（电气工程专业论文）水库大坝安全自动化监测问题研究.pdfVIP

卜 r e s e a r c ho nd a ms a f e t ym o n i t o r i n ga u t o m a t i o ns y s t e m b y g uy u n j i n g b e ( t a i y u a nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g 1 n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n gi nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r of e ss o rq i a n gm i n g h u i a p r i l ，2 0 11 一 t 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律后果由本人承担。 作者签名：给五杉 日期：加，年 厂月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提 供信息服务。 作者签名：给五毒乡 刷醴孙多历价吁 日期：沙绰厂月日 嗍啪7 年易月7 日 t 稗硕+ 学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t - - i i 第1 章绪论1 1 1 水库大坝安全自动化监测的意义1 1 2 水库大坝安全监测研究的现状l 1 2 1 国内研究现状1 1 2 2 国外研究现状一2 1 3 本文丰要研究内容4 第2 章大坝安全监测系统整体构架6 2 1 系统特点6 2 2 系统设计原则6 2 3 系统简介8 2 4 本章小结9 第3 章大坝安全监测系统的结构研究1 0 3 1 大坝安全监测仪器及技术方法一1 0 3 1 1 静力水准仪10 3 1 2 垂线坐标仪( 引张线仪) 13 3 1 3 差动电阻式传感器1 5 3 1 4 振弦式传感器1 7 3 1 5 压阻式水位传感器18 3 2 系统通信方式2 1 3 3 数据采集系统的设计2 2 3 4 数据采集系统抗干扰技术2 3 3 4 1 硬件抗干扰技术2 3 3 4 2 软件抗干扰技术2 4 3 5 本章小结2 4 第4 章多传感器数据融合在大坝中的应用2 5 4 1 数据融合技术简介2 5 4 1 1 数据融合概述2 5 4 1 2 数据融合技术作用2 5 4 1 3 数据融合系统边界和融合层次2 6 4 2 多传感器数据融合在数据处理中的应用2 8 4 2 1 多传感器数据融合原理一2 8 4 2 2 数据融合特点2 9 水厍大巧! 安个臼动化阶删i 司逆研究 4 3 多传感器数据融合技术在大坝监测中的研究3 0 4 4 本章小结3 2 第5 章南营水库大坝安全监测自动化系统的研制3 3 5 1 工程概况3 3 5 2 大坝安全监测的布点问题3 4 5 3 南营水库大坝安全监测系统设计3 6 5 3 1 监测仪器选型3 6 5 3 2 监测系统设计3 9 5 3 3 数据结果处理4 0 5 3 4 监测数据对大坝安全的指导4 3 5 4 本章小结4 5 总结与展望”4 6 参考文献( r e f e r e n c e s ) 4 7 致谢一5 0 附录攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果5 1 i l 丁稃硕十学伊论文 摘要 拦河筑坝，兴修水库给人类带来了巨大的综合经济效益，同时在提高城市化水平、 促进区域社会经济发展和生态环境建设方面也发挥了重要作用，然而一但大坝失事，将 导致难以估量的灾难和损失。本着防震减灾、安全预警的目的本文论述了影响土石坝 安全的因素，分析研究了土石坝安全监测系统的意义，对大坝安全监测的基本方法做了 概述，并对大坝安全监测传感器进行了详细深入的分析。 在本文中大坝自动化安全监测系统的设计采用分布式数据采集方式，它主要由三 个部分构成：监测传感器、测控装置和监控主机。在这个系统中传感器主要安装在水 库大坝的现场，用于实时监测水库的水位、大坝的渗流、应力、变形等的变化。测控 装置主要是用来对所连接的各种传感器的输出信号的采集，并对信号进行处理和存储， 而且由它实现与监控主机的链接通信等。在中央控制室的监控主机对测控装置上传的 数据进行分析和处理，根据分析处理结果来评判大坝的运行状态。 在以上的理论基础上，本文从工程应用的角度对甘肃省武威市的南营水库大坝的 安全监测自动化系统进行了总体设计。