九 28, 2012 - file 大坝桥梁监测   comment No Comments

大坝和岩土工程中埋设仪器选型问题

为了进行安全监测,在大坝和岩土工程中埋设必要的监测仪器已经在监测规范中有了明确规定。在工程的设计阶段,埋设仪器的选型和设计布置就成为监测设计中的一项重要工作。仪器选型是否正确对后续工作的成败有很大影响,在实际工作中我们看到有些工程因为选型失误而导致监测工作的失败。本文从仪器选型的重要性谈起,提出在大坝和岩土工程中埋设仪器要求,对照这些要求,分析比较了差阻式仪器和其他类型埋设仪器在大坝和岩土工程中的的优越性和局限性。最后得出结论认为差阻式仪器作为大坝和岩土工程中的埋设仪器在多数情况下更为合适,提出了这种仪器的改进方向。

在混凝土坝和土石坝监测规范中的,有相当多的监测项目需要埋设仪器,特别是应力、应变及温度监测和渗流监测方面大部分项目都是采用埋设仪器。目前市场上可以选购的仪器很多,仪器生产厂家也不少,选用什么样的埋设仪器?选购那种厂家的仪器就成为负责任的设计人员、施工人员及业主面临的重要课题。在我国最近20多年的水利、水电工程中由于埋设仪器选型不当造成监测项目失败,甚至重新安装外部仪器谋求补救的工程屡见不鲜。

本文试图对埋设仪器的选型问题从技术角度进行一些探讨,不仅希望对水利、水电工程监测设计及其实施能有所帮助,同时也希望对仪器生产和改进能有所帮助。

大坝和岩土工程中埋设仪器的重要性

在混凝土坝安全监测规范中将监测项目分为四大类,即环境量监测、变形监测、应力、应变及温度监测和渗流监测,土石坝安全监测规范的分类也相似,即水文、气象监测、变形监测、压力(应力)监测和渗流监测,其中环境监测项目(即水文、气象监测)实际上主要是监测荷载量或影响建筑物的因子量,后三类监测项目则是效应量,是监测在环境量作用之下所表现的大坝性态。

按照监测的具体物理量将后三类监测进一步细分,除了大坝位移、挠度、渗流量等项目外,大多数项目如应力、应变、钢筋应力、钢板应力、裂缝、接缝开度、温度、基岩变形、土压力、土应变、渗透压力、锚杆应力、锚索拉力都需要将监测仪器埋设在建筑物或基岩、土体内部,所以过去曾经将这类监测称之为内部观测,所用仪器就称为内部仪器了。

对于大中型工程来说,这些监测项目是非常重要的,关系到工程安全和设计施工质量的正确评估,也是水库蓄水运行后进行安全监控的重要依据。这些埋设仪器所监测的物理量各有其重要性,不是其他外部安装仪器监测物理量所能替代的。

重力坝坝顶水平位移通常是监测重点,人们以为它是一个关系安全的重要物理量,力图制定监控指标、编制软件、建立模型,以便对大坝安全实现监控。事实上坝顶水平位移是一个受多种因子影响的综合效应量,坝体混凝土裂缝、接缝开度,坝基和库底沉陷对坝顶位移都是有影响的,其影响大小,尚未见有说服力的研究成果。大家都知道,混凝土有自生体积变形,有收缩型的,也有膨胀型的,对坝体应力、变形的影响和温度相似,其影响可能还不小。

因此,我们认为大坝安全决定于多种因子的综合影响,不可能单纯通过宏观变形准确判断。由此可见,大、中型混凝土坝的应力、应变监测也是不可或缺的,因为只有通过应力、应变监测才能了解混凝土浇筑后直至混凝土冷却到稳定温度场的应力和温度变化过程,从而得知坝体最大拉、压应力发生的部位和大小,评估裂缝或裂缝进一步扩展直至破坏的可能性。

混凝土坝的坝踵是否产生拉应力,通常是人们关心的问题,但这里是应力集中区,一般不布置应变计组。事实上,真正发生拉应力的时候,往往首先将基岩拉开,埋设基岩变形计和多点位移计监测基岩的变形比监测应力还重要。拱坝的拱座和高边坡重力坝的边坡坝段监测应力和监测基岩变形都很重要,就拱坝而言,通过应力监测我们可以推算拱推力,而基岩变形监测可以验证拱座的稳定性。高边坡重力坝的边坡坝段的应力是三维问题,其稳定性也很重要,变形、应力及边界缝的监测可以相互验证,因此都是必要的。

