大坝安全监测的设计施工

潍坊金水华禹信息科技有限公司

1 安全监测的重要性及失事举例

2 安全监测的设计

2.1混凝土坝的监测设计

2.1.1 变形监测

2.1.2渗流监测

2.1.3 内部监测

2.2 土石坝的监测设计

2.2.1 渗流监测

2.2.2变形监测

3 观测仪器

3.1 垂线坐标仪、引张线仪

3.2 差阻式仪器

4 自动化系统的设计

1 安全监测的重要性及失事举例

大坝建造在地质构造复杂、岩土特性不均匀的地基上，在各种荷载的作用和自然因素的影响下，其工作性态和安全状况随时都在变化。如果出现异常，又不被及时发现，任其发展，其后果不堪设想。

国内外大坝失事的实例不少。1975年8月暴雨洪水导致板桥水库和石漫滩水库失事，造成大面积水灾和人员伤亡，京广线也被局部冲毁，损失巨大。1993年8月27日沟后水库失事，造成水库下游13km处的恰卜恰镇500人伤亡，直接经济损失1.53亿元。

如果事先运用有效的观测手段对这些工程进行监测，就能及时发现问题，采取有效的工程措施，就能避免灾难。1962年安徽梅山连拱坝右岸基岩发现大量漏水，右岸13#垛垂线坐标仪，观测三天内向左岸倾斜57.2mm，向下游位移了9.4mm，且右岸各垛陆续发现大裂缝，经过分析是右岸基岩发生错动。在垂线坐标仪监测下放空水库进行加固处理，避免了一场溃坝事故。1985年6月12日在长江三峡的新滩，发生大滑坡，2000万m3堆积体连带新滩古镇一起滑入江中。可是险区居民全部提前安全撤出，无一伤亡，这全靠安全监测所作出的准确预报。

大坝失事的原因是多方面的，从世界上300多座大坝失事的原因分析，认为35%是泄洪能力不足，在勘测、设计中洪水计算和防洪能力方面存在问题，大部分失事是洪水以外的工程原因，有一个量变到质变的过程，可以用监测方法及早发现的。为了保证大坝、下游人民生命财产的安全及社会的安定，我们国家对水库大坝的安全制定了相应的法律法规及规范，来加强水库大坝运行期的安全管理。

● 土石坝安全监测技术规范（SL60-94）

● 混凝土坝安全监测技术规范(SDJ336-89)，能源部,水利部,1989年

● 混凝土坝安全监测技术规范(DL/T 5178-2003)，国家经济贸易位员会

● 水库大坝安全管理条例，国务院，1991年

● 水电站大坝安全管理办法，电力工业部，1997年

● 水电站大坝安全监测工作管理规定，电力工业部，1997年

● 大坝安全监测自动化系统设备基本技术条件（SL268-2001），水利部，2001年

2 大坝安全监测的设计

岩土工程的安全监测设计应该看成整个工程设计的一个重要组成部分，根据建筑物的等级确定监测项目，监测设计必须与所有其他工程设计一样统一安排。监测设计贯穿于工程设计、施工以及整个工程寿命期内，合理的监测设计可以获得作为工程安全状况的正确评估，还可以改进大坝的设计、指导大坝的施工，使未来的设计、施工和运行更合理、更安全。

大坝安全监测工作一般分以下几个阶段：

● 可行性研究阶段。应提出监测系统的总体设计方案、观测项目及其所需要的仪器设备的数量和投资估算（一般约占主体建筑物总投资的1~3%）。

● 初步设计阶段。应优化监测系统的总体设计方案、测点布置、观测设备及仪器的数量和投资概算。

● 招投标设计阶段。应提出观测仪器设备的清单、各主要观测项目及测次；各观测设施安装技术要求和投资预算。

● 施工阶段。应根据监测系统设计和技术要求，提出施工详图。承包商应编制施工规程，做好仪器设备的安装、埋设、调试和保护、电缆走线、施工期观测及施工期观测资料分析，及时指导大坝施工，并应保证观测设施的完好率及观测数据连续、准确、完整。工程竣工时，应将观测设施和竣工图、埋设记录、施工期观测记录、以及整理分析等全部资料汇编成正式文件，移交管理单位。

● 正常运行阶段。应根据正常运行阶段的监测设计，进行正常的合特殊巡视检查与观测。对监测系统的设施进行检查、维护、校验、更新、完善，定期委托科研院所等专业机构对监测资料进行整编、分析、作出工程性态评价，提出监测报告和安全预报意见。

2.1 混凝土坝的监测设计

在混凝土大坝安全监测技术规范（DL/T5178-2003）中按照大坝的级别对各个监测项目的设定有明确的规定(见附表1)，对新建大坝各个观测项目规定了观测周期。各个监测项目应该相互协调和同步，变形监测、渗流渗压监测和应力应变温度等监测仪器仪器宜在同一重要观测坝段上布置，以便相互校核和补充。

观测断面的选择和观测仪器的布置应该根据工程规模、建筑物等级、结构特点及监测目的确定。仪器布置应该选择有代表性的坝段进行，所谓有代表性的坝段，一般指最大坝高坝段或观测成果易于与设计比较的坝段。当地基存在地质问题时，如软弱夹层、泥化夹层，监测重点应是基础和与基础结合的混凝土坝内的坝踵、坝址部位。

重力坝可以选取溢流坝段或非溢流坝段作为重点观测坝段，对地质复杂的工程可增设一个坝段，作为次要观测坝段,其他作为一般观测坝段；拱坝拟选择拱冠梁和拱座作为重点观测坝段，对于高拱坝还可以在1/4拱、3/4拱处各选择一个坝段作为次要观测坝段；对于支墩坝一般选择一个坝高较大的支墩作为重点观测坝段，对于重要和基础地质情况复杂的工程，可以增设观测坝段，并作为次要观测坝段，其他作为一般观测坝段。

2.1.1 变形监测

混凝土坝的变形监测项目主要有坝体变形、接缝、裂缝，以及坝基变形、滑坡体和高边坡的位移等。在混凝土大坝安全监测技术规范中规定了各个监测量的精度要求和符号约定，各个项目测量时应该尽量同步。

