大坝内部埋设钢弦式仪器现场检验与分析

谢红兰，王春树，阿旺次仁，达 瓦

（1. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012；2. 西藏满拉水利枢纽管理局，西藏 江孜 857400；3. 水利部水文水资源监控工程研究中心，江苏 南京 210012）



大坝内部埋设钢弦式仪器现场检验与分析

谢红兰1,3，王春树1,3，阿旺次仁2，达 瓦2

（1. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012；2. 西藏满拉水利枢纽管理局，西藏 江孜 857400；3. 水利部水文水资源监控工程研究中心，江苏 南京 210012）

摘 要：埋设在大坝内部的仪器性能关系到能否反映大坝的运行状况，提供准确的监测数据，发挥应有的监测作用。通过满拉水利枢纽工程实例，介绍埋设在大坝内部的钢弦式仪器的工作原理，探讨产生故障可能的因素，按照现行技术规程，对埋设仪器进行各项性能检验，通过检验数据和历史数据进行分析，判断埋设在大坝内部的大部分钢弦式仪器的工作特性满足其基本性能和规范要求，为工程监测系统的改造设计、施工、运行评价提供依据，对同类工程有一定参考价值。

关键词：大坝；内部埋设；钢弦式仪器；现场检验；性能检验；监测数据；分析评价

0 引言

钢弦式仪器具有测量精度高、抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、耐震动、寿命长等特点，在国内外各类工程中得到广泛应用。自 20 世纪 90 年代起，我国水利水电工程安全监测中开始大量使用钢弦式系列仪器，用于应力应变、压力、位移、渗流、温度等参数的监测，同时国家和行业出台了相关产品标准和技术规范，指导钢弦式仪器的科研、设计、生产、检验和使用，在水利水电工程的规划设计、施工、运行管理中发挥了重要作用。随着钢弦式仪器使用的越来越广、时间越来越长、工程越来越多，特别是工程运行管理期，安装埋设在水利水电工程大坝内的仪器的性能越来越受到重视，为使埋设在工程内部的仪器发挥最大的作用，2013 年水电行业出台了 DL/ T 1271—2013《钢弦式监测仪器鉴定技术规程》，为钢弦式仪器的现场检测、鉴定和评价提供了依据[1]。为判断钢弦式仪器是否能正常工作，满足工程实际需要，就西藏满拉水利枢纽工程的实际情况，对埋设在大坝内达 15 年的仪器进行性能检测与评价。

满拉水利枢纽工程位于西藏自治区日喀则地区江孜县龙马乡境内的年楚河支流龙马河上，是以灌溉、发电为主，兼有防洪、旅游等综合效益的水利工程，水库总库容为 1.55 亿m3，工程规模为大（II）型，等别为二等，满拉水利枢纽工程的永久建筑物主要由大坝、泄洪洞、引水隧洞及地面式发电厂房等 4 部分组成。大坝为粘土心墙堆石坝，坝顶高程为 4 261.3 m，坝顶宽为 10 m，长为 287 m，最大坝高为 76.3 m。

在大坝建设期间，分别在 0 + 1 4 2 . 3 0，0 + 88.71，0 + 80.00，0 + 39.00，0 + 198.00 和0 + 229.42 等断面埋设了 33 支渗压计，以了解大坝的渗流变化情况[2]。但在工程投入运行后因各种原因仪器未投入使用，大坝的渗流监测一直是个空白。为了满足 SL 551—2012《土石坝安全监测技术规范》有关规定，在 2015 年满拉水库大坝安全监测系统更新改造中，拟完善大坝的渗流监测项目。根据现场实际情况，可采用以下 2 种方案：1) 采用在心墙和坝体中重新钻孔增设渗压计的方式，但存在施工风险，可能对大坝心墙造成破坏；2）对原有埋设在坝内用于渗流监测的钢弦式仪器进行检验，了解仪器的工作性态，判断仪器测量数据是否可靠，能否满足安全监测要求，反映大坝的实际渗流情况。

由于满拉水库大坝已稳定运行 15 年，大坝内部渗流已比较稳定，在没有外界破坏的情况下内部渗流不会发生突变。在施工期已埋设了渗流监测仪器，若这些仪器能够正常工作，可将仪器接入自动化系统，既能了解大坝内部渗流状况，又不会对大坝心墙产生任何破坏，且节约建设费用，为此，拟采用第 2 种方案。

