（水利水电工程专业论文）水电站大坝实时监测系统的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 水电站大坝实时监测系统的研究与开发 水利水电工程专业 研究生程芳指导老师宋文武 水电站大坝实时监测是确保大坝安全的重要手段。为了便于管理监测资料 和进行资料整编，同时利用这些观测资料建立数学模型，对水电站大坝结构作 出分析与计算，并协助分析人员尽早地实时发现大坝性态的异常情况，从而掌 握大坝的工作性态，有必要歼发水电站大坝实时监测数据处理系统。有效的计 算机数据处理系统软件的研制开发及其应用有助于充分发挥观测资料的作用， 所以进行大坝实时监测数据处理系统的开发及其应用研究具有重要的意义。 本文所做的工作主要有以下几个方面： 1 大坝实时监测系统目的和意义，国内外在水电站大坝实时监测系统及监 测仪器和监测自动化等的发展状况。 2 大坝实时监测系统的主要有硬件和软件两部分组成。硬件主要是采集装 置( m c u ) 、分布式的组网结构、仪器的选型和监测点的实地布置。监测系统 软件部分采用c s ( 客户机月艮务器) 结构，应用程序主要由数据采集系统、数 据管理和分析系统两部组成，他们通过服务器上数据库的访问有机的连成一体。 3 数据采集软件直接操作现场测控单元( m c u ) ，安装于前置工控机；数据 管理和分析软件是对监测数据的整编和分析。数据库管理系统安装在服务器上。 数据采集部分、数据管理及分析部分分别在两台电脑上对服务器上的数据库进 行操作。 4 数据采集系统主要由系统管理、参数设置、管理m c u 、采集数据、数据 查询、大坝简介等模块组成。数据管理和分析主要有工程简介、数据录入、数 据检验、图形生成、报表生成、用户管理等模块组成。 5 把监测系统应用实际中获得监测成果并进行了分析。 6 大坝实时监测系统用最准确可靠又简单经济的手段监控大坝安全运行， 西华大学硕士学位论文 结束了以往靠人工管理观测资料的历史，便于工程管理人员的实时查询、分析。 关键词：大坝；实时监测；监测成果分析 西华大学硕士学位论文 r e a l - t i m em o n i t o r i n gs y s t e mo fd a mo f h y d r o p o w e rs t a t i o n m a j o r ：h y d r a u l i ca n dh y d r o p o w e re n g i n e e r i n g m e n g c a n d i d a t e ：c h e n gf a n g s u p e r v i s o r ：s o n gw e n w u i ti st h e i m p o r t a n tm e a n st og u a r a n t e ed a m ss e c u r i t yt h a tt h er e a l t i m e m o n i t o r i n gs y s t e mo fd a mo fh y d r o p o w e rs t a t i o n i no r d e rt om a k ei tc o n v e n i e n tt o m a n a g et h em a t e r i a l so fm o n i t o r i n ga n dr e o r g a n i z ed a t a ，u t i l i z et h e s et oo b s e r v e m a t e r i a l sa n ds e tu pm a t h e m a t i c a lm o d e la tt h es a m et i m e ，m a k ea n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o nt ot h em o d e l ，a s s i s tt of i n dt h eu n u s u a ls i t u a t i o no ft h ed a ma t t i t u d ei n r e a lt i m ea ss o o na sp o s s i b l e ，t h u sg r a s pt h ew o r ka t t i t u d eo ft h ed a m ，i ti sn e c e s s a r y t od e v e l o pa nd a t a p r o c e s s i n gs y s t e mo fd a mo fh y d r o p o w e rs t a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ew o r kd o n ei nt h ef o l l o w i n ga r e a s ： ( 1 ) t h er e a l - t i m em o n i t o r i n gs y s t e m p u r p o s e a n d m e a n i n g o fd a mo f h y d r o p o w e rs t a t i o n a th o m ea n da