2.1.1.1 变形监测的精度和符号

● 变形监测的精度一般按照表1要求。

● 变形量的正负号遵守如下规定

1 水平位移：向下游为正，向左岸为正，反之为负。

2 垂直位移：下沉为正，上升为负。

3 倾斜：向下游转动为正，向左岸转动为正，反之为负。

4 接缝和裂缝开合度：张开为正，闭合为负。

5 高边坡和滑坡体位移：向下滑为正，向左为正，反之为负。

表1 变形监测的精度

2.1.1.2 水平变形监测的设计

1水平位移变形监测方式选择和测点的布置

顺水流方向和垂直坝轴线方向的水平位移，可以用垂线―引张线或视准线方式观测。垂线直线―引张线方式配置适当的自动化测量仪器就可实现自动化测量，并且可以和人工观测并存。视准线方式一般用于人工观测。直形重力坝或支墩坝坝体和坝基水平位移宜采用垂线―引张线方式观测，引张线可以分段布置，分段中间要设垂线。如果坝体较短，条件有利，坝体水平位移可采用视准线法观测。拱坝坝体和坝基水平位移宜采用导线法观测，如果条件允许，也可以用垂线方式测量水平位移。拱坝和高重力坝近坝区岩体水平位移，应布设边角网，监测岩体的变形。

水工建筑物位移标点的布置，应该根据建筑物的重要性、规模、施工、地质情况以及采用的观测方法而定，以能全面掌握建筑物及基础的变形状态为原则。通常垂直位移与水平位移标点设在同一观测墩上。

垂线测点的设置，首先应该选择地质或结构复杂的坝段，其次是最高坝段和其他有代表性坝段。拱坝的拱冠和拱座应设置垂线，较长的拱坝还应在1/4拱和3/4拱处设置垂线，各高程廊道与垂线相交处应设置垂线观测点。

水平位移测点，应尽量在坝顶和基础廊道设置。高坝还应该在中间高程廊道设置测点，每个坝段宜设置一个测点。

2 工程实例

3 垂线的设计

垂线测量的是坝体顺水流方向及垂直水流方向的坝体水平位移，有正垂线、倒垂线之分。正垂线就是在建筑物顶上悬挂钢丝，在基础廊道内设挂重及垂线测点，利用倒垂线可以测量坝顶到基础廊道的相对位移，设备简单，安装方便。倒垂线是指从坝顶或坝体基础廊道钻孔到坝基相对不动点，将钢丝锚固在孔底，在坝顶或基础廊道设浮桶及垂线测点，利用正垂线可以测量坝顶或基础廊道的绝对位移。

垂线的中部坝体廊道内也可以设垂线测点。垂线长度不宜大于50米，否则垂线容易受空气对流而震动，不易回到平衡位置，造成测量误差。

正倒垂结合时宜在同一个观测墩上衔接，否则正倒垂之间的坝体变形应设因瓦尺或量具仪观测。

◆ 正垂线设计

正垂线重锤应设止动片，阻尼箱内应装防锈、粘性小的抗冻液体，其内径和高度应该比重锤直径和高度大10~20cm。重锤重量一般按下式确定：W>20(1+0.02L)，式中：W--重锤重量，kg；L—垂线长度，m。

垂线钢丝宜采用强度不锈钢丝，直径应保证极限拉力大于重锤重量的2倍，宜适用Φ1.0mm~1.2mm的钢丝，一般垂线钢丝直径不宜大于Φ1.6mm。垂线安装完成有效孔径应不小于85mm。

观测站宜用钢筋混凝土观测墩，观测站宜设防风保护箱或修建安全保护观测室。

◆ 倒垂线设计

倒垂线钻孔深入基岩深度应该按照坝工设计计算结果，达到变形可以或略处，缺少该项计算结果时，可取坝高的1/4~1/2，钻孔深度不小于10m。

倒垂线孔内宜埋设壁厚5~7mm无缝钢管作为保护管，内径不宜小于100mm，垂线安装完成有效孔径应不小于85mm。

垂线浮体组宜采用恒定浮力式，浮子的浮力一般按下式确定：P>250(1+0.01L)式中：P—浮子浮力，N；L—测线长度,M。

垂线钢丝宜采用强度不锈钢丝，直径应保证极限拉力大于重锤重量的3倍，宜适用Φ1.0mm~1.2mm的钢丝，一般垂线钢丝直径不宜大于Φ1.6mm。

4 引张线的设计

引张线的设备包括端点装置、测点装置、测线及其保护管。

端点装置可采用一端固定、一端加力的办法，也可以采用两端加力的方法。

测线愈长引张线所需要的拉力愈大。长度为200~600m的引张线，一般采用40~80kg的重锤张拉。重锤重量按下式计算H=S2W/(8Y)式中：S—引张线长度，m；W—引张线钢丝单位重量，kg/m；H—水平拉力（重锤重量），kg；Y—引张线悬链线直径，mm。

引张线钢丝宜采用强度不锈钢丝，直径应保证极限拉力大于重锤重量的2倍，宜适用Φ0.8mm~1.2mm的钢丝。

引张线保护管一般用Φ110～160mm的PVC管。

5 视准线的设计

视准线应离障碍物1m以上。工作基点应采用钢筋混凝土墩，测点设观测墩，墩上埋设强制对中底盘要求水平，配活动占标，高于地面1.2m。

为了保证观测精度，视准线的长度不能过长，一般按如下控制：

重力坝和支墩坝 300m

拱坝 300m

滑坡体 800m

2.1.1.3 竖直变形监测

竖直变形是指坝体铅直方向的变形，即坝体沉降。沉降测点可以和水平位移测点结合布置，可与视准线的水平位移测点布置在同一个测点墩上。

坝体廊道和坝面的沉降变形可以使用精密水准测量，如需要实现自动化测量，可以采用利用连通管原理设计的静力水准仪系统。

2.1.2 渗流监测

大坝及其基础的渗流监测,是安全监测的主要项目。坝基扬压力是坝体外荷载之一，是影响大坝稳定的重要因素，坝体扬压力主要是指溷尼姑水平施工缝上的孔隙水压力。如果孔隙水压力过大，说明施工面上结合不良。坝基渗流量突然增大，说明坝基破碎带处理或灌浆效果不佳，两岸混凝土与基岩接触不良。若坝体渗流量突然增大，可能是坝体混凝土出现裂缝所致。总之，渗流监测必不可少。

