大壩是一種特殊建筑物，它投入巨大，但同樣產(chǎn)生的效益也是巨大的；它整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所處的運(yùn)行環(huán)境更加復(fù)雜；它的損傷可能會(huì)造成一個(gè)地區(qū)的嚴(yán)重破壞，甚至人命的傷亡。因此大壩的安全更加值得重視，要準(zhǔn)確了解大壩的工作性態(tài)，只能通過大壩安全檢測來實(shí)現(xiàn)。 國際大壩會(huì)議 1950 年至 1975 年對大壩失事的概率和成因進(jìn)行分析， 其中20% 是由于地下滲漏引起壓力過高、滲流量增大、滲透坡降過大引起，11% 是因?yàn)榇髩卫匣?、材料開裂以及施工質(zhì)量引起。近些年，一些水利單位較多采用了位移傳感器產(chǎn)品去實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量、提供數(shù)據(jù)給上層系統(tǒng)進(jìn)行分析，更加及時(shí)了解大壩的情況。由于磁致伸縮位移傳感器產(chǎn)品與其他位移產(chǎn)品有著明顯精度上、穩(wěn)定性上、可靠性上的*，已經(jīng)逐漸在位移、液位監(jiān)控方面顯露它的威力。
1磁致伸縮位移傳感器工作原理
磁致伸縮傳感器的核心材料是以鐵鎳合金為基礎(chǔ)的鐵磁材料，一 般稱為波導(dǎo)絲。1858 年威德曼觀察到浸沒在縱向磁場中的鐵磁棒當(dāng)攜帶電流時(shí)將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，該扭轉(zhuǎn)來源于組合的縱向磁場與電流傳輸時(shí)產(chǎn)生 的圓形磁場，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象，也稱為威德曼效應(yīng)，其逆效 應(yīng)為維拉里效應(yīng)。
如圖1 所示就是基本的磁致伸縮傳感器原理圖，當(dāng)傳感器工作時(shí)，電路產(chǎn)生一個(gè)電流脈沖（起始脈沖） 輸入到波導(dǎo)絲中，此脈沖建立的圓形磁場沿波導(dǎo)絲傳播，當(dāng)遇到非接觸式磁環(huán)中的縱向磁場時(shí)，由于磁致 伸縮現(xiàn)象，波導(dǎo)絲在相交點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)機(jī)械應(yīng)變脈沖，并以聲速向兩個(gè)方 向傳輸。往波導(dǎo)絲末端傳輸?shù)膽?yīng)變脈沖被末端的吸能材料吸收，而往電 路方向的應(yīng)變脈沖則經(jīng)過轉(zhuǎn)換器的線圈轉(zhuǎn)換出感應(yīng)電動(dòng)勢，即維拉里效 應(yīng)，該電動(dòng)勢被電路檢測并放大。通過測量起始脈沖與感應(yīng)電動(dòng)勢之間 的時(shí)間，再乘以脈沖傳播的固定聲速，即能計(jì)算出非接觸磁環(huán)的實(shí)際距 離。由于這個(gè)過程是連續(xù)不斷的，只要磁環(huán)被帶動(dòng)，新位置能夠立刻被 感知。磁致伸縮位移傳感器輸出的信號是一個(gè)值，具有高精度、高 響應(yīng)、低遲滯、非接觸、壽命長、穩(wěn)定性高、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，無需定 期標(biāo)定和維護(hù)，因而被精確測量領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
正因?yàn)榇胖律炜s原理的優(yōu)勢，磁致伸縮位移傳感器在大壩監(jiān)測領(lǐng)域慢慢得到了廣泛的應(yīng)用，包括整體位移監(jiān)測、大壩裂縫監(jiān)測以及大壩 滲流檢測，下面將詳細(xì)介紹這三方面的具體應(yīng)用。
2大壩整體位移的監(jiān)測
在大壩的兩端各取一個(gè)相對大地靜止的參考點(diǎn)，將兩點(diǎn)用一根參 考線連接起來并與大壩基本保持平行狀態(tài)，這就構(gòu)成整個(gè)大壩整體位移的參照物。然后通過安裝在大壩的位移傳感器檢測兩者之間的相對位 移。現(xiàn)場具體的實(shí)施辦法如圖2 所示：.