b o a r d ，t h es t a t eo fd e v e l o p m e n ti nr e s p e c t s ，s u c h a sr e a l t i m e m o n i t o n n gs y s t e m o fd a mo fh y d r o p o w e r s t a t i o n ，m o n i t o r i n g i n s t r u m e n ta n da u t o m a t i o no f m o n i t o r i n g ，e t c ( 2 ) t h er e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e mo fd a mi sm a i n l ym a d eu po fh a r d w a r ea n d s o f t w a r e h a r d w a r em a i n l yi n c l u d e s ：d e v i c eo fg a t h e r i n g ( m c u ) ，d i s t r i b u t e d n e t w o r ks t r u c t u r eo f g r o u p ，s e l e c t i n gi n s t r u m e n t t y p ea n dm o n i t o r i n gp o i n tt of i xu p o nt h es p o t t h es o f t w a r ep a r to fm o n i t o r i n gs y s t e m sa d o p tc s ( t h ec l i e n t s e r v e r ) s t r u c t u r e ，t h ea p p l i c a t i o np r o g r a mi sm a i n l ym a d eu po fd a t ag a t h e r i n gs y s t e m ，d a t a m a n a g e m e n ta n da n a l y t i c a ls y s t e m s ，t h e yc o m p o s ea no r g a n i s mt h r o u g hv i s i t i n g d a t a b a s ei ns e r v e r ( 3 ) d a t ag a t h e r i n gs y s t e md i r e c t l yo p e r a t e st h es i t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lu n i t ， i n s t a l l e di n f r o n to fi n d u s t r i a lc o m p u t e r t h ed a t at h a ta r e g a t h e r e dw i t ht h e r e o r g a n i z a t i o na n da n a l y s i ss y s t e mi nd a t ai sm a i n l ym a n a g e da n da n a l y z e d 西华大学硕士学位论文 d a t a b a s ea d m i n i s t r a t i o ns y s t e mi si n s t a l l e do nt h es e r v e r d a t ac o l l e c t i n gs y s t e ma n d r e o r g a n i z a t i o na n da n a l y s i ss y s t e mo nt w oc o m p u t e r ss e p a r a t e l y , c a r r yo no p e r a t i o n t ot h ed a t a b a s eo nt h es e r v e r ( 4 ) d a t ac o l l e c t i n gs y s t e mi n c l u d e ss y s t e mm a n a g e m e n t ，p a r a m e t e rs e t t i n g ， m c um a n a g e m e n t ，d a t ac o l l e c t i o n ，i n q u i r yo fd a t a ，d a ma b o u t ，e t c r e o r g a n i z a t i o n a n da n a l y s i ss y s t e mi nd a t ai sm a d eu po fm o d u l e s ，s u c ha s p r o j e c t s b r i e f i n t r o d u c t i o n ，d a t ai n p u t t i n g ，d a t ae x a m i n i n g ，f i g u r ep r o d u c i n g ，r e