2.1.2.1 扬压力监测布置

◆ 坝基扬压力监测的布置。

扬压力观测应该根据建筑物的类型、规模、坝基地质条件和渗流控制的工程措施等设计布置。一般应该设纵向观测断面1~2个，每个坝段不少于1个测点，如地质条件复杂，则应适当增加测点。横向观测断面至少2个，依据坝的长度而定，横断面间距一般50~100m。以重力坝、重力拱坝及支敦坝为例，横断面上测点的布置以能绘制扬压力分布图形为准，一般5~6个，帷幕前一个测点，帷幕后一个测点，排水幕线上一个，排水幕后2~3个，测点一般布置在坝段中心线或支敦中心线上。簿拱坝一般不测扬压力，仅在排水幕上布置测点，检验帷幕灌浆效果，测点也一般每个坝段设一个点。

坝基扬压力监测一般埋设U形测压管，测压管用Φ1～2寸钢管引到观测廊道，必要时也可以埋设渗压计。排水幕处的测压管一般布置在排水孔之间，但决不能用排水孔作测压管观测孔。排水孔一般深入坝基深处，而扬压力观测孔一般在建基面下1.0m。

◆ 坝体扬压力的监测布置

观测混凝土坝坝体的渗透压力，宜采用渗压计（或称孔隙水压力计），观测断面一般设在水平施工缝上。每个截面上的测点宜在上游坝面到坝体排水管之间，或在该截面高程上最大静水压力的是分之一处，而且在廊道上游面排水管中心线上观测。

2.1.2.2 渗流量监测布置

渗流量的布置应该结合枢纽布置，对渗流的流向、集流和排水设施统筹规划，然后进行渗流量的观测设计。渗流量观测一般采用单孔排水量和量水堰观测，或者采用容积法观测。布置时应该注意将坝体渗流量和坝基渗流量分开观测，坝体渗流排水多流入排水沟内。因此，可以在不同高程的廊道设置量水堰观测不同部位的渗流量。坝基渗流量应将河床坝段和两岸坝段分开观测，可以采用单孔渗流量计。大坝总渗流量可以通过集水井用容积法观测。

2.1.2.3 绕坝渗流监测布置

测点布置应该根据地形、枢纽布置和绕坝渗流区岩体渗流特性而定。在两岸的帷幕后顺帷幕方向布置两排测点，测点布置在靠坝肩处较密，帷幕前可以不知少量的测点。

量水堰的结构

2.1.3 混凝土坝内部观测

混凝土坝内部观测一般指应力、应变及温度监测等项目，它应当与变形、渗流监测等项目结合布置，组成一个大坝的完整的安全观测系统。

混凝土坝内部观测一般选择典型坝段作为观测坝段，进行全面观测，同时针对某些特殊情况在其他坝段布置一些适当的仪器进行某些项目的观测。观测坝段选择的原则，在整座大坝的各个坝段中从坝体结构、坝基地质条件和坝高等方面来看具有代表性的坝段。例如选择高度最大或基岩最差的坝段作为观测坝段，也可以在非溢流坝段和溢流坝段各选择一个坝段作为观测坝段。

观测坝段选定后，在坝段内选定个垂直于坝轴线的横断面称为观测断面，一般选择通过坝段中心线的断面。

为了监测坝体和坝基的应力状态及坝体和坝基抗滑稳定，一般布置以下三类内部观测仪器。

◆ 坝体工作状态的影响因素或荷载的观测

温度是影响大坝位移的主要因素，也是施工期间浇筑混凝土和进行坝缝灌浆的重要控制参数，基础约束区混凝土的温度控制不好，就容易引起不易发现的贯穿性裂缝，因此在观测坝段需要进行监测。温度计在观测断面上一般成网格形布置，测点的间距一般为8~15m，坝面附近的测点间距可小些，上游坝面布置水温计，下游坝面布置混凝土表面温度测点及导温系数测点。

◆ 坝体应力状态的观测

坝体应力状态的观测重点是靠近底部的基础观测截面，因为距离坝底愈近，水荷载和自重引起的应力愈大，因此基础观测截面的应力状态在坝体强度和稳定控制方面起关键作用。但为了避开基坑不平和边界造成的应力集中，基础观测截面距坝底不宜小于5m。重力坝的应力分布受到坝体施工方法的影响，同仓浇筑的混凝土基础观测截面的应力是连续分布的，应变计组的布置按平面变形问题考虑，可以布置4向或5向应变计组，其中4向应变计组构成的平面与观测基面重合。

◆ 坝体接缝和坝基基岩变形观测

重力坝和支墩坝的纵缝都需要灌浆胶结成整体，整体重力坝的横缝也需要进行灌浆。为了监测灌浆前后坝缝的开度变化，以及在灌浆时控制压力，在灌浆区中部坝缝内要设置测缝计。

坝基底部的坝踵和坝趾分别埋设2支以上基岩变形变位计对于坝体抗滑稳定性有监测作用，坝踵垂直向布置的基岩变形计可以同时监测上游坝踵是否因为拉应力引起基岩裂缝张开或坝底和基岩脱开。

2.2 土石坝的监测设计

土石坝的安全监测，必须根据工程等级、规模、结构形式，地形、地质条件等因素，设置必要的监测项目及其相应设施，定期进行系统的观测。土石坝施工期以监测填筑坝体的孔隙水压力和变形为主保证坝体填筑的稳定，运行期以监测坝体浸润线和渗流量以及下游坝坡位移为主，以确保坝坡稳定。

2.2.1渗流监测

安全监测项目的选择以确保工程安全为前提，优先保证重点部位的监测。加强土石坝渗流和外部变形观测，同时辅之以一些特定项目的监测。

◆ 渗流量监测

在大坝下游坝趾建量水堰，是常用的方法。这需要作截水墙以汇集渗水，对于建在深冲积层上的土坝更必须这样做，否则大部分渗水从下部的冲积层漏走了。截水墙在施工期进行坝基处理时就进行，减少一些重复工程量和后期施工时的困难。

由于土石坝所在范围广，渗流量监测容易受到降雨的影响。

◆ 坝体浸润线观测

浸润线观测断面宜选择在最大坝高处、合龙段、地形或地质条件复杂处，一般不少于3个，并尽量与变形、应力应变观测断面相结合。在每个横断面内从坝顶往下游坝坡布置3~5个测点，观测水位，绘制浸润线。

