只能承受0.5MPa0.5MPa的水压力，对于中小型工程是可以的水压力，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3MPa3MPa 以上的高水压力，可适合以上的高水压力，可适合300m300m高坝、抽水蓄能电站、高水头压力钢管或高坝、抽水蓄能电站、高水头压力钢管或 深复盖坝基防渗墙使用。深复盖坝基防渗墙使用。 3 3 差阻式仪器的技术改革差阻式仪器的技术改革 20132013年年5 5月月 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 （3 3）提高仪器灵敏度，增大测量范围提高仪器灵敏度，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。压力时广泛应用，但是其灵敏度较低。 SZSZ- -4A4A型渗压计，它的满量程的电阻比型渗压计，它的满量程的电阻比360360个，比原来的个，比原来的180180个电阻比增个电阻比增 加了一倍，其灵敏度也就提高了一倍。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差阻式钢筋计原有的测量范围只有200MPa200MPa，相应的电阻比为，相应的电阻比为250250个，现个，现 在测量范围提高到在测量范围提高到400MPa400MPa，相应的电阻比为，相应的电阻比为330330个。这样不仅提高了灵个。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。敏度，而且更适用于高强度钢筋的钢筋混凝土中应用。 3 3 差阻式仪器的技术改革差阻式仪器的技术改革 20132013年年5 5月月 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 （4 4）发展新品种，扩大应用范围发展新品种，扩大应用范围。 现在差阻式仪器的品种已经由原来的现在差阻式仪器的品种已经由原来的8 8种增加到数十种，其中安全监种增加到数十种，其中安全监 测仪器即传感器有测仪器即传感器有1616个品种，包括大应变计、小应变计、钢板应力计、个品种，包括大应变计、小应变计、钢板应力计、 无应力计无应力计 、钢筋计、锚杆应力计、渗压计、应力计、测缝计、位移计、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、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、电缆硫化器等各种规格的校正仪、电桥率定器、电缆硫化器等1010种。种。 3 3 差阻式仪器的技术改革差阻式仪器的技术改革 20132013年年5 5月月 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 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。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。的振弦式仪器中加装了热敏电阻，用于测量温度。 4 4 钢弦式仪器的基本原理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 图图6 6 钢弦式仪器的工作原理钢弦式仪器的工作原理 20132013年年5 5月月 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 （1 1）仪器的长期稳定性要好。）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。敏度）不能变化，仪器的温度系数不能变化。 5 5 应力应变及温度监测仪器选型的基本要求应力应变及温度监测仪器选型的基本要求 20132013年年5 5月月 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 （2 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）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。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 5 应力应变及温度监测仪器选型的基本要求应力应变及温度监测仪器选型的基本要求 20132013年年5 5月月 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 （3 3）仪器使用寿命要长，能保证仪器使用寿命要长，能保证10102020年内连续正常使用。