p o r tg e n e r a t i o n ， u s e rm a n a g e m e n t ( 5 ) m o n i t o ra c h i e v e m e n ta n a l y s i s ( 6 ) t h er e a l - t i m em o n i t o r i n gs y s t e mo fd a mc o n t r o l st h es a f eo p e r a t i o no ft h e d a mb yt h em o s ta c c u r a t er e l i a b l em e a n s ，s i m p l ee c o n o m ym e a n s ，f i n i s h e st h e h i s t o r yt h a to b s e r v a t i o n a ld a t ai sm a n a g e da r t i f i c i a l l yi nt h ep a s t k e y w o r d s ：d a m ；r e a l - t i m em o n i t o r i n g ；m o n i t o ra c h i e v e m e n t i v 两华大学硕七学位论文 声明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明，并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签字：径百 、 导师肄宝直认 2 卵弓年f 月肋日 r 娜 6 7 西华大学硕士学位论文 西华大学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，同意学校 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，西华大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密弋适用本授权书。 ( 请在以上口内划4 ) 学位论文作者签名：程百 日期：抽7 罗弓、2 - 9 指导教师签名：啤乒 嗍：一r 卅 西华大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及名称 课题来源：四川省电力局 课题名称：水电站大坝实时监测系统的开发研究 1 2 课题研究的目的及意义 随着经济建设的发展和水利资源的不断开发利用，大型水利工程建筑物的 数量和规模都在不断增加。然而，相当一部分工程存在着某些不安全因素，这 些因素不同程度地影响着工程效益的发挥，甚至威胁到千百万人民的生命财产 安全。 纵观国内外工程失事的严重教训，说明工程建筑物的安全富于勘测、设计、 施工、运行等各个环节中。对于已建的工程项目来说，为了保证建筑物的安全 就必须进行全面的安全监测，并及时分析这些观测资料，实现实时评判建筑物 工作性态的目的。 安全监侧的数据分析通常是应用回归分析法进行定量分析，并将分析成果 加以物理成因解释，使其逐渐用于监控建筑物的安全运行和评价建筑物的工作 状况。但是，由于安全监测的观测资料很多，处理和分析工作量很大，且由于 多种条件限制，工程管理单位的技术人员很难进行及时处理，一般要委托有关 单位用1 2 年时间来完成，从而不能将分析成果及时用于监控建筑物的安全运 行，也就不能及时发现隐患，以致延误了时机，造成不必要的损失。 为使建筑物能得到实时监控，并使监测数据得到及时评判，许多工程建筑 物已开始布置自动化监测系统，并研制了一些安全监控实时评判系统，向安全 监测的自动化和智能化迈出了重要的一步。建筑物实时安全监测的目的是及时 全面的提供有关大坝安全的各种信息，以供工程技术人员参考。这对于及时发 现建筑物的安全隐患，并且自动判断监测系统运行是否正常有着非常重要的意 义”。 西华大学硕士学位论文 1 3 国内外大坝监测技术的发展 1 3 1 监测仪器的发展 大坝监测自动化经历了从单台仪器遥测、专用测量装置、集中式数据采集 系统到分布式数据采集系统的发展过程，其发展与基于仪器设备的监测系统的 发展和进步密切相关，而监测系统的发展是以所有监测元件的迅猛发展为标志 的，包括从相关的传感器、测量仪器到转换、处理、存储、打印和分析设备的 发展【2 1 。 众所周知，大坝安全监测仪器是人们了解大坝运行状态的耳目，它要能够 在恶劣环境下长期稳定可靠的检测出大坝微小的物理量变化，所以在某些方面 ( 如在测量精度、长期稳定性方面) 与其它工业监测行业相比，其要求更高、 难度更大。从外部观测的静力水准、正倒锤、激光准直到内部观测的渗压计、 沉降计、测斜仪、土体应变计、土压计，其自动化遥测都是建立在高可靠性的 传感器的基础上。近年来，随着大型水坝建筑的增多和高科技的应用，大坝安 全监测正向一体化、自动化、数字化、智能化的方向发剧3 1 。 一、变形监测 变形观测主要是监测大坝本身及局部位置随时间的变化，即确定测点在某 一时刻的空间位置或特定方向的位移，可分为水平位移监测和垂直位移监测。 目前，水平位移监测自动化主要采用垂线法、引张线法及真空激光准直法；垂 直位移监测自动化有真空激光准直法和静力水准法，近年还出现了采用g p s 或 全站仪实现水平位移监测和垂直位移监测自动化的例子。