浸润线观测的可以采用测压管方式或埋设渗压计方式。一般如下原则选择：

1作用水头小于20m的坝，渗透系数大于或等于10-4cm/s的土体中，渗透压力变幅小的部位，宜采用测压管方式。

2 作用水头大于20m的坝，渗透系数小于10-4cm/s的土体中，观测不稳定渗流过程以及不适宜埋设测压管的部位（如上游铺盖或斜墙底部、接触面等），宜采用埋设渗压计方式，其量程应与测点水压力相适应。

◆ 绕坝渗流观测

在大坝与两岸山坡连接处，沿坝脚线，从坝顶到下游布置渗流压力测点。

2.2.2 变形监测

变形监测的项目，主要有坝的表面变形，内部变形，裂缝及接缝等。变形监测的正负号规定与混凝土坝类似。

2.2.2.1 表面变形监测

表面变形的横向观测断面通常选在最大坝高、合龙处、地形突变处、地质条件复杂处，一般不少于3个。每个横向观测断面一般不少于4个标点，通常在上游坝坡正常蓄水位以上1个，正常蓄水位以下可根据需要设临时测点，坝顶下游坝肩布置1个，下游坝坡半坝高以上1~3个，半坝高以下1~2个（含坝脚一个）。

测点的在坝轴线方向上的间距，一般坝长小于300m时，宜取20~50m，坝长大于300m时，宜取50~100m。

表面竖向位移及水平位移变形一般共用一个测点。

2.2.2.1 内部变形监测

为了了解土石坝在施工和运行期间坝体内的固结和沉降(垂直位移)情况，结合其他有关观测资料进行综合分析，以判断其稳定性和有无变形裂缝，作用施工控制和工程安全运行的依据。

土石坝坝体内部的固结和沉降，一般采用在坝体内逐层埋设横梁管式沉降仪，电磁式沉降仪，干簧管式沉降仪，水管是沉降仪等方式。

◆ 沉降观测

沉降观测应该与坝体其他各种位移观测、坝体内孔隙水压力的观测配合进行。内部变形观测的布置应该根据工程的重要程度，结构形式，地质，地形，坝长以及施工方法等确定，一般应在原河床、最大坝高、合龙段、代表性地质、特征地质处。每根沉降管的测点间距，应根据坝身填料特性，施工方法而定，一般为2~5m。沉降管最下一个测点应置于坝基表面，同时测量坝基的沉降量。

水管式沉降仪，测点的布置，一般沿坝高横向布置3排，即1/3坝高处，2/3坝高处，1/2坝高处。

◆ 水平位移监测

水平位移是指垂直坝轴线方向和平行坝轴线方向的位移，大坝在上游水压力作用下，可能向下游方向位移，也可能是由于坝基或坝体的抗剪强度降低，产生的侧向位移，这样的侧向位移可能引起坝体横向开裂，以及两岸脱离，形成不利于坝体安全的渗流通道。因此，在这些可能产生较大位移部卫安装位移计，观测大坝在施工和运行期间坝体内部的位移情况，结合其它观测项目综合分析，判断坝坡的稳定性，坝内有无隐蔽性裂缝，作为施工和运行安全运用的依据。

坝体内部水平位移观测，一般沿可能产生有害位移的方向，在坝体内部埋设引张线式水平位移计、测斜仪、电位器式位移计（TS位移计）、正倒垂等等设备观测。

常用的引张线式位移计适宜水平埋设，一般在靠近坝体顶部的左右岸区，分层设在最大坝高断面的粗粒料区，分设高程约为1/3、2/3、1/2坝高处。

3 观测仪器

3.1 垂线坐标仪、引张线仪

国内现己普遍使用的遥测垂线坐标仪有两种，一种是电容感应式垂线坐标仪，其优点是结构简单，便于加工制造，测量速度快。缺点是:①测值不直观，必须通过模拟量换算；线性范围小，超过线性范围后精度迅速降低；而且一侧极板受水滴、潮湿影响时即产生很大误差。②测量电路复杂，电缆传输模拟量，传输电路中联接点多，防潮性能差，易受干扰和雷电流影响而导致故障，因而故障率高。③测量装置无互换性，无精确测量基准，维修或更换后资料不能连续。④无自校功能，某些部位发生故障后仍输出错误测值；⑤“中间极”必须套在垂线钢丝或引张线钢丝上，并用导线引出，安装时扰动垂线，测量时也带入误差。

普遍使用的另一种仪器是步进电机式垂线坐标仪，具有测值直观，测量范围大而测量精度高，抗干扰能力强等优点，该种仪器的最优产品为潍坊金水华禹信息科技有限公司的STC－50型垂线坐标仪，具有如下优点:

(1)仪器和垂线钢丝无任何接触，无论安装和测量都不干扰垂线位移。测值直观，精确可靠，测量精度不因量程加大而降低。

(2)有2根永久固定在测点上的不锈钢基准杆，作为测量和自校的基准，能始终保持测值连续性和校验测值正确性，在仪器维修或更换后能保持资料连续。

(3)在跟踪垂线的探头上有两对红外光照准器，相互备用，保证每次测量都能取得测值，使仪器可靠性大为提高。同时采取了多种密封防潮措施，使故障率大大降低。

(4)测量装置和仪器均具有互换性，输出为数字量，测量电路的抗干扰抗雷电流能力强，可靠性高，不易产生故障。

(5)测量系统具有自检能力，能显示故障部位，便于维修，部件和电路更换方便，故障易于排除。

(6)机械加工精密，工艺优良，电路和接插件均有多重防潮密封措施，且有控温加热元件保持干燥。

垂线坐标仪主要技术指标为：

测量范围：X 50mm，Y 30mm

分辨力： 0.01mm

测量精度：±0.lmm

环境温度:－10～+50℃

环境湿度:≤95%RH

引张线仪主要技术指标为：

测量范围：30/50mm

分辨力： 0.01mm

测量精度：±0.lmm

环境温度:－10～+50℃

环境湿度:≤95%RH

3.2 钢弦式渗压计

实现坝体渗流监测自动化的仪器有压阻式、差阻式、电感式和钢弦式等几种类型。由于压阻式仪器的长期稳定性较差，损坏率高，难以长期应用于大坝安全监测；差阻式渗压计稳定性好，但是灵敏度低，尤其是在低水位监测的情况下不适用；电感式仪器稳定性差，故障率高，在国内许多工程中使用效果不好；钢弦式传感器可将测压管中水位变换为频率量远传，其灵敏度高，安装方便，已在国内外工程中大量使用，国产钢弦式渗压计由于生产工艺方面的原因，质量较差，特别是长期稳定性方面不理想。美国Geokon公司原装生产的GK-4500S型钢弦式渗压计，该仪器具有灵敏度高，长期稳定性好，温度影响小等优点，已在国内几十座大坝上使用，效果良好，但价格较高。由美国进口机芯及配件在国内组装的DG-4560s型钢弦式渗压计具备了GK-4500S型的性能，而价格介于国产和原装进口钢弦式渗压计之间，已在国内大量使用，效果良好，DG-4650型钢弦式渗压计，其技术指标为：

