基于振弦式传感器的大坝安全监测系统的研究

□聂洪江 □高春林（许继电气股份有限公司）

□孙纪华（沈丘县东城办事处水利站）

振弦式仪器自20世纪30年代发明以来，以其结构简单、精度高、抗干扰能力强及对电缆的要求低等优异性能受到工程界的广泛关注。随着现代电子技术、材料和制造技术的进步，振弦式仪器技术得到了完善并大量运用到实际工程中。我国拥有1.8万座不同类型的大坝，大部分运行时间超过了30年，限于建造时的设计水平和施工技术，多数大坝都存在不同程度的安全隐患，给当地经济社会发展带来很大的不确定性。因此，预防安全事故的发生显得尤为重要，近年来国家加大了对水库除险加固的投入，大坝安全监测系统是水库除险加固的重要组成部分，是确保大坝安全的重要措施，本文对基于振弦式传感器的大坝安全监测系统进行了系统的分析和研究。

一、振弦式仪器的工作原理及类型

（一）工作原理

振弦式仪器的主要部分是定在端块或被测元件之间的钢弦，通过测量张紧钢弦的频率变化来表示应变量等物理量，钢弦的振动频率与弦的张力之间的关系为：

其中：F为钢弦的自振频率；L为钢弦的长度；M为单位长度钢弦的质量；T为钢弦的张力。

实践证明，振弦式仪器的技术难点在与长期稳定性，高质量的振弦式传感器应具备良好的设计工作特性和较低的长期漂移。

（二）类型

不同结构的振弦技术可以形成不同的传感器类型，主要分为应变计、压力传感器、位移传感器、测缝计和水位计等。振弦技术可以应用于极端恶劣的环境，也常用于高辐射条件下。

二、监测系统设计及功能要求

（一）设计原则

基于Internet-Internet的大坝安全监测系统应对坝体安全状况作出客观数据监测、安全评价和预测预报。因此监测系统的设计原则是要达到如下要求：精确性、可靠性、稳定性；先进性和实用性；友好的人机界面。

（二）监测系统结构

基于振弦式传感器的大坝安全监测系统主要由3部分组成，包括采集层、传输层和管理层，采集层由各类传感器、采集终端等采集设备组成，这是整个系统的基础，在整个系统建立的时候必须要保证所有的传感器安装到位，保证质量。否则影响后期的观测结果；传输层，这是系统的连接层，是连接现地层和管理层的纽带，主要由协议转换器、光端机、光纤、无线网络等构成；管理层是整个系统的核心部分，是整个系统的大脑，主要由监控主机、其他输入输出设备等组成。

（三）监测系统功能

系统功能包括各类传感器的数据采集功能和信号越限报警功能；本系统能按运行要求，对所有接入系统中的各类监测仪器进行一定方式的自动化测量，存储所测数据，并传送到中央控制装置集中储存或处理，在中央控制装置故障、总线故障或情况下，各台现地采集终端可以独立工作，自动按设定时间进行巡测，自动存储数据等待提取。每台采集仪应具备常规巡测、巡测、定时巡测、常规选测、检查选测、人工测量。

一是监测数据采集功能。具有可任意设置各通道的采集频率，能够实时查看每只仪器的动态测值曲线；二是数据通信功能。数据采集终端与监测中心的管理主机之间的能实现数据传输，通讯方式可以通过局域网IP地址访问连接；三是数据管理功能。完成原始数据测值的计算、存储等；可进行各类仪器的测值浏览，并为人工观测仪器提供入库接口；四是系统具有防雷、抗干扰措施。保证在雷电感应和电源波动等情况下能正常工作；五是系统可靠性要求。按数据采集缺失率（或完整性）考核：要求每周测量一次，年数据采集缺失率应＜2%，或数据采集率≥98%；按系统平均无故障工作时间考核：要求在试运行一年内按自动控制方式运行，数据采集终端的平均无故障时间应〉8000h；六是安全监测仪器的分布决定了自动化监测网络的规模，必须满足接入上述自动化仪器的要求，并有10%以上的余量，以保障增加10%的自动化仪器时，不需增加自动化监测网络设备。

三、软件功能设计

根据水库大坝日常管理的要求，需建立实用的、网络化的大坝安全监测信息管理系统，因此，在实现大坝监测系统自动数据采集后，应根据工程的实际情况专门开发大坝安全监测管理系统，以便掌握大坝的运行状况。系统具有大坝安全监测与综合评价、大坝安全监测资料查询、大坝安全监测图表制作、大坝安全监测报表制作、大坝安全监测资料换算、大坝安全监测资料管理、大坝安全监测资料分析、大坝安全监测资料转入等功能。