磁致伸縮位移傳感器固定在箱子內(nèi)一起嵌在大壩上，連接大壩兩端的參考線通過一個(gè)管子保護(hù)，保證參考線不易受其他的干擾。參考線上安裝了特制的磁環(huán)，磁環(huán)套在傳感器的測桿上但與測桿互不接觸。參考線再通過惰性水等其它措施保持在穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)大壩發(fā)生移動(dòng)時(shí)， 磁環(huán)相對測桿發(fā)生移動(dòng)，傳感器能立刻將測得的信號送到控制室，檢測人員就能立刻知道大壩的移位狀況。
3大壩裂縫（結(jié)合縫） 的監(jiān)測
根據(jù)建筑學(xué)的相關(guān)原理，大壩的結(jié)構(gòu)主要由壩柱結(jié)合水泥墻的方 式構(gòu)成，其中壩柱的樁打得很深，水泥墻相對很淺。隨著時(shí)間的推移在 壩柱與水泥墻之間會(huì)有裂縫產(chǎn)生，這就需要進(jìn)行監(jiān)測。在裂縫監(jiān)測的應(yīng) 用中，磁致伸縮位移傳感器被安裝在大壩內(nèi)的通道里面（隨著大壩的高 度不同，通道層數(shù)也不同）。一個(gè)通道可以根據(jù)內(nèi)部實(shí)際情況考慮，需 在多個(gè)點(diǎn)安裝并監(jiān)測。實(shí)際現(xiàn)場安裝時(shí)磁環(huán)固定在水泥墻上，傳感器則 固定在壩柱上，當(dāng)裂縫變化時(shí)，磁環(huán)跟隨水泥墻發(fā)生位置變化，傳感器 將磁環(huán)移動(dòng)產(chǎn)生的新位置信號傳送到控制室。
由于在大壩監(jiān)測上的位移量都是很小，而且這種變化是一個(gè)長期的 緩慢的變化過程，磁致伸縮位移傳感器由于其的原理在精確度和穩(wěn) 定性方面都能很好的滿足了這種測量的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。
4大壩滲流的監(jiān)測
在大壩工程中，因?yàn)闈B流所產(chǎn)生的工程事故高達(dá)20%~ 30%，為了保障大壩的運(yùn)行安全和安全管理的需要，對已經(jīng)建成的大壩進(jìn)行滲流檢測以及安全評價(jià)非常重要。當(dāng)水庫建成后，會(huì)對壩體、壩肩、基巖等周邊的地基產(chǎn)生很大影響，特別是大壩蓄水后，產(chǎn)生了水壓荷載，并在上下游水位差的作用下，對壩體、壩基和繞壩產(chǎn)生滲流。而滲流量是反映滲流狀態(tài)的基本要素，是反映滲流安全問題最直觀、靈敏和綜合的因素， 對防滲體工作狀態(tài)反映面及時(shí)，很多工程變化在滲流壓力觀測判斷還不夠明確時(shí)，滲流量反映已經(jīng)相當(dāng)明顯。因此，按照有關(guān)規(guī)范的要求， 需對通過壩體、壩基和兩岸繞壩滲流的滲漏水流量進(jìn)行觀測計(jì)量。
繞壩滲流一般通過布置在繞流線或沿著滲流較集中的透水層中的測壓孔來觀測其水位變化。滲流量的觀測方法有以下三種：
1）當(dāng)流量小于 1L/s 時(shí)，宜采用容積法；
2）當(dāng)流量在1～300L/s 時(shí)，宜采用量水堰法；
3）當(dāng)流量大于300L/s 或者無法設(shè)置量水堰時(shí)，可以采用流速儀法或斷面水位法；
其中量水堰法應(yīng)用較為廣泛，一般由集水溝、量水堰計(jì)、堰板等 組成整個(gè)量水堰系統(tǒng)。
在量水堰計(jì)中使用的傳感器中，有多種工作原理的，如電容式、 電感式、光電式等，但都存在共同的弱點(diǎn)，就是需要定期重新標(biāo)定，長期穩(wěn)定性差，容易損壞，安裝后期的維護(hù)費(fèi)較高。而采用磁致伸縮液位傳感器的量水堰計(jì)卻能克服以上液位傳感器的共同弱點(diǎn)，它的工作原理決定了它的高精度、長期可靠性、穩(wěn)定性和安裝便利等優(yōu)點(diǎn)。量水堰計(jì)一般由傳感器、防污管、安裝法蘭、水平泡等組成。圖3 是量水堰計(jì)在實(shí)際安裝使用的模擬圖，在實(shí)際現(xiàn)場安裝中，需要采用防污管對傳感器進(jìn)行保護(hù)，一是防止污泥進(jìn)入，以免對浮球的上下浮動(dòng)造成影響， 二是防止水位的大幅度波動(dòng)對浮球造成晃動(dòng)而引起輸出信號的波動(dòng)。量水堰計(jì)一般安裝在堰板上游1 米左右的堰槽側(cè)壁，而防污管與集水溝是連通器原理，因此兩者的水位高低保持一致。當(dāng)浮球跟隨防污管內(nèi)的水位變化而同步變化時(shí)，傳感器輸出信號給控制室或者二次儀表，就可以直接顯示水位的變化量。
5 結(jié) 語
在大壩的安全監(jiān)測領(lǐng)域中，高精度、高穩(wěn)定、高可靠的磁致伸縮 位移/ 液位傳感器以其的工作原理得到了多方面的應(yīng)用。通過傳感器的測量對大壩的移位、裂縫、滲流進(jìn)行精確的監(jiān)控，更好地對大壩的 安全狀況進(jìn)行準(zhǔn)確的評估，避免重大事故的發(fā)生。
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