CN1249377A - 大坝变形、开裂自动监测预警系统 - Google Patents

Abstract

大坝变形、开裂自动监测预警系统由导电混凝土传感装置和计算机、脉冲发生器、电源、电压检测器和打印机、报警装置构成。通过监测和分析导电混凝土传感上的电阻与时间R－t,dR/dt和各段分压与总压力的关系, 可迅速准确判断大坝是否变形和开裂,可实现全天候、全自动连续监测。

Description

大坝变形、开裂自动监测预警系统

本发明是一种混凝土大型建筑的变形、开裂自动监测预警系统，属于自动监测技术范围。

国内外对大型建筑设施的变形、断裂监测技术，目前较为先进的有法国生产的显微扫描摄像系统，GPS全球卫星定位系统。

法国的显微摄像扫描系统是针对监测对象进行显微摄像，通过计算机计算所扫描区域的面积有无变化，从而确定有无变形或裂缝产生。这项技术适用于室内监控，存在扫描盲区，不适用于野外全天候监控，价格昂贵。我国秦山核电站装备有一套。这类系统无法实现全天候连续监测大坝的变形和开裂。

GPS全球定位系统，现阶段用于军事目的的其精确度能达到±10米，民用的精确度能达到±30米，并且受大气扰动影响，对确定大坝是否变形或产生裂纹，其误差范围显然不能满足要求。

为了推出一套造价低、可靠性好、对大坝变形和裂纹产生实现全天候、全自动连续监测预警系统，特完成本发明。

本发明的目的是提供对大坝变形和开裂实现全天候、全自动连续监测预警系统和用于监测的传感装置。

本发明采用导电混凝土为传感材料，在混凝土大坝的外侧面浇注一定宽度的均匀的导电混凝土带，并按一定距离埋设电极，借助于计算机控制、电流、电压检测器和脉冲发生器，通过监测各段导电混凝土带电阻的变化确定大坝是否变形或产生裂纹。

本发明具有以下特点：一.以导电混凝土作为传感材料

导电混凝土是一种新型材料(专利申请号：95121611.2，U.S Patent 5032181)，是一种添加了少量碳纤维、助剂的混凝土，比普通混凝土抗拉、抗折强度均提高10％以上。导电混凝土具有以下特性：A.静态稳定性

导电混凝土是一种新型材料(专利申请号：95121611.2)，具有稳定的导电性能(见表1，附图1)，电阻率ρ变化±5％以内。表1：由阻率随时间变化

时间(day)	16	39	47	76	500	633	824	966
									电阻率(Ω·cm)	70.4	69.8	74.1	75.8	74.6	73.1	73.3	73.9

^*注：样品：625号水泥∶砂(40～80目)＝1∶2，

           碳纤维(5mm)0.5％，石墨粉1％(重量比)B.变形与电阻变化关系

导电混凝土其导电机理是碳纤维和石墨粉通过点、面接触而构成三维导电网络，当混凝土受拉力或弯曲变形时，其微观结构表现为接触间距增大，从而导致电阻增加。当外力消除时，纤维增强效果使体系恢复原状。导电混凝土受拉伸变形而导致电阻变化见附图2，随着变形程度其电阻变化十分敏感，并且具有良好的重复性。C.收缩特性导电混凝土的收缩率为2×10^-5，比普通混凝土约低80％，导电混凝土自身干燥过程中不产生裂纹。D.亲和力导电混凝土与旧混凝土表面的结合力高，其剥离强度约比普通混凝土高出40～50％。E.热胀冷缩导电混凝土覆盖于普通混凝土结构基体表面时，由于主体材质相同，其热胀冷缩基本一致。F.水的影响

将导电混凝土用自来水浸泡12小时后，其电阻率由73.9Ω·cm递减为14.5Ω·cm，达到平衡。相应的普通混凝土浸泡后的电阻率在2×10⁴Ω·cm这一数量级，说明浸泡后的混凝土介质中离子溶液促进了三维导电网络的互相沟通，导致导电混凝土电阻率下降。该离子溶液本身对导电能力的贡献并不显著。

基于以上性质，在混凝土结构表面浇注均匀的导电混凝土薄层(约1cm厚)，混凝土主体结构的受力变形和裂纹的产生，均可以通过监测导电混凝土的电阻变化来确定。二.在混凝土大坝的外侧面均匀浇注导电混凝土并按一定间距埋设电极，作为大坝变形、产生裂缝的传感装置

在坝体1的外侧均匀浇注0.5～5cm厚的导电混凝土带2，其厚度误差控制在±15％以内；带宽可定为0.5～5m，其误差控制在±5％以内，总长为S，见图(3a)。

在导电混凝土传感带上按一定间距埋设电极A_i，如图(3b)，i＝1，2，…，n-1，n。电极间距不宜过长，否则不利于迅速确定裂纹位置。电极间距可定为2～20m，以控制R_i～i+1在200～400Ω为宜。其电极间距要一致，保证R_i～i+1基本一致。误差在±5％以内。

用石墨棒缠绕碳纤维长丝作为电极，也可以用碳纤维长丝束作为电极，保证与导电混凝土有很好的电接触界面，并且具有良好的化学惰性。二.将导电混凝土带分为若干个小段监控

通过计算机控制脉冲发生器，在A_i与A_i+1之间施加脉冲电压，测定相应的脉冲电流，换算为A_i～A_i+1间的电阻R_i～(i+1)并进行数据处理，连续扫描可获得R～t，dR/dt～t，V～S曲线，以判断大坝是否变形和断裂。

