传感器在大坝安全监测中的发展与应用
摘要: 本文阐述了在大坝安全监测系统中用于传感、测量、监测的各种自动化仪器及其传感机理、优缺 点、国内外应用现状。最后介绍了近年来的先进技术、设备及大坝监测自动化系统的发展方向。
关键字: 大坝；安全监测；传感器
一、引言
大坝监测自动化经历了从单台仪器遥测、专用测量装置、集中式数据采集系统到分布式数据采集系统的发展过程，其发展与基于仪器设备的监测系统的发展和进步密切相关，而监测系统的发展是以所有监测元件的迅猛发展为标志的，包括从相关的传感器、测量仪器到转换、处理、存储、打印和分析设备的发展。
众所周知，大坝安全监测仪器是人们了解大坝运行状态的耳目，它要能够在恶劣环境下长期稳定可靠的检测出大坝微小的物理量变化，所以在某些方面（如在测量精度、长期稳定性方面）与其它工业监测行业相比，其要求更高、难度更大。从外部观测的静力水准、正倒锤、激光准直到内部观测的渗压计、沉降计、测斜仪、土体应变计、土压计，其自动化遥测都是建立在高可靠性的传感器的基础上。近年来，随着大型水坝建筑的增多和高科技的应用，大坝安全监测正向一体化、自动化、数字化、智能化的方向发展。
二、变形监测
变形观测主要是监测大坝本身及局部位置随时间的变化，即确定测点在某一时刻的空间位置或特定方向的位移，可分为水平位移监测和垂直位移监测。目前，水平位移监测自动化主要采用垂线法、引张线法及真空激光准直法；垂直位移监测自动化有真空激光准直法和静力水准法，近年还出现了采用GPS或全站仪实现水平位移监测和垂直位移监测自动化的例子。目前，在国内工程中使用的新型步进式变形监测仪器 STC-50型坐标仪、SWT50型引张线仪反映效果良好。
1、测垂线坐标仪
随着传感技术进步，遥测垂线坐标发展到CCD式和感应式垂线坐标仪。如采用差动电容感应原理的电容感应式遥测仪，当测点相对于线体垂直方向发生位置变化时，则差动电容比值随之发生变化，通过测量电容比，测出垂直方向的位移。电容感应式坐标仪技术先进、结构简单、测量精度高、长期稳定性好、成本低、防水性能优越，适用于环境较恶劣的大坝。
目前世界上具有研制并生产电容感应式坐标仪能力的国家仅有三个：法国TELEMAC公司研制生产的变磁阻式坐标仪；意大利国家电力局与米兰大学研制、SELL公司生产的TCE/03型变磁阻式坐标仪；我国国家电力公司电力自动化研究所研究院研制生产的电容感应式垂线坐标仪和武汉地震所研制的电磁感应式垂线坐标仪。
2、引张线遥测技术
在直线型坝中用引张线法测量坝体的水平位移，其原理与电容感应式垂线坐标仪相同，区别仅在于测量的方向。因其设备简单、测量方便、测量速度快、精度高、成本低而在我国大坝安全监测中起着很重要的作用。
早期安装在坝上的引张线仪，由人工来测读标尺上的水平位移，随着自动化技术的发展，国内已有步进电机光电跟踪式引张线仪、电容感应式引张线仪、CCD式引张线仪及电磁感应式引张线仪。仅南京电力自动化研究院一家在现场安装的遥测引张线仪就达1500套。但由于引张线装置受环境影响较大，尤其是在线体较长和温度变幅较大的情况下，在北方（如丰满、太平哨等工程中）己被真空激光准直所代替；再者就是在采用引张线实现水平位移监测时，要定期检查线体及补充浮液，从而使“自动化”受到一定程度的限制。
3、遥测静力水准仪
