十 30, 2012 - file 大坝桥梁监测   comment No Comments

大坝安全监测技术各方面发展历程

随着科学技术的飞速发展和投入力度的不断加大,进入新世纪来,我国在大坝安全监测技术方面得 到了迅速的发展,主要表现在安全监测仪器产品质量的提高和新产品、新技术的不断出现;数据采集和数据传输技术已经接近世界先进水平;观测资料分析已经进入 软件化阶段,直接服务于大坝安全;建立在大坝安全监测自动化系统之上的各种信息系统也已出现。

大坝安全监测仪器的发展

1、变形监测仪器的发展

  • 混凝土大坝上采用正、倒垂线为基准来监测大坝的竖向和水平位移,包括挠度。观测仪器多采用垂线坐标仪、引张线仪、静力水准仪等。近年来,这些传统的观测仪器 得到了很大的发展,主要体现在精度的提高(由原来的1mm级提高到0.1mm级)和遥测自动化的日臻完善和可靠性的不断提高。
  • 遥测垂线坐标仪已经从接触式发展到非接触式,非接触式仪器已从步进马达光学跟踪式发展到CCD式和感应式。感应式遥测垂线坐标仪的显著特点是技术先进、结构 简单、成本低、防水防潮性能优越等。非接触式遥测坐标仪目前主要有差动电容感应式、电磁感应式、变磁阻感应式、CCD(电荷耦合)式和步进马达式等,国内 厂家也已达到很高的水平。
  • 遥测引张线仪主要有步进电机光电跟踪式、电容感应式、电磁感应式和CCD式引张线仪。引张线的自动化测量是近年来我国发展最快、效果最好的领域。
  • 遥测静力水准仪近年来得到了较快的发展,以前多是采用进口仪器,近年来国内已有多种原理的静力水准仪。静力水准仪是应用连通管原理测量测点间的相对位移。一 侧沉降将引起浮子升降,通过各种量测技术来测量浮子的升降,从而观测点间的相对位移。目前主要有电容感应式、差动变压器位移传感器式、步进马达式和钢弦式 等静力水准仪。

2、光纤传感器的发展

  • 光纤传感器是新近发展起来的体积小、精度高、不受电磁干扰、抗腐 蚀性环境的传感器,可用以测量温度、位移、应变、压力等物理量。该新型仪器最大的优点是不受电磁干扰,目前防雷抗干扰已经成为我国大坝安全监测自动化中最 为棘手的问题。光纤传感器的使用为彻底解决防雷抗干扰的问题创造了条件。
  • 尽管光纤传感器在国内水利工程上的应用尚处于起步阶段,但由于 其他传感器无法比拟的优越性,将使其具有十分广泛的应用潜力,独领风骚几十年的发展前景可能成为不远的现实。以加拿大ROCTEST公司为例,他们开发的 能用于水利工程的传感器已十数种且逐步系列化,分辨率0.1℃的温度传感器、精度达0.02mm的位移计、0.1%F.S.的压力传感器等已成功应用于水 利工程。国内此方面的研究和研制也已起步,四川大学、长江科学研究院、武汉水利电力大学的有关研究论文近年来也在各专业期刊可见。

3、差动电阻式传感器的发展

差动电阻式传感器近年来解决了长导线电阻、总线电阻变差对测值的影响,并实现自动化遥测,得到很大发展。尽管其他仪器的发展和进步,已在某些方面对差阻式仪 器的应用产生影响,但从国内工程已经使用万支级的绝对数量上看,差阻式仪器的自动化测量仍具有重大意义。目前差阻式仪器由3线制改为5线制测量方式,仪器 电阻、电阻比测量精度、遥测距离、抗干扰能力均优于国外厂家,处于国际先进水平。

