大壩內部埋設鋼弦式儀器現(xiàn)場檢驗與分析

謝紅蘭，王春樹，阿旺次仁，達 瓦

（1. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；2. 西藏滿拉水利樞紐管理局，西藏 江孜 857400；3. 水利部水文水資源監(jiān)控工程研究中心，江蘇 南京 210012）

?

大壩內部埋設鋼弦式儀器現(xiàn)場檢驗與分析

謝紅蘭1,3，王春樹1,3，阿旺次仁2，達 瓦2

（1. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；2. 西藏滿拉水利樞紐管理局，西藏 江孜 857400；3. 水利部水文水資源監(jiān)控工程研究中心，江蘇 南京 210012）

摘 要：埋設在大壩內部的儀器性能關系到能否反映大壩的運行狀況，提供準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)揮應有的監(jiān)測作用。通過滿拉水利樞紐工程實例，介紹埋設在大壩內部的鋼弦式儀器的工作原理，探討產生故障可能的因素，按照現(xiàn)行技術規(guī)程，對埋設儀器進行各項性能檢驗，通過檢驗數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行分析，判斷埋設在大壩內部的大部分鋼弦式儀器的工作特性滿足其基本性能和規(guī)范要求，為工程監(jiān)測系統(tǒng)的改造設計、施工、運行評價提供依據(jù)，對同類工程有一定參考價值。

關鍵詞：大壩；內部埋設；鋼弦式儀器；現(xiàn)場檢驗；性能檢驗；監(jiān)測數(shù)據(jù)；分析評價

0 引言

鋼弦式儀器具有測量精度高、抗干擾能力強、受電參數(shù)影響小、零點飄移小、受溫度影響小、耐震動、壽命長等特點，在國內外各類工程中得到廣泛應用。自 20 世紀 90 年代起，我國水利水電工程安全監(jiān)測中開始大量使用鋼弦式系列儀器，用于應力應變、壓力、位移、滲流、溫度等參數(shù)的監(jiān)測，同時國家和行業(yè)出臺了相關產品標準和技術規(guī)范，指導鋼弦式儀器的科研、設計、生產、檢驗和使用，在水利水電工程的規(guī)劃設計、施工、運行管理中發(fā)揮了重要作用。隨著鋼弦式儀器使用的越來越廣、時間越來越長、工程越來越多，特別是工程運行管理期，安裝埋設在水利水電工程大壩內的儀器的性能越來越受到重視，為使埋設在工程內部的儀器發(fā)揮最大的作用，2013 年水電行業(yè)出臺了 DL/ T 1271—2013《鋼弦式監(jiān)測儀器鑒定技術規(guī)程》，為鋼弦式儀器的現(xiàn)場檢測、鑒定和評價提供了依據(jù)[1]。為判斷鋼弦式儀器是否能正常工作，滿足工程實際需要，就西藏滿拉水利樞紐工程的實際情況，對埋設在大壩內達 15 年的儀器進行性能檢測與評價。

滿拉水利樞紐工程位于西藏自治區(qū)日喀則地區(qū)江孜縣龍馬鄉(xiāng)境內的年楚河支流龍馬河上，是以灌溉、發(fā)電為主，兼有防洪、旅游等綜合效益的水利工程，水庫總庫容為 1.55 億m3，工程規(guī)模為大（II）型，等別為二等，滿拉水利樞紐工程的永久建筑物主要由大壩、泄洪洞、引水隧洞及地面式發(fā)電廠房等 4 部分組成。大壩為粘土心墻堆石壩，壩頂高程為 4 261.3 m，壩頂寬為 10 m，長為 287 m，最大壩高為 76.3 m。

在大壩建設期間，分別在 0 + 1 4 2 . 3 0，0 + 88.71，0 + 80.00，0 + 39.00，0 + 198.00 和0 + 229.42 等斷面埋設了 33 支滲壓計，以了解大壩的滲流變化情況[2]。但在工程投入運行后因各種原因儀器未投入使用，大壩的滲流監(jiān)測一直是個空白。為了滿足 SL 551—2012《土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》有關規(guī)定，在 2015 年滿拉水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)更新改造中，擬完善大壩的滲流監(jiān)測項目。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，可采用以下 2 種方案：1) 采用在心墻和壩體中重新鉆孔增設滲壓計的方式，但存在施工風險，可能對大壩心墻造成破壞；2）對原有埋設在壩內用于滲流監(jiān)測的鋼弦式儀器進行檢驗，了解儀器的工作性態(tài)，判斷儀器測量數(shù)據(jù)是否可靠，能否滿足安全監(jiān)測要求，反映大壩的實際滲流情況。