大坝安全监测系统分布范围广，测控装置工作 环境恶劣，易受多种干扰的影响，因此本文在数据采集系统的开发过程中，对系统可 能受到的干扰和干扰的途径进行了分析，在装置的硬件和软件方面采取了防雷、抗干 扰等多种有效措施，全面提高装置的可靠性和精确性。 同时文章将数据融合算法应用到大坝安全监测系统中，通过算术平均值和分批估 计的方法，对多个传感器的测量值进行融合，以防止节点失效和外界因素对测量结果 带来的测量干扰。并在此基础上，文章对大坝安全监测系统监测到得数据进行了安全 方面的分析，紧扣防震减灾、安全预警的主旨。 关键词：大坝安全监测；监测传感器；数据采集系统；多传感器数据融合；南营 水库大坝 a bs t r a c t b u i l d i n g b 锄g ea i l dc o n s t r u c t i n gr e s e r v o i rb r i n g 仃e m e n d o u se c o n o m l c b e n e f i t sa n da t 也es 锄et i i i l ep l a ya l li m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n g t h el e v e lo fu r b a n i z a t i o na n dp r o m o t l n g r e g i o n a ls o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n de c o l o g i c a l e n v i r o n m e n tc o n s t m c t l o n b u to n c e t h ed a m sh a v ea c c i d e n t s ，t h e r ea r ei n c a l c u l a b l ed i s a s t e ra n dl o s s i nm i t i g a t i o na n ds a t e t y w a r n i n g 呻o s e ，t h i sp a p e r d i s c u s s e st h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h ee a r t hd 锄s a t e t y ，锄l y z e d m ee a l t h r o c k f i l ld 锄s a 脚m o n i t o r i n gs y s t e mm e a n i n g ，a n dt h eb a s i cm e t h o d s o fd 锄 s a f e t ym o n i t o r i n g ，a n da l s o b r i e f e dt h ed a ms a f e t ym o n i t o r i n gs e n s o rd i s c u s s e dm d e t a l i t l l ea u t o m a t i o ns y s t 锄f o rd a ms a f e t ym o n i t o r i n g ，w h i c hi sa d o p t e dt h ep r i n c i p a l a i l d s u b o r d i n a t ed i s t m u t e dn e t w o r k , i sc o m p o s e d o ft h et r a n s d u c e r s ，t h ei n t e l l l g e n t m e a s u r 锄e n t 孤dc o n 仃o le q u i p m e n t s ，a n dt h eh o s tc o m p u t e r t h et r a n s d u c e r s a r eu s e dt 0 m o n i t o rm ec h a n g eo fs t r e s s ，s e e p a g e ，d i s t o r t i o n ，s 咖u n d i n g sa n d e r e t h em e a s u r 锄e n t a n dc o n 乜o le q u i p m e n t sa r eu s e dt os a m p l ea n dp r o c e s st h es i g n a lo f t h e 仃a n s d u c c r s ，锄d m e m o r i z et h er e s u l t s ，t h e nc o m m u n i c a t e w i t ht h eh o s tc o m p u t e r ， a n de t c r h eh o s t c o m