目前，在国内工程中 使用的新型步进式变形监测仪器s t c 5 0 型坐标仪、s w t 5 0 型引张线仪反映效 果良好。 1 测垂线坐标仪 随着传感技术进步，遥测垂线坐标发展到c c d 式和感应式垂线坐标仪。 如采用差动电容感应原理的电容感应式遥测仪，当测点相对于线体垂直方向发 生位置变化时，则差动电容比值随之发生变化，通过测量电容比，测出垂直方 向的位移。电容感应式坐标仪技术先进、结构简单、测量精度高、长期稳定性 好、成本低、防水性能优越，适用于环境较恶劣的大坝。 目i j f 世界上具有研制并生产电容感应式坐标仪能力的国家仅有三个：法国 t e l e m a c 公司研制生产的变磁阻式坐标仪；意大利国家电力局与米兰大学研 2 西华大学硕士学位论文 制、s e l l 公司生产的t c e 0 3 型变磁阻式坐标仪；我国国家电力公司电力自动 化研究所研究院研制生产的电容感应式垂线坐标仪和武汉地震所研制的电磁感 应式垂线坐标仪【5 l 。 2 引张线遥测技术 在直线型坝中用引张线法测量坝体的水平位移，其原理与电容感应式垂线 坐标仪相同，区别仅在于测量的方向。因其设备简单、测量方便、测量速度快、 精度高、成本低而在我国大坝安全监测中起着很重要的作用。 早期安装在坝上的引张线仪，由人工来测读标尺上的水平位移，随着自动 化技术的发展，国内已有步进电机光电跟踪式引张线仪、电容感应式引张线仪、 c c d 式引张线仪及电磁感应式引张线仪。仅南京电力自动化研究院一家在现场 安装的遥测引张线仪就达1 5 0 0 套。但由于引张线装置受环境影响较大，尤其是 在线体较长和温度变幅较大的情况下，在北方( 如丰满、太平哨等工程中) 己 被真空激光准直所代替；再者就是在采用引张线实现水平位移监测时，要定期 检查线体及补充浮液，从而使“自动化”受到一定程度的限制。 3 遥测静力水准仪 基础沉降、倾斜监测是坝体的重要监测项目。所以要求测量仪器量程小、 精度高、长期测量稳定可靠，国内外在该领域都投入了较大的力量，开发出了 技术先进、性能价格比高的产品。 ( 1 ) 国内生产的电容感应式静力水准仪是与连通管配合用于测量各测点的 垂直位移的仪器。当仪器位置发生垂直位移时，通过采用屏蔽管接地改变电容 的感应长度，以达测量的目的。 ( 2 ) 武汉地震所研制生产的浮子式静力水准仪是利用差动变压器式位移传 感器对垂直位移进行测量的，它在国内使用较多，是一种测量精度和稳定性较 好的仪器。该仪器通过浮子上的铁芯在传感器的线圈中上下相对移动而测出垂 直位移。 ( 3 ) 步进马达式静力水准仪的工作原理是通过步进马达驱动丝杆垂直的上 下运动，测出步进马达转动脉冲数以得知仪器垂直位移的大小。该型仪器由步 进马达测针跟踪液面，精度较高；不足之处是存在长期高湿度环境下机械传动 部件防潮的问题及探针探测液位精度及探针腐蚀的问题。 ( 4 ) 意大利s i s 公司高精度水管式静力水准仪是通过涡流传感器非接触测 3 西华大学硕十学位论文 量浮子的上下移动来实现垂直位移测量的。但由于测量范围小、价格高而未在 国内运用。国外还有水管式静力水准仪，是一种利用超声传感器自动测量液位 高度变化的仪器。 ( 5 ) 钢弦式静力水准仪的原理是当发生垂直位移时，圆柱形浮体上下移动， 通过圆柱体的弦式测力传感器测出浮体上下移动引起的浮力大小的变化而感知 测点垂直位移的变化。该仪器测量范围大、测量精度较高、长期稳定性好。 4 激光准直测量技术 真空激光准直系统，是将三点法激光准直和一套适于大坝变形观测特点的 动态软连接真空管道结合起来的系统，又称波带板激光准直。它由发射端设备 ( 用一个激光源) 、接受端设备、测点设备、真空管道和真空泵等组成。由于各 测点设备均布设在真空管道内，因此不受外界温度、湿度等环境条件的影响， 观测精度大为提高，还可同时测得大坝的水平位移和垂直位移。真空管道波带 板激光准直可进行三维测量，能在恶劣环境下工作，它满足了大坝变形监测及 时、迅速、准确的要求【_ 7 1 。国内已有东北勘测设计院科研所、朝阳监测技术研 究所、西北勘测设计院、电力自动化研究所研制生产了该系统，并己在工程上 运用。但该设备也有局限性，即激光设备要求用于直线型、可通视环境，一般 安装在直线坝的坝面或水平廊道，对于拱坝、曲线坝则无能为力，所以有待于 实现激光转角来拓展其应用范围。 5 g p s 技术 g p s 卫星定位技术已对测量界产生了深刻影响，在国内混凝土坝和土坝变 形监测中已开始运用。 g p s 接收机体积小、测量精度高，适合野外工作，在潮湿、多粉尘、炎热 或严寒的环境下也能长期正常工作。该系统具有全天候、实时、自动化监测等 优点，可用于大坝的动态实时位移监测、振动频率测试和安全运营报警系统【引。 g p s 运用于隔河岩大坝的变形监测已多年，在1 9 9 8 年8 月大坝蓄水至1 5 0 年 一遇的洪水水位期间，g p s 监测系统一直安全可靠的工作，其抗干扰能力强、 监测精度高、数据分析处理及时，能够快速反映大坝在超高蓄水下的3 d 变形， 不仅确保了大坝的安全，也成功地实现了洪水错峰，对防洪减灾起到重大作用。 