由于滿拉水庫大壩已穩(wěn)定運行 15 年，大壩內部滲流已比較穩(wěn)定，在沒有外界破壞的情況下內部滲流不會發(fā)生突變。在施工期已埋設了滲流監(jiān)測儀器，若這些儀器能夠正常工作，可將儀器接入自動化系統(tǒng)，既能了解大壩內部滲流狀況，又不會對大壩心墻產生任何破壞，且節(jié)約建設費用，為此，擬采用第 2 種方案。

用于大壩滲流監(jiān)測的鋼弦式滲壓計，采用高壓脈沖激振式測量儀表進行測量。為了解已埋設在大壩內部的鋼弦式滲壓計工作狀況，判斷監(jiān)測儀器是否能正常工作，是否反映大壩內部滲流變化情況，需要在現(xiàn)場采用專用儀表進行性能檢測。

1 儀器原理與故障分析

1.1 工作原理

式中：F 為鋼弦的自振頻率；L 為鋼弦的長度；M 為單位長度鋼弦的質量；T 為鋼弦的張力。

鋼弦式儀器所承受的水壓力與該儀器振動頻率的平方（輸出模數(shù)）成正比，通過測量儀器的頻率或模數(shù)，即可計算出儀器埋設位置的水頭[3]。

大壩內部埋設的鋼弦式滲壓計工作方式有高壓脈沖和低壓方波激振 2 種方式。滿拉水庫大壩內部埋設的是高壓脈沖激振的鋼弦式儀器，具有測量要求較高、技術難度較大的特點。隨著測量技術的發(fā)展，鋼弦式儀器測量儀表的測量技術得到了很大提高，激振方式由高壓脈沖激振改進為低壓掃頻激振，頻率測量的精度也大大提高。過去的高壓脈沖激振式的儀器大多數(shù)都能采用低壓方波激振的方法進行測量。

1.2 故障原因

鋼弦式儀器的誤差變大或出現(xiàn)故障主要由下列原因形成：

1）密封失效。由于儀器埋設在大壩內部，承受幾十甚至上百米的水壓，儀器或電纜引入處的密封失效將導致傳感器進水而不能正常工作。尤其是滲壓計，儀器密封失效將導致輸出信號減小直至不能工作。

2）鋼弦脫焊及氧化。由于自振頻率跟鋼弦張力、長度、質量有關，鋼絲氧化將引起自振頻率增大；鋼絲脫焊時，鋼絲不能自振導致頻率輸出突然變?yōu)榱恪?/p>

3）鋼弦松弛。鋼弦松弛的表現(xiàn)為在外力沒有變化的情況下，頻率值逐漸減小，直至超出頻率范圍。

4）測量儀表不匹配。由于鋼弦式儀器是通過測量儀表給傳感器施加一個高壓脈沖或振蕩信號使鋼弦自由振蕩的，因此當測量儀表與傳感器不匹配時，不能使傳感器自由振蕩，傳感器也就沒有信號輸出。

2 儀器檢測方法

2.1 檢測依據(jù)

鋼弦式滲壓計進行現(xiàn)場檢測的主要依據(jù)有：SL 551—2012《土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》；SL 169 —96《土石壩安全監(jiān)測資料整編規(guī)程》；DL/T 1271 —2013《鋼弦式監(jiān)測儀器鑒定技術規(guī)程》；工程設計文件、技術要求、圖紙及竣工資料等。

2.2 檢測設備

1）鋼弦式儀器檢測儀。型號：PSM-V，編號：1306-00544。主要技術參數(shù)如下：頻率范圍 400～6 000 Hz，5 V 矩形波；分辨率：0.25 us/255；測量精度：0.05 Hz。

2）高壓激振測量儀。型號：GXS-937A，編號：0501，主要技術參數(shù)如下：頻率范圍 400～6 000 Hz、180 V 高壓脈沖；分辨率：0.25 Hz；測量精度：0.5 Hz。

3）100 V 直流絕緣電阻表。型號：ZC11D-1，編號：0424。主要技術參數(shù)如下：測量范圍：100 V/ 100 MΩ；測量精度: ± 10%。

2.3 檢驗步驟

現(xiàn)場檢驗前，先對檢測用的測量儀表進行檢驗，可采用標準信號發(fā)生器進行檢驗，步驟如下：

1）將檢測儀與標準信號發(fā)生器用專用線連接；

2）將標準信號發(fā)生器處于頻率發(fā)生位置，并分別調節(jié)至 1 000，2 000，3 000 和 4 000 Hz，用檢測儀分別測量對應各檔的頻率值，每檔連續(xù)測量 5 次，當檢測儀的測值與相應的標準值之差 ≤ 0.5 Hz 時，說明檢測儀工作正常，可用于現(xiàn)場檢測，否則說明檢測儀不合格，不得用于現(xiàn)場測試。檢測結果如表 1所示。