测量范围：0~50 PSI

分 辨 力：0.025% F.S

准 确 度：±0.5% F.S

线 性 度：<0.5% F.S

3.3 差阻式仪器

1932年美国人卡尔逊研制成功差阻式仪器，其原理见下图所示，当受到外界的拉压而变形时，仪器内部两根张紧钢丝R1、R2的电阻发生差动变化，钢丝电阻Rt=R1+R2及Z=R1/R2能反映仪器所在处的应力、变形的大小。

差阻式仪器在混凝土坝内部观测应用非常广泛。

差阻式仪器的种类

4 自动化系统

早在二十世纪60年代后期，国外已开始研制大坝安全监测自动化设备，日本首先在梓川的三座坝上实现了监测数据采集自动化[1]。70年代后期意大利在Talvacchia双曲拱坝上利用模拟计算机和垂线坐标仪实现了变形监控[2]，在Chotas 坝上安装了集中式数据采集系统[3]，经过改进在Ridracoli坝上安装分布式系统为主体的混合式系统[4] 。现在发展了GPDAS分布式数据采集系统，更为广泛应用。

美国在80年代初期开始大坝监测自动化工作，1981年美国垦务局在Monticello拱坝上安装了集中式数据采集系统，总结经验后认为分布式数据采集系统更好，从1981年起在Flaming Gorge等四座拱坝上安装了分布式数据采集系统，取得了成功[5] ，此后即普遍应用了分布式数据采集系统。

从国外大坝监测自动化发展过程来看都是由集中式数据采集系统向分布式数据采集系统发展，目前有代表性的国外产品如意大利ISMES研究所的GPDAS系统，美国GEOMATION公司的2300系统和SINCO公司的IDA系统都是分布式系统，后二者都已在我国有所应用。

我国的大坝监测自动化工作起步虽晚，至今也近30年了。从70年代末到80年代中期，解决了差动电阻式仪器的高精度远距离自动化集中测量问题，80年代中期已有两种类型的遥测垂线坐标仪的大坝上使用，通过国家“七五”攻关计划的实施，研制成功了集中式数据采集系统。90年代已有近30座大坝安装了一些遥测仪器或采用集中式数据采集系统实现大坝监测自动化。

我单位研制的DG－94型分布式大坝安全自动监测系统在1996年3月通过了水利部主持，水电两部门的专家参与的鉴定会，鉴定意见认为该系统总体上达到国际先进水平，在差动电阻式仪器监测和变形监测方面还有所突破，1997年荣获水利部科技进步二等奖，1998年荣获国家科技进步三等奖，迄今为止仍是大坝监测自动化方面唯一通过部级鉴定并获得国家科技进步奖的自动化系统，在国内一直处于领先水平。已在水利和电力部门的60多座混凝土坝和土石坝中广泛应用，运行良好，均已取代人工观测，成为大坝安全监控的现代化手段。该型系统经过DG-94型、DG-95型、DG-97型发展到DG-2000型，功能和性能更为优越。

DG型分布式大坝自动监测系统由五部分组成，即大坝监测仪器、测量控制装置、中央控制装置，安全信息管理系统及通信和电源线路等组成。其中大坝监测仪器，测量控制装置和中央控制装置组成大坝监测数据采集网络，主要功能是实现大坝监测数据的自动采集。信息管理系统的主要功能对包括监测数据在内的大坝安全信息进行存储和管理，为大坝安全运行提供安全评判和监控依据。

4.1 DG型系统的功能和性能

4.1.1 监测功能

（1）数据采集方式

数据采集系统具有六种不同监测数据采集方式，具有较大的灵活性和可靠性。

① 中央控制方式：由监控主机（现场数据采集计算机）发出命令，测控装置接收命令、完成规定的测量，测量完毕将数据暂存，并根据命令将测量数据传送至监控主机内存储；

② 自动控制方式（即无人值班方式）：由各台测控装置自动按设定的时间和方式（可由人工按需设定）进行数据采集，并将所测数据暂存，同时自动传送至监控主机内存储。该方式主要用于日常测量；

③ 特殊条件下应急控制方式：在汛期或其它特殊情况下，电源和通讯完全中断时，各测控装置能依靠自备电源继续进行自动化巡测，可维持运行一周，所有测值全部自动存储，等待故障修复后提取。

④ 人工测量方式：作为一种后备方式，当监控主机或通讯线路发生故障时，在通讯线路恢复前，采用便携式计算机或键盘显示器进行数据采集或提取自动测量数据；在测控装置发生故障时，采用便携式检测仪进行人工数据采集；

⑤ 网络化测量方式：本系统具有网络化管理功能，在添加一些计算机终端等设备后，有关领导和专家可在主管领导办公室、总工室、水工管理部门等一切相关部门的计算机上进行数据采集、资料查询等；

（2）数据采集方法

监测数据的采集方法有：巡测、定时巡测、选测、人工测量。采集周期根据工程要求，运行人员可在监控主机上设定或修改起始测量时间和定时自动测量周期。

4.1.2 显示功能

能显示大坝及监测系统的全貌、网络连接图、仪器测点布置平面和剖面图，各种监测数据过程线等，显示报警状态，显示所有监测数据、监测成果，显示有关系统信息，若接投影仪可实现大屏幕显示。

4.1.3 存储功能

系统所有实测数据分二级存储：测控装置具有存储器和掉电保护模块，能暂存所测数据，存储容量不小于128KB，存满后自动覆盖，在系统断电的情况下保证不丢失数据；监控主机接受所有测控装置的监测数据，自动检验、存储，对超差数据自动报警，检验后的数据存入数据库中。