若监控区域在i～i+1段附近发生变形时，其电阻会明显增大，但不会超过kΩ这一数量级，dR/dt会明显升高。此时，在A_i-2～A_i+2间加一电压V_总，检测i-2到i+2间各段分压，V_{(i-2)～(i-1)}，V_(i-1)～i，V_i～(i+1)，V_{(i+1)～(i+2)}，由于大坝变形应是连续渐变的，如果分压比较接近，则可判断为变形，应引起足够警惕，见图(4a)，图(4b)，图(4c)。图(4a)中，电极A_i、A_i+1之间的电阻R与t的关系，I区为变形发生，II区为变形趋于稳定，III区为变形消失。对应的电极A_i与A_i+1之间的电阻对时间t的导数dR/dt与t的关系见图(4b)。图(4c)描述了电极A₁与A_n之间加电压V₀后，各组电极间的分压A_i～(i+1)在坝长S上的分布关系。其中变形较大的A_i～A_i+1之间，分压V_i～Vi+1较高。 $V_o=\underset{i-1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{i-(i+1)}$

如果R_i～(i+1)达到10⁵Ω这一数量级，并且V_i～(i+1)≈V_总，则可断定有裂纹产生，报警装置采用灯光和声音报警。应迅速检查以便采取相应措施，见图(5a)，图(5b)，图(5c)。图(5a)描述了A_i～A_i+1段强烈变形和裂纹产生时R_i～(i+1)-t的关系，IV区为强烈变形，V区为裂纹产生。相应的dR/dt-t的关系见图(5b)，其中R＝R_i～(i+1)。图(5c)描述了裂纹产生时从A_i-2到A_i+2各段分压与之V_总的关系，V_总≈V_i～(i+1)，裂纹产生于A_i～A_i+1段。

在导电混凝土传感带受江水浸泡时，所检测的电阻会缓慢下降，并达到平衡，见图(6a)，图(6b)，该信号与变形、开裂信号有明显差别，并不影响对变形、开裂信号的判断。图(6a)为导电混凝土受水浸泡及自然干燥过程的电阻R随时间t变化的曲线，VI区受水浸泡，VII区自然干燥过程。相应的dR/dt-t变化见图(6b)。四.采用多媒体计算机控制整个监测系统

扫描时间间隔可以调整，测试数据、分析结果和曲线通过显示器显示，并存盘。根据需要，可以打印。

整个系统可以实现全自动、全天候连续运行。

基于同样原理，可用于混凝土桥梁、隧道的变形和开裂全天候全自动连续监测，详见图(7)大坝变形、开裂自动监测预警系统框图。

实施例：一.导电混凝土传感装置1.导电混凝土(专利申请号：95121611.2)625号水泥∶砂(40～80目)＝1∶2碳纤维(平均长度5mm)：0.5％石墨粉(-40目)：1％木质素磺酸钠：0.3％三乙醇胺：0.1％以上比例均指相对于混凝土干基的重量比。电阻率为75Ω·cm，导电混凝土的厚度为10mm，宽度为2m。2.电极石墨棒：Ф6.5mm碳纤长丝碳纤长丝辅以少量铜丝绕制于石墨棒上以定型。3.导电混凝土传感带的电极埋设见图(8a)电极3间距离：8m(R_i～(i+1)＝300Ω)电极、电线之联结以镀银金属卡完成(8b)，1为坝体，2为导电混凝土传感带，4为镀银金属卡的紧固螺孔。二.监测系统1.电极组A_i以长导线与控制室的脉冲发生器、电流检测器、电压检测器联接。2.计算机控制脉冲发生器，脉冲电压为36V，脉冲间隔为5分钟，将电流信号转换为R、dR/dt和V-S曲线显示。并进行存盘或打印。通过数据分析达到变形、开裂预警，可作全天候、连续自动监测预警。

Claims (8)

1.一种大坝变形、开裂自动监测预警系统，由导电混凝土传感装置和计算机、脉冲发生器、电流检测器、电压检测器和打印机、报警装置构成。

2.根据权利要求1所述的大坝变形、开裂自动监测预警系统，其特征在于导电混凝土传感装置是由铺设在大坝外侧面上的导电混凝土带和等距离埋设的电极组构成。

3.根据权利要求2所述的大坝变形、开裂自动监测预警系统，其特征在于导电混凝土带的厚度在0.5～5.0cm。

4.根据权利要求2所述的大坝变形、开裂自动监测预警系统，其特征在于导电混凝土带的宽度在0.5～5.0m。

5.根据权利要求2所述的大坝变形、开裂自动监测预警系统，其特征在于电极间距离可以是2～20m。

6.根据权利要求2所述的大坝变形、开裂自动监测预警系统，其特征在于电极材料可以是碳纤维束。

7.根据权利要求2所述的大坝变形、开裂自动监测预警系统，其特征在于电极材料可以是碳纤维缠绕的石墨棒。

8.根据权利要求1所述的大坝变形、开裂自动监测预警系统，其特征在于系统可用于桥梁、隧道的变形、开裂自动连续监测预警。

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