摘要:  本文闡述了在大壩安全監測系統中用于傳感、測量、監測的各種自動化儀器及其傳感機理、優缺   點、國內外應用現狀。最后介紹了近年來的先進技術、設備及大壩監測自動化系統的發展方向。

關鍵字: 大壩；安全監測；傳感器

一、引言

    大壩監測自動化經歷了從單臺儀器遙測、專用測量裝置、集中式數據采集系統到分布式數據采集系統的發展過程，其發展與基于儀器設備的監測系統的發展和進步密切相關，而監測系統的發展是以所有監測元件的迅猛發展為標志的，包括從相關的傳感器、測量儀器到轉換、處理、存儲、打印和分析設備的發展。

    眾所周知，大壩安全監測儀器是人們了解大壩運行狀態的耳目，它要能夠在惡劣環境下長期穩定可靠的檢測出大壩微小的物理量變化，所以在某些方面（如在測量精度、長期穩定性方面）與其它工業監測行業相比，其要求更高、難度更大。從外部觀測的靜力水準、正倒錘、激光準直到內部觀測的滲壓計、沉降計、測斜儀、土體應變計、土壓計，其自動化遙測都是建立在高可靠性的傳感器的基礎上。近年來，隨著大型水壩建筑的增多和高科技的應用，大壩安全監測正向一體化、自動化、數字化、智能化的方向發展。

二、變形監測

    變形觀測主要是監測大壩本身及局部位置隨時間的變化，即確定測點在某一時刻的空間位置或特定方向的位移，可分為水平位移監測和垂直位移監測。目前，水平位移監測自動化主要采用垂線法、引張線法及真空激光準直法；垂直位移監測自動化有真空激光準直法和靜力水準法，近年還出現了采用GPS或全站儀實現水平位移監測和垂直位移監測自動化的例子。目前，在國內工程中使用的新型步進式變形監測儀器 STC-50型坐標儀、SWT50型引張線儀反映效果良好。

1、測垂線坐標儀

    隨著傳感技術進步，遙測垂線坐標發展到CCD式和感應式垂線坐標儀。如采用差動電容感應原理的電容感應式遙測儀，當測點相對于線體垂直方向發生位置變化時，則差動電容比值隨之發生變化，通過測量電容比，測出垂直方向的位移。電容感應式坐標儀技術先進、結構簡單、測量精度高、長期穩定性好、成本低、防水性能優越，適用于環境較惡劣的大壩。

    目前世界上具有研制并生產電容感應式坐標儀能力的國家僅有三個：法國TELEMAC公司研制生產的變磁阻式坐標儀；意大利國家電力局與米蘭大學研制、SELL公司生產的TCE/03型變磁阻式坐標儀；我國國家電力公司電力自動化研究所研究院研制生產的電容感應式垂線坐標儀和武漢地震所研制的電磁感應式垂線坐標儀。

2、引張線遙測技術

    在直線型壩中用引張線法測量壩體的水平位移，其原理與電容感應式垂線坐標儀相同，區別僅在于測量的方向。因其設備簡單、測量方便、測量速度快、精度高、成本低而在我國大壩安全監測中起著很重要的作用。

    早期安裝在壩上的引張線儀，由人工來測讀標尺上的水平位移，隨著自動化技術的發展，國內已有步進電機光電跟蹤式引張線儀、電容感應式引張線儀、CCD式引張線儀及電磁感應式引張線儀。僅南京電力自動化研究院一家在現場安裝的遙測引張線儀就達1500套。但由于引張線裝置受環境影響較大，尤其是在線體較長和溫度變幅較大的情況下，在北方（如豐滿、太平哨等工程中）己被真空激光準直所代替；再者就是在采用引張線實現水平位移監測時，要定期檢查線體及補充浮液，從而使“自動化”受到一定程度的限制。

3、遙測靜力水準儀

    基礎沉降、傾斜監測是壩體的重要監測項目。所以要求測量儀器量程小、精度高、長期測量穩定可靠，國內外在該領域都投入了較大的力量，開發出了技術先進、性能價格比高的產品。