4.1.4 数据通讯功能

数据通讯包括现场级和管理级的数据通讯。

（1）现场级数据通讯功能：

现场测控装置和监控主机之间，采用RS-485实现双向通讯。

（2）管理级数据通讯功能：

信息管理主机可通过电话线或光缆或微波等与现场数据采集计算机之间通讯，实现双向通讯。

4.1.5 数据管理功能

监控主机具有监测数据监视操作、输入/输出、显示打印等一般管理能力，存储系统所有监测数据，对测控装置传输来的原始测值进行初步处理，供运行人员进行浏览、检查、绘图、打印等，并有数据越限报警功能。可调度各级显示画面及修改/设置仪器的参数、修改/设置系统的配置、进行系统测试、系统维护等，完成系统调度、过程信息文件形成、入库、通讯等任务。

4.1.6 系统自检功能

系统具有自检功能，可对数据存储器、程序存储器、CPU、实时时钟、供电状况、电池电压、测量电路及传感器电路等进行自检，能在监控主机上显示系统运行状态、故障部位及类型等信息，以便及时维护系统。任何硬件和软件的故障都不危及系统设备和人身安全。

4.1.7系统防雷、抗干扰功能

大坝所处地理位置，易受雷击或强电磁场影响。系统通讯方式可以采用光缆和电缆相结合、所有暴露在外的电源电缆、通信电缆、信号电缆等除采用钢管保护外，还采用了独特的外堵内防技术，即电缆输入口和机箱采取隔离加等电位防雷技术、测控装置采用防雷器件，对接地要求低，效果显著。在系统的供电线路、传感器到测控装置的入口等重要部位均设有防雷设备，采取了三级防雷保护措施，确保系统在雷击和电源波动等情况下能正常工作。电源、通讯和传感器输入口可防1500W雷电感应。

4.1.8 系统供电功能

系统所有设备采用220V交流电，MCU还有自带免维护的铅酸充电电池作后备电源，在系统供电中断的情况下，备用电源自动启动，在每天测量两次的条件下，能保证测控装置连续工作一周，以保证数据测量的连续性。

4.2 系统性能指标:

① 系统平均无故障各种时间

系统平均无故障工作时间≥10000小时；

② 测量周期

系统自动定时测量周期可根据工程要求，操作员可在测控装置、监控主机、管理主机等计算机上设定或修改，测量周期设定范围为1分钟～1个月；

③ 系统容量

可连接仪器测量模块数量：256台（可扩至1024台）；

④ 系统工作电源

系统工作电源为：

电 压：220VAC±20%；

周 波：50±1Hz；

⑤ 系统防雷

传感器、电源和通信：1500W；

⑥ 系统接地

系统接地电阻：〈10Ω；

⑦ 系统工作环境

a. 计算机房

环境温度： 10℃～30℃；

环境湿度： ≤75%Rh；

b. 测控装置

环境温度： —30℃～60℃；

环境湿度： ≤100%Rh。

4.2 DG型系统主要设备（测控装置）

DG型分布式大坝安全监测自动化系统的技术性能和指标满足《土石坝安全监测技术规范》（SL60-94）和《大坝安全自动监测系统设备基本技术条件》（SL268-2001）的要求，并满足《招标文件》所要求的技术指标，同时，该系统的系列产品包括测控装置已获得生产产品许可证。该系统由MCU-1/2/3M型测控装置（由各类智能数据采集模块按实际需要组合而成）、各种不同的通信介质和基于Windows 9X/2000/NT平台的数据采集软件、信息管理软件组成，能采集差阻式、步进式、电感式、钢弦式、电位器式等各类传感器，根据所接入监测仪器的数量和种类，配置不同类型的测量模块。实践证明DG型分布式大坝安全监测自动化系统是一个既先进、可靠，又经济、实用的自动化系统，完全满足水库大坝安全监测的要求。

潍坊金水华禹信息科技有限公司大坝监测分所生产的DG-2000型分布式大坝安全监测系统，它由监测仪器、测控装置、监控计算机以及各种电缆等组成。测控装置是大坝安全监测自动化系统的关键设备，是分布式数据采集网络的节点装置，它决定了系统的规模、功能和性能，DG-2000型分布式大坝安全监测系统中的测控装置为MCU-1M型或MCU-1M型测控装置，它由密封机箱、智能数据采集模块、电源模块、人工比测模块和防雷模块等组成，各功能模块布局合理、标志清楚、维修方便，还有温控加热除湿装置。该装置用于系统中各种类型监测仪器（传感器）的数据测量、存储和传输，安装在监测仪器附近，适合于在恶劣的水工环境下长期使用，可靠性高，平均无故障时间大于20000小时。MCU-1M型测控装置有1个智能控制数据采集模块，MCU-2M型测控装置有2个智能控制数据采集模块，每个智能控制数据采集模块可接入的仪器类型和数量见表1。