用于大坝渗流监测的钢弦式渗压计，采用高压脉冲激振式测量仪表进行测量。为了解已埋设在大坝内部的钢弦式渗压计工作状况，判断监测仪器是否能正常工作，是否反映大坝内部渗流变化情况，需要在现场采用专用仪表进行性能检测。

1 仪器原理与故障分析

1.1 工作原理

式中：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。

钢弦式仪器所承受的水压力与该仪器振动频率的平方（输出模数）成正比，通过测量仪器的频率或模数，即可计算出仪器埋设位置的水头[3]。

大坝内部埋设的钢弦式渗压计工作方式有高压脉冲和低压方波激振 2 种方式。满拉水库大坝内部埋设的是高压脉冲激振的钢弦式仪器，具有测量要求较高、技术难度较大的特点。随着测量技术的发展，钢弦式仪器测量仪表的测量技术得到了很大提高，激振方式由高压脉冲激振改进为低压扫频激振，频率测量的精度也大大提高。过去的高压脉冲激振式的仪器大多数都能采用低压方波激振的方法进行测量。

1.2 故障原因

钢弦式仪器的误差变大或出现故障主要由下列原因形成：

1）密封失效。由于仪器埋设在大坝内部，承受几十甚至上百米的水压，仪器或电缆引入处的密封失效将导致传感器进水而不能正常工作。尤其是渗压计，仪器密封失效将导致输出信号减小直至不能工作。

2）钢弦脱焊及氧化。由于自振频率跟钢弦张力、长度、质量有关，钢丝氧化将引起自振频率增大；钢丝脱焊时，钢丝不能自振导致频率输出突然变为零。

3）钢弦松弛。钢弦松弛的表现为在外力没有变化的情况下，频率值逐渐减小，直至超出频率范围。

4）测量仪表不匹配。由于钢弦式仪器是通过测量仪表给传感器施加一个高压脉冲或振荡信号使钢弦自由振荡的，因此当测量仪表与传感器不匹配时，不能使传感器自由振荡，传感器也就没有信号输出。

2 仪器检测方法

2.1 检测依据

钢弦式渗压计进行现场检测的主要依据有：SL 551—2012《土石坝安全监测技术规范》；SL 169 —96《土石坝安全监测资料整编规程》；DL/T 1271 —2013《钢弦式监测仪器鉴定技术规程》；工程设计文件、技术要求、图纸及竣工资料等。

2.2 检测设备

1）钢弦式仪器检测仪。型号：PSM-V，编号：1306-00544。主要技术参数如下：频率范围 400～6 000 Hz，5 V 矩形波；分辨率：0.25 us/255；测量精度：0.05 Hz。

2）高压激振测量仪。型号：GXS-937A，编号：0501，主要技术参数如下：频率范围 400～6 000 Hz、180 V 高压脉冲；分辨率：0.25 Hz；测量精度：0.5 Hz。

3）100 V 直流绝缘电阻表。型号：ZC11D-1，编号：0424。主要技术参数如下：测量范围：100 V/ 100 MΩ；测量精度: ± 10%。

2.3 检验步骤

现场检验前，先对检测用的测量仪表进行检验，可采用标准信号发生器进行检验，步骤如下：

1）将检测仪与标准信号发生器用专用线连接；

2）将标准信号发生器处于频率发生位置，并分别调节至 1 000，2 000，3 000 和 4 000 Hz，用检测仪分别测量对应各档的频率值，每档连续测量 5 次，当检测仪的测值与相应的标准值之差 ≤ 0.5 Hz 时，说明检测仪工作正常，可用于现场检测，否则说明检测仪不合格，不得用于现场测试。检测结果如表 1所示。