二、渗流监测 土石坝变形方面出现的问题，如迎水面和下游面的滑坡、塌陷、坝基的滑 4 西华大学硕士学位论文 动等，都是和孔隙水压力变化密切相关的，其发生的原因也多半是由于渗流破 坏引起的。因此，渗流监测被认为是土石坝安全监测中的重点。混凝土坝的渗 流监测主要是扬压力、渗流量监测。该类仪器对长期稳定性要求较高【1 0 1 。 1 弦式仪器 该仪器利用钢弦振动频率随钢丝引力变化的原理，通过电磁铁激振钢丝， 由磁铁线圈感应钢弦振动频率得知钢丝应变。其一般采用进口的钢弦式渗压计， 这种仪器直径较小，可以安装在测压管中，测值稳定、精度及灵敏度高、飘移 量较小且温度影响可以修正。用测压管进行渗流监测，有两个突出优点： 人工比测和自动化监测可以同时进行，并可以相互校验； 万一放置在测压管中的渗压计损坏或性能较差，可进行更换，不会影响 继续监测【l5 1 。 美国g e o k o n 公司的振弦式仪器性能较为稳定，4 5 0 0 s 系列用于测压管水位 监测效果较好，而带通气孔的4 5 0 0 a l v 及4 5 8 0 系列振弦式仪器由于自身能平 衡大气压，加之精确度较高、稳定性好，可以满足采用量水堰法进行渗漏量监 测的需要。 2 压阻传感器 压阻传感器用在硅半导体材料上制成的压敏感电阻作为敏感元件，在水压 力作用下使做成桥路的半导体电阻因压阻效应而输出电量，由此测出水压的变 化。由于压阻传感器灵敏度高、分辨率高、体积小，所以在大坝工程上的运用 步伐逐步加快【1 6 】。国家电力公司电力自动化研究院生产的n y z 型压阻传感器 已在多个工程中运用。 3 渗流量仪 水位监测除可采用高精度压力传感器外，国内单位生产的浮子式水位计同 样能满足工程需要。监测渗流的仪器有管口渗流量计和多种型式量水堰渗流量 仪。量水堰渗流量仪的浮子直接感应堰上的水位变化，进而求出流量。目前， 在工程上应用较多的是电容感应式和步进马达跟踪式量水堰仪。电容感应式量 水堰渗流量仪测量范围大、测量精度高、结构简单，可靠性副1 7j 。当然，渗流 量测量还可采用其它多种方案，如用高精度微压计进行量水堰水位监测，或采 用超声波流量计等。一些不适宜用量水堰测量的渗流量可以采用翻斗式的遥测 渗流量计，对于集水井的平均渗流量可采用集水井专用测控装置及配套的水位 s 两华人学硕十学位论文 传感器测量，它能按设定水位自动控制水泵抽水并给出大坝的总渗流量。 4 计算机层析成像技术 计算机层析成像技术( c t ：c o m p u t e r i z e d t o p o g r a p h y ，) 指在不破坏物体结 构的前提下，根据在物体周边所获取的某种物理量( 如波速、x 射线光强) 的 一维投影数据，运用某种数学方法，通过计算机处理，重建物体特定层面上的 二维图像及三维图像的技术。 由于其能够定量反映大坝内部材料性质的分布情况和缺陷部位，所以减少 了仪器设备的复杂性并提高了大坝的安全度，同时对大坝内部性态检测、缺陷 搜索和老化评判提供重要依据【l 引。所以意大利、日本先后将c t 技术用于大坝 性态诊断，有效地进行了大坝安全检查及工程处理效果验证。 三、应力应变及温度监测 通过埋设在大坝内部特定部位的仪器，如应变计、测缝计、裂缝仪、渗压 计、扬压力计、温度计等，对大坝的应力应变、裂缝、渗流渗压及温度等进行 持续自动化观测来计算拱坝的径向应力、拱向应力和梁向应力，这对于大坝的 安全评判十分重要。目前差动电阻式仪器( 卡尔逊仪器) 和弦式仪器广泛地用于 混凝土坝的温度、应力应变、渗压等监测中。 1 差动电阻式仪器 利用电阻丝变形与电阻成正比的原理实现的该类仪器因其防潮、长期测量 稳定可靠、测试方法简单、绝缘要求低、防雷能力强、经济、可兼测温度而在 国内得到了较广泛的运用【1 9 1 。针对该类仪器内阻低、仪器电阻变差会影响测值 等难题，国内工程技术人员创造了5 芯仪器测量原理，使得仪器测量与电阻变 差及电缆芯线电阻大小无关，实现了差阻式仪器的自动化监测。 2 光纤传感技术 光纤传感是用光导纤维来感受各种物理量并传送所感受信息的技术。光纤 传感器自身不产生辐射、不发热、不产生火花，且不受外界电磁辐射的干扰， 可安装在物体的表面或内部，连续地对诸如应变、应力、位移、裂缝、孔隙压 力、温度等状况进行监测。它以激光作载波，光导纤维作传输路径来感应、传 输各种信息，可以替代高雷区、强磁场区或潮湿地带的电子仪器。国外利用分 布式光纤网络温度测量来确定大坝中的渗漏位置和用分布式光纤传感网络测定 坝体混凝土中裂缝大小及位置等方面已有报道，国内在应用理论研究上也有了 6 西华大学硕士学位论文 较快发展，针对大坝监测研究的几种光纤传感系统己获得专利权。光纤传感器 可布设成分布式网络，具有许多传统传感器无法替代的优点： ( 1 ) 传感和数据通道集为一体，便于组成遥测系统，实现在线分布式监测； ( 2 ) 测量对象广泛，适于各种物理量的观测【2 0 1 ； ( 3 ) 体积小、质量轻、非电连接、无机械活动件，不影响埋设点物性； ( 4 ) 通信容量大、速度快、灵敏度高，可远距测量； ( 5 ) 耐水性、电绝缘好、耐腐蚀，抗电磁干扰； ( 6 ) 频带宽，有利于超高速测量。 3 渗流热监测技术 根据低温和大量渗漏存在联系，及温度测值和抽水试验所得到的渗透系数 间有很好的负线性相关系数等事实，可以认为温度分布图像可帮助发现渗漏较 严重部位，有效实现渗流异常报警。