p u t e rp r o c e s s e st h em e a s u r e m e n t d a t a ， a n a l y z e st h es t a t eo ft h ed 锄衄n l n g ，s o a st o e v a l u a t et h es t a t u so fd a ms a f e t y ， i nt h ea b o v et h e o r yb a s i s ，t h i sp a p e rd e s i g n e da a u t o m a t i o ns y s t e mo fn 觚y l n gd 锄 s a f e t vm o n i t o r i n gw h i c hi n w u w e ig a n s up r o v i n c ei nt h el i g h to ft h ee n g l n e e n n g a p p l i c a t i o n t h ef u l l e x t e n to ft h ed a ms a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mi sv e r yw i d e , 弛dt h e n e i d e n v i r o n l n e n tw h e r et h ee q u i p m e n ti sw o r k i n g i sa b o m i n a b l e ，s ot h ee q u i p m e n t 1 se a s yt ob e a f f b c t e db vm u c hi n t e r f 矗e n c e o nd e v i f i n gt h ee q u i p m e n t ，t h ei n t e r f e r ea n d i t sp a s s e sa r e a n a l y z e d 也e nm a n ym e a s u r e s ，s u c h a sl i g h t n i n gp r o o f , a n t i - i n t e r f 打e 1 1 c e ，d 锄pp r o o t ， t 鼬p e r 籼ec o m p e n s a t i o n , a n de t c a r et o o kt oa s s u r et h ec u r r e n c ya n d r e l l a b i l i t yo ft h e e q u i p m e n t m e a n w h i l et h i st h e s i sf o c u s e so nt h em u l t i s e n s o rd a t af u s i o nt e c h n o l o g y ，a i l d d a t a 如s i o na l g o r i 岫1i sa p p l i e dt ot h ed a ms a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m i nt h i st h e s “i h r o u 曲t h e a r i t h m e t i ca v e r a g ea i l dp a r t i a le s t i m a t i o nm e t h o do fm u l t i p l es e n s o r s ，t h em e a s u r e d v a l u e 矗1 s i o n i no r d e rt op r e v e n t t h en o d ef a i l u r ea n de x t e r n a lf a c t o r so nt h em e a s 哪e m e i l t r e s u l t s o fm e a s u r 锄e n tc a u s e di n t e r f e r e n c e a n do nt h i sb a s i s ，t h ea r t i c l eg i v e s as a f e t ya 1 1 a l y s l s o fm o n i t o rd a 扭 t om ed 锄s a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m ，w h i c hg r i p p i n gt h et h 锄eo f p r e v e n t i n go fe a r t h q u a k ed i s a s t e r sa n d g u