2020年大坝安全监测的设计

1、安全生产）大坝安全监测 的设计大坝安全监测的设计水利部南京水利水文自动化研究所目录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。 19

2、75 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，

3、避免了壹场溃坝事故。 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壹起滑入江中。 可是险 区居民全部提前安全撤出，无壹伤亡，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，有壹个量变到质变的过程，能够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

4、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/T5178-2003) ，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见成整个工程设计的壹个重要组成部分，根据建筑物的等级确定监测项目，监测设计必须和所有其他工程设计壹样统壹安排。监测设计贯

5、穿于工程设计、施工以及整个工程寿命期内，合理的监测设计能够获得作为工程安全状况的正确评估，仍 能够改进大坝的设计、指导大坝的施工，使未来的设计、施工和运行 更合理、更安全。大坝安全监测工作壹般分以下几个阶段：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（壹般约占主体建筑物总 投资的 13% ）。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

6、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，且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 特殊巡视检查和观测。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

7、）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壹重要观 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，壹般指最大坝高坝段或观测成果易于和设计比 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 点应是基础和和基础结合的混凝土坝内的坝踵、坝址部位。重力坝能够选取溢流坝段或非溢流坝段作为重点观测坝段，对地

8、质复 杂的工程可增设壹个坝段，作为次要观测坝段 ,其他作为壹般观测坝 段；拱坝拟选择拱冠梁和拱座作为重点观测坝段，对于高拱坝仍能够 在 1/4 拱、 3/4 拱处各选择壹个坝段作为次要观测坝段；对于支墩坝 壹般选择壹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，能够增设观测坝段，且作为次要观测坝段，其他 作为壹般观测坝段。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

9、测的精度壹般按照表 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 变形监测的精度项目位移量中误差限值水平位移 (mm)坝顶重力坝支墩坝±1.0拱坝径向±2.0切向±1.0坝基重力坝支墩坝±0.3拱坝径向±0.3切向±0.3坝体垂直位移 (mm)坝顶±1.0坝基±0.3倾斜()坝体±

10、5.0坝基±1.0坝体表面接缝和裂缝 (mm)±0.2近坝区岩体和高边坡 (mm)水平位移±2.0垂直位移±2.0滑坡体 (mm)水平位移±3.0 (岩质边坡)±5.0( 土质边坡 )垂直位移±3.0裂缝±1.02.1.1.2 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，能够用垂线 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，且且能够和人工观测且存。视准线方式壹般用于 人工观测。直形重力坝或支墩坝坝体和坝基水平位移

11、宜采用垂线 引 张线方式观测，引张线能够分段布置，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，也能够用垂线方式测 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。通常垂直位移和水平位移标点设在同壹观测墩上。 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 坝仍应

12、在 1/4 拱和 3/4 拱处设置垂线， 各高程廊道和垂线相交处应设 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。高坝仍应该在中间高 程廊道设置测点，每个坝段宜设置壹个测点。2 工程实例坝轴线坝顶观测室991.10IP4987.00（ 正常蓄水位）防浪墙11401137.5（ 正常蓄水位）卡箍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，利用倒垂线能够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

13、底，在坝顶或基础廊道设浮桶及垂 线测点，利用正垂线能够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能够设垂线测点。 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壹个观测墩上衔接，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 1020cm 。重锤重量壹般按 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

14、重 量的 2 倍，宜适用 1.0mm1.2mm 的钢丝，壹般垂线钢丝直径不 宜大于 1.6mm 。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 能够或略处，缺少该项计算结果时，可取坝高的 1/41/2 ，钻孔深度 不小于 10m 。倒垂线孔内宜埋设壁厚 57mm 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，浮子的浮力壹般按下式确定：P>250(1+0.01L) 式中： P浮子浮

15、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 1.0mm1.2mm 的钢丝，壹般垂线钢丝直径不 宜大于 1.6mm 。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。 端点装置可采用壹端固定、壹端加力的办法，也能够采用俩端加力的 方法。测线愈长引张线所需要的拉力愈大。长度为 200600m 的引张线， 壹般采用 4080kg 的重锤张拉。重锤重量按下式计算 H=S 2W/(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 。