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 长到长到1010年以上，保证能用于施工期监测，在蓄水后年以上，保证能用于施工期监测，在蓄水后3 35 5年内也能正常使年内也能正常使 用。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。还需要考虑到生产厂家。 5 5 应力应变及温度监测仪器选型的基本要求应力应变及温度监测仪器选型的基本要求 20132013年年5 5月月 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 （4 4）埋设仪器性能必须与监测功能要求匹配。）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，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。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 500MPa500MPa，且能同时测出测点的温度，否则就不能选用。，且能同时测出测点的温度，否则就不能选用。 5 5 应力应变及温度监测仪器选型的基本要求应力应变及温度监测仪器选型的基本要求 20132013年年5 5月月 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 （5 5）埋设仪器要有较强的防水防雷性能，要有较高的绝缘度。）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，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。则易于为雷电流损坏。 5 5 应力应变及温度监测仪器选型的基本要求应力应变及温度监测仪器选型的基本要求 20132013年年5 5月月 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 （6 6）埋设仪器要配套齐全，厂家应有成套产品供应）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、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。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。计取得良好的监测效果创造条件。 5 5 应力应变及温度监测仪器选型的基本要求应力应变及温度监测仪器选型的基本要求 20132013年年5 5月月 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 （1 1）差阻式仪器的长期稳定性优良。）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，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。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，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。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 6 应力应变及温度监测仪器的选型分析应力应变及温度监测仪器的选型分析 20132013年年5 5月月 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 （2 2）差阻式仪器可兼测同一测点的温度。）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。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。坏，因为其阻值高，在受潮后易于短路。 6 6应力应变及温度监测仪器的选型分析应力应变及温度监测仪器的选型分析 20132013年年5 5月月 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 （3 3）差阻式应变计变形模量低，更适合测量混凝土应力应变。）差阻式应变计变形模量低，更适合测量混凝土应力应变。 混凝土应力应变监测仪器必须具有与混凝土弹性模量相匹配的变形模混凝土应力应变监测仪器必须具有与混凝土弹性模量相匹配的变形模 量，才能准确地将混凝土应变转换成电量为测量仪表或自动化系统接收量，才能准确地将混凝土应变转换成电量为测量仪表或自动化系统接收 。