表1：智能数据采集模块的种类、可接入的仪器类型和数量

MCU-1/2/3M型测控装置技术指标如下：

（1）差动电阻式仪器测量模块R16M

测点数量：16支五芯或四芯差动电阻式仪器

测量范围：电阻值：0～120Ω

电阻比：0.8000～1.2000

准确度：电阻值：0.02Ω

电阻比：0.0002

分辨力：电阻值：0.01Ω

电阻比：0.0001

测量速度：5秒/支

(2) 钢弦式仪器测量模块 V16M

测点数量：16支钢弦式仪器（频率+温度）

测量范围：频率：400～6000Hz

温度：-50～150℃

准确度：频率：±0.01%F·S

温度：±0.5℃

分辨力：频率：0.01Hz

温度：0.1℃

测量速度：4秒／支（频率＋温度）

(3) 步进式仪器测量模块S1/4M

测点数量：1/4通道（垂线仪或引张线仪）

测量范围 X：0～50mm，Y：0～30mm

准确度：±0.1mm

分辨力：0.01mm

测量速度：4～655秒／支

测量时间：45s/point；

(4) 电压式仪器测量模块E16M

测点数量：16通道

测量范围 ±2V

准确度：±0.1% F·S

分辨力：0.01% F·S

测量速度：6秒／支

(5) 环境量仪器测量模块H3M/FRV

测点数量：2支浮子式水位计＋1支雨量计+8支差阻式仪器/8支钢弦式仪器

测量范围：同浮子式水位计、1支雨量计和差阻式仪器/钢弦式仪器

准确度：水位计：同浮子式水位计

雨量计：同雨量计

差阻式仪器：同差阻式仪器测量模块R16M

钢弦式仪器：同钢弦式仪器测量模块V16M

分辨力：水位计：1cm

雨量计：同雨量计

差阻式仪器：同差阻式仪器测模块R16M

钢弦式仪器：同钢弦式仪器测模块V16M

测量速度：5秒／支

(6) 气象站仪器测量模块M7M

气象站仪器测量模块的技术指标可参见气象站仪器。

（7） 通讯接口：CAN 总线、RS-485、RS-232-C、无线、光纤、微波、电话线等通讯方式可选

（8） 通讯波特率：1200bps可调

（9） 存储容量：128KB带掉电保护

（10） 工作电源：220VAC±15%,50Hz或太阳能电源可选，配12V4AH蓄电池

（11） 工作环境：温度：－10～60℃（－30～60℃可选）

湿度：≤98%Rh

（12） 设备防雷：传感器：1500W

电源、通讯：1500W

（13）平均无故障工作时间（MTBF）：20000小时

4.3 系统配套软件

系统配套的软件是以Windows 2000/NT/Me/98为系统平台的一套图视化的窗口软件，具有全图形化操作、界面友好、操作方便等特点，它承担着水库大坝安全监测信息的管理工作，系统管理软件由DG型数据采集软件、DSIM型信息管理软件和MDAP型数据分析软件组成，这些软件具有以下功能。

4.3.1数据采集软件

数据采集软件是Windows 2000/NT/Me/98环境下一套图视化的窗口软件，所有监测点均可显示在布置图上，每个测点都与数据库相连接，同时布置图上的每一个测点又与现场测控装置的对应仪器相通，因此操作和选择屏幕布置图上的测点或采集模块就可以完成对该测点或模块的数据采集、换算、处理、入库等全部过程。对自动采集的数据自动入库；对人工测量的数据，提供了一个人机界面窗口，可键盘输入进库。数据采集软件可用于单机采集和网络采集，如果计算机被设计为Windows NT 局域网的一个节点，则局域网（甚至广域网）上的任意一台计算机均可以控制计算机进行数据采集，并把采集的数据传送到本地计算机上。

采集软件功能主要包括：系统管理、数据采集、数据管理和数据通讯等。

（1）系统自检功能

各测点测值超过设计工程师设定的限值，则给出不同级别的报警，软件具有24小时不间断运行的在线监控和分级报警、系统自检、自诊断功能，能对系统各部位运行状态自检、自诊断，并实时输出自检、自诊断结果及运行中的异常情况，作为硬拷贝文档。

（2）数据通讯功能

实现监控主机（现场数据采集计算机）与各台测控装置、监控主机与管理主机（信息管理计算机）之间的双向数据通讯。通过网络连接或MODEM，可实现远程数据传输和系统远程控制。

（3）数据采集功能

数据采集软件实现数据采集，具有两种运行方式，即：

中央控制方式(应答式)，由数据采集软件下达命令，网络节点上的所有测控装置进行巡测或选测，测量完毕后将数据根据命令存储在监控主机中；

自动控制方式(自报式)，测控装置（MCU）按内部设定时间间隔自动进行测量，测量完毕后将数据存储，并自动将存储数据传送到监控主机中存储。在系统电源和通讯线路中断时，测控装置将按特殊自控方式运行。

（4）数据管理功能

将原始监测数据储存在监控主机的数据库中，可按要求对存储数据进行初步处理，供运行人员浏览和检查。具有完善的临时和历史测值的数据库管理功能。测值数据可显示、查寻、检索、绘制过程线、拷盘、打印。

（5）报警功能

对现场各种异常情况、报警事件进行分析、归类，指出其发生的时间、报警内容，判断发生故障的原因、故障地点，能以相应的屏幕文字、字体颜色或声音方式发出报警信号，并生成报警事件总汇表，根据设计工程师或运行人员确定的各测点的限值，发出不同级别的报警功能。

（6）图形界面

操作平台为Windows 98/NT/Me/2000，数据采集软件能形象显示大坝的全貌及图形化显示监测数据，显示实时数据及历史数据的趋势图，实时打印现场各种数据,保证监测资料的完整性和连续性。

4.3.2信息管理软件

DSIM大坝安全信息管理系统具有对大坝安全监测自动化系统采集的监测数据及其它有关大坝安全的信息进行自动获取、存储、加工处理和输入输出，并且为数据分析软件提供完备的数据接口，以便利用大坝安全监测数据和各种大坝安全信息对大坝性态作出分析判断，能按部颁《土石坝安全监测技术规范》和《土石坝安全监测资料整编办法》对水库大坝监测资料进行整编分析，生成有关报表和图形，做好大坝安全运行和管理工作。由于该软件界面友好、可移植性强、功能全、运行稳定，因此得到用户的广泛好评。主要功能如下：

（1）测点管理

安全监测系统中各种监测项目中埋设或安装接入自动化系统的监测仪器测点均为管理对象。

测点属性是指该测点的所有特征数据包括测点点号（自动监测系统中的专用编号）、测点设计代号、仪器类型、仪器名称、测值类型、监测项目、安装位置、仪器生产厂家、测点物理量转换算法及计算参数、测点数据入库控制、数据极限控制以及测点数据图形输出控制等。

设置测点算法

设置数据入库时段控制

设置数据极限控制

修改或扩充测点属性

可修改扩充的测点属性如下：仪器类型，仪器名称，监测量初始值，监测项目，安装位置，仪器生产厂家。

数据、属性自动跟踪测点的修改：测点的属性是通过数据库中相互关联的表来实现的，使测量数据、算法（将监测数据转换成监测物理量）、入库控制及报表将自动地跟踪修改，使系统具有高度的灵活性和稳定性。

如：数据库已经运行了一段时间，要修改某测点的点号或设计代号，通过测点管理修改点号或设计代号，所有该测点原来设置的属性、监测数据、报表数据将自动跟踪到修改后的点号或设计代号上去，不会造成混乱。

（2）远程控制

系统可通过串口利用电话线、光缆、微波等通信媒体或网络对系统进行远程控制，实现数据采集软件上的所有功能，并可对数据采集软件中的历史数据进行提取。用户可在工作基地或其他地方通过远程控制软件实现远程监控。