对大型地下洞室,适当布置锚杆应力计、多点位移计、基岩变形计等仪器监测围岩变形对施工开挖和衬砌支护设计相当重要,没有实测成果作为指导,单凭经验是比较危险的。近年来,有些工程通过锚杆应力计、多点位移计实测成果异常,发现在开挖爆破过程中围岩裂隙扩大,必须及时采取设计施工措施,防止进一步恶化。

土石坝的防渗问题是大坝安全的关键,渗透压力的异常有可能是形成渗漏通道的先兆,因此监测渗透压力比监测大坝变形更为重要。在防渗体、坝基及坝体埋设渗压计十分必要,在坝体中有时可采用测压管代替渗压计,但是有些部位则无法取代。

在面板坝监测设计中,人们往往优先考虑监测内部变形,布置多台引张线式位移计和水管式沉降仪,其实,这两种仪器只能测同一高程几个测点,仅凭这些测值无法分析评估坝体的总变形,更无法对大坝安全作出判断。因为大坝安全决定于面板和止水结构的承受能力,例如巴西高160m的佛士度爱利(FOZ DO AREIA)面板坝承受了77.5cm的变形,安全运行,据估计可承受100cm的变形也不会有问题[1]。显然,坝体变形不是大坝安全的首要因素。

对中小型面板坝,监测面板和止水结构的安全比监测内部变形的大小更为重要。这就需要埋设钢筋计、渗压计和测缝计,合理地布置这些仪器,就能直观地反映防渗结构的有效程度,及时发现渗漏点和渗透通道。

综上所述,在大坝、基岩和岩土工程中的埋设仪器监测项目十分重要,多数情况下是外部安装监测仪器无法取代的。充分认识埋设仪器的重要性,有助于在仪器埋设工作中,提高各个环节的工作质量,保证监测成果长期可靠。

大坝和岩土工程中埋设仪器的基本要求

在大坝和岩土工程中埋设仪器,失败的风险是较大的,因为从设计、施工埋设到运行管理,有几个重要环节,有一个环节失败,就会导致全部工作失败。第一个环节就是设计阶段的仪器选型,选型不当,即使其后的各个环节工作做好了,也不可能取得较好的成果。这是因为埋设仪器的性能和质量是监测工作的物质基础,没有正确的仪器选型,就不可能获得满足监测要求的仪器,当然就不可能实现监测设计期望的监测目标。另一方面,埋设仪器一旦埋设好了,就不能更换、修复、维护或率定。除了另外补充埋设以外,没有其他补救办法。埋设仪器是在一定的施工阶段进行的,如果错过了施工阶段,就不再可能更换仪器,重新埋设。

对于监测设计人员来说,在设计过程中要重视仪器选型工作,这样才能保证自己的设计很好地实现。对于业主和运行管理单位来说,不仅要审查监测布置是否合理,工程费用是否较低,还要考查仪器选型是否正确,监测目标能否实现。

仪器选型不能盲目套用类似的设计,因为仅仅看设计资料看不到设计实施后的成效,要考察实施后的效果,才能吸取其成功经验或失败的教训。仪器选型也不能受仪器生产单位的误导,因为有的生产厂家或科研单位只考虑自己的效益,而对监测效果不负责任。

一般仪器的选型,要考虑仪器的功能和性能满足监测项目的需要,性能价格比较高,便于安装、使用和维修。如果有自动化监测要求,仪器还应满足自动化监测的需要。对于埋设仪器来说,仅仅考虑这些还不够,还必须满足更高的一些要求。我们认为埋设仪器应具备下述六个基本要求,也就是说,埋设仪器选型要从以下六个方面进行考虑:

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。有些学者称这些仪器性能参数的不稳定为零点飘移和温度飘移。其现象就是仪器在给定的稳定荷载条件下,其输出的测值随时间而变化。例如长期置于一定水压力下的渗压计或在一定变形下的应变计,在不同时间的测值应不变,如果其测值随时间变化,那就不是稳定的仪器。

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。

仪器选型时要对仪器这方面的特性进行充分的了解,选择电缆影响小或无影响的仪器,这样的仪器不会因为接长电缆而降低精度,在实现遥测自动化时才能保证测值准确性。

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。通过长达10年以上的监测资料才能掌握所需监测的物理量的变化规律,对建筑物或基岩的工作性态作出正确评估。例如混凝土坝的温度变化是很复杂的,混凝土浇筑后因水泥水化热而升温,以后逐渐冷却,冷却速度受到各种因素的影响,达到稳定温度的时间可能需要几年甚至几十年。坝体的应力更复杂,在混凝土升温时,一般会出现压应力,降温时也可能转变为拉应力。在蓄水时因为增加了水荷载,应力可能进一步增加,也可能减少。在这一期间如果仪器已经不能正常使用,我们就不可能了解温度和应力的变化规律,也就不可能对大坝的应力是否满足强度条件得出正确的结论。