i d a n c i n gs a f eo p e r a t i o n k e yw o r d s ：d a ms a f e t ym o n i t o r i n g ；m o n i t o r i n gs e n s o r ；d a t aa e q u i s i 廿o ns y s t e m ； m u l t i - s e n s o rd a t af u s i o n ；n a n y i n g d a m l l 工程硕士学伊论文 第1 章绪论 1 1 水库大坝安全自动化监测的意义 我国是水利水电工程大国，已有的各类水利水电工程不计其数，截止目前 我国已有水库8 6 9 0 0 多座。这些水库大部分是在2 0 世纪5 0 、6 0 年代建成的，在 7 0 年代时期又兴建了一批中小型水库，这些为我国水利水电事业奠定了基础。 我国拥有的大坝数量庞大，但是其中一定比例的水库却存在着许多的问 题，如工程质量差、防洪标准低、病险隐患多等。关于这些问题，有资料显示 在这些大坝中大约有2 4 的大型和中型水库是( 三类) 病险水库，大约占3 0 一4 0 比例的小型水库也同样是( 三类) 病险水库，虽然只是三类的病险水库，但从 这些数据中我们不得不去重视这些大坝的安全问题。 查看我国近年的统计资料，我们可以看到一些惊人的数据：资料中显示在 各类大坝中有将近3 0 0 0 座己溃决，当然在这其中坝高小于lo 米的低坝就有l5 0 0 多座，然而也有近10 0 座是高度在3 5 - 5 5 米的高坝，其中19 7 5 年特大洪水导致板 桥、石漫滩两座大型水库土石坝溃决，1 9 9 3 年8 月沟后水库坝高7 1 米的混凝土 面板堆石坝溃决是人们较为熟知的。通过上面的数据和实例我么可以看出我 国大坝安全状况特别是土石坝的安全状况令人忧忠。因此，我国大坝安全问题 比较突出，安全形势不容乐观，建立、健全和发展水利水电工程安全监测体系 十分必要，也十分迫切。 大坝安全自动化监测能反映出大坝的真实状态，有效地修正设计中的不完 善，指导大坝的合理施工和运行。此外，根据长期积累的观测资料可制订出适 当的水库控制运用计划以及大坝的维护措施，在保障大坝安全运行的同时，更 好地发挥工程效益、节约工程投资心1 。大量的工程实例说明，自动化监控系统 的建立，为准确做到洪水预报和优化调度，减少水害损失，合理利用水资源， 发挥着重要作用。因此，积极做好大坝监测工作，对防震减灾、安全预警等有 很重要的意义。 1 2 水库大坝安全监测研究的现状 1 2 1 国内研究现状 2 0 世纪5 0 年代，我国南湾、官厅、大伙房等大型水库设置了土石坝变形和 渗流监测设施，包括坝面沉降和水平位移观测、用横臂式沉降仪观测坝体内部 沉降、用测压管观测坝体和坝基渗流压力阳1 。6 0 年代以后，我国土石坝安全监 测有了进一步发展，监测项目也逐步增加，在铁山、横山、升钟、羊毛湾等土 石坝用双管式水压力计、钢弦式孔隙水压力计观测土中土压力或接触面土压 水库大苟! 安全自动化监测问题研究 力，用差动电阻式钢筋计、无应力计和应变计观测混凝土或者钢筋混凝土应力 变力。8 0 年代以后，我国特别重视土石坝的安全监测，在“六五一、“七五”、 “八五”和“九五 期间都将高土石坝安全监测列为国家科技攻关项目，这么 多年来，国家科技攻关项目负责单位一一南京水利科学研究院先后开发了坝高 在l0 0 米的高土石坝安全监测设备、以及坝高在2 0 0 m 的高土石坝安全监测仪器 所需要的仪器，这些仪器主要有以下几种：引张线式水平位移计和由水管式沉 降计组成的水平垂直位移计：伺服加速度计活动式测斜仪以及斜测斜仪；压阻 式和钢弦式空隙水压力计。特别是在“九五国家科技攻关项目研究中，我国 还研制了n 2 0 0 0 型遥控遥测水平垂直位移计以及双向固定测斜仪，它可以用于 坝高在2 3 3 m 的堆石坝和坝高在2 0 0 m 级的高堆石坝坝体相关项目监测的需要。近 几年来我国还相继引进并开发了电水平仪式固定测斜仪和电感式水平位移计 等h 1 。可以这么说，经过这些年的国家科技攻关，我国土石坝安全监测仪器已 经有了很大的发展，它已经可以监测2 0 0 m 级高土石坝与高面板堆石坝的坝体和 坝基相关项目的监测。9 0 年代以后我国特别重视土石坝的安全监测问题，土石 坝安全监测分布式数据采集系统由南京水利科学研究院和南京电力自动化研 究院等开发成功并投入使用，并且为你们实现了大坝安全实时自动化监测，这 主要是在计算机网络技术和通信技术发展的基础上，我们将数据自动采集、数 字量传输和资料整理的自动化应用在大坝安全监测中，到目前为之这些技术已 经普遍应用在许多实际的工程中哺1 。 新的监测技术的研究，推动了我国大安全监测技术的发展。