16、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 0.8mm1.2mm 的钢丝。引张线保护管壹般用 110 160mm 的 PVC 管。5 视准线的设计视准线应离障碍物 1m 之上。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，壹般按如下控制： 重力坝和支墩坝 300m拱坝 300m滑坡体 800m2.1.1.3 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。沉降测点能够和水 平位移测点结合布置，可和视准线的水平位移测点布置在同壹个测点 墩上。坝体

17、廊道和坝面的沉降变形能够使用精密水准测量，如需要实现自动 化测量，能够采用利用连通管原理设计的静力水准仪系统。垂线测点引张线活动端钢架滑轮1引张线线体重锤滑轮2及支架螺栓固定引张线体412662040kg现场配打膨测点保护装置坝体引张线示意图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 外荷载之壹，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，俩岸混凝土和基岩接触不良。若坝体渗流量突然增大，可能是坝 体混凝土出现裂缝所致。

18、总之，渗流监测必不可少。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。 壹般应该设纵向观测断面 12 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，横断面间距壹般 50100m 。 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， 壹般 56 个，帷幕前壹个测点， 帷幕后壹个测点， 排水幕线上壹个， 排水幕后 23 个，测点壹般布置在坝段中心线或支 敦中心线上。簿拱坝壹般不测扬压力，仅在排水幕上布置测点，检验 帷幕灌浆效果

19、，测点也壹般每个坝段设壹个点。 坝基扬压力监测壹般埋设 U 形测压管，测压管用 1 2 寸钢管引到 观测廊道，必要时也能够埋设渗压计。排水幕处的测压管壹般布置在 排水孔之间，但决不能用排水孔作测压管观测孔。排水孔壹般深入坝 基深处，而扬压力观测孔壹般在建基面下 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），观测断面壹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壹 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

20、设施统 筹规划，然后进行渗流量的观测设计。渗流量观测壹般采用单孔排水 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，能 够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 应将河床坝段和俩岸坝段分开观测，能够采用单孔渗流量计。大坝总 渗流量能够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。 在俩岸的帷幕后顺帷幕方向布置俩排测点，测点布置在靠坝肩处较 密，帷幕前能够不知少量的测点。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壹般指应

21、力、应变及温度监测等项目，它应当和变 形、渗流监测等项目结合布置， 组成壹个大坝的完整的安全观测系统。混凝土坝内部观测壹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壹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见具有代表性的坝段。例如选择高 度最大或基岩最差的坝段作为观测坝段，也能够在非溢流坝段和溢流 坝段各选择壹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，壹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，壹般布置以

22、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 度计在观测断面上壹般成网格形布置，测点的间距壹般为 815m ， 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。EL134.3坝体E应L1力2状9.5态0的观测T27-27T27-28T27-26坝体E应L1力25状.75态的观测重点是靠近底部的基础观测截面，因为距离7重-24引起的T27应-25力愈大，因此基础

23、观测截面的应力EL122.00 坝底愈近，水荷载和EL118.25状态在坝体强度和稳定T27控-23制方面起关键作用。但为了避开基坑不平和EL114.50边界造成E的L1应10力.75集中T27-20基础观碾压测混凝截土T27-19T27-21 T27-22截面距坝底不常宜态混小凝土于5m 。重力坝的应力分布E受L1到07坝.00体施工方法的影响，同仓浇筑的混凝土基础观测截面T27的应力是连续分布的EL100.25T27-12 T27-13 T27-14,15,16,17,18应变计组常的态混布凝土置按平面变形问题考虑，能够布-11置 4 向或 5T27-7 T27-8 T27-9 T27-1

