振弦式传感器在武都水库渗流安全监测中的应用

张少飞 张逸军

【摘要】：主要阐述振弦式传感器的工作原理，并结合武都水库大坝渗流监测的实际，展示该仪器的特性和优点，使该技术在水工建筑物渗流自动监测中得到充分利用，提高水利工程现代化水平。

【关键词】：振弦传感器 武都水库 渗流监测

0 引言

振弦式仪器自发明以来，由于其具有结构简单、精度高、抗干扰能力强等特性而一直受到工程界的瞩目。随着现代电子读数仪技术、材料及生产工艺的发展，振弦式仪器技术得以完善并真正能满足工程应用的要求。20世纪50年代，中国的水利水电工程就应用了这种仪器，但当时在工程中埋设的仪器都从国外进口。本工程采用的渗流观测仪器主要是由加拿大欧美大地公司生产的PWS型渗压计。

1 工程概况

武都水库位于四川江油市武都镇上游，水库总库容5.72亿m3，电站装机3×50MW。主要建筑物包括碾压砼重力坝1座，坝身泄洪冲砂底孔3个，表孔2个，左岸坝后式电站1座，表底孔在平面上间隔布置。大坝自左至右由左非溢流坝段﹑厂房坝段﹑溢流坝段及右非溢流坝段组成。

2 振弦式仪器的工作原理

本工程采用的振弦式渗压计中有一个连接有振弦不锈钢膜片，为了避免损坏传感器膜片，用过滤器（透水石） 以隔绝固体颗粒。标准透水石是50μm 孔径的烧结不锈钢，如需要也可以使用高通气的透水石。在实际应用时，渗透压力通过透水石传递到膜片上，膜片上压力的变化促使膜片移动，这个微小位移量可用振弦元件的张力和振动频率来测量。振动频率的平方正比于膜片上的压力。共有两个线圈，分别紧靠钢弦对称放置。使用时，一个变频的脉冲信号（扫描频率）加到线圈上，使钢弦在其固有频率上振动。激励结束时，钢弦还继续振动，但固有频率的正弦信号在线圈上逐渐减弱，并传输到读数仪上， 并在此被解调和显示。

振弦式仪器通常包括固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测量钢弦的张力/应变等物理量，钢弦的振动频率与弦的张力之间的关系为：

F = L/（2L ） （ T/ρ） 1/ 2 （1）

其中：F—钢弦自振频率；L—钢弦长度；ρ—钢弦线密度；T—钢弦张紧力。

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

3 振弦式传感器的特性

在振弦式仪器的发展和应用历史中，可以总结出如下特点和存在问题：

（1）振弦式渗压计的优点：①仪器长期稳定性、耐久性好；②仪器灵敏度高；③输出信号为频率，抗干扰能力强，基本不受接长电缆影响，且绝缘性要求相对较低；④产品已系列化，相对价格较低，且国内外均具备实现自动化监测的条件。

（2）振弦式渗压计的不足之处：相对而言，抗冲击性能差，尤其是高灵敏度仪器；

4 影响弦式仪器长期稳定性的因素

（1）传感器部件材料的选择。材料的选择通常是决定仪器长期稳定性的一个因素。材料本身应具有较好的力学、耐腐蚀和长期稳定性。

（2）钢弦预张与固定技术。钢弦的固定技术被认为是生产高品质传感器的关键技术，采用特殊的焊接设备和工艺，可使弦及固端深层焊透而又不产生热应力，并且焊接不使用填充料以避免腐蚀。现代弦式仪器通常把弦线与壳体部件焊接成密闭共振腔。在传感器内部有限的空间内，气体温度变化可引起不容忽视的压力变化，为最大限度地减小温度变化的影响并为振弦元件提供一个稳定的环境，共振腔内应抽成真空， 这样可以消除压力的影响。

5 武都水库渗流监测布置

5.1 坝基渗流监测

为监测坝基基岩、坝基与砼交接部位及厂房基础的渗流情况，设计选取15#、17#、19#三个坝段及主厂房为主要监测断面，左右岸陡坡坝段、13#、14#、16#、18#坝段为次要监测断面进行监测。监测仪器的主要类型为：振弦式渗压计。截至目前为止，按照监测仪器布置图、设计通知等要求在坝基基础、坝基与砼交接部位及厂房基础安装埋设渗压计共计46支。

5.2 砼层间渗流监测

为监测坝体不同高程砼层间渗流情况，设计选取15#、17#、19#三个坝段为主要监测横断面进行监测。监测仪器的主要类型为：振弦式渗压计。截至目前为止，按照监测仪器布置图、设计通知等要求在坝体不同高程碾压砼层间安装埋设渗压计共计35支。

5.3 渗流监测成果图

5.3.1坝基渗流监测

为监测坝基基岩、坝基与砼交接部位的渗流情况，以15#坝段为例，在建基面、基础砼与碾压砼交接面埋设渗压计11支，编号为：P15-11～P15-21。观测成果显示：总体上在坝基上、下游埋设的渗压计渗透压力较大，中间段渗透压力较小，最大渗透压力为0.351MPa（仪器编号：P15-12；埋设位置：坝横0+318.50，坝纵0+008.50，高程547.00；观测时间：2009年08月09日）。具体的观测成果整编图如下：

5.3.2砼层间渗流监测

为监测砼层间的渗流情况，以19#坝段为例，在不同高程砼內部埋设渗压计13支，编号为：P19-1～P19-13。观测成果显示：由于大坝未开始蓄水，总体上砼层间渗压计渗透压力很小，但受汛期洪水及埋设位置钻孔施工、压水检测等因素影响，渗透压力曾短时期增大，变化幅度总体在0.15MPa左右，现已趋于稳定。最大渗透压力为0.169MPa（仪器编号：P19-1；埋设位置：坝横0+413.50，坝纵0+002.20，高程604.50；观测时间：2010年10月14日）。具体的观测成果整编图如下：

从以上观测成果图中可以看出，在坝基和砼层间的围岩具有良好的致密性， 并且各种数据均符合预期的目标，说明目前大坝的渗透压力处于正常状态。

6 结论

振弦式传感器的技术已日趋完善，弦式仪器产品的种类几乎可以满足大多数工程的需要。通过谨慎选择材料和使用适当的技术，振弦式传感器可以具有很高的精度和耐恶劣环境能力，很低的温度灵敏度以及很小的长期漂移。系统控制这些材料的选择及技术的使用可以确保所有批量生产的传感器具有相同的长期稳定性。

参考文献

[1] 马 振. 振弦式传感器在磨盘山水库大坝渗流观测中的应用 哈尔滨供排水集团有限责任公司 水利科技与经济 2007年第6期

[2] 许文选 赵宏章 杨景林 PWS型渗压计在冯家山水库大坝埋设与安装 冯家山水库管理局 西北水电 1999年第2期

[3] 李 刚 宋先海 渗压计在渗流监测中的误差分析及对策 长江科学院工程安全所 人民长江 第41卷第15期

[4] 张汉平 王涛 振弦式传感器在长期监测中的应用 华南理工大学土木与交通学院 科学决策 2008年第11期