差阻式应变计的变形模量为。差阻式应变计的变形模量为400400500MPa500MPa，和早期混凝土的弹性模量，和早期混凝土的弹性模量 相匹配，因此能在混凝土终凝后即测出混凝土的应变。相匹配，因此能在混凝土终凝后即测出混凝土的应变。 钢弦式应变计的变形模量约在钢弦式应变计的变形模量约在20000MPa20000MPa，埋设后不能立即反映混凝土，埋设后不能立即反映混凝土 变形，一直到混凝土弹性模量发展到和仪器匹配时才能测出变形，这样变形，一直到混凝土弹性模量发展到和仪器匹配时才能测出变形，这样 只能测到只能测到57%57%87%87%的应变量，混凝土浇筑初期的温度应力测不到，不能的应变量，混凝土浇筑初期的温度应力测不到，不能 为混凝土温度控制和防止裂缝提供依据，对蓄水后的应力监测是不利的为混凝土温度控制和防止裂缝提供依据，对蓄水后的应力监测是不利的 。 6 6 应力应变及温度监测仪器的选型分析应力应变及温度监测仪器的选型分析 20132013年年5 5月月 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 （4 4）采用五芯连接电缆的差阻式仪器可以完全消除电缆电阻和芯线）采用五芯连接电缆的差阻式仪器可以完全消除电缆电阻和芯线 电阻变差的影响，遥测距离可达电阻变差的影响，遥测距离可达2000m2000m。 五芯测法，解决了长期困扰的电缆电阻对测值的影响问题，不仅使遥五芯测法，解决了长期困扰的电缆电阻对测值的影响问题，不仅使遥 测距离大大加长，而且提高了差阻式仪器监测资料质量，因为芯线电阻测距离大大加长，而且提高了差阻式仪器监测资料质量，因为芯线电阻 变差会引入电阻比和电阻值的误差，使测值精度降低，采用五芯测法，变差会引入电阻比和电阻值的误差，使测值精度降低，采用五芯测法， 这个问题即不复存在。这个问题即不复存在。 6 6 应力应变及温度监测仪器的选型分析应力应变及温度监测仪器的选型分析 20132013年年5 5月月 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 （5 5）差阻式仪器能承受差阻式仪器能承受0.50.53MPa3MPa以上的外水压力，仪器的密封性以上的外水压力，仪器的密封性 高且有高绝缘要求，适宜于在水工环境及高水压下使用。高且有高绝缘要求，适宜于在水工环境及高水压下使用。 早期的差阻式仪器只能承受早期的差阻式仪器只能承受0.5MPa0.5MPa的水压力，技术改进后，研制成功的水压力，技术改进后，研制成功 耐高压差阻式仪器，仪器内部安装了微型平压元件，理论上能让仪器承耐高压差阻式仪器，仪器内部安装了微型平压元件，理论上能让仪器承 受一切外部水压，仪器变形模量并不加大，所以特别适宜于高防渗墙和受一切外部水压，仪器变形模量并不加大，所以特别适宜于高防渗墙和 高压管道的监测。高压管道的监测。 钢弦式仪器虽然也能承受一定的水压力，但不是用内部平压元件达到钢弦式仪器虽然也能承受一定的水压力，但不是用内部平压元件达到 的，不宜用于高防渗墙和高压管道的应变测量。的，不宜用于高防渗墙和高压管道的应变测量。 钢弦式仪器出厂时没有绝缘要求。从过去不少工程实例的钢弦式仪器钢弦式仪器出厂时没有绝缘要求。从过去不少工程实例的钢弦式仪器 大量失效来看，多半原因是由于仪器及其电缆进水或绝缘降低造成的。大量失效来看，多半原因是由于仪器及其电缆进水或绝缘降低造成的。 6 6 应力应变及温度监测仪器的选型分析应力应变及温度监测仪器的选型分析 20132013年年5 5月月 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 （6 6）差阻式仪器具有一定的抗感应雷电流能力差阻式仪器具有一定的抗感应雷电流能力。 差阻式仪器由低电阻钢丝绕制而成，钢丝绕阻又浸泡在变压器油中，差阻式仪器由低电阻钢丝绕制而成，钢丝绕阻又浸泡在变压器油中， 能够承受一定的感应雷电流的冲击。能够承受一定的感应雷电流的冲击。 瑞士胡根伯仪器厂通过瑞士电气技术协会进行过测试，差阻式仪器能瑞士胡根伯仪器厂通过瑞士电气技术协会进行过测试，差阻式仪器能 够承受够承受4.84.85.2KV5.2KV的涌浪电压的冲击。实际上埋设在坝内的仪器没有损的涌浪电压的冲击。实际上埋设在坝内的仪器没有损 坏于雷电流的报道，但埋设在坝面的仪器和连接了长电缆又敷设在坝面坏于雷电流的报道，但埋设在坝面的仪器和连接了长电缆又敷设在坝面 的仪器仍然需要防雷措施，否则恐怕要遭受雷害。的仪器仍然需要防雷措施，否则恐怕要遭受雷害。 钢弦式仪器的防雷性能较差，不但其连接电缆采用了屏蔽电缆，必要钢弦式仪器的防雷性能较差，不但其连接电缆采用了屏蔽电缆，必要 时还需要连接防雷器和良好的地线。时还需要连接防雷器和良好的地线。 