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。

目前监测仪器生产厂家很多,不同厂家的产品的功能和性能可能相似,但质量和使用寿命可能大不相同。在设计选型和施工采购时只能选用经过工程实践长期考验厂家的优质产品,切不可因为低价而选用那些未经工程实践长期考验的产品。

过去,有很多失败的工程实例,都是这个原因造成的,在设计选型和施工采购时,不能不吸取这方面的经验教训。

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。设计人员如果在这一方面未作细致考虑和调查研究,轻信仪器厂家的广告或不负责任的传说,选用了不恰当的仪器,就可能导致监测失败。

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。大坝通常位置于雷电高发地区,仪器要有抗感应雷电流的能力,否则易于为雷电流损坏。

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。

几类埋设仪器的选型分析

在上世纪三十年代,就已经发明了两类埋设仪器,即差阻(弹性钢丝)式仪器和钢弦(振弦)式仪器。前者是美国人卡尔逊发明的,所以又称卡尔逊仪器,现在在美国、瑞士、日本和中国都有工厂生产。钢弦式仪器在法国、德国和前苏联都先后有人发明了这类仪器,分别有工厂生产,现在更多的国家有工厂出这类仪器产品,中国也有不少工厂生产。

上世纪七十年代,日本共和电业试图改进差阻式仪器,他们推出了一种新型埋设仪器,其外形和差阻式仪器相同,但内部用特制的电阻片弹性元件作为变换物理量为电量的敏感元件,这样就克服了差阻式仪器的两个缺点,其一,解决了差阻式仪器钢丝易断的问题;其二,解决了长电缆对测值影响问题。这种仪器就称为贴片式仪器,因为在生产过程中,需要把微型电阻片贴在弹性元件上。这种改变也带来了新的缺点,因为采用了高电阻值的应变片元件,在电路绝缘降低后就不能测量,在实际使用中损坏率达1/3以上。由于电阻片是胶基的,同时又用胶粘贴到弹性元件上,这些高分子化合物的长期稳定性是个问题,因此作为长期监测就不适宜。我国也曾经进口了少量这类仪器,埋设后很快损坏。我国也曾经研制过这种贴片式仪器,由于这些方面问题并未大量生产。

近年来,国内仪器市场上可以采购到不少类型的监测仪器,如电位器式、电感式、电容式、电解液式、压阻式、光纤式等,但都不能完全取代两类传统的埋设仪器即差阻设仪器和钢弦式仪器。因为这类仪器中,有的不符合前述埋设仪器的基本要求,有的则品种单一,有的是新研发的产品,还缺乏实际工程的考验。

中国早在上世纪五十年代就已选择差阻式仪器作为水利水电工程的埋设仪器,当时还没有中国自己的产品,只能从瑞士和日本进口。最初埋设进口仪器的有流溪河、上犹江、新安江等大坝。选择这种仪器的理由是差阻式仪器测值稳定、能同时兼测测点温度,测量仪表(水工比例电桥)轻便。当时的钢弦式仪器的测量仪表很笨重而且使用不方便。为了解决国内自己生产差阻式仪器的问题,水利电力部选定了南京水利电力仪表厂(即现在的南京电力自动化设备总厂)作为研发和生产差阻式仪器的定点工厂,该厂从六十年代直到七十年代用了20多年的时间完成了仪器研制、提高、发展和批量生产的全过程,在技术水平上已和国外不相上下,使仪器性能、品种和产量完全满足国内水利水电建设的需求,而且也满足一些国外工程的需要。

当时,钢弦式仪器和差阻式仪器比较,也具有自己的优势。因为钢弦式仪器输出为频率值,不受电缆阻抗影响,可以远传数百米,不增加测值的误差。钢弦式仪器的分辨率较高,如果解决长期稳定性问题,可获得较高的测量精度。由于土石坝不需要测量测点温度,因此可在土石坝中应用。上世纪六十年代,我国一些科研单位也进行了钢弦式仪器的研究和生产,但投入和研发力度不如差阻式仪器,迄今,在产品品种和性能上和国外产品还有相当大的差距。

上世纪八十年代,我国科技人员在差阻式仪器的测量方法和实现遥测自动化方面取得重大突破,即采用五芯测量方法代替了传统的四芯测量方法。卡尔逊发明差阻式仪器时,采用了三芯测量方法连接惠斯登电桥测量,仪器电缆的芯线电阻对测值影响较大,增加了测值误差。后来改进为四芯测量方法,连接专用的水工比例电桥进行测量,可以基本消除芯线电阻对温度电阻的影响,但不能消除对电阻比测值的影响,因此连接电缆长度不宜超过百米,而且要求四根芯线的电阻相等,否则会增加误差。