大量的先进产 品不断被应用到实际的大坝安全监测中，目前已经有大量土石坝安装了很先进 的安全监测设备，如中国与加拿大合作完成的密云、漳河、碧流河、升钟、冯 家山、七一和赋石等。大量实际工程的投入使用就要求我们去开发一个土石 坝安全监测分析评价预报系统的通用软件，这已经成为我国水利水电建设的迫 切的需要，所以国家电力公司将此列为重点科技项目，希望通过这一重点项目 的开发达到使我国水利水电行业土石坝安全监测提高到一个新的水平的目的， 并且避免每个水利水电工程或每座土石坝工程去重复开发饰1 。 1 2 2 国外研究现状 在大坝安全监测方面，国外要早于我国。国外从2 0 世纪6 0 年代就开始研制 开发大坝的自动化监测，2 0 世纪7 0 年代就已经投入使用。从美国、意大利、日 本和瑞士等工业发达国家的发展情况来看各个国家的发展历程不尽相同，有的 首先从系统数据采集自动化的实现开始发展，有的则是从首先实现资料管理自 动化来发展。在这些国家的发展中意大利是发展比较快的国家，它的大坝监测 微机辅助监测系统已是处于国际先进水平，这套系统实现了大坝现场数据的采 集、校验、存储和传输，并且它还具有快速的在线判断能力以及报警功能。 t 稃硕十学伊论文 从上面所述的情况来看，在大坝安全自动化监测上的研究各国发展的道路 虽然不一样，可是监测仪器在随着科学技术的进步不断的发展。从早期的大规 模集成电路和微处理器组成的便携式测读装置到下一个阶段研制出的有集控 和选数功能的装置，监测仪器一代代的发展更新阳1 。8 0 年代中期，分布式监控 数据采集系统随着微电子技术和计算机的发展应运而生，它要求在大坝监测的 现场安装许多小型化测控装置，用以对监控范围内的仪器进行自动化的监测， 并且将测量数据转换为数字量通过数据总线直接传送到监控中心的计算机内 进行处理。 在国外各国对大坝安全自动化监测的重视程度很高，也因此促进了监测自 动化继续的更进一步的发展。 s e n s l o g1 0 0 0 x 是加拿大r o c t e s t 公司开发的一个集成化安全自动化监测 数据采集系统。这个系统可以提供了各种电感式、电容式、线性位移等多种内 外监测传感器的通用接口也可以用它来进行各种振弦式传感器的测量0 1 。它可 以通过使用r t x 2 4 8 选件将每一测控模块( m c m ) 的1 2 个基本通道扩展到小于 或等于2 5 5 个通道。它的程序可以由便携机r s 2 3 2 电缆直接进入或者也可由监 控中心计算机远程联网由现代化通信线路进入。m c m 配置模拟口和i 0 串行 口，它可以通过电池或者太阳能供电，它被安装在一个完全封闭的不锈钢壳里 面。这个系统在工程监测中的应用面非常的广，它可以监测温度、位移、流量、 压力、倾转、等多种监测项目，所以它不仅仅可以应用在大坝安全监测中，他 同样早桥梁、隧道等工程中也得到了极为广泛的应用3 。 i d a d a t a m a t e 系统是美国s l o p ei n d i c a t o r 公司开发的一种系统。它可以用作手 提式数据记录仪同样也可以用作数据记录簿。它具有许多方便快捷的的功能和 特点，如下：一、可以在现场编制程序：二、可以直接显示多种物理量；三、 可以对原位测斜仪进行数据处理；四、可以计算出运动加速度并激发报警器； 五、能通过m o d e n 与办公室p c 机进行数据传输；六、它能存储时间和测量数 据等1 。 2 3 0 0 系统是由美国基美星公司研发的一种分布式数据采集系统，2 3 0 0 系统 是由系统的软硬件和微处理控制器构成的一种分布式监测控制系统，在此系统 中用户可以自行进行参数设置引。此系统中的m c m 通过配置转换器、输入模 块、编程固态模块和输出模块来实现它的功能变化。此公司开发的g e o n e ts u i t e 软件可以在w i n d o w 操作系统下运行，可以提供友好的人机界面。在它的m c m 、 传感器和网络监测站之间可实现信息共享。 同时在此系统的开发过程中，开发者充分考虑了监测系统所处的现场恶劣 的环境，所以系统采用了现今国际上比较先进的控制网络一一分散布置的智能 型节点控制网络。此系统自从引入到我国以后就一直受到相关领域的关注，并 大量应用到实际的项目中，而且在个水库大坝的监测中取得了良好的效应，得 到了大家的普遍好评，促进了我国大坝监测的发展1 。 水库大j ! j ! 安全自动化监测问题研究 这些年来，除了传统的自动化监测方式外，国外也有利用计算机层析成像 技术的报道。计算机层析成像技术( c t ：c o m p u t e r i z e dt o p o g r a p h y ) 指在不损坏物 体结构的前提下，利用在物体周围所获得的一些物理量( 如x 射线光强、波速) 的一维投影数据，并计算重建出物体在特定层面上的二维和三维图像的技术 引。