4、弦式传感器的发展

国内开发研制弦式仪器 已有40多年的历史,随着大坝监测自动化的发展,弦式传感器近年也取得一些进步,且品类、系列较齐全,但与国外同类产品相比,仍有一定的差距。至2001 年,弦式仪器精度、性能、外观都有较大的改观,仅从精度上讲,优质产品能够达到≤1%F.S.,比1992年颁布的“岩土工程用钢弦式压力传感器” (GB/T13606-92)规定的2.5%F.S.,综合误差相比,已有较大的提高;同时,大多传感器已增加测温功能和对其进行温度补偿修正,率定精度 也有所提高。现已有一些厂家通过了ISO9002质量体系认证。

大坝安全监测数据采集系统

我国大坝安全监测自动化系统研究工作是从上个世纪80年代初起步的。近年来,随着科学技术的发展,大坝安全监测自动化系统也得到了长足的发展。

目前,比较有代表性的大坝安全监测系统有南京南瑞公司开发的DAMS-Ⅳ大坝监测系统、南京水文自动化研究所开发的DG型大坝监测系统、南京水利科学研究院开发的IHSMS-Ⅰ大坝监测系统、南京自动化设备总厂开发的FWC2000大坝监测系统。这些系统的共同特点是:

1、分布式的体系结构

采用分布式的结构,测量控制单元可以安装靠近传感器的地方,传感器的信号可以不需要传输较远的距离,信号的衰减和外界的干扰可以大大减轻,系统既适合于传感 器分布广,分布不均匀,传感器数量多、种类多、总线距离长的大中型工程自动化监测系统中,也适合于传感器数量少的小型工程的自动化监测系统中。

2、模块化

系统由以前的专用型变成了通用型。根据功能的不同,开发不同的功能模块。DAMS-Ⅳ系统根据测量传感器的类型的不同,开发了振弦式、电感式、电容式,卡尔 逊式等模块,DG系统也开发了包括步进式在内的模块,系统可以通过搭积木的方式,组建满足要求的系统,而IHSMS-Ⅰ系统则采用内部功能模块化、传感器 接口模块化的思想,将系统内部功能模块化,开发了弦式功能模块、模拟量功能模块、通信功能模块等,接口模块根据传感器的类型,开发了相应的接口模块,接口 模块不具有测量功能,这样保持系统测量的一致性。

3、通信方式多样化

通信方式一般包括有线、无线、卫星、电话线、光纤等。一般系统提供两种或两种以上的通信方式,为系统的组网提供了比较大的便利,目前很多工程采用光纤通信,不仅提高了通信速率,也提高了系统抗电磁干扰能力和抗雷击能力。

4、供电方式多样化

系统致力于提高性能,设计了各种电源管理电路,可以利用交流电、直流电、蓄电池、太阳能供电,在土石坝方面,目前更倾向于采用太阳能供电,摆脱交流电带来的各种干扰,因此必须更进一步降低系统功耗。

5、防雷抗干扰能力得到加强

  • 自动化系统建设的初期,很多系统的工作不稳定、损坏,甚至瘫痪都是由于抗干扰能力不过关,防雷击性能不够造成的,通过近几年的研究和经验的积累,系统从设计、结构、布局、元器件的筛选、通信、电源、电缆埋设等多个方面得到了改善,系统的可靠性得到了提高。
  • 目 前,我国开发的大坝安全监测系统虽然有了较大的提高,某些方面达到了国际先进水平,但是系统总体性能和国际先进产品相比,还存在一定的差距,特别是在可靠 性和长期稳定性方面有待进一步的提高。为了缩短与国际先进的大坝安全监测系统的差距,2002年水利部立项批准了南京水利科学研究院开发更适合我国国情、 性能达到国际先进水平的大坝安全监测系统。
  • 2001年6月,水利部发布了《大坝安全自动监测系统设备基本技术条件》,这是我国大坝安全监测领域中对监测数据采集系统的第一个行业标准,并于2001年12月实施。从此大坝安全监测数据采集系统将逐步走上标准化、规范化的发展轨道。