   （1）國內生產的電容感應式靜力水準儀是與連通管配合用于測量各測點的垂直位移的儀器。當儀器位置發生垂直位移時，通過采用屏蔽管接地改變電容的感應長度，以達測量的目的。 
   （2）武漢地震所研制生產的浮子式靜力水準儀是利用差動變壓器式位移傳感器對垂直位移進行測量的，它在國內使用較多，是一種測量精度和穩定性較好的儀器。該儀器通過浮子上的鐵芯在傳感器的線圈中上下相對移動而測出垂直位移。
   （3）步進馬達式靜力水準儀的工作原理是通過步進馬達驅動絲桿垂直的上下運動，測出步進馬達轉動脈沖數以得知儀器垂直位移的大小。該型儀器由步進馬達測針跟蹤液面，精度較高；不足之處是存在長期高濕度環境下機械傳動部件防潮的問題及探針探測液位精度及探針腐蝕的問題。
   （4）意大利SIS公司高精度水管式靜力水準儀是通過渦流傳感器非接觸測量浮子的上下移動來實現垂直位移測量的。但由于測量范圍小、價格高而未在國內運用。國外還有水管式靜力水準儀，是一種利用超聲傳感器自動測量液位高度變化的儀器。
   （5）鋼弦式靜力水準儀的原理是當發生垂直位移時，圓柱形浮體上下移動，通過圓柱體的弦式測力傳感器測出浮體上下移動引起的浮力大小的變化而感知測點垂直位移的變化。該儀器測量范圍大、測量精度較高、長期穩定性好。

4、激光準直測量技術

    真空激光準直系統，是將三點法激光準直和一套適于大壩變形觀測特點的動態軟連接真空管道結合起來的系統，又稱波帶板激光準直。它由發射端設備（用一個激光源）、接受端設備、測點設備、真空管道和真空泵等組成。由于各測點設備均布設在真空管道內，因此不受外界溫度、濕度等環境條件的影響，觀測精度大為提高，還可同時測得大壩的水平位移和垂直位移。真空管道波帶板激光準直可進行三維測量，能在惡劣環境下工作，它滿足了大壩變形監測及時、迅速、準確的要求。國內已有東北勘測設計院科研所、朝陽監測技術研究所、西北勘測設計院、電力自動化研究所研制生產了該系統，并已在工程上運用。但該設備也有局限性，即激光設備要求用于直線型、可通視環境，一般安裝在直線壩的壩面或水平廊道，對于拱壩、曲線壩則無能為力，所以有待于實現激光轉角來拓展其應用范圍。

5、GPS技術

    GPS衛星定位技術已對測量界產生了深刻影響，在國內混凝土壩和土壩變形監測中已開始運用。GPS接收機體積小、測量精度高，適合野外工作，在潮濕、多粉塵、炎熱或嚴寒的環境下也能長期正常工作。該系統具有全天候、實時、自動化監測等優點，可用于大壩的動態實時位移監測、振動頻率測試和安全運營報警系統。GPS運用于隔河巖大壩的變形監測已多年，在 1998年 8月大壩蓄水至150年一遇的洪水水位期間，GPS監測系統一直安全可靠的工作，其抗干擾能力強、監測精度高、數據分析處理及時，能夠快速反映大壩在超高蓄水下的3-D變形，不僅確保了大壩的安全，也成功地實現了洪水錯峰，對防洪減災起到重大作用。

三、滲流監測

    土石壩變形方面出現的問題，如迎水面和下游面的滑坡、塌陷、壩基的滑動等，都是和孔隙水壓力變化密切相關的，其發生的原因也多半是由于滲流破壞引起的。因此，滲流監測被認為是土石壩安全監測中的重點。混凝土壩的滲流監測主要是揚壓力、滲流量監測。該類儀器對長期穩定性要求較高。    

1、弦式儀器

    該儀器利用鋼弦振動頻率隨鋼絲引力變化的原理，通過電磁鐵激振鋼絲，由磁鐵線圈感應鋼弦振動頻率得知鋼絲應變。其一般采用進口的鋼弦式滲壓計，這種儀器直徑較小，可以安裝在測壓管中，測值穩定、精度及靈敏度高、飄移量較小且溫度影響可以修正。用測壓管進行滲流監測，有兩個突出優點：  