表 1 PSM-V 型钢弦式仪器检测仪检验表 Hz

检测结果表明，检测仪的测值与相应的标准值之差最大值 ＜ 0.5 Hz，说明检测仪是合格的，可用于现场仪器检测。

3 仪器现场检测

3.1 资料查询与确认

为了解满拉水库大坝施工期间埋设的渗压计的工作状况，首先查找大坝建设施工期所有仪器埋设的原始考证表，对现场仪器进行逐一确认，经核实，现场有 24 支仪器的电缆完好，仪器编号完好无损，且与考证表上的编号一致，但 P30 测点考证表记录数据不完整，缺少仪器的初始频率；有 9 支仪器无法找到仪器电缆，编号分别是 P2，P3，P4，P5，P11，P15，P16，P17 和 P19。

3.2 信号输出检测

由于大坝内部埋设的渗压计是高压激振的钢弦式仪器，所以先用 GXS-937A 型高压激振测量仪表对仪器进行测量，然后用低压方波激振的 PSM-V 型振弦式仪器检测仪对仪器进行测量，最后对 2 种不同激振方式的测量仪表测量的仪器信号输出进行对比分析。

3.3 测值稳定性检测

用低压方波激振的 PSM-V 型振弦式仪器检测仪进行测值稳定性检测，对仪器进行连续 5 次测量，查看仪器的测值是否稳定。

3.4 仪器绝缘检测

用 100 V 直流绝缘电阻表进行仪器绝缘检测，测量仪器的芯线与屏蔽线之间的绝缘，经现场检测，所有仪器的绝缘电阻均 ＞ 1 MΩ。

4 仪器检测结果分析

4.1 判定标准

由于渗流监测仪器埋设在大坝内部，只能通过可行的方法加以检测、分析，判定监测仪器是否能正常工作。具体判定标准如下：

1）现场仪器电缆损坏或找不到仪器电缆，无法进行测量的，判定该仪器损坏；

2）仪器工作正常，但满拉水库管理局档案室无仪器考证表，无法确定仪器安装位置，并无法得到最终结果的，判定该仪器损坏；

3）用高压和低压方波激振的 2 种测量仪表测量的仪器输出频率之差 ＞ 3 Hz 的，判定该仪器不正常；

4）仪器无法测出数据的，判定该仪器不正常；

5）仪器连续测量数据不稳定，最大输出和最小输出之差 ＞ 3 Hz 的，判定该仪器不正常；

6）根据仪器考证表的参数进行计算，如果计算水头大于库水位，且该仪器安装位置在坝轴线下游的，判定该仪器不正常；

7）仪器资料完整，电缆标志清晰，测量数据稳定，计算结果合理，能够反映大坝该部位的渗流状况，判定该仪器正常。

4.2 信号输出结果分析

采用信号输出检测的检测方法，采用 2 种不同激振方式的测量仪表测量的仪器信号输出对照表如表 2 所示。

从表 2 可以看出，除 P13 测点无测值外，其他仪器都有输出且测值稳定，经比较，发现 2 种仪表的测量结果比较接近，最大差值 ＜ 2 Hz，说明除P13 测点外，其他仪器能正常工作。

4.3 测值稳定性分析

用 PSM-V 型振弦式仪器检测仪对仪器进行连续 5 次测量，记录仪器的输出模数，测量结果如表 3所示。

从表 3 可以看出，能有信号输出的仪器连续测量测值稳定，仪器输出的最大差值为 2.8 Hz，小于3 Hz 的要求，说明这些仪器能正常工作。

4.4 仪器密封性分析

用 100 V 直流绝缘电阻表测量仪器的芯线与屏蔽线之间的绝缘，所有仪器的绝缘电阻均 ＞ 1 MΩ，说明仪器电缆未被破坏，仪器的密封性良好，测量数据可靠，能反映仪器的真实工作状态。

4.5 计算结果分析

利用现场仪器埋设考证表记录的仪器参数、位置等资料，用实际测量数据计算出仪器所承受的水压力，得出仪器相应位置的水头，与当时的库水位（4 246.91 m）比较，确定仪器测值是否正常。计算结果如表 4 所示。

从表 4 可以看出，P14 测点安装位置在坝轴线的下游，计算出的水头比库水位高，说明该仪器工作状态不正常；P23 和 P31 测点计算出的水头尽管比库水位高，但仪器安装位置在坝轴线的上游，测点位置的水压变化速率可能比库水位慢，说明这 2 支仪器工作状态基本正常；其他仪器工作状态都正常[4]。