各模块具备的基本功能为：

（一）自动化监测数据自动转入

该模块具有自动将自动化监测系统的数据库中的原始和成果监测数据转入到SQLServer整编数据库中的功能。

（二）监测资料管理

主要用于监测资料的输入、删除和修改，可以在网络的任一计算机上由授权用户完成。该模块对用户的输入有既严格又灵活的控制，各种输入量（如日期、时间、整数、实数等）一旦输入就立即进行有效性校验，并将校验结果告知用户。

（三）监测数据查询

本模块通过设置快速导航树形测点结构、测点表、仪器类型表等方式，首先能在空间上快速定位待查监测量、测点或测点组，在此基础上只要指定查询时间区段，即可立刻查到所需的数据资料。还可把查询结果存为文本文件，打印查询结果。

（四）图表曲线制作

大坝安全监测资料的图形化表示是监测资料最直观、最常用的处理方式。本模块可以绘制出符合工程习惯、图面整洁美观的各类大坝安全监测常用曲线图形，如监测量的过程线、分布线、相关线等。

（五）数据报表制作

通过该模块，可以制作符合工程习惯的报表。可以随意增减监测量，可以设置版面的纸张大小和页边距，可以设置报表的栏目数、行高、列宽、行列分隔方式，可以设置所有图形元素的属性，如颜色、字体、线型等。

（六）建模分析

本模块按照有关要求，对观测资料进行分析，分析项目包括所有监测项目。分析模型以统计模型为主，模型的候选因子包括温度、水位、降雨量等，因子可以任意选择。建模方式可以对一个测点，也可以同时对一批测点同时建模，显示建模结果，包括模型方程、模型参数（如复相关系数、剩余标准差、F检验值等）、各个分量的分解结果及过程线，并利用建模结果对各个测点的测值进行预报，选择。

（七）系统管理

主要用于测点管理、监测量评判标准管理、用户及其权限管理、数据库备份和恢复。增或删除用户、更改口令、更改用户级别。

（八）Web方式查询

监测数据查询：可以查询出任意测点的各个监测分量的测值，时间段可以由用户自己任意设定。

四、工程实例

（一）工程概况

龙潭水库位于广西南宁市江南区沙井镇西南面，坐落在珠江流域西江水系邕江支流龙潭河上游。坝址以上集雨面积75.94km2，总库容1380万m3，水库100年一遇设计洪水位102.38m，1000年一遇校核洪水位 113.16m，正常蓄水位99.90m，死水位84.90m。工程1957年10月动工兴建，1958年12月建成运行，是一座以灌溉为主，兼顾城镇供水、养殖等综合利用的中型水库。于2008年开始进行除险加固。

（二）监测系统布置结构

龙潭水库大坝安全监测系统布置3个断面：0+073,0+116.5,0+159.9，每个断面设置4个测压管，每个测压管安装坝基和坝体2支振弦式传感器，共计24支。在放水塔处安装浮子式水位计1个，共设置坝首、那匹、那审和绿坛4个雨量站。

2009年10月，进行传感器、水位计和雨量计的安装，由于水库除险加固工程未完工，水库未蓄水，坝体渗流监测断面的测压管还未形成渗流水压力，用BGK-408读数仪读取了初始值。传感器接入位于大坝中间的MCU房中的3个数据采集终端（MCU）上，从MCU房到中控室的监控主机采用光纤通讯。雨量站的数据采用GPS网络传输到中控室的数据采集前置机上，然后进入监控主机。整个系统试运行良好。

五、结语

振弦式传感器技术已日趋完善，仪器的种类基本可以满足大多数工程的需要，通过选择适当的仪器，建立稳定的系统，振弦式传感器在大坝安全监测系统中将扮演越来越重要的角色。

基于振弦式传感器的大坝安全监测系统确定了系统的监测内容，阐述了系统的结构及功能要求，明确了硬件选择和软件开发的原则，开发了基于Internet-Internet的大坝安全监测系统。该系统结构稳定、可靠，实用性强，为大坝安全监测和预警系统的研究开发积累了宝贵经验。

［1］赵志仁，张晓东.大坝渗流压力监测设计优化研究［J］.水利水电工程设计，1998年04期.

［2］胡军.土石坝自动化安全监测系统设计［J］.水电能源科学，2010年第4期.