目前坝体监测中大多安置了测温计，温度 测头可放置在结构物或地下一定深度只受气温年变化影响而不受气温短期变化 影响处，发现温度异常即可判断存在渗漏。根据能量守恒方程、质量守恒方程、 渗流运动方程及初始条件、边界条件、推导出有关计算公式、设计数据计算方 法及程序后，就可以把温度测得数据代入，得出定量描述坝及地基中的热流和 渗流场，这样通过分析温度变化就能较准确地估计其渗透性。此项技术在美、 前苏、瑞典等国己成功应用。要在我国大坝监测中推广，重要的是根据具体坝 的情况设计出合理的计算公式和数据处理程序软件【2 。 四、环境量监测 环境量监测包括对水位、气温、降雨量等量的监控，比如，用水位计测量 大坝的上下游水位、溢流堰水位，用雨量计测量降水量，用温度计测大气干湿 温度等。铜电阻温度计或长春气象仪器研究所h b w 型铂电阻温度计目前应用 较好，其它环境量监测仪器则可选水利部南京水利水文自动化研究所的水文仪 器，因为该所产品己在国内外2 0 0 多个工程中得到应用，已出口美国、澳大利 亚等国。 五、监测新进展 随着电子计算机、激光、g p s 、空间技术、光纤传感等高技术的发展，一 些新的技术和设备引入了大坝监测系统，比如用热梯度面检查可发现渗漏，用 声学装置可发现裂纹，经纬仪在确定自身位置后，可测出水库边坡的系列标高； 7 朗华人学硕十学位论文 更为精确的全球定位系统可用于监测位移；远程摄影可对暂时无法接近的大坝 全貌进行拍摄，也可监测溢洪道或泄洪底孔安全，并对为防止遭受破坏而未经 许可不得进入的附属设施和控制单元进行监测；遥控机器人则可对水下的坝体、 进水口和压力管道进行检查，而无需抽干水库；光导纤维传输信号不但可以避 免光照影响、电波频率和电磁波的干扰，而且可以对光纤传感器检测到的压力 和应力分布以及温度在整个长度范围内的变化以高精度传输。此外，一批应用 了新技术的设备也已开始崭露头角，如滑动微分仪、差分仪、延展仪、激光测 距仪以及为了测量沥青混凝土心墙变形的磁性仪器等【2 2 】。 1 3 2 监测系统的自动化 大坝安全监测系统通常包括变形、渗漏、渗压、应力应变、温度等项目的 多种人工或遥测仪器设备，由人工或自动采集装置实施监测。传统的人工监测 方法所采用的仪器设备精度一般较低，且由于监测人员的素质差异，监测数据 的人为误差难以避免。对于有一定规模的大坝监测系统，人工监测的劳动强度 相当大，尤其当大坝经受大洪水等较危险荷载作用而需加密测次时，人工监测 往往难以胜任。因此近十年来国际国内均在大力发展遥测和自动化技术。 自动监测的最大优点是精度高、速度快、省工、省力、省时，且可任意加 密测次【2 引。在当今科技高度发展的年代，特别是微电子技术的成熟和大规模集 成化生产，为监测自动化系统的高可靠和低成本奠定了坚实的基础。 纵观大坝监测自动化的发展历程可以看出，各国根据本国国情和需要，沿 着三种方式发展自己的监测自动化，即资料管理自动化( 如法国、葡萄牙等) 、 管理自动化加部分采集自动化( 如西班牙等) 和全自动化( 如意大利) 【2 引。在过去十 几年中，意大利独树一帜，不仅系统地研究大坝安全监测理论和监测方法，而 且推出了微机辅助监测系统( m a m s ) ，该系统不仅能进行自动数据采集、校验、 存储和远传数据，而且具有快速在线判断和技术报警等功能。可以说意大利是 大坝安全自动监测的先驱。监测自动化已成为各国着力发展的方向、美国、法 国等均在稳步扩大自动化监测的范围。 我国开展大坝安全监测自动化研究始于7 0 年代末，我国实施自动化的路线 与国外不同，首先实施的是内部观测的自动化，先后于1 9 8 0 年和1 9 8 3 年在葛 洲坝安装了大坝内部参数自动采集装置，其数据处理和安全管理功能很弱。到 1 9 9 0 年，原南京自动化研究所根据国家“七五 科技攻关的要求，研制成功第 8 两华大学硕十学位论文 一套全自动化的大坝安全监测系统，此后在梅山、新丰江、凤滩、富春江、青 溪、万安、八盘峡、青铜峡等工程推广应用，并通过工程实践不断改进完善， 可以说大坝安全监测自动化技术在我国已渐趋成熟，其前景是广阔的【2 9 1 。 如前所述，大坝安全监测自动化包括资料整理分析、安全管理自动化和数 据采集自动化。国内有不少人对自动化的理解则是采集的自动化，通常都是把 有限的资金投注于采集自动化。有的甚至认为实现自动采集就等于实现了监测 自动化。这种理解显然是片面的。事实上，在国外，大坝监测数据的管理和资 料的整理分析通常都由指定的单位和部门来负责，如意大利的结构和模型试验 所( i s m e s ) 、法国电力公司的技术改进处( d t g ) 、美国的垦务局丹佛中心、葡萄 牙的国立土木工程实验室等【3 0 】。在这些部门中不仅配备有功能强大的计算机， 而且有一整套数据库管理和资料整理分析软件和一批专门的分析人员。无论是 人工监测或自动化监测的数据都立即送往处理中心进行整理分析，以便及时了 解大坝的安全状况，事实上，大坝监测资料只有通过及时的整理分析才能为管 理单位提供大坝运行的有用信息，大坝安全监测的价值也在于此处，从这个意 义来说，实施自动化首先应考虑的是数据管理和分析的自动化【3 3 1 。 监测系统自动极大地提高了我们设计、建造和安全管理大坝的能力。