采用五芯测量方法代替传统的四芯测量方法后,连接以恒流源为基础的检测仪或自动化系统进行测量,可以完全消除电缆电阻对测值的影响,试验和实践证明,连接电缆长达2000m,仪器的温度电阻和电阻比也不受影响。芯线之间的差异及其变差对测值的影响也可以消除。这样解决了不能连接长电缆进行远距离测量的问题,取得和钢弦式仪器在这方面的同样优越性。

上世纪九十年代,采用五芯测量方法的分布式自动化系统研制成功,进一步使差阻式仪器的应用得到优化。与此同时,南京电力自动化设备厂研发了更多的品种,进一步提高了仪器性能[2],使差阻式仪器的应用领域更为广阔,成为大坝、岩土工程首选的埋设仪器。

对照上节埋设仪器选型要求考查,差阻式仪器具有的适应性、优越性有如下许多方面:

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。这样,就使差阻式仪器具有良好的长期稳定性。

为了验证这个问题国内有多次试验成果,见[2][3],证明差阻式仪器确实是稳定的,和进口产品相当。

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。我国科技人员对此也十分重视,进行过研究[4]。但国内生产厂家很多,并不是都重视这个问题,长期稳定性就成为钢弦式仪器作为埋设仪器的大患。长期稳定性同样是国外钢弦式仪器需要考核的问题,不是所有国外产品的长期稳定性都好,有的厂家认真消除不稳定的因素,其产品的长期稳定性就好,有的厂家的产品的长期稳定性就不好,见[5]。因此选择国外钢弦式仪器作埋设仪器时,首先要了解其长期稳定性的试验情况,盲目采购可能导致不良后果。

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测都需要了解温度的大小、分布和变化规律。所有埋设仪器资料的温度修正(温度补偿)计算都需要温度测值。对于土石坝来说,现在认识到坝体和坝基的温度场对监测渗流异常也很有用,因为低温的库水将改变坝体和坝基的温度场,监测到此种变化,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]。

3、差阻式应变计变形模量低,更适合测量混凝土应力应变

用于混凝土坝应力应变监测的埋设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。差阻式应变计的变形模量为400~500MPa,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。这一点很重要,因为混凝土浇筑后将因水泥水化热升温,以后又逐渐降温,混凝土应力也从压应力转变为拉应力,有可能引起混凝土裂缝,亟需监测。另一方面,混凝土应力应变计算需要考虑全部历史应变(承前应变),否则将引入很大误差,因此应变资料的基准值取得越早越好。采用差阻式应变计测应变时,通常在混凝土终凝前后取基准值。

钢弦式应变计的变形模量约在20000MPa,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和混凝土协调变形,这样只能测到57%~87%的应变量,对于蓄水后的应力监测是不利的。由于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,是不能容忍的损失。

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电阻变差的影响,遥测距离可达2000m。

由于我国科技人员在差阻式仪器测量技术方面的突破,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。

差阻式仪器的遥测距离加长,在土石坝和隧洞中的应用就很方便,不再需要考虑长电缆的影响问题。由于五芯测法解决了消除电缆电阻和芯线变差的影响问题,对集线箱的接触电阻及芯线电阻一致性的要求就不需要太高了。

5、差阻式仪器能承受0.5~3MPa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。

早期的差阻式仪器只能承受0.5MPa的水压力,适宜于一般混凝土坝和岩土工程中使用,对于高坝、深基础、深防渗墙及高压水下是不适宜的。上世纪末,南京电力设备总厂研制成功耐高压差阻式仪器,为高水压下的使用提供了优良的监测仪器。这种耐高压差阻式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,所以特别是适宜于高防渗墙和高压管道的监测。

差阻式仪器出厂时要求仪器具有耐受50MΩ的绝缘要求,但这种仪器其实是低阻值仪器,即使电路绝缘较低,甚至低到1`MΩ以下,也能正常测量。

钢弦式仪器虽然也能一定的水压力,但不是用内部平压元件达到的,因此其刚度很高,不宜用于高防渗墙和高压管道的应变测量。过去不少工程实例说明有些国产钢弦式仪器的防水能力特别脆弱,埋设后大量损坏,使用时必须注意考核。

钢弦式仪器出厂时没有绝缘要求,测量电路中如有某个环节绝缘下降,就可能导致仪器不能测量。从我们曾经为之改造过监测系统的鲁布革电站和松子坑水库的钢弦式仪器大量失效来看,其原因多半是由于仪器及其电缆进水或绝缘降低造成的。

