大坝安全监测的设计施工

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

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、岩土特性不平均的地基上，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。如果显现非常，又不被及时发觉，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，缺失庞大。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，直接经济缺失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

觉问题，采取有效的工程措施，就能避免灾难。1962年安徽梅山连

拱坝右岸基岩发觉大量漏水，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,且右岸各垛连续发觉大裂

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n?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、设计中洪水运算和防洪能

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觉的。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治理。

•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/T5178-2003),国家经济贸易位员

会

•水库大坝安全治理条例，国务院，1991年

•水电站大坝安全治理办法，电力工业部，1997年

•水电站大坝安全监测工作治理规定，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样分以下几个阶段：

•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(一样约占主体建筑物总

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，移交治理单位。

•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

特别巡视检查与观测。对监测系统的设施进行检查、保护、校验、

更新、完善，定期托付科研院所等专业机构对监测资料进行整编、

分析、作出工程性态评判，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和谐和同步，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。

观测断面的挑选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。仪器布置应该挑选有代表性的坝段进

行，所谓有代表性的坝段，一样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，如脆弱夹层、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，其他作为一样观

测坝段；拱坝拟挑选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拱处各挑选一个坝段作为次要观测坝段；对于支

墩坝一样挑选一个坝高较大的支墩作为重点观测坝段，对于重要和基

础地质情形复杂的工程，可以增设观测坝段，并作为次要观测坝段，

其他作为一样观测坝段。

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

•变形监测的精度一样按照表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

重力坝支墩坝±1.0

坝顶径向±2.0

拱坝

切向±1.0

水平位移(mm)

重力坝支墩坝±0.3

坝基径向±0.3

拱坝

切向±0.3

坝顶±1.0

坝体垂直位移(mm)

坝基±0.3

坝体±5.0

倾斜(〃)

坝基±1.0

坝体表面接缝和裂缝(mm)±0.2

水平位移±2.0

近坝区石体和IWJ边坡(mm)

垂直位移±2.0

水平位移±3.0(岩质边坡)

±5.0(土质边坡)

滑坡体(mm)

垂直位移±3.0

裂缝±1.0

2.1.1.2水平变形监测的设计

1水平位移变形监测方式挑选和测点的布置

顺水流方向和垂直坝轴线方向的水平位移，可以用垂线一引张线

或视准线方式观测。垂线直线一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。视准线方式一样

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

线一引张线方式观测，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，如果条件答应，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、地质情形以及采用的观测方法而定，以能全面把握建筑物及基

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，第一应该挑选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

大坝下游立视图

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图1典型正、倒垂线布置

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，不易回到平稳位置，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。重锤重量一样按下

式确定：W>20(l+0.02L),式中：W—重锤重量，kg；L—垂线长度，

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，宜适用中1.0mm〜1.2mm的钢丝，一样垂线钢丝直径不宜

大于中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运算结果，达到变形

可以或略处，缺少该项运算结果时，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85mmo

垂线浮体组宜采用恒定浮力式，浮子的浮力一样按下式确定：

P>250(l+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，宜适用中1.0mm〜1.2mm的钢丝，一样垂线钢丝直径不宜

大于①1.6mm。

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,

一样采用40〜80kg的重锤张拉。重锤重量按下式运算H=S?W/(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，宜适用中0.8mm〜1.2mm的钢丝。

引张线保护管一样用O110-160mm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，一样按如下控制：

重力坝和支墩坝300m

拱坝300m

滑坡体800m

2.1.13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。

引张线示意图

L-^9i

（图三）引张线系统

23坝段

静力水准原理

沉降测点墩结构

视准线观测墩立面图

观测墩顶面

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，是影响大坝稳固的重要因素，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成

效不佳，两岸混凝土与基岩接触不良。若坝体渗流量突然增大，可能

是坝体混凝土显现裂缝所致。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。一样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，横断面间距一样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，一样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，测点一样布置在坝段中心线或支

敦中心线上。簿拱坝一样不测扬压力，仅在排水幕上布置测点，检验

帷幕灌浆成效，测点也一样每个坝段设一个点。

坝基扬压力监测一样埋设U形测压管，测压管用①1〜2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样布置

在排水孔之间，但决不能用排水孔作测压管观测孔。排水孔一样深入

坝基深处，而扬压力观测孔一样在建基面下L0m。

♦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），观测断面一样设在水平施工缝上。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。渗流量观测一样采用单孔

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势、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。

典型坝基测压管布置

扬压力观测纵向布置

量水堰的结构

1-1

水流

--------------►

堰板

（三角堰

梯形堰

矩形堰）

量水堰布置

2.1.3混凝土坝内部观测

混凝土坝内部观测一样指应力、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样挑选典型坝段作为观测坝段，进行全面观