6 6 应力应变及温度监测仪器的选型分析应力应变及温度监测仪器的选型分析 20132013年年5 5月月 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 （7 7）差阻式仪器具有长寿命，埋设在坝内的仪器可运行差阻式仪器具有长寿命，埋设在坝内的仪器可运行10102020年以年以 上。上。 在混凝土坝中埋设的差阻式仪器可以正常工作在混凝土坝中埋设的差阻式仪器可以正常工作2020年以上，国内外的工年以上，国内外的工 程实例很多。因为大坝施工期较长，仪器埋设后首先要为施工期提供监程实例很多。因为大坝施工期较长，仪器埋设后首先要为施工期提供监 测资料，其次，要能监测初期蓄水的大坝性态，蓄水后的测资料，其次，要能监测初期蓄水的大坝性态，蓄水后的5 51010年也需年也需 要仪器监测资料，以了解大坝运行规律。差阻式仪器的长寿命完全满足要仪器监测资料，以了解大坝运行规律。差阻式仪器的长寿命完全满足 这一监测过程的要求。这一监测过程的要求。 6 6 应力应变及温度监测仪器的选型分析应力应变及温度监测仪器的选型分析 20132013年年5 5月月 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 （8 8）差阻式仪器具有双监测数据有两个，即电阻比和电阻差阻式仪器具有双监测数据有两个，即电阻比和电阻, ,可以利可以利 用其相互关系来检验数据的可靠性。用其相互关系来检验数据的可靠性。 从差阻式仪器获得的监测数据电阻比，它相关于仪器承受的物理量，从差阻式仪器获得的监测数据电阻比，它相关于仪器承受的物理量， 另一个是电阻值，相关于测点温度。两个测值之间有一定的关系，例如另一个是电阻值，相关于测点温度。两个测值之间有一定的关系，例如 仪器的电阻比大幅跳动，可能有几种原因，如监测物理量异常、混凝土仪器的电阻比大幅跳动，可能有几种原因，如监测物理量异常、混凝土 裂缝、仪器钢丝松脱等，通过分析可以确定数据跳动的真正原因。裂缝、仪器钢丝松脱等，通过分析可以确定数据跳动的真正原因。 钢弦式仪器或其它非电量传感器都只有一个测值，在发生异常变化时钢弦式仪器或其它非电量传感器都只有一个测值，在发生异常变化时 就不可能用这种方法检验，为资料分析带来困难。就不可能用这种方法检验，为资料分析带来困难。 6 6 应力应变及温度监测仪器的选型分析应力应变及温度监测仪器的选型分析 20132013年年5 5月月 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 （9 9）差阻式仪器的品种、规格齐全，并具有配套件和有关率定设备差阻式仪器的品种、规格齐全，并具有配套件和有关率定设备 ，为设计和实施提供方便，为设计和实施提供方便。 差阻式仪器现有差阻式仪器现有1616种产品，几十种规格，覆盖了大坝岩土工程的大部种产品，几十种规格，覆盖了大坝岩土工程的大部 分主要监测项目，同时还为用户提供了必要的配套件和率定设备，为监分主要监测项目，同时还为用户提供了必要的配套件和率定设备，为监 测自动化的实现提供了方便。测自动化的实现提供了方便。 钢弦式仪器在这方面有差距，从大坝和岩土工程需求来看，仪器品种钢弦式仪器在这方面有差距，从大坝和岩土工程需求来看，仪器品种 规格还不足，特别是一些配套件，也没有率定设备供应。生产厂家的率规格还不足，特别是一些配套件，也没有率定设备供应。生产厂家的率 定设备和率定方法是不给用户提供的，给仪器使用增添了困难。定设备和率定方法是不给用户提供的，给仪器使用增添了困难。 6 6 应力应变及温度监测仪器的选型分析应力应变及温度监测仪器的选型分析 20132013年年5 5月月 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 7 变形监测仪器变形监测仪器 大坝变形监测有两种基本方法大坝变形监测有两种基本方法 （1 1）传统的光学测量方法）传统的光学测量方法, ,用三角网或视准线方法进行大坝水平位移用三角网或视准线方法进行大坝水平位移 测量测量, ,用水准测量方法进行高程测量。由于技术和仪器的发展，这种方法用水准测量方法进行高程测量。由于技术和仪器的发展，这种方法 已可以实现半自动化。已可以实现半自动化。 （2 2）是采用遥测仪器实现大坝变形测量。）是采用遥测仪器实现大坝变形测量。 正倒垂线：用倒垂线装臵和垂线坐标仪实现坝基或坝体测点的位移测正倒垂线：用倒垂线装臵和垂线坐标仪实现坝基或坝体测点的位移测 量，用正垂线装臵和垂线坐标仪实现坝顶和坝体位移测量。量，用正垂线装臵和垂线坐标仪实现坝顶和坝体位移测量。 引张线仪：对于坝体较长的重力坝来说，采用引张线仪，配合倒垂线引张线仪：对于坝体较长的重力坝来说，采用引张线仪，配合倒垂线 测量，实现各坝段水平位移测量。