因为它可以定量反映大坝的内部情况，它是仪器设备的复杂性得以降低， 使大坝的安全性得以提高，对大坝安全监测提供了可靠的资料。因此两国先后 将此技术应用于大坝性态诊断中，此项技术可以有效地进行了大坝安全监测而 且有很好的应用效果，意大利、日本的许多工程中都用到了此项技术，应用结 果非常理想，但在国内这项技术并没有得到应用6 1 。 本文将在以上分析的基础上根据国内外的研究现状和成果设计出一套符 合实际工程的大坝安全自动化监测系统，并以实际项目为依据分析监测系统在 防震减灾和安全预警方面的作用。 1 3 本文主要研究内容 大坝安全监测是通过仪器监测水利水电工程的主体结构、两岸边坡、地基 基础、相关设施以和周围环境等，一般说来水库自动化监控系统主要有：大坝 安全监测，闸门自动启闭，图像监视三大部分组成。结构构成如下： 图1 1 水库自动化监控系统结构构成 本文研究的重点是水库大坝安全自动化监测问题。安全自动化监测包括大 坝安全自动化监测数据采集和大坝安全监测数据管理、处理及大坝安全评判自 动化两大部分，主要是安装在大坝内的监测传感器( 或仪器) 、测控装置和安装 在中控室的中央控制主机以及信息管理系统组成7 1 。 其中，监测传感器( 仪器) 主要用于将待测的物理量转换成电量信号，像电 流量、电压量、开关量、频率量等，以此作为测控装置的输入量：测控装置用 于对传感器进行激励、驱动和测量，完成测量信号的预处理、存储并将各种信 号转换成数字信号传送给中央控制机进行进一步处理；中央控制机提供的人机 界面用以完成数据采集和编辑处理、通信和越限报警等功能；信息管理系统用 来完成对数据采集网络所采集数据的综合分析，对大坝性态作出评判，并指导 大坝的安全运行。 4 下稃硕十学伊论文 在以上分析的基础上，论文研究内容如下： 1 、分析研究大坝安全监测理论及特点； 2 、研究大坝安全监测仪器及技术方法； 3 、研究大坝安全监测自动化系统的系统组成及信息传输技术； 4 、研究多传感器数据融合算法在大坝安全监测中的应用； 5 、以南营水库为研究对象，研究设计大坝安全监测自动化系统，在设计 好的系统基础上对自动化监测系统进行理论研究。 5 水库大坝安全自动化监测问题研究 第2 章大坝安全监测系统整体构架 2 1 系统特点 大坝安全自动化监测系统在大坝监测中普遍存在，它具有监测项目多、测 点数目大、分布广、需集中监测等特点引。具体表现为如下几方面： ( 1 ) 监测环境非常恶劣 系统的监测点一般都在野外露天、潮湿的环境或强电磁场环境中，它很容 易受到雷击、电磁干扰以及潮湿和气温变化等许多因素的影响，因此系统对监 测传感器和设备在可靠性和适应性方面的要求非常高。 ( 2 ) 观测项目多 大坝安全监测一般有应力、变形、水位、渗流、温度等多种监测项目。因 为监测项目非常多这将导致监测传感器的种类非常多，所以传感器的激励方式 和信号的输出形式也就非常多。 ( 3 ) 测点数量广 为了能全面地了解监测信息，并对信息做出正确的分析，系统就要设置大 量的监测点，其数量根据规模的打小有所不同，少的有几十个，多的可有上千 个，所以在一定程度上提高了自动化系统的难度。 ( 4 ) 测点的分布范围广并且非常不均匀 系统的监测点覆盖了整个大坝，它分布在大坝的各个位置，而且根据实际 情况的不同选择不同的分布密度，从而使传感器信号的传送变得困难。 ( 5 ) 需要设置中央监测单元集中监测系统 大坝安全监测项目多，测点分布广，不可能实施单个测点的单独监测，因 此一般需设置中央监控单元来进行集中监控。 2 2 系统设计原则 t 稃硕十学伊论文 恢复。 ( 3 ) 实用性 大坝安全监测资料的整理分析以及反馈要以解决工程实际问题为基本目 的。 ( 4 ) 先进性 在保证可靠性、实用性和实时性的前提下，此系统要体现出先进性。它的 配置和设备的选型需要符合计算机发展迅速的特点，要充分利用计算机领域的 先进技术来达到国内先进水平。 ( 5 ) 标准化 要坚持采用国际标准、国家标准、行业标准和其它相关标准和规定，这样 可以方便连接和扩充。 ( 6 ) 通用性 系统需要要满足不同用户的不同需求，适应各种类型、用途的水利水电工 程。它的软件操作要方便，也要满足不同用户的不同需求。 ( 7 ) 可扩充性 随着我国水利水电建设的快速发展，大坝理论和实践水平的不断提高，或 在其他情况发生变化的情况下，系统需要很容易地利用标准化开发工具加以扩 展和升级，这就要求系统在设计的时侯应尽可能地模块化、标准化，以此满足 系统扩充的需要。 大坝安全自动化监测系统是为了实现工程效益最大化的一种管理方式，它 与人工观测的方式相比，其最大的优势是速度快、精度高、省工省力。为了更 有效地实现大坝自动化监测，我们需要遵守以上的基本设计原则。