大坝安全监测数据分析技术的发展

1、 目前,95%以上的水库大坝安全监测所得的观测资料无法及时分析,难以及时为大坝安全服务。尽管大坝安全监测已经能够做到监测数据自动采集,但是监测数据 的实时分析、大坝运行性态的实时评价还难以实现。如果做不到这一点,大坝安全监测就没有真正成为大坝安全的耳目,没有起到应有的作用。随着科学技术的飞速 发展,在工程技术人员和软件专家的密切合作下,大坝监测资料的实时分析、评价已经可以实现。这样的分析评价软件近年来已有不少单位在研制。这是水库大坝安 全监测技术发展的必然方向。

2、2001年,南京水利科学研究院承担的《土石坝安全监测分析评价预报系统》通过了国家电力公司的验收。该系 统建立了土石坝安全监测的数据库系统,实现了对土石坝所有原始文档(包括设计、施工、运行的有关文件)的归档管理,对所有原型观测考证资料、监测资料的整 编与管理;建立了土石坝安全监测的分析/算法系统;建立了土石坝安全监测的图形/图表系统,实现了安全监测资料的图形化处理;建立了土石坝安全监测综合分 析系统,利用专家知识和评判理论对土石坝各种监测资料、各类资料分析的中间结果进行综合分析;建立了土石坝安全监测的实时监控平台系统,能实时动态地反映 监控系统的数据采集情况和实时监测土石坝的运行性状;还建立了土石坝安全监测预测预报系统。本专题的研究成果实现了土石坝安全监测的自动化、网络化,具备 网络实时监控功能,实现了土石坝安全监测的专家分析评价预报,具备了可靠性、先进性、通用性和可扩充性。

3、2001年,南京水利科学研究 院、水利部大坝安全管理中心承担的国家防汛指挥系统的《大坝安全管理信息系统示范项目》完成,通过了国家防办的验收。该管理信息系统的近期目标是在项目实 施的5年左右的时间里完成已建的8座水利部直属水库监测设施的更新改造及其大坝安全管理信息入网,在建的部直属水库万家寨、小浪底、三峡大坝安全管理信息 入网。远期目标要将现场监测站扩大至对全国防汛有重大影响的200座重要大中型水库。该系统包括了数据库管理系统、安全评价系统、信息传输系统和信息服务 系统4个子系统,建设了本示范项目需要的大坝中心局域网及网站;实现了水库到大坝中心的观测数据自动采集、传输,入库;初步建设了两示范水库的工程资料之 工程概况、监测资料库及图形库,完成了相应的数据库管理系统开发;初步建立了依据监测资料分析而做的安全评价系统;初步建立两水库工程资料、监测资料图形 及安全评价的信息服务系统。在《大坝安全管理信息系统》项目实施后,该系统可以向水利部建设与管理司、国家防办实时提供大坝的安全信息和评价结果,供决策 参考。

大坝安全监测技术发展的展望

水库在减灾防灾中起了十分重要的作用,汛期错峰削峰, 旱季供水、灌溉。在水资源日益紧缺的今天,如何在现有工程前提下,利用非工程措施,达到最大的防洪效益和供水效益,是水库调度中值得研究的一个重要问题。 目前,正在研究采用动态汛限水位来争取最大的蓄水效益。汛期的汛限水位可根据水情、雨情、中长期流域天气预报和大坝工作性态来动态调度。提高汛限水位,意 味着可能逼高洪水位,加重大坝负担。因此,需要随时了解大坝性态,在大坝安全的前提下进行汛限水位的动态调度。对于我国这样水资源紧缺且分布不均匀,这样 的研究是极有意义的。这项研究必须考虑水、雨情、工情的监测自动化,而以往水情和工情自动化是分别考虑的。生产实践对我们提出了更高的要求,我们不但要实 现水库大坝安全监测的自动化,还应该进一步实现集水情、工情和闸门监控于一体的自动化监控系统,为水库更科学的调度提供决策依据。

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