基础沉降、倾斜监测是坝体的重要监测项目。所以要求测量仪器量程小、精度高、长期测量稳定可靠，国内外在该领域都投入了较大的力量，开发出了技术先进、性能价格比高的产品。
（1）国内生产的电容感应式静力水准仪是与连通管配合用于测量各测点的垂直位移的仪器。当仪器位置发生垂直位移时，通过采用屏蔽管接地改变电容的感应长度，以达测量的目的。
（2）武汉地震所研制生产的浮子式静力水准仪是利用差动变压器式位移传感器对垂直位移进行测量的，它在国内使用较多，是一种测量精度和稳定性较好的仪器。该仪器通过浮子上的铁芯在传感器的线圈中上下相对移动而测出垂直位移。
（3）步进马达式静力水准仪的工作原理是通过步进马达驱动丝杆垂直的上下运动，测出步进马达转动脉冲数以得知仪器垂直位移的大小。该型仪器由步进马达测针跟踪液面，精度较高；不足之处是存在长期高湿度环境下机械传动部件防潮的问题及探针探测液位精度及探针腐蚀的问题。
（4）意大利SIS公司高精度水管式静力水准仪是通过涡流传感器非接触测量浮子的上下移动来实现垂直位移测量的。但由于测量范围小、价格高而未在国内运用。国外还有水管式静力水准仪，是一种利用超声传感器自动测量液位高度变化的仪器。
（5）钢弦式静力水准仪的原理是当发生垂直位移时，圆柱形浮体上下移动，通过圆柱体的弦式测力传感器测出浮体上下移动引起的浮力大小的变化而感知测点垂直位移的变化。该仪器测量范围大、测量精度较高、长期稳定性好。
4、激光准直测量技术
真空激光准直系统，是将三点法激光准直和一套适于大坝变形观测特点的动态软连接真空管道结合起来的系统，又称波带板激光准直。它由发射端设备（用一个激光源）、接受端设备、测点设备、真空管道和真空泵等组成。由于各测点设备均布设在真空管道内，因此不受外界温度、湿度等环境条件的影响，观测精度大为提高，还可同时测得大坝的水平位移和垂直位移。真空管道波带板激光准直可进行三维测量，能在恶劣环境下工作，它满足了大坝变形监测及时、迅速、准确的要求。国内已有东北勘测设计院科研所、朝阳监测技术研究所、西北勘测设计院、电力自动化研究所研制生产了该系统，并已在工程上运用。但该设备也有局限性，即激光设备要求用于直线型、可通视环境，一般安装在直线坝的坝面或水平廊道，对于拱坝、曲线坝则无能为力，所以有待于实现激光转角来拓展其应用范围。
5、GPS技术
GPS卫星定位技术已对测量界产生了深刻影响，在国内混凝土坝和土坝变形监测中已开始运用。GPS接收机体积小、测量精度高，适合野外工作，在潮湿、多粉尘、炎热或严寒的环境下也能长期正常工作。该系统具有全天候、实时、自动化监测等优点，可用于大坝的动态实时位移监测、振动频率测试和安全运营报警系统。GPS运用于隔河岩大坝的变形监测已多年，在 1998年 8月大坝蓄水至150年一遇的洪水水位期间，GPS监测系统一直安全可靠的工作，其抗干扰能力强、监测精度高、数据分析处理及时，能够快速反映大坝在超高蓄水下的3-D变形，不仅确保了大坝的安全，也成功地实现了洪水错峰，对防洪减灾起到重大作用。
三、渗流监测
土石坝变形方面出现的问题，如迎水面和下游面的滑坡、塌陷、坝基的滑动等，都是和孔隙水压力变化密切相关的，其发生的原因也多半是由于渗流破坏引起的。因此，渗流监测被认为是土石坝安全监测中的重点。混凝土坝的渗流监测主要是扬压力、渗流量监测。该类仪器对长期稳定性要求较高。
1、弦式仪器