另外在其组 成部分上也要尽量满足下述要求： 监测项目以及测点的选择要有针对性，重点要突出。要对那些能准确反映 大坝性态，尤其是对大坝隐患和异常状态反映灵敏的监测部位和监测项目、测 点以及监测物理量给予自动化监测，如果需要还可以设置多种监测项目、多个 测点或是备份，以便相互印证、相互校核，实时地提供大坝安全状况的分析资 料。对那些大坝性态变化反映迟钝的监测部位和监测项目就可以适当减少监测 点的设置，有的甚至可以不对其进行设置，以此节约工程投资心0 1 。 监测系统的数据采集网络，尤其是数据采集装置需要有很强的抗干扰能 力，确保在很强的干扰环境中有较高的可靠性和长期稳定性；测控装置的传感 器输出端口以及通信规约等方面的选择需要有代表性和通用性，并且能够适应 适应多种工程的实际需求心。 监控系统软件除了要有一般数据管理和分析处理功能，还要有快速、准确 地在线诊断监测系统本身、分析大坝性态、评估大坝安全的功能，真正为大坝 运行和水库调度以及系统管理提供可靠的依据，为创造更好的效益服务。 总而言之，大坝安全自动化监测系统是集传感器、精密仪器、自动控制、 7 水库大坝安伞自动化监测问题研究 通信、计算机为一体的较边缘的学科，所以安全监测应该充分利用科技发展的 成果，使其走向实时化、智能化、网络化，以确保大坝用较少的投入可以保证 长期、稳定、安全的运行，实现效益的最大化。 2 3 系统简介 按照现代自动监控方式，此系统可以分为采集站( 即测控单元m c u ) 、监测 管理站和监测管理中心( 如指挥中心) 3 级心引，如下图2 1 所示。其中，监测传感 器( 或仪器) 用于将待测的物理量转换成电量信号，将转换成的电信号输入到测 控装置中，并且它可以激励、驱动并对监测仪器进行测量，完成对测量信号的 预处理和存储，而且将各种信号以数字信号的形式传输到中央控制机进行进一 步的处理；中央控制机给我们提供人机界面用来完成数据采集和编辑处理、通 信、越限报警等功能；信息管理系统则用来完成数据采集网络中所采集的数据 l 传感器或仪器h 测控装置 一 ： ： l 传感器或仪器h 测控装置l - i p 中央控制机 h 信息处理 ： ： ： 传感器或仪器h 测控装置f 一 大坝安全监测数据自动采集舄域网数据管理、处理及安全评判 、- 、_ ， 大坝安全监测自动化系统 图2 1 大坝安全监测自动化系统组成结构框图 大坝安全自动化监测系统的运行模式通常由以下三部分构成：监测管理 站、管理中心和决策指挥中心构成心3 1 ，如下图2 2 所示。大坝安全监测系统在 现场对数据进行监测，通过监测管理站将数据传输到监测管理中心，监测系统 的数据采集和它的处理、分析以及系统维护工作由管理站的工作人员来负责， 这些工作人员可以使用系统的核心功能，管理中心主要负责系统整体的管理工 作，将搜集到的监测数据传输到决策指挥中心，决策中心有远程访问数据的权 限，他们可以查看相关的结果。 t 稗硕十学伊论文 2 4 本章小结 图2 2 系统运行模式示意图 本章在开始首先介绍了大坝安全监测自动化系统具有监测项目多，测点数 目大、分布广，需集中监测等特点。然后在此特点的基础上得出了大坝安全监 测的设计原则。在本章节的最后文章对整个大坝安全监测自动化系统从其系统 组成结构和系统运行模式两个方面进行了简介，为后文大坝安全监测系统的设 计提供了整体框架。 9 水库大坝安全自动化监测问题研究 第3 章大坝安全监测系统的结构研究 3 1 大坝安全监测仪器及技术方法 在大坝安全监测系统中渗流量、渗压和变形是安全监测最重要的物理量， 其内部观测项目主要有应力、应变、钢筋应力、裂缝开度、渗透压力、温度等， 监测的环境变量主要有水位、水温、气温和降雨等。 在渗流量监测方面，利用量杯和秒表直接在测点上量读是渗流监测中最基 本、最为常见的方法。 渗流量的监测中利用电测仪器监测时主要有两种方法，一种是汇流到量水 堰然后的进行量测，一种是对排水孔进行单孔量测，前一种方法的应用在实际 项目中并不多见。第二种方法又可以细分为两种测量方法：堰前水位量测和堰 后水位量测。前者国内的产品主要是电容式量水堰渗流量仪，国外的产品主要 是超声波渗流量测仪；后者主要是国外的产品基于振弦式的微压传感器。 在渗压监测方面，测锤量测和压力表量测是渗压监测中最为常用的监测方 法。 渗压监测仪器的发展随着监测自动化的发展已经有了很大的发展，在实际 的工程项目中大体上有四种类型的渗压计：振弦式、电感式、电阻式和压阻式。 这其中差动电感式渗压计是我国自行研制的一种产品，在国内它的应用较多。 而振弦式渗压计在国内的应用很少，特德铲平也主要是以国外的为主。关于电 阻式渗压计常见的有两种：差动电阻式渗压计和贴片渗压计。 在大坝安全监测中，位移监测是安全监控中不可或缺的重要的项目，在大 坝位移监测中主要有两种监测方式它主要包括水平位移监测和垂直位移监测 两种。 