表 1 PSM-V 型鋼弦式儀器檢測儀檢驗表 Hz

檢測結果表明，檢測儀的測值與相應的標準值之差最大值 ＜ 0.5 Hz，說明檢測儀是合格的，可用于現(xiàn)場儀器檢測。

3 儀器現(xiàn)場檢測

3.1 資料查詢與確認

為了解滿拉水庫大壩施工期間埋設的滲壓計的工作狀況，首先查找大壩建設施工期所有儀器埋設的原始考證表，對現(xiàn)場儀器進行逐一確認，經核實，現(xiàn)場有 24 支儀器的電纜完好，儀器編號完好無損，且與考證表上的編號一致，但 P30 測點考證表記錄數(shù)據(jù)不完整，缺少儀器的初始頻率；有 9 支儀器無法找到儀器電纜，編號分別是 P2，P3，P4，P5，P11，P15，P16，P17 和 P19。

3.2 信號輸出檢測

由于大壩內部埋設的滲壓計是高壓激振的鋼弦式儀器，所以先用 GXS-937A 型高壓激振測量儀表對儀器進行測量，然后用低壓方波激振的 PSM-V 型振弦式儀器檢測儀對儀器進行測量，最后對 2 種不同激振方式的測量儀表測量的儀器信號輸出進行對比分析。

3.3 測值穩(wěn)定性檢測

用低壓方波激振的 PSM-V 型振弦式儀器檢測儀進行測值穩(wěn)定性檢測，對儀器進行連續(xù) 5 次測量，查看儀器的測值是否穩(wěn)定。

3.4 儀器絕緣檢測

用 100 V 直流絕緣電阻表進行儀器絕緣檢測，測量儀器的芯線與屏蔽線之間的絕緣，經現(xiàn)場檢測，所有儀器的絕緣電阻均 ＞ 1 MΩ。

4 儀器檢測結果分析

4.1 判定標準

由于滲流監(jiān)測儀器埋設在大壩內部，只能通過可行的方法加以檢測、分析，判定監(jiān)測儀器是否能正常工作。具體判定標準如下：

1）現(xiàn)場儀器電纜損壞或找不到儀器電纜，無法進行測量的，判定該儀器損壞；

2）儀器工作正常，但滿拉水庫管理局檔案室無儀器考證表，無法確定儀器安裝位置，并無法得到最終結果的，判定該儀器損壞；

3）用高壓和低壓方波激振的 2 種測量儀表測量的儀器輸出頻率之差 ＞ 3 Hz 的，判定該儀器不正常；

4）儀器無法測出數(shù)據(jù)的，判定該儀器不正常；

5）儀器連續(xù)測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，最大輸出和最小輸出之差 ＞ 3 Hz 的，判定該儀器不正常；

6）根據(jù)儀器考證表的參數(shù)進行計算，如果計算水頭大于庫水位，且該儀器安裝位置在壩軸線下游的，判定該儀器不正常；

7）儀器資料完整，電纜標志清晰，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，計算結果合理，能夠反映大壩該部位的滲流狀況，判定該儀器正常。

4.2 信號輸出結果分析

采用信號輸出檢測的檢測方法，采用 2 種不同激振方式的測量儀表測量的儀器信號輸出對照表如表 2 所示。

從表 2 可以看出，除 P13 測點無測值外，其他儀器都有輸出且測值穩(wěn)定，經比較，發(fā)現(xiàn) 2 種儀表的測量結果比較接近，最大差值 ＜ 2 Hz，說明除P13 測點外，其他儀器能正常工作。

4.3 測值穩(wěn)定性分析

用 PSM-V 型振弦式儀器檢測儀對儀器進行連續(xù) 5 次測量，記錄儀器的輸出模數(shù)，測量結果如表 3所示。

從表 3 可以看出，能有信號輸出的儀器連續(xù)測量測值穩(wěn)定，儀器輸出的最大差值為 2.8 Hz，小于3 Hz 的要求，說明這些儀器能正常工作。

4.4 儀器密封性分析

用 100 V 直流絕緣電阻表測量儀器的芯線與屏蔽線之間的絕緣，所有儀器的絕緣電阻均 ＞ 1 MΩ，說明儀器電纜未被破壞，儀器的密封性良好，測量數(shù)據(jù)可靠，能反映儀器的真實工作狀態(tài)。