自动 数据采集系统不问断地或周期性地或按需要地读取、整理和转换物理信息，并且 将这些信息传输到当地或远程的数据处理和管理系统，以便进一步分析、处理、 生成图表和存入查询方便的数据库。因此，自动化提供了监测大坝运行和及时获 取大量监测信息的新技术。相应地，也提高了尽早发现事故隐患的可能性，这样就 可以及时发现异常情况，并尽快作出正确判断和采取有效的补救措施。对于大坝 暂时无法接近，例如有发生溃坝危险的情况时，将不再中断大坝的监测。 自动监测产品的最终目的是将大坝结构的实际状况与理论模型进行比较， 一旦发现大坝变形超过了设计允许范围就报警。这种自动报警系统通常在内部 使用，它发出的报警信号直接而且只送给对大坝安全负责的具有强烈责任心的 工程师，他有评估大坝安全的能力并被赋于采取进一步有力行动的权利。 1 4 本论文研究的主要内容 第一章：介绍大坝安全监测的目的和意义、国内外研究情况，最后介绍本 论文各章研究的主要内容。 9 两华大学硕十学位论文 第二章：大坝实时监测系统硬件部分的设计，主要包括监测的目的和原则、 监测点的布置、仪器的选型。 第三章：大坝实时监测系统软件部分的设计，主要包括软件功能的分析、 结构的设计以及开发环境。 第四章：监测软件的界面，由数据采集和数据管理分析模块组成。 第五章：监测系统的数据库设计。 第六章：监测成果的分析。 第七章：结论及展望。 1 0 西华大学硕士学位论文 第二章水电站大坝实时监测硬件系统的设计 水电站大坝实时监测系统一般可分为两部分：硬件系统和软件系统。硬件 系统是由其传感器( 即采集仪器) 和数据采集装置( 如m c u 或g p s ) 组成，传感器 将物理量转化为电量，数据采集装置则是对传感器的输出信号进行正确采集， 并转换为数字量进行存储和传输，是整个系统的基础和核心部分；软件系统则 是对监测网络系统进行管理和对采集来的数据进行分析处理的管理系统。 2 1 水电站大坝实时监测系统的设计目的 ( 1 ) 为施工( 特别是施工期间安全) 服务，检验施工质量为施工服务主要体 现在以下几个方面： 开挖：对开挖过咸亨安全控制有开挖坡度、梯度、进尺、爆破参数等的调 整，为安全施工提供可靠依据。经对观测资料分析反馈后，再进一步修改设计 和施工方案，确保安全，加快施工； 支护：开挖后一般需进行支护处理，并对其进行监测，将观测数据进行分 析，可为支护处理措施提供依据，节省工程投资； ( 2 ) 安全运行的耳目 为水库首次蓄水提供分析依据。大坝在第一次外荷载作用下，变位由一个 适应过程，其变形也是后期运行的重要依据，通过观测数据分析掌握变化规律， 调整蓄水进程，在确保安全情况下，发挥效益。 为安全运行提供科学依据。通过安全监测可掌握库水位变化、实效、气温 变化引起的大坝变化，通过观测数据分析，调整运行工况，确保安全运行。 ( 3 ) 验证设计 通过对观测资料系统分析和反馈分析，验证设计计算的参数取值、计算方 法、计算模型等是否正确，从而验证设计，为工程设计积累经验。 2 2 水电站大坝实时监测系统的设计原则 ( 1 ) 按工程或试验研究需要、地质条件、结构特点和观测项目，选择有代表 性的部位布置仪器。 ( 2 ) 为了校核设计计算方法，在典型区段选择岩体或结构性态变化最大的部 1 1 两华大学硕十学位论文 位布置观测断面：施工和运行期的观测，应选择条件最不利的部位，断面数量 和仪器数量取决于被测工程的特性，并与控制的目的相吻合。 ( 3 ) 在观测断面上，应该考虑岩体和结构的性态变化规律、结构物的尺寸与 形状预计的变形、应力及其他参量的分布特征布置测点。测点的数量，在考虑 结构特征和地址代表性之后，依据上述变化情况和预计参量变化梯度来确定。 梯度大的部位测点间距小；梯度小的部位，测点间距大。 ( 4 ) 观测布置要考虑便于计算和参照模型比较和验证【i l 。 ( 5 ) 仪器布置力求以“合理的最少量”即能达到所要观测的目的。在满足精 度要求的前提下，观测方便，侧值能互相对比校核，同时尽量排除影响精度的 因素( 如温度影响等) 。 ( 6 ) 仪器设备要耐久、可靠、实用、有效。 ( 7 ) 仪器监测应与巡视检查相结合。 2 3 水电站大坝实时监测系统的监测项目 主要项目；大坝外部变形、渗流、水位等。 引水系统主要监测项目有：混泥土衬砌段的围岩变形、外水压力；压力管 道埋 管段的应力应变、围岩变形、外水压力观测；压力管道明管段钢板应力应 变观测；明管段边坡位移观测；明管段镇墩预应力锚索应力观测；调压室内外 水压力观测等。 厂房部分主要监测项目有：厂房边坡表面及深层位移观测，厂房基础沉陷 观测，厂房基础水压力观测及发电尾水位观测等。 2 4 水电站大坝实时监测系统的设计规程规范 ( 1 ) 混泥土坝安全监测技术规范； ( 2 ) 水工隧洞设计规范； ( 3 ) 国家三角测量和精密导线测量规范； ( 4 ) 国家一、二等水准测量规范： 2 5 水电站大坝实时监测系统的组网 目前国内外采用的大坝安全自动监测系统按采集方式可粗略地分为三类： 1 2 西华大学硕士学位论文 即集中式、分布式和混合式。 所谓集中式采集方式，典型的布置是在大坝廊道内设一专门的监测室，内 置采集装置，布设于坝内各处的仪器通过电缆直接与采集装置相连，仪器信号 通过采集装置转换为数字信号传到坝外的微机监控室进行存储管理，如图2 1 所示。