（3）数据输入

① 自动输入

可通过自动化系统数据采集软件直接获得或通过数据采集软件的数据库定时提取监测数据并入库。数据入库受测点入库时段和数据极限控制。

② 人工输入

如有一些监测项目未纳入自动化监测系统，这些监测项目及实现自动化监测之前的人工监测数据可人工输入，可输入监测数据，也可以直接输入监测物理量。直接输入监测物理量是为了适应人工监测点变为自动化测点后，人工输入该点自动化以前的历史数据。

③ 全自动物理量转换和数据过滤

无论是自动输入还是人工输入数据，在入库的过程中自动完成监测数据至监测物理量转换并存储。

（4）数据输出

通过输出向导可以输出测点数据图表，数据模板（特殊的数据输出集合）和报表。

① 测点列表

测点列表中的测点是可选的，通过测点列表过滤器设置的过滤条件，可在测点列表中设置所需的测点，大部分测点属性都可以作为过滤条件，可以将需要的一部分测点过滤到测点列表中，这样可以加快测点信息的获取速度，测点列表的过滤条件自动地被记忆在系统中，在下次重新进入系统时，系统自动在测点列表中加入选择的测点

② 多窗口输出测点数据图表

按照向导的提示可输出测点任意时段的数据图表，输出图表的数据窗口有以下特点和功能：

通过输出窗口中附带的快捷键，可以方便地在图形和表格之间切换。

可以按需要控制图形的数据输出项、上下限。

在图形输出时，鼠标在图形中移动时，在状态条中动态显示鼠标所在点的数据值和时间，为观察数据提供了方便。

在表格输出时，可以在线修改、删除数据（登录的用户必须有修改数据的权限才可以使用该功能）。

可以通过输出窗口所带的快捷键，可方便地将窗口设置为实时数据窗口，用来监测大坝关键数据。

所有的表格和图形均可输出打印。

可以输出多个需要的数据窗口，便于进行数据间的比较与分析。

可以在输出的时间段上，重新进行物理量的转换，方便因仪器更换导致系统参数改变，分时段进行物理量转换。

③ 输出某时段中的所有测点数据

该功能用于全面检查测点数据，也可以在输出的时间段上，重新进行物理量的转换，这样可以方便批量更换仪器。

④ 输出测点列表中的测点综合信息

以表格形式显示测点属性，为快速浏览系统测点的综合信息提供了方便。

（5）通过输出模板输出数据

① 通过数据管理的输出向导输出报表

日报（原始监测数据、日最大、日最小和日平均）

月报（监测数据日平均、月最大、月最小和月平均）

年报（监测数据月平均、年最大、年最小和年平均）

系统信息的报表：提供测点布置信息、测点计算信息等系统信息。

报表数据可以转换为Word或Excel文件。为二次处理数据提供了方便。

② 自动创建多点数据输出模板并输出

系统创建多点数据过程线输出模板，将不同测点的不同数据（原始测值或物理量转换的数据）综合到一个输出模板中，可以设置模板的名称、标题，坐标上下限，可设置测点数据的颜色、线宽、数据图形标志，设置好的模板可以存储起来供以后使用。窗口输出的图形可以打印输出。

（6）巡查信息管理

人工巡视检查信息用以弥补仪器监测的不足，每次巡视检查获得的信息可用人工输入,以便资料分析和大坝安全评定时查询和输出历史巡查记录。

（7）大坝安全文档管理

有关大坝安全的文档包括文字资料和工程图表可按大坝安全注册要求建立，除作为档案保存外也便于进行资料分析和大坝评审时调阅。其主页设计可以修改、增加文档，用Windows中Internet浏览器可以方便地浏览或打印输出文档。

（8）备份管理

备份管理提供数据和系统信息的备份与还原功能。

① 数据备份和还原

将任意时间段的数据备份出来，在系统需要时还原进系统（例如恢复系统、数据软盘传递等情况）。

② 系统信息的备份与还原

该功能可以将有关系统的信息全部备份下来。

系统信息包括测点属性、系统中使用的仪器、测点监测项目、安装位置、仪器生产厂家、测点物理量转换算法及参数、输出模板设置等信息。

在完成一批测点的算法和参数设置后，立即做一个系统信息备份，该备份有助于以后自动恢复系统。

（9）系统安全管理

具有系统设置权限的用户可以填加和删除系统用户，给不同的用户设置不同的权限，不同的用户以自己的口令和密码登录系统后有不同安全级别的操作权限。

（10）软件自动升级

数据库应用软件具有自动创建和升级这一功能，在软件升级时自动创建新的数据库结构，并将原来的系统信息和测量数据的备份自动还原进入新建的数据库。

4.3.3 MDAP数据分析软件

信息管理系统中已为数据分析提供了非常简明的测量数据表，所有的测量数据都在一个表中，通过这样的测量数据表，数据分析软件可以很方便地获取数据。

数据分析系统得到的分析结果还可以反馈到数据库中，利用该接口，就可以实现通过数学模型来监控工程安全性态。具体包括单点或多点数据浏览及过程线绘制、各监测物理量之间的相关分析和统计模型建模，主要特点和功能如下：

（1）软件设计时采用容错技术，发生错误操作时，不致使运行程序遭到破坏。

（2）软件内有口令设置，可使无关人员不能进行系统操作，提高软件的安全性能。

（3）对变形、渗流、渗压、应力应变和温度等各类工程安全监测仪器和监测项目实测数据进行处理和计算分析；

（4）自动对各监测点的不同监测值或物理量转换成果进行粗差检验和剔除；

（5）渗压进行位势分析和坡降计算；

（6）对任一效应量与环境量或其它原因量进行相关分析；

（7）使用逐步回归方法建立统计模型；

（8）提供各种可选的分析因子（如水压、温度 [气温、水温] 和时间因子等）供用户任意组合选用；

（9）提供简便、快捷的在线模型监控方法；

（10）提供丰富的图形和报表功能，使整个分析过程窗口化、分析结果图形化；

（11）具有各种分析图形的无极缩放功能，用户可在上述分析处理成果基础上结合信息系统提供的人工巡视检查信息、工程文档资料、工程安全鉴定资料进一步分析，对工程安全状态作出全面评判，制定工程安全运行和供水调度的正确决策，并可通过远程通讯及时上报分析、评审成果和决策。

附表1 混凝土坝安全监测项目分类表

附表2 土石坝安全监测项目分类表

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/54174bc5ec630b1c59eef8c75fbfc77da36997b4.html