24、0 向应变计组， 其中 4 向碾应压混变凝土计组构成的平面和观测基面重EL94.25EL92.75 T27-1N27-1T27-20S527-1常态混凝土S527-2 N27-2C27-1 C27-2T27-3T27-4T27-5 T27-6EL91.25EL89.5EL85.0坝 轴 挡水坝段温度计线 安装位置示187.44意m 图 坝体接缝和坝基基岩变形观测重力坝和支墩坝的纵173缝m 都需X34 要S35 灌浆胶1结76.0m成整体，整体重力坝的横S33 S35缝也需要EL9进2.7行5 灌N2浆7-1 S。27-1为了监测灌浆前后坝缝的开度内要设置测缝计。 SX2732时控制压力，在灌

25、C27浆-1C2区7-2 中160部m 坝缝S252S2526度S变化N2，7-2 以及在灌浆EL91.25坝基底部的坝EL踵85.和0 坝趾分别埋设单位：2米 支之上基岩变形变位计对于坝测向示布意置图的基岩变形计能够同时监S1920S2223测上游坝踵是否因为拉应力引X21 起基X24 岩裂缝张开或坝底和基岩脱开2.2 土石坝的监测设计130.8mSX1318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SX1116m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

26、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，同时辅之以壹些特定项目的监 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 少壹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，壹般不少于 3 个，且尽量和变形、应

27、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 35 个测点，观测水位，绘 制浸润线。浸润线观测的能够采用测压管方式或埋设渗压计方式。 壹般如下原 则选择：1 作用水头小于 20m 的坝，渗透系数大于或等于 10 -4 cm/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 -4 cm/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，其量程应和测点水压力 相适应。绕坝渗流观测 在大坝和俩岸山坡连接处，沿坝脚线，从坝顶到下游布置渗流压 力测点。2.2.

28、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和混凝土坝类似。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，壹般不少于 3 个。每个横向观测断面壹般不少 于 4 个标点，通常在上游坝坡正常蓄水位之上 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，下游坝坡半坝高之 上 13 个，半坝高以下 12 个（含坝脚壹个）。测点的在坝轴线方向上的间距，壹般坝长小于 300m 时，宜取 2050m ，坝长大于 300m 时，宜取 50100m 。表面竖向位移及水平位移变形壹

29、般共用壹个测点。大 溪 水 库0+113.1 0+234.9 0+383.7水视准线位移标点 位移标点土坝视准线观测布置观测垂线浸润线工作基点位移标点测点校核基点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，壹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。沉降观测大坝内部测点是由于坝通基气或管坝体的能引起坝体横向沉降观测应该和坝体其他各种位移观测、坝体内孔隙水压力的观

30、 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，壹般应在原河床、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，壹般为 25m 。沉降管最下壹 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，壹般沿坝高横向布置 3 排，即 1/3 坝高 处，2/3 坝高处， 1/2 坝高处。水平位移监测游水压力作用下，可能向下游方向位移，水平位移是指垂直坝轴线方向和平行坝轴线方向的位移， 大坝在连通水管抗剪强度降低，产生的侧向位移，这样的侧开裂，以及俩岸脱离，形成不利于坝体安全

31、的渗流通道。排因水此管，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水管式沉降仪原理图 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，壹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， 壹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 、垂线坐标仪，其优点是结构简测单斜，仪工便作于原加理工制造，测量速度快。缺点 是:测值不直

32、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； 而且壹侧极板受水滴、 潮湿影响时即产生很大误差 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。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。无自校 功能，某些部位发生故障后仍输出错误测值；“中间极”必须套在 垂线钢丝或引张线钢丝上，且用导线引出，安装时扰动垂线，测量时也带入误差 普遍使用的另壹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 为南京水利水文自动化研究所的 STC50 型垂线

33、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俩对红外光照准器， 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

34、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： X50mm ， Y30mm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%RH3.2 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

35、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， 可是灵敏度低， 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 GeokonX 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

36、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： 050PSI分辨力： 0.025%F.S准确度：± 0.5%F.S线性度： <0.5%F.S3.3 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， 仪器内部俩根张紧钢丝 R1、R2 的电阻发 生差动变化， 钢丝电阻 Rt=R1+R2及 Z=R 1/R 2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。器DI-15GYDI