各坝段测点的垂直位移则采用静力水准测量，实现各坝段水平位移测量。各坝段测点的垂直位移则采用静力水准 仪测量，用静力水准仪实现水准测量自动化仪测量，用静力水准仪实现水准测量自动化 。 20132013年年5 5月月 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 垂线法垂线法：是测量混凝土坝沿铅锤线上各测点水平位移的方法，也可以：是测量混凝土坝沿铅锤线上各测点水平位移的方法，也可以 用于混凝土坝或土石坝水平位移工作基点的稳定性校测。有正、倒垂线两用于混凝土坝或土石坝水平位移工作基点的稳定性校测。有正、倒垂线两 种，见图种，见图7 7。 正垂线正垂线由一根悬挂点处于上部的垂线和一个安装在建筑物上处于垂线由一根悬挂点处于上部的垂线和一个安装在建筑物上处于垂线 下部的测读站组成。下部的测读站组成。倒垂倒垂的固定端锚固在坝基内的固定端锚固在坝基内 ，垂线由上面的，垂线由上面的浮体装置浮体装置 拉紧。拉紧。 观测观测：垂线坐标仪安装在测点墩上，施测时，将垂线坐标仪照准垂线：垂线坐标仪安装在测点墩上，施测时，将垂线坐标仪照准垂线 钢丝，测得钢丝的坐标值，即可求得测点的位移值。钢丝，测得钢丝的坐标值，即可求得测点的位移值。 7.1 正倒垂线正倒垂线 图图7 7 垂线法测量原理垂线法测量原理 正垂正垂倒垂倒垂 20132013年年5 5月月 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 遥测垂线坐标仪与引张线仪：是可以远距离测量并可实现自动化测遥测垂线坐标仪与引张线仪：是可以远距离测量并可实现自动化测 量的仪器，能将位移量变换为电量或数字量进行远距离传输。量的仪器，能将位移量变换为电量或数字量进行远距离传输。 7.2 垂线坐标仪和引张线仪垂线坐标仪和引张线仪 目前常用遥测坐标仪的有：目前常用遥测坐标仪的有： 光电步进式垂线坐标仪和引张经仪光电步进式垂线坐标仪和引张经仪 光电（光电（CCDCCD）式垂线坐标仪和引张经仪）式垂线坐标仪和引张经仪 电容式垂线坐标仪和引张经仪电容式垂线坐标仪和引张经仪 20132013年年5 5月月 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 图图8 8 引张线法测点布臵引张线法测点布臵 在坝顶或坝身廊道内两基点之间，张拉一根钢丝作为基准线，用以在坝顶或坝身廊道内两基点之间，张拉一根钢丝作为基准线，用以 测量坝体各测点相对于基线的位移。见图测量坝体各测点相对于基线的位移。见图8 8。实际上即为用钢丝代替视。实际上即为用钢丝代替视 准线的一种监测方法。准线的一种监测方法。 7.3 引张线法测量工作原理引张线法测量工作原理 20132013年年5 5月月 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 （1 1）电感式垂线坐标仪和引张线仪原是法国泰勒马克的产品，一般使）电感式垂线坐标仪和引张线仪原是法国泰勒马克的产品，一般使 用尚可。其测量范围较小，维修不方便，且维修后其基准值变化，变形用尚可。其测量范围较小，维修不方便，且维修后其基准值变化，变形 监测过程线中断。监测过程线中断。 （2 2）电容式垂线坐标仪和引张线仪是国内产品。它是由两片铝板和一）电容式垂线坐标仪和引张线仪是国内产品。它是由两片铝板和一 个铝管组成两个电容，铝管位于两板间，穿在垂线钢丝上再用细导线引个铝管组成两个电容，铝管位于两板间，穿在垂线钢丝上再用细导线引 出。当垂线移动时，两电容差动变化，测量变化量即可获得位移量。这出。当垂线移动时，两电容差动变化，测量变化量即可获得位移量。这 种仪器的最大缺点有两个：一是对湿度敏感，汛期数据很差，甚至不能种仪器的最大缺点有两个：一是对湿度敏感，汛期数据很差，甚至不能 使用。其二是没有稳定的基准，维修后，测值过程线即中断。使用。其二是没有稳定的基准，维修后，测值过程线即中断。 （3 3）光电式垂线坐标仪和引张线仪是利用）光电式垂线坐标仪和引张线仪是利用CCDCCD器件将极光扫描的垂线钢器件将极光扫描的垂线钢 丝影像位臵变换为位移数据。其优点是无机电部件，完全通过光电变换丝影像位臵变换为位移数据。其优点是无机电部件，完全通过光电变换 获得监测数据。其缺点是湿度有可能影响，如果不设臵固定基点，也不获得监测数据。其缺点是湿度有可能影响，如果不设臵固定基点，也不 能保证位移过程线的连续性。能保证位移过程线的连续性。 7.4 垂线坐标仪和引张线仪的选型垂线坐标仪和引张线仪的选型 20132013年年5 5月月 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 7.5 7.5 光电步进式引张线仪光电步进式引张线仪：采用步进电机移动测量探头，实现引张线测：采用步进电机移动测量探头，实现引张线测 点水平位移的自动化精确测量。