   ①人工比測和自動化監測可以同時進行，并可以相互校驗；
   ②萬一放置在測壓管中的滲壓計損壞或性能較差，可進行更換，不會影響繼續監測。
   美國Geokon公司的振弦式儀器性能較為穩定，4500S系列用于測壓管水位監測效果較好，而帶通氣孔的4500ALV及4580系列振弦式儀器由于自身能平衡大氣壓，加之精確度較高、穩定性好，可以滿足采用量水堰法進行滲漏量監測的需要。

2、壓阻傳感器

    壓阻傳感器用在硅半導體材料上制成的壓敏感電阻作為敏感元件，在水壓力作用下使做成橋路的半導體電阻因壓阻效應而輸出電量，由此測出水壓的變化。由于壓阻傳感器靈敏度高、分辨率高、體積小，所以在大壩工程上的運用步伐逐步加快。國家電力公司電力自動化研究院生產的NYZ型壓阻傳感器已在多個工程中運用。

3、滲流量儀

    水位監測除可采用高精度壓力傳感器外，國內單位生產的浮子式水位計同樣能滿足工程需要。監測滲流的儀器有管口滲流量計和多種型式量水堰滲流量儀。量水堰滲流量儀的浮子直接感應堰上的水位變化，進而求出流量。目前，在工程上應用較多的是電容感應式和步進馬達跟蹤式量水堰儀。電容感應式量水堰滲流量儀測量范圍大、測量精度高、結構簡單，可靠性高。當然，滲流量測量還可采用其它多種方案，如用高精度微壓計進行量水堰水位監測，或采用超聲波流量計等。一些不適宜用量水堰測量的滲流量可以采用翻斗式的遙測滲流量計，對于集水井的平均滲流量可采用集水井專用測控裝置及配套的水位傳感器測量，它能按設定水位自動控制水泵抽水并給出大壩的總滲流量。

4、計算機層析成像技術

    計算機層析成像技術（CT：Computerized  Topography，）指在不破壞物體結構的前提下，根據在物體周邊所獲取的某種物理量（如波速、X射線光強）的一維投影數據，運用某種數學方法，通過計算機處理，重建物體特定層面上的二維圖像及三維圖像的技術。由于其能夠定量反映大壩內部材料性質的分布情況和缺陷部位，所以減少了儀器設備的復雜性并提高了大壩的安全度，同時對大壩內部性態檢測、缺陷搜索和老化評判提供重要依據。所以意大利、日本先后將CT技術用于大壩性態診斷，有效地進行了大壩安全檢查及工程處理效果驗證。

四、應力應變及溫度監測

    通過埋設在大壩內部特定部位的儀器，如應變計、測縫計、裂縫儀、滲壓計、揚壓力計、溫度計等，對大壩的應力應變、裂縫、滲流滲壓及溫度等進行持續自動化觀測來計算拱壩的徑向應力、拱向應力和梁向應力，這對于大壩的安全評判十分重要。目前差動電阻式儀器(卡爾遜儀器)和弦式儀器廣泛地用于混凝土壩的溫度、應力應變、滲壓等監測中。

1、差動電阻式儀器

    利用電阻絲變形與電阻成正比的原理實現的該類儀器因其防潮、長期測量穩定可靠、測試方法簡單、絕緣要求低、防雷能力強、經濟、可兼測溫度而在國內得到了較廣泛的運用。針對該類儀器內阻低、儀器電阻變差會影響測值等難題，國內工程技術人員創造了5芯儀器測量原理，使得儀器測量與電阻變差及電纜芯線電阻大小無關，實現了差阻式儀器的自動化監測。