该仪器利用钢弦振动频率随钢丝引力变化的原理，通过电磁铁激振钢丝，由磁铁线圈感应钢弦振动频率得知钢丝应变。其一般采用进口的钢弦式渗压计，这种仪器直径较小，可以安装在测压管中，测值稳定、精度及灵敏度高、飘移量较小且温度影响可以修正。用测压管进行渗流监测，有两个突出优点：
①人工比测和自动化监测可以同时进行，并可以相互校验；
②万一放置在测压管中的渗压计损坏或性能较差，可进行更换，不会影响继续监测。
美国Geokon公司的振弦式仪器性能较为稳定，4500S系列用于测压管水位监测效果较好，而带通气孔的4500ALV及4580系列振弦式仪器由于自身能平衡大气压，加之精确度较高、稳定性好，可以满足采用量水堰法进行渗漏量监测的需要。
2、压阻传感器
压阻传感器用在硅半导体材料上制成的压敏感电阻作为敏感元件，在水压力作用下使做成桥路的半导体电阻因压阻效应而输出电量，由此测出水压的变化。由于压阻传感器灵敏度高、分辨率高、体积小，所以在大坝工程上的运用步伐逐步加快。国家电力公司电力自动化研究院生产的NYZ型压阻传感器已在多个工程中运用。
3、渗流量仪
水位监测除可采用高精度压力传感器外，国内单位生产的浮子式水位计同样能满足工程需要。监测渗流的仪器有管口渗流量计和多种型式量水堰渗流量仪。量水堰渗流量仪的浮子直接感应堰上的水位变化，进而求出流量。目前，在工程上应用较多的是电容感应式和步进马达跟踪式量水堰仪。电容感应式量水堰渗流量仪测量范围大、测量精度高、结构简单，可靠性高。当然，渗流量测量还可采用其它多种方案，如用高精度微压计进行量水堰水位监测，或采用超声波流量计等。一些不适宜用量水堰测量的渗流量可以采用翻斗式的遥测渗流量计，对于集水井的平均渗流量可采用集水井专用测控装置及配套的水位传感器测量，它能按设定水位自动控制水泵抽水并给出大坝的总渗流量。
4、计算机层析成像技术
计算机层析成像技术（CT：Computerized Topography，）指在不破坏物体结构的前提下，根据在物体周边所获取的某种物理量（如波速、X射线光强）的一维投影数据，运用某种数学方法，通过计算机处理，重建物体特定层面上的二维图像及三维图像的技术。由于其能够定量反映大坝内部材料性质的分布情况和缺陷部位，所以减少了仪器设备的复杂性并提高了大坝的安全度，同时对大坝内部性态检测、缺陷搜索和老化评判提供重要依据。所以意大利、日本先后将CT技术用于大坝性态诊断，有效地进行了大坝安全检查及工程处理效果验证。
四、应力应变及温度监测
通过埋设在大坝内部特定部位的仪器，如应变计、测缝计、裂缝仪、渗压计、扬压力计、温度计等，对大坝的应力应变、裂缝、渗流渗压及温度等进行持续自动化观测来计算拱坝的径向应力、拱向应力和梁向应力，这对于大坝的安全评判十分重要。目前差动电阻式仪器(卡尔逊仪器)和弦式仪器广泛地用于混凝土坝的温度、应力应变、渗压等监测中。
1、差动电阻式仪器
利用电阻丝变形与电阻成正比的原理实现的该类仪器因其防潮、长期测量稳定可靠、测试方法简单、绝缘要求低、防雷能力强、经济、可兼测温度而在国内得到了较广泛的运用。针对该类仪器内阻低、仪器电阻变差会影响测值等难题，国内工程技术人员创造了5芯仪器测量原理，使得仪器测量与电阻变差及电缆芯线电阻大小无关，实现了差阻式仪器的自动化监测。
2、光纤传感技术