37、-25GY无应力计配 DI-25配 DI-10钢板计配 DI-10测缝计CF-5 ， 12CF-25CF-40CF-5 ， 12GYCF-25GYCF-40GY裂缝计配 CF-5 ，12钢筋计KL-20 ，22，25 ，28，32，36，40KL-20 ，22，25，28 ，32 ，36 ，40GY渗压计SZ-2 ，4，8，16SZ-4A应力计WL-30 ，60温度计DW-1DW-1GY土压力计YUB-2 ，4，8，16渗流渗压扬压力计YZ-1 ，5，10变形仪器位移计WY-100G三向测缝计SX水管式沉降仪CJT-1基岩 边坡 仪器基岩变位计配 CF-5 ，12多点变位计BWC-1锚索测力计

38、MS-1 （100 吨）锚杆应力计配 KL 系列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 。当下发展了 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

39、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 FlamingGorge 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见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 GEOMATIONX 公司的 2300 系 统和 SINCOX 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

40、仪器的高精度远距离自动 化集中测量问题， 80 年代中期已有俩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 座大坝安装了壹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，水电俩部门的专家参和的鉴定会，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 形监测方面仍有所突破， 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壹 通过部级鉴

41、定且获得国家科技进步奖的自动化系统，在国内壹直处于 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

42、和管理，为大坝安全运行提供安全评判和监控依据。4.1DG 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。 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，且根据 命令将测量数据传送至监控主机内存储； 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，且将所测数据暂 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； 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

43、，各测控装置能依靠自备电源继续进行自动化巡测， 可维持运行壹周，所有测值全部自动存储，等待故障修复后提取。 人工测量方式：作为壹种后备方式，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； 网络化测量方式：本系统具有网络化管理功能，在添加壹些计 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、 水工管理部门等壹切相关部门的计算机上进行数据采集、资料查询（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

44、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。（

45、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和现场数据采集计算 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、显示打印等壹般管 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，且有数据越 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

46、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。系统通讯方式能 够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，仍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

47、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 仍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， 在每天测量俩次的条件下，能保证测控装置连续工作壹周，以保证数 据测量的连续性。4.2 系统性能指标 : 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； 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

48、分钟 1 个月； 系统容量可连接仪器测量模块数量： 256 台（可扩至 1024 台）； 系统工作电源系统工作电源为：电压： 220VAC ±20%；周波： 50 ±1Hz ； 系统防雷传感器、电源和通信： 1500W ； 系统接地系统接地电阻：10； 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 。4.2DG 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

49、( SL268-2001 )的要求，且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 Windows9X/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壹个既先进、可靠，又 经济、实用的自动化系统，完全满足水库大坝

50、安全监测的要求。南京水利水文自动化研究所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，仍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

51、，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序号名称型号通道数备注1差阻式仪器采集模块R16M164/5 芯差阻式仪器或温度计2步进式仪器采集模块S1M1步进电机式垂线坐标仪或引张线仪3步进式仪器采集模块S4M4步进电机式垂线坐标仪或引张线仪4钢弦式仪器采集模块V16M16各类钢弦式仪器5电压式仪器采集模块E16M16各类电

52、压、电流量输出仪器6环境量仪器采集模块H3M11浮子式仪器、雨量计和差阻式仪器7环境量仪器采集模块FRV11浮子式仪器、雨量计和钢弦式仪器8气象站仪器采集模块M7M77 种气象站仪器， 如风速、风向、气温、 气压、雨量、蒸发、湿度等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： 0120 电阻比： 0.8000 1.2000准确度：电阻值：0.02电阻比： 0.0002分辨力：电阻值：0.01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

53、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：050mm ，Y： 030mm 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%

54、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

55、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 Windows2000/NT/Me/98 为系统平台的 壹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 Windows2000/NT/Me/98 环境下壹套图视化的窗 口软件，所有监测点均可显示在布置图上，每个测点都和数据库相连 接，同时布置图上的每壹个测点又和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能够完