在大坝位移的监测中，位移的监测可以是水平位移监测和垂直位移监测单 独进行，同样也可以将两者结合同时进行，即我们常说的大坝三维位移监测。 水平位移监测方法主要有视准线法、引张线法、激光准直法、正、倒垂线法和 前方交会法等。垂直位移监测的方法主要有几何水准法、流体静力水准法。大 坝三维位移监测的方法主要有距离交会法、极坐标法和g p s 法心4 1 。 根据以上的介绍我们可以看出传感器在大坝安全自动化监测中是必不可 缺的重要部件，鉴于它的重要性，本文将对在实际工程中常用的监测传感器进 行具体分析研究。 3 1 1 静力水准仪 在大坝的垂直位移监测中，实际工程中最常用到的是静力水准仪。大坝位 移监测的测量需要很精确，这就要求选用精度高而且稳定性好的监测仪器，因 1 0 t 稃硕十学伊论文 此如若选用一般的监测仪器来测量效果可能并不理想，甚至可能达不到预期的 效果，以至会影响到对大坝安全的评判，错误的判断可能会导致严重的后果。 传统的光学水准仪测量，它的精度就不够理想而且它的劳动强度相比较会大出 许多心引，所以在垂直位移监测中我们主要应用的是静力水准仪。它利用差动变 压器式位移传感器进行垂直位移的测量。这种仪器结构简单，使用灵活，而且 寿命长，线性度好，且有高分辨率高灵敏度等特点，它在大坝监测工程中得到 普遍的应用。 一、差动变压器式位移传感器结构及工作原理 差动变压器结构形式很多，有变面积式、变隙式和螺线管式等，它们的工 作原理基本上都是相同的。在位移测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器。 其结构见下图3 1 所示。它的够成结构主要由初级线圈、两个次级线圈和插入 线圈中的铁芯等组成，图中衔铁可动，可以感受位移量的变化。 2 3 4 1 ：初级线圈；2 ：次级线圈；3 ：衔铁；4 ：导磁外壳： 图3 1 螺线管式差动变压器结构 理想情况下，差动变压器式位移传感器的等效电路原理见图3 2 所示。图 中，初级线圈通激励电流，看成变压器的原边，次级线圈由两个线圈反相串接 构成，形成其输出形式，看成变压器的副边。 它的工作原理与一般变压器差不多是一样的都是铁芯可动。不一样的地方 主要是一般变压器是闭合磁路，而它是开磁路：一般的原、副边间的互感是常 数，而它的原、副边之间的互感随衔铁移动而变化。它正是工作在互感变化的 基础之上的，它将被测的位移量转变为线圈瓦感量变化。当初级线圈中通入正 弦交流激励电流，。，后，两个次级线圈2 。、 ：中就产生感应电动势阢，和阢，。 因为两个次级线圈反相串联，因所以次级线圈空载时输出的电压以如下式所 示： = l 一= 一j c o m l i l 一( 一j c o m 2 1 1 ) = 烈m 2 一m ) 厶 ( 3 1 ) 式中m ，、m ，为初级线圈与次级线圈，。、，之间的互感系数。而当其结 构和线圈匝数确定时，m 和m ，的大小只与衔铁位置有关。 1 l 水库大坝安全自动化监测问题研究 当衔铁在中间位置时，m = m ，此时次级线圈没有电压输出。当衔铁往上 移动时，m ，增大，m ：减小，呶= 一j c o l m 。一m ：i j 。，当衔铁往下移动时，m 。减小， m ，增大，以= j m m ，一m ：i j ，因此二次侧输出电压的大小反映了衔铁所处的位 置，相位反映了衔铁移动的方向阳6 1 。这样就将铁芯的位移量转变成了电压信号 输出。 图3 2 差动变压器位移传感器等效电路 二、静力水准仪工作原理 j s y 1 型浮子式静力水准仪主要是测相隔一定距离的多个测点间的相对高 程变化的一种仪器，它就是利用的上述传感器来实现其测量的，结构原理见下 图3 3 所示27 1 。 因区 因 囱 区 因区 几 ( 比 j 一、一 l ：差动变压器式传感器；2 ：导向弹簧；3 ：浮子； 图3 3 静力水准仪结构示意 从图中可知，水位变化即所谓高程的变化引起浮子上下移动，浮子的上下 移动带动铁芯在传感器的线圈中上下移动，这样就改变了磁通的分布，磁通分 布的改变引起变压器初、次级线圈之间的互感也随之发生变化。给初级线圈通 以交流电源，随之次级线圈就会感应出反应互感变化的电动势，因为铁芯位置 的变化所以产生了这个电动势，将这个电动势进行解调然后对输出的信号在进 行进行全波整流，再经过低通滤波，滤除调制时引入的高频信号心引，此时经过 放大的直流信号就是与浮子位移成线性关系的2 v 双极性直流电压，如此就将 浮子高程的变化转换成了通过通过电信号反应的变化值，通过电信号的输出我 们就可以由它来测量大坝安全监测系统中垂直位移的变化。 1 2 几_i t 稃硕+ 学何论文 1 3 1 2 垂线坐标仪( 引张线仪) 垂线坐标仪是根据电磁差动原理设计仪器，它用于监测大