探头上有两组红外光发射和接收装臵，点水平位移的自动化精确测量。探头上有两组红外光发射和接收装臵， 第一组红外光发射和接收装臵用以照准引张线钢丝，第二组红外光发射第一组红外光发射和接收装臵用以照准引张线钢丝，第二组红外光发射 和接收装臵作为备用。在仪器底板上安装了两根基准杆，基准杆之间的和接收装臵作为备用。在仪器底板上安装了两根基准杆，基准杆之间的 距离略大于测量范围，作为仪器测量的基准和自校的基准。测量时，探距离略大于测量范围，作为仪器测量的基准和自校的基准。测量时，探 头向前移动，当第一组红外光发射和接收装臵照准第一根基准杆时测量头向前移动，当第一组红外光发射和接收装臵照准第一根基准杆时测量 装臵即开始计数，到达引张线钢丝时即获得钢丝坐标值。到达第二根基装臵即开始计数，到达引张线钢丝时即获得钢丝坐标值。到达第二根基 准杆时，即获得自校用的准杆时，即获得自校用的“基准长度基准长度”。见图。见图9 9和图和图1010。 20132013年年5 5月月 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 图图9 9 光电步进式垂线坐标仪结构示意图光电步进式垂线坐标仪结构示意图 20132013年年5 5月月 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 图图10 10 光电步进式垂线坐标仪测量原理图光电步进式垂线坐标仪测量原理图 20132013年年5 5月月 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 步进式仪器特点步进式仪器特点： 1 1）线性范围大，可达）线性范围大，可达3030至至100mm100mm。测量准确度高，可达。测量准确度高，可达0.1mm0.1mm，且不因，且不因 量程加大而降低。量程加大而降低。 2 2）一台仪器可同时测量两个方向的位移。）一台仪器可同时测量两个方向的位移。 3 3）测值为数字量，直观可靠，可以自校，重复性好，只需一次测量。）测值为数字量，直观可靠，可以自校，重复性好，只需一次测量。 4 4）具有永久性不锈钢仪器底板和基准杆，仪器修理或更新后，测值仍）具有永久性不锈钢仪器底板和基准杆，仪器修理或更新后，测值仍 保持连续。保持连续。 5 5）采用红外光发射和接收装臵，互为备用。有密封防潮措施，可在潮）采用红外光发射和接收装臵，互为备用。有密封防潮措施，可在潮 湿环境中工作。湿环境中工作。 20132013年年5 5月月 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 7.6 7.6 光电（光电（CCDCCD）式垂线坐标仪）式垂线坐标仪 该仪器和引张线仪相似，由光源、透镜组和该仪器和引张线仪相似，由光源、透镜组和CCD CCD 测量电路组成，测测量电路组成，测 量时由光源发出光线经透镜组调制成平行光照射垂线钢丝，将钢丝的阴量时由光源发出光线经透镜组调制成平行光照射垂线钢丝，将钢丝的阴 影投射到影投射到CCD CCD 器件上，器件上，CCD CCD 测量电路即可将钢丝位臵坐标变换为数字量测量电路即可将钢丝位臵坐标变换为数字量 ，但只是一个方向的位移量，其垂直方向的位移尚需安装同样装臵一台，但只是一个方向的位移量，其垂直方向的位移尚需安装同样装臵一台 。见图。见图1111。 图图11 CCD11 CCD光电式仪器工作原理示意图光电式仪器工作原理示意图 20132013年年5 5月月 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 仪器特点仪器特点： 1 1）线性范围大，可达）线性范围大，可达3030至至100mm100mm。测量准确度高，可达。测量准确度高，可达 0.1mm0.1mm，且不因量程加大而降低。，且不因量程加大而降低。 2 2）测值为数字量，直观可靠。）测值为数字量，直观可靠。 3 3）有密封防潮措施，但透镜组是薄弱环节。）有密封防潮措施，但透镜组是薄弱环节。 20132013年年5 5月月 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 7.7 7.7 电容式垂线坐标仪电容式垂线坐标仪 该仪器和电容式引张线仪相似，由两片铝制极板和一个套在垂线钢该仪器和电容式引张线仪相似，由两片铝制极板和一个套在垂线钢 丝上的铝管组成，铝管称为丝上的铝管组成，铝管称为“中间极中间极”，用一根细铜丝将中间极引出，用一根细铜丝将中间极引出， 和极板连成两个差动变化的电容。当垂线钢丝和测点之间发生相对移动和极板连成两个差动变化的电容。当垂线钢丝和测