高新测控技术在水利水电工程中应用

我国已建堤坝约8.3万多座,坝高15m以上的约1.86万座;堤防长约25万多km,其中,大江大河上的重要堤防6.57万km.这些水利水电工程在防洪、发电、灌溉、供水和航运等方面,发挥了巨大的社会效益和经济效益,是我国国民经济的重要基础设施.然而,由于工作和运行条件极其复杂,并随着时间的增长,堤坝的病害和老化日趋严重.据不完全统计,在3100座大、中型水库大坝中,病险大坝有1248座;8万多座小型水库中,病险坝约占36%,堤防的安全状况也相当严峻.随着西部大开发和西电东送战略目标的逐步实施,高坝大库也越来越多,工程的安全重要性显得越来越突出.并且,大中型水利水电工程规模大、投资多,造价高,少则几亿、几十亿元,多则几百亿元,甚至上千亿元.因此,工程质量的好坏和能否安全运行,不仅会影响工程效益的充分发挥,还将直接关系到下游或两岸人民的生命财产安全.

国内外大量工程实践表明,对水利水电工程进行全面的监测和监控,是保证工程安全运行的重要措施之一.同时,将监测和监控的资料及时反馈给设计、施工和运行管理部门,又可为提高水利水电工程的设计及运行管理水平提供可靠的科学依据.

1、高新测控技术的基本要素及其功能

现代化的测控技术,应该具有采集数据、科学管理数据,及时或实时对水利水电工程的安全状况作出分析和评价,并对其异常或险情作出辅助决策等功能.因此,高新测控技术的基本要素包括数据采集系统、数据管理系统和分析评价系统及其计算机通讯网络支撑等(见图1).

1.1数据采集系统

通过测控单元(MCU)自动采集、笔记本电脑现场采集或人工观测埋入坝体或安装的传感器采集的监测效应量(大坝的变形、渗流、应力应变和温度等)和影响量(水位、气温、降雨和地震等),并输入计算机的数据库.其中,自动化数据采集系统可以实现实时采集,半自动化和人工采集为定期采集.因此,自动化采集数据一般是对水利水电工程关键部位(或坝段)主要监测量(变形和渗流等)的采集.

1.2数据管理系统

由数据采集系统采集的数据进入计算机数据库后,由数据管理系统对其进行科学有序的管理.包括将电容、电感、电阻、电压、频率等转换为位移、扬压力、渗流量、应力应变、裂缝开合度以及温度等,及它们的误差识别和处理,并将监测量按有关监测规范进行整编和初分析;编制月报和年报等.

1.3分析评价系统

分析评价系统根据监测到的数据,进行观测资料的分析和反分析,结构和渗流正、反分析,建立各类监控模型和拟定监控技术指标等;将收集到的工程设计、施工、运行管理、有关法规和规范等方面的专家知识进行编辑,构成分析、评价、辅助决策等方面的知识库和推理分析知识.

2、现简述几种传感器的主要工作原理及其应用情况.

(1)差动电阻式传感器该传感器为美国加州大学卡尔逊教授所研制.置于其内腔的两根弹性钢丝作为传感元件,受力后一根受拉、一根受压.当环境量发生变化时,两者的电阻值向相反方向变化,根据两个元件的电阻值比值,测出物理量的数值.

我国南京电力自动化设备厂从20世纪50年代开始,已研制出几十万支差动电阻式传感器,并应用于大量的水利水电工程中,取得了成功经验.

(2)振弦式传感器由前苏联的达维金可夫发明.其核心元件是一根钢弦,钢弦的一端固定,另一端则固定在测量元件(受压膜片或测量端块)上.当受力后,钢弦长度将产生微小变化,引起固定频率的变化,从而测出物理量的数值

加拿大的Rocktest公司,美国的Sinco,Geokon公司等生产的振弦式传感器性能良好,其中真空式为最佳.近几十年来,我国较多的工程应用了这种传感器.

(3)差动电容式传感器由我国南京电力自动化研究院研制.其工作原理是,将垂线或引张线穿过由4块组成矩形的电容极板中,当测线发生位移时,电容极板的电容产生变化,从而测出位移量.

该传感器经过20多年的完善,其精度和长期稳定性等均有较大提高,已在不少水利水电工程中应用.

(4)差动电感式传感器首先由原法国的Telemac公司研制.其工作原理是,当高频交变电流通过垂线坐标仪时,在周围产生交变磁场,接收点的磁感应强度与导线距离成反比;当垂线产生位移时,接收点测得的感应电势发生变化,其变化量的大小反映位移量的大小.

该传感器在我国龙羊峡等水利水电工程中得到成功应用.我国有关厂家也仿制了这类传感器.