光纤传感是用光导纤维来感受各种物理量并传送所感受信息的技术。光纤传感器自身不产生幅射、不发热、不产生火花，且不受外界电磁幅射的干扰，可安装在物体的表面或内部，连续地对诸如应变、应力、位移、裂缝、孔隙压力、温度等状况进行监测。它以激光作载波，光导纤维作传输路径来感应、传输各种信息，可以替代高雷区、强磁场区或潮湿地带的电子仪器。国外利用分布式光纤网络温度测量来确定大坝中的渗漏位置和用分布式光纤传感网络测定坝体混凝土中裂缝大小及位置等方面已有报道，国内在应用理论研究上也有了较快发展，针对大坝监测研究的几种光纤传感系统已获得专利权。光纤传感器可布设成分布式网络，具有许多传统传感器无法替代的优点：
（1）传感和数据通道集为一体，便于组成遥测系统，实现在线分布式监测；
（2）测量对象广泛，适于各种物理量的观测；
（3）体积小、质量轻、非电连接、无机械活动件，不影响埋设点物性；
（4）通信容量大、速度快、灵敏度高，可远距测量；
（5）耐水性、电绝缘好、耐腐蚀，抗电磁干扰；
（6）频带宽，有利于超高速测量。
3、渗流热监测技术
根据低温和大量渗漏存在联系，及温度测值和抽水试验所得到的渗透系数间有很好的负线性相关系数等事实，可以认为温度分布图像可帮助发现渗漏较严重部位，有效实现渗流异常报警。目前坝体监测中大多安置了测温计，温度测头可放置在结构物或地下一定深度只受气温年变化影响而不受气温短期变化影响处，发现温度异常即可判断存在渗漏。根据能量守恒方程、质量守恒方程、渗流运动方程及初始条件、边界条件、推导出有关计算公式、设计数据计算方法及程序后，就可以把温度测得数据代入，得出定量描述坝及地基中的热流和渗流场， 这样通过分析温度变化就能较准确地估计其渗透性。此项技术在美、前苏、瑞典等国己成功应用。要在我国大坝监测中推广，重要的是根据具体坝的情况设计出合理的计算公式和数据处理程序软件。
五、环境量监测
环境量监测包括对水位、气温、降雨量等量的监控，比如，用水位计测量大坝的上下游水位、溢流堰水位，用雨量计测量降水量，用温度计测大气干湿温度等。铜电阻温度计或长春气象仪器研究所HBW型铂电阻温度计目前应用较好，其它环境量监测仪器则可选水利部南京水利水文自动化研究所的水文仪器，因为该所产品己在国内外200多个工程中得到应用，已出口美国、澳大利亚等国。
六、监测新进展
随着电子计算机、激光、GPS、空间技术、光纤传感等高技术的发展，一些新的技术和设备引入了大坝监测系统，比如用热梯度面检查可发现渗漏，用声学装置可发现裂纹，经纬仪在确定自身位置后，可测出水库边坡的系列标高；更为精确的全球定位系统可用于监测位移；远程摄影可对暂时无法接近的大坝全貌进行拍摄，也可监测溢洪道或泄洪底孔安全，并对为防止遭受破坏而未经许可不得进入的附属设施和控制单元进行监测；遥控机器人则可对水下的坝体、进水口和压力管道进行检查，而无需抽干水库；光导纤维传输信号不但可以避免光照影响、电波频率和电磁波的干扰，而且可以对光纤传感器检测到的压力和应力分布以及温度在整个长度范围内的变化以高精度传输。此外，一批应用了新技术的设备也已开始崭露头角，如滑动微分仪、差分仪、延展仪、激光测距仪以及为了测量沥青混凝土心墙变形的磁性仪器等。
七、结束语
目前，国内外大坝监测系统随着高科技的应用，自动化程度有了很大的提高。其中，基于总线结构和单板结构的测控装置使得测控系统在监测准确度、稳定性、可靠性、通用性及简易性等方面都有了大幅提高。在几何学、物理学、计算机仿真等多学科、多领域的融合下，大坝观测技术将向一体化、自动化、数字化、智能化的方向发展。