4.5 計算結果分析

利用現(xiàn)場儀器埋設考證表記錄的儀器參數(shù)、位置等資料，用實際測量數(shù)據(jù)計算出儀器所承受的水壓力，得出儀器相應位置的水頭，與當時的庫水位（4 246.91 m）比較，確定儀器測值是否正常。計算結果如表 4 所示。

從表 4 可以看出，P14 測點安裝位置在壩軸線的下游，計算出的水頭比庫水位高，說明該儀器工作狀態(tài)不正常；P23 和 P31 測點計算出的水頭盡管比庫水位高，但儀器安裝位置在壩軸線的上游，測點位置的水壓變化速率可能比庫水位慢，說明這 2 支儀器工作狀態(tài)基本正常；其他儀器工作狀態(tài)都正常[4]。

表 2 儀器信號輸出對照表

5 儀器檢測結論

依據(jù)有關規(guī)程規(guī)范和相關標準，通過對埋設在滿拉水庫大壩壩體內部的 33 支滲流監(jiān)測儀器的資料查詢，現(xiàn)場考證，高壓和低壓方波激振測量數(shù)據(jù)對比，測值穩(wěn)定性檢測，絕緣電阻檢測，以及計算結果分析，可以得出以下結論：

1）有 9 支儀器電纜損壞，儀器編號分別為 P2，P3，P4，P5，P11，P15，P16，P17 和 P19，應做報廢處理；

2）P13 測點無信號輸出，無法正常工作，應做報廢處理；

3）P14 測點計算出的水頭比庫水位高，說明該儀器發(fā)生零點漂移，不能真實反映實際工作狀況，宜做報廢處理；

4）P23 和 P31 測點計算出的水頭盡管比庫水位略高，但由于儀器安裝位置在壩軸線的上游，因此這 2 支儀器工作狀態(tài)基本正常；

5）其他 21 支儀器工作狀態(tài)正常，采用低壓方波激振方式測量的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，能真實反映測點位置的水壓情況，完全可以恢復使用這些儀器作為水庫大壩滲流監(jiān)測儀器，接入改造后的大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，為大壩安全運行與管理提供科學依據(jù)，發(fā)揮應有的作用。

表 3 儀器測值穩(wěn)定性測量結果與分析表 Hz

6 結語

1）現(xiàn)行的《鋼弦式監(jiān)測儀器鑒定技術規(guī)程》內容全面、方法可行，為埋設在大壩內部的鋼弦式儀器的現(xiàn)場檢測、鑒定和評價提供了充分依據(jù)；

2）通過定期現(xiàn)場檢測與分析，了解施工期埋設在大壩內部的監(jiān)測儀器的工作性態(tài)，可為判斷監(jiān)測儀器是否能正常工作提供依據(jù)，幫助運行管理單位充分利用已有資源，降低系統(tǒng)改造成本，發(fā)揮最大效益；

3）現(xiàn)場檢驗中部分檢測數(shù)據(jù)有偏差的監(jiān)測儀器，應結合今后長期監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)分析進一步判斷儀器的工作狀況，并根據(jù)實際做適當處理；

4）高壓激振的鋼弦式監(jiān)測儀器可以采用低壓方波激振方式進行測量，為今后大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)改造提供先例。

參考文獻：

[1] 趙花城，沈省三. 已埋鋼弦式監(jiān)測儀器工作狀態(tài)評價[J].大壩與安全，2015 (1): 83-86.

[2] 水利部南京水利水文自動化研究所. 滿拉水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)技術改造工程[R]. 南京：水利部南京水利水文自動化研究所，2015: 6-8.

[3] 蔣小鋼，辛松林. 振弦式儀器及其長期穩(wěn)定性[J]. 大壩觀測與土工測試，1994 (1): 20-25.

[4] 水利部南京水利水文自動化研究所. 滿拉水利樞紐工程大壩滲流監(jiān)測內部埋設儀器現(xiàn)場檢測與分析報告[R].南京：水利部南京水利水文自動化研究所， 2015: 6-14.

表 4 儀器測值計算結果表

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

中圖分類號：TV698

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9405(2016)02-0051-06

收稿日期：2016-02-02

基金項目：水利部公益性行業(yè)專項經費“大壩安全檢測與監(jiān)測技術標準化關鍵技術研究”（ 201401022）

作者簡介：謝紅蘭（1966-），女，江蘇南京人，工程師，從事工程安全監(jiān)測儀器設備生產、項目建設與管理等工作。