测，同时针对某些特别情形在其他坝段布置一些适当的仪器进行某些

项目的观测。观测坝段挑选的原则，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。例如挑选

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

流坝段各挑选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，一样挑选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固，一样布

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

容易引起不易发觉的贯穿性裂缝，因此在观测坝段需要进行监测。温

度计在观测断面上一样成网格形布置，测点的间距一样为8〜15m,坝

面邻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。

挡水坝段温度计安装位置示意图

拱坝坝体温度计分布

♦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固控制方面起关键作用。但为了躲开基坑不平和

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。

应力应变观测示意图

里石门拱坝拱圈应变计衣置

♦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固性有监测作用，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坝体

拉应力引起基岩裂缝张开或坝底和基岩脱开。基岩变位计

基岩变位计布置图

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，地势、

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

坝体填筑的稳固，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，以确保坝坡稳固。

2.2.1渗流监测

安全监测项目的挑选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。这需要作截水墙以聚

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。

由于土石坝所在范畴广，渗流量监测容易受到降雨的影响。

♦坝体浸润线观测

浸润线观测断面宜挑选在最大坝高处、合龙段、地势或地质条件

复杂处，一样不少于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。一样如下

原则挑选：

1作用水头小于20m的坝，渗透系数大于或等于lOam/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

测不稳固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、地势突变

处、地质条件复杂处，一样不少于3个。每个横向观测断面一样不少

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

可根据需要设暂时测点，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，一样坝长小于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样共用一个测点。

某土坝的坝体测压管浸润线观测

观测垂线

均质土坝等势线观测布置

电缆

坝而

坝体

高崩解性粘土

2寸镀锌钢管

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测压管结构示意图

水库视准线

三角网工作基点

校核基点

土坝三角网水平位移观测布置

大坝视准线布置平面图

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）情形，结合其他有关观测资料进行综合分析，以判定其稳固性和

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，一样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，地势，坝长以及施工方法等确定，一样应在原河床、最大

坝高、合龙段、代表性地质、特点地质处。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，一样为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，一样沿坝高横向布置3排，即1/3

坝高处，2/3坝高处，1/2坝高处。

水管式沉降仪原理图

电磁式沉降仪示意图

♦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

体内部的位移情形，结合其它观测项目综合分析，判定坝坡的稳固性,

坝内有无隐藏性裂缝，作为施工和运行安全运用的依据。

坝体内部水平位移观测，一样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，一样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。

引张线式位移计原理图

测斜仪工作原理

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；线性范畴小，超过线性范

畴后精度迅速降低；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，修理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,

测量范畴大而测量精度高，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，在仪器修理或更换

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，便于修理，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：

测量范畴：X50mm,Y30mm

辨论力：0.01mm

测量精度：±0」mm

环境温度:一10〜+50℃

环境湿度:W95%RH

引张线仪主要技术指标为:

测量范畴：30/50mm

辨论力：0.01mm

测量精度：±(Mmm

环境温度:一10〜+50℃

环境湿度:W95%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固性较差，损坏率高，

难以长期应用于大坝安全监测；差阻式渗压计稳固性好，但是灵敏度

低，特别是在低水位监测的情形下不适用；电感式仪器稳固性差，故

障率高，在国内许多工程中使用成效不好；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,

特别是长期稳固性方面不理想。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，长期稳固性好，

温度影响小等优点，已在国内几十座大坝上使用，成效良好，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，成效良好，DG-4650型钢弦式渗压计;

其技术指标为：

测量范畴：0~50PSI

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Ri、R2的电阻

发生差动变化，钢丝电阻RkR+R2及Z=R/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

仪器名称型号规格

DI-10

DI-25

DI-25DL

应变计DI-25DM

DI-25B

应DI-15GY

DI-25GY

力配DI-25

无应力计

配DI-10

应钢板计配DI-10

CF-5,12

变CF-25

CF-40

测缝计

仪CF-5,12GY

CF-25GY

器CF-40GY

裂缝计配CF-5,12

KL-20,22,25,28,32,36,40

钢筋计

KL-20,22,25,28,32,36,40GY

SZ-2,4,8,16

渗压计

SZ-4A

应力计WL-30,60

DW-1

温度计

DW-1GY

土压力计YUB-2,4,8,16

渗流渗压扬压力计YZ-1,5,10

位移计WY-100G

变形仪器三向测缝计SX

水管式沉降仪CJT-1

基岩变位计配CF-5,12

基岩

多点变位计BWC-1

边坡

锚索测力计MS-1（100吨）

仪器

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，日本第一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运算机和垂线坐

标仪实现了变形监控⑵，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]o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，总结体会后认为

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独

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，安全信息治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