2、光纖傳感技術

    光纖傳感是用光導纖維來感受各種物理量并傳送所感受信息的技術。光纖傳感器自身不產生幅射、不發熱、不產生火花，且不受外界電磁幅射的干擾，可安裝在物體的表面或內部，連續地對諸如應變、應力、位移、裂縫、孔隙壓力、溫度等狀況進行監測。它以激光作載波，光導纖維作傳輸路徑來感應、傳輸各種信息，可以替代高雷區、強磁場區或潮濕地帶的電子儀器。國外利用分布式光纖網絡溫度測量來確定大壩中的滲漏位置和用分布式光纖傳感網絡測定壩體混凝土中裂縫大小及位置等方面已有報道，國內在應用理論研究上也有了較快發展，針對大壩監測研究的幾種光纖傳感系統已獲得專利權。光纖傳感器可布設成分布式網絡，具有許多傳統傳感器無法替代的優點：

   （1）傳感和數據通道集為一體，便于組成遙測系統，實現在線分布式監測；
   （2）測量對象廣泛，適于各種物理量的觀測； 
   （3）體積小、質量輕、非電連接、無機械活動件，不影響埋設點物性；
   （4）通信容量大、速度快、靈敏度高，可遠距測量；
   （5）耐水性、電絕緣好、耐腐蝕，抗電磁干擾；
   （6）頻帶寬，有利于超高速測量。

3、滲流熱監測技術

    根據低溫和大量滲漏存在聯系，及溫度測值和抽水試驗所得到的滲透系數間有很好的負線性相關系數等事實，可以認為溫度分布圖像可幫助發現滲漏較嚴重部位，有效實現滲流異常報警。目前壩體監測中大多安置了測溫計，溫度測頭可放置在結構物或地下一定深度只受氣溫年變化影響而不受氣溫短期變化影響處，發現溫度異常即可判斷存在滲漏。根據能量守恒方程、質量守恒方程、滲流運動方程及初始條件、邊界條件、推導出有關計算公式、設計數據計算方法及程序后，就可以把溫度測得數據代入，得出定量描述壩及地基中的熱流和滲流場， 這樣通過分析溫度變化就能較準確地估計其滲透性。此項技術在美、前蘇、瑞典等國己成功應用。要在我國大壩監測中推廣，重要的是根據具體壩的情況設計出合理的計算公式和數據處理程序軟件。

五、環境量監測

    環境量監測包括對水位、氣溫、降雨量等量的監控，比如，用水位計測量大壩的上下游水位、溢流堰水位，用雨量計測量降水量，用溫度計測大氣干濕溫度等。銅電阻溫度計或長春氣象儀器研究所HBW型鉑電阻溫度計目前應用較好，其它環境量監測儀器則可選水利部南京水利水文自動化研究所的水文儀器，因為該所產品己在國內外200多個工程中得到應用，已出口美國、澳大利亞等國。

六、監測新進展

    隨著電子計算機、激光、GPS、空間技術、光纖傳感等高技術的發展，一些新的技術和設備引入了大壩監測系統，比如用熱梯度面檢查可發現滲漏，用聲學裝置可發現裂紋，經緯儀在確定自身位置后，可測出水庫邊坡的系列標高；更為精確的全球定位系統可用于監測位移；遠程攝影可對暫時無法接近的大壩全貌進行拍攝，也可監測溢洪道或泄洪底孔安全，并對為防止遭受破壞而未經許可不得進入的附屬設施和控制單元進行監測；遙控機器人則可對水下的壩體、進水口和壓力管道進行檢查，而無需抽干水庫；光導纖維傳輸信號不但可以避免光照影響、電波頻率和電磁波的干擾，而且可以對光纖傳感器檢測到的壓力和應力分布以及溫度在整個長度范圍內的變化以高精度傳輸。此外，一批應用了新技術的設備也已開始嶄露頭角，如滑動微分儀、差分儀、延展儀、激光測距儀以及為了測量瀝青混凝土心墻變形的磁性儀器等。

七、結束語

    目前，國內外大壩監測系統隨著高科技的應用，自動化程度有了很大的提高。其中，基于總線結構和單板結構的測控裝置使得測控系統在監測準確度、穩定性、可靠性、通用性及簡易性等方面都有了大幅提高。在幾何學、物理學、計算機仿真等多學科、多領域的融合下，大壩觀測技術將向一體化、自動化、數字化、智能化的方向發展。