6、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,能够承受一定的感应雷电流的冲击。瑞士胡根伯仪器厂的JOSEF ZILTENER说他们通过瑞士电气技术协会进行过测试,差阻式仪器能够承受4.8~5.2KV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,必要时还需要连接防雷器和良好的地线。

7、差阻式仪器具有长寿命,埋设在坝内的仪器可运行10~20年以上

在混凝土坝中埋设的差阻式仪器可以正常工作20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测资料,其次,要能监测初期蓄水的大坝性态,蓄水后的5~10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这一监测过程的要求。

8、差阻式仪器具有双监测数据,可以利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成双的,一个是电阻比,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,它们都来自于仪器的两组钢丝的电阻R1和R2。我们利用他们的相互关系就可以检查监测数据的可靠性,例如仪器的电阻比大幅跳动,就可能有几种原因:监测物理量异常;混凝土裂缝;仪器钢丝松脱;检测仪表异常,通过分析可以确定数据跳动的真正原因[2][7]。

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。不能正确判断异常的原因,为资料分析带来困难。

9、差阻式仪器可以用于动态监测

早在上世纪60年代,我国科技人员即进行过差阻式仪器的动态特性试验,进行了国产、瑞士产、日本产的大应变计在空气中的振动试验,又进行了埋设在固体介质的动态性能试验研究。认为大应变计在空气中的自振频率与其变形模量的平方根成正比,在100Hz的范围内具有良好的频率和动荷重特性。而在固体介质中,在1000Hz的之内,仍具有良好的频率和动荷重特性[8]。

近年来,河海大学在南京电力设备总厂进行过试验,认为在300Hz以下测试也很好,河海大学和东南大学都在岩土工程中采用差阻式仪器进行动态测试,取得良好成果。

10、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。

差阻式仪器现有16种产品几十种规格,已相当齐全,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。这样,在同一工程中可以保证使用同一类型的监测仪器,同一种集线箱和检测仪表,也便于实现监测自动化。

在施工埋设前的现场率定是一个保证埋设仪器质量和完好率的重要措施,因为率定设备有保障,且有成套率定方法,对差阻式仪器来说,是不成问题的。

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。生产厂家的率定设备和率定方法是不给用户提供的,为这种仪器的使用增添了困难。

11、差阻式仪器主要产品具有国家标准,产品企业标准齐全,国内具有丰富的使用经验和资料分析经验

国内从上世纪50年代即开展了差阻式仪器的研究,80年代就制定了主要产品的国家标准,现在各种产品的企业都已齐全,仪器的质量和性能有标准加以规范。国产差阻式仪器问世以来,埋设在包括三峡大坝在内的上千座的大坝和岩土工程中,已生产和埋设的仪器已经超过20万台(支)。60年来,在我国科研、设计、施工、运行和高校积累了丰富的使用经验和分析资料经验,提出了成套的仪器率定和仪器鉴定方法,发表了大量分析成果。

综上所述,可见差阻式仪器是十分良好的埋设仪器,适宜于在大坝和岩土工程中用。但是这种仪器也有一定的缺点,成为使用中的局限性。其缺点是:

1、分辨力和精度较低

由于钢丝材料的局限性,差阻式仪器的分辨力和精度较钢弦式仪器的分辨力和精度低,为了在这方面有所改进,还需要加强研究,进一步提高。从工程应用的观点,现有的仪器的精度是满足要求的,从安全监测角度考虑也是足够的。加上长期稳定性的因素,在大多数情况下,其综合精度并不逊色。

2、仪器的轻便性有待提高

有些品种如位移计计及由此改装的两向、三向测缝计都较钢弦式同类仪器笨重。多点位移计的传感器也采用了测缝计和位移计,需要减少直径,降低重量。

3、仪器引出电缆亟需改进

传统的差阻式仪器采用三芯电缆引出,因为仪器端部密封室很小,三芯电缆便于焊接。现在推广使用五芯仪器,最好将引出电缆改为五芯,这样便于施工埋设时接长,防止接错。

4、要保证测量仪表和自动化系统的精度和稳定性

因为测量仪表和自动化系统是监测数据采集的手段,没有良好的精度和高度的稳定性就不可能取得可靠的监测资料,可以认为这是所有埋设仪器的基础。为了解决这个问题,首先要制定出五芯测量仪表和自动化系统的技术标准,并以此为根据,考核现有的有关仪表和自动化系统的精度和稳定性,保证已埋设差阻式仪器的监测资料的可靠性。

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