表 2 仪器信号输出对照表

5 仪器检测结论

依据有关规程规范和相关标准，通过对埋设在满拉水库大坝坝体内部的 33 支渗流监测仪器的资料查询，现场考证，高压和低压方波激振测量数据对比，测值稳定性检测，绝缘电阻检测，以及计算结果分析，可以得出以下结论：

1）有 9 支仪器电缆损坏，仪器编号分别为 P2，P3，P4，P5，P11，P15，P16，P17 和 P19，应做报废处理；

2）P13 测点无信号输出，无法正常工作，应做报废处理；

3）P14 测点计算出的水头比库水位高，说明该仪器发生零点漂移，不能真实反映实际工作状况，宜做报废处理；

4）P23 和 P31 测点计算出的水头尽管比库水位略高，但由于仪器安装位置在坝轴线的上游，因此这 2 支仪器工作状态基本正常；

5）其他 21 支仪器工作状态正常，采用低压方波激振方式测量的数据稳定，能真实反映测点位置的水压情况，完全可以恢复使用这些仪器作为水库大坝渗流监测仪器，接入改造后的大坝安全监测自动化系统，为大坝安全运行与管理提供科学依据，发挥应有的作用。

表 3 仪器测值稳定性测量结果与分析表 Hz

6 结语

1）现行的《钢弦式监测仪器鉴定技术规程》内容全面、方法可行，为埋设在大坝内部的钢弦式仪器的现场检测、鉴定和评价提供了充分依据；

2）通过定期现场检测与分析，了解施工期埋设在大坝内部的监测仪器的工作性态，可为判断监测仪器是否能正常工作提供依据，帮助运行管理单位充分利用已有资源，降低系统改造成本，发挥最大效益；

3）现场检验中部分检测数据有偏差的监测仪器，应结合今后长期监测，通过数据分析进一步判断仪器的工作状况，并根据实际做适当处理；

4）高压激振的钢弦式监测仪器可以采用低压方波激振方式进行测量，为今后大坝安全监测自动化系统改造提供先例。

参考文献：

[1] 赵花城，沈省三. 已埋钢弦式监测仪器工作状态评价[J].大坝与安全，2015 (1): 83-86.

[2] 水利部南京水利水文自动化研究所. 满拉水库大坝安全监测系统技术改造工程[R]. 南京：水利部南京水利水文自动化研究所，2015: 6-8.

[3] 蒋小钢，辛松林. 振弦式仪器及其长期稳定性[J]. 大坝观测与土工测试，1994 (1): 20-25.

[4] 水利部南京水利水文自动化研究所. 满拉水利枢纽工程大坝渗流监测内部埋设仪器现场检测与分析报告[R].南京：水利部南京水利水文自动化研究所， 2015: 6-14.

表 4 仪器测值计算结果表

Field Test and Analysis on Vibrating Wire Sensors embedded in Dams

XIE Honglan1,3, WANG Chunshu1,3, Awang Ciren2, Dawa2
(1. Jiangsu Naiwch Co., Ltd, Nanjing 210012, China; 2. Manla Hydro-project Management Bureau, Tibet Autonomous Region, Jiangzi 57400, China; 3. Research Centre on Hydrology& Water Resources Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China)

Abstact:The performance of sensors embedded in dams is vital to the operation of dams, accuracy of monitoring data, and fulfillment of functions. Through the case study of Manla hydro-project, this article elaborates the operation principles of vibrating wire sensors embedded in dams, and discusses the possible reasons for malfunctions. According to the current technical specifications performance tests of the embedded sensors are carried out. The characteristics of most embedded sensors can meet requirements by the analysis on tested data and historical data, based on which, further renovation design, construction and operation assessment can be implemented. This article also provides reference to similar projects.

Key words:dam; imbedded; vibrating wire sensors; field test; monitoring data; analysis and assessment

中图分类号：TV698

文献标识码：A

文章编号：1674-9405(2016)02-0051-06

收稿日期：2016-02-02

基金项目：水利部公益性行业专项经费“大坝安全检测与监测技术标准化关键技术研究”（ 201401022）

作者简介：谢红兰（1966-），女，江苏南京人，工程师，从事工程安全监测仪器设备生产、项目建设与管理等工作。