治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储备

和治理，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。

①中央控制方式：由监控主机（现场数据采集运算机）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储备；

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储备。该方式主要用于日常测量；

③特别条件下应急控制方式：在汛期或其它特别情形下，电源

和通讯完全中断时，各测控装置能依靠自备电源连续进行自动化巡

测，可坚持运行一周，所有测值全部自动储备，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，在通讯线路复原前，采用便携式运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：本系统具有网络化治理功能，在添加一些

运算机终端等设备后，有关领导和专家可在主管领导办公室、总工室、

水工治理部门等一切相关部门的运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储备功能

系统所有实测数据分二级储备：测控装置具有储备器和掉电保护

模块，能暂存所测数据，储备容量不小于128KB,存满后自动覆盖，

在系统断电的情形下保证不丢失数据；监控主机接受所有测控装置的

监测数据，自动检验、储备，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治理级的数据通讯。

(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)治理级数据通讯功能：

信息治理主机可通过电话线或光缆或微波等与现场数据采集运

算机之间通讯，实现双向通讯。

4.1.5数据治理功能

监控主机具有监测数据监视操作、输入/输出、显示打印等一样

治理能力，储备系统所有监测数据，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、系统保护等，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，可对数据储备器、程序储备器、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

保护系统。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，还采用了特殊的外堵内防技术，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，成效显著。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形下能正常工作。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还有自带免保护的铅酸充电

电池作后备电源，在系统供电中断的情形下，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210000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、治理主机等运算机上设定或修改，测量周期设定范畴为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：220VAe±20%；

周波：50±lHz；

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：〈10。；

⑦系统工作环境

a.运算机房

环境温度：10℃~30℃；

环境湿度：W75%Rh；

b.测控装置

环境温度：-30℃〜60℃；

环境湿度：^100%Rho

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》（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、信息治理软件组成，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、监控运算机以

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、修理方便，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、储备和传输，安装在

监测仪器邻近，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lo

表1：智能数据采集模块的种类、可接入的仪器类型和数量

序号名称型号通理'-V-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

7种气象站仪器，如风速、风向、气温、

8气象站仪器采集模块M7M7

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RI6M

测点数量：16支五芯或四芯差动电阻式仪器

测量范畴：电阻值：0〜120。

电阻比：0.8000〜1.2000

准确度：电阻值：0.02Q

电阻比:0.0002

辨论力：电阻值：0.01Q

电阻比:0.0001

测量速度：5秒/支

(2)钢弦式仪器测量模块VI6M

测点数量：16支钢弦式仪器(频率+温度)

测量范畴：频率：400~6000Hz

温度：-50〜150c

准确度：频率：±0.01%F・S

温度：±0.5℃

辨论力：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SI/4M

测点数量：1/4通道(垂线仪或引张线仪)

测量范畴X：0〜50mm,Y：。〜30mm

准确度：±0.1mm

辨论力：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El6M

测点数量：16通道

测量范畴±2V

准确度：±0.1%F•S

辨论力：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

测量范畴：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VI6M

辨论力：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RI6M

钢弦式仪器：同钢弦式仪器测模块VI6M

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)储备容量：128KB带掉电保护

(10)工作电源:220VAe±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：W98%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治理工作，系统治理软件由DG型

数据采集软件、DSIM型信息治理软件和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

操作和挑选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，如果运算机被设

计为WindowsNT局域网的一个节点，则局域网(甚至广域网)上的

任意一台运算机均可以控制运算机进行数据采集，并把采集的数据传

送到本地运算机上。

采集软件功能主要包括：系统治理、数据采集、数据治理和数据

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非常情形，作为硬拷贝文档。

(2)数据通讯功能

实现监控主机(现场数据采集运算机)与各台测控装置、监控主

机与治理主机(信息治理运算机)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储备

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，测量完毕后将数据储备，并自动将储备数据传送到监

控主机中储备。在系统电源和通讯线路中断时，测控装置将按特别自

控方式运行。

(4)数据治理功能

将原始监测数据储存在监控主机的数据库中，可按要求对储备数

据进行初步处理，供运行人员浏览和检查。具有完善的暂时和历史测

值的数据库治理功能。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

对现场各种非常情形、报警事件进行分析、归类，指出其发生的

时间、报警内容，判定发生故障的原因、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Windows98/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信息治理软件

DSIM大坝安全信息治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、储备、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定，

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

好大坝安全运行和治理工作。由于该软件界面友好、可移植性强、功

能全、运行稳固，因此得到用户的广泛好评。主要功能如下：

(1)测点治理

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

测仪器测点均为治理对象。

测点属性是指该测点的所有特点数据包括测点点号(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运算参

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

性和稳固性。

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，通过测点治理修改点号或设计代号，所有该测点原先设置的属性、

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

会造成纷乱。

(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储备。

(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(特别的数据输

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挑选的测点

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