大坝规模一般较小，仪器测点数量在一、二百点以内，且仪器布置相对 集中，采集装置集中设置在坝内廊道，信号传输距离不远，且监测室设有专门 f i g2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ec e n t r a l i z e d c o l l e c t i o nd e v i c e s 图2 - 1 集中式采集装置示意图 分布式采集系统是将采 集装置分散布置在靠近仪器 的地方，一般称为测量控制 单；k ；( m c i j ) ，如图2 2 所示。 m c u 可完成所辖测点的控 制测量、a d 转换、数据暂 存和数据传输等功能。由于 数字量的远距离传输较之模 拟量相对简单，因此它可根 据仪器的布置情况，灵活地 分散设置在靠近仪器的地 的防潮通风设备，因此对中小型 工程不失为一种经济实用的系 统。 ll 湛五三 f i g2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ed i s t r i b u t e d c o l l e c t i o nd e v i c e s 图2 - 2 分布式采集装置示意图 方，缩短了模拟量传输的距离，降低了系统防外界干扰的技术难度。每个m c u 均可根据设定和命令执行测量和暂存数据，因此系统故障所造成的数据丢失可 西华大学硕士学位论文 相对减少。由上述特点可知，分布式采集方式较适合于工程规模大、测点数量 多且分散的监测系统。由于每个m c u 都是一个采集装置，这种分布式采集系 统的造价一般均较高。但随着电子技术的成熟和大规模应用，电子元器件的成 本大幅度下降，其性能价格比将逐步提高。 混合式是介于集中式和分 布式之间的一种采集方式。它 是具有分布式布置的外型，而 采用集中方式进行采集的系 统。设置在仪器附近的遥控转 换箱类似于m c u ，汇集其周 围的仪器信号，但它不具备 m c u 的a d 转换和数据暂存 功能，故其结构之m c u 简单， 在相同的恶劣环境条件下，其 故障产生的概率也要低些。遥 f i g2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fh y b r i d c o l l e c t i o nd e v i c e s 图2 - 3 混合式采集装置示意图 控转换箱传输的信号是模拟量、频率量等，因此混合式的关键技术是既经济又 可靠地解决模拟量的长距离传输技术。混合式系统利用散布于仪器附近的遥控 转换箱将仪器的模拟信号汇集于一条总线之中，传输到监控站进行集中测量和 a d 转换，然后将数字量送入计算机进行存储处理。由于混合式监测系统较好 地解决了模拟量的长线传输，既具有分散布置汇集大量仪器的灵活性和可扩展 性，又仅需一套测量与控制装置，且其运行维护条件也较好，因此是一种符合 我国国情，有较高性能价格比的自动监测系统，故在推出之后，在国内获得了 广泛的应用。近年电力自动化研究院( 即原电力部南京自动化研究所) 又将原来 的顺序测量方式改进为各子系统并行测量、分别暂存监测数据，进一步提高了 系统的运行效率和可靠性。实践证明，对于一般的大中型工程，混合式采集方 式是一种经济实用的自动监测系统。混合式监测系统示意图如图2 3 所示。 如上所述，三种采集方式都是基于先进的科技成果之上，都能满足工程监 测的不同需要，并且都同时在工程中得到了应用。它们各有自己的技术特点和 应用范围。对于某一具体工程，在满足工程监测需要的前提下，选择何种采集 方式，主要的衡量标准就是性能价格比。 1 4 西华大学硕士学位论文 f i g2 - 4n e t w o r kd e p l o y m e n to ft h er e a l - t i m em o n i t o r i n gs y s t e mo fd a m 图2 - 4 大坝实时监测系统组网图 则分布式采集系统可望具有更有竞争力的性能价格比，从而获得更多的应用。 综合考虑本系统稳定可靠和价格性能等多方面因素，按最优设计原则，系 统采用方式确定为分布式。系统组网图，如图2 4 所示。 水电站大坝实时监测系统的工作流程如图2 5 所示。 f i g2 - 5s y s t e mw o r k i n gf l o w c h a r t 图2 - 5 系统工作流程图 西华大学硕士学位论文 2 6 监测点的布置 2 6 1 水电站大坝外部变形及环境量监测布置 ( 1 ) 垂直位移监测 在坝区建立水准网，水准网由基准点、工作基点和坝顶测点组成，工作基 点设在大坝左右岸坝头附近，左右岸各1 个；基准点组设在右岸坝下下游侧l k m 处公路边，一组三个点，为坝项垂直位移测量提供高程起测基准。基准点及工 作基点均采用基岩标；基准点、工作基点应在大坝蓄水前完成并至少观测一次。 初蓄期及运行期，水准网每年校测一次。 为观测坝顶沉降、倾斜及不同坝段相对不均匀沉降，在挡水坝段、溢流坝 段上下游侧及横缝左右两侧布置表面垂直位移测点，共计2 2 个，采用地面标志， 坝顶垂直位移采用几何水准方法观测。点位具体位置见表2 1 。 表2 - 1 垂直位移测点、工作基点、基准点位置一览表 t a b