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    為了進(jìn)行安全監(jiān)測，在大壩和巖土工程中埋設(shè)必要的監(jiān)測儀器已經(jīng)在監(jiān)測規(guī)范中有了明確規(guī)定。在工程的設(shè)計(jì)階段，埋設(shè)儀器的選型和設(shè)計(jì)布置就成為監(jiān)測設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作。儀器選型是否正確對(duì)后續(xù)工作的成敗有很大影響，在實(shí)際工作中我們看到有些工程因?yàn)檫x型失誤而導(dǎo)致監(jiān)測工作的失敗。本文從儀器選型的重要性談起，提出在大壩和巖土工程中埋設(shè)儀器要求，對(duì)照這些要求，分析比較了差阻式儀器和其他類型埋設(shè)儀器在大壩和巖土工程中的的性和局限性。最后得出結(jié)論認(rèn)為差阻式儀器作為大壩和巖土工程中的埋設(shè)儀器在多數(shù)情況下更為合適，提出了這種儀器的改進(jìn)方向。

    在混凝土壩和土石壩監(jiān)測規(guī)范中的，有相當(dāng)多的監(jiān)測項(xiàng)目需要埋設(shè)儀器，特別是應(yīng)力、應(yīng)變及溫度監(jiān)測和滲流監(jiān)測方面大部分項(xiàng)目都是采用埋設(shè)儀器。目前市場上可以選購的儀器很多，儀器生產(chǎn)廠家也不少，選用什么樣的埋設(shè)儀器？選購那種廠家的儀器就成為負(fù)責(zé)任的設(shè)計(jì)人員、施工人員及業(yè)主面臨的重要課題。在我國最近20多年的水利、水電工程中由于埋設(shè)儀器選型不當(dāng)造成監(jiān)測項(xiàng)目失敗，甚至重新安裝外部儀器謀求補(bǔ)救的工程屢見不鮮。

   本文試圖對(duì)埋設(shè)儀器的選型問題從技術(shù)角度進(jìn)行一些探討，不僅希望對(duì)水利、水電工程監(jiān)測設(shè)計(jì)及其實(shí)施能有所幫助，同時(shí)也希望對(duì)儀器生產(chǎn)和改進(jìn)能有所幫助。

  大壩和巖土工程中埋設(shè)儀器的重要性

  在混凝土壩安全監(jiān)測規(guī)范中將監(jiān)測項(xiàng)目分為四大類，即環(huán)境量監(jiān)測、變形監(jiān)測、應(yīng)力、應(yīng)變及溫度監(jiān)測和滲流監(jiān)測，土石壩安全監(jiān)測規(guī)范的分類也相似，即水文、氣象監(jiān)測、變形監(jiān)測、壓力（應(yīng)力）監(jiān)測和滲流監(jiān)測，其中環(huán)境監(jiān)測項(xiàng)目（即水文、氣象監(jiān)測）實(shí)際上主要是監(jiān)測荷載量或影響建筑物的因子量，后三類監(jiān)測項(xiàng)目則是效應(yīng)量，是監(jiān)測在環(huán)境量作用之下所表現(xiàn)的大壩性態(tài)。

按照監(jiān)測的具體物理量將后三類監(jiān)測進(jìn)一步細(xì)分，除了大壩位移、撓度、滲流量等項(xiàng)目外，大多數(shù)項(xiàng)目如應(yīng)力、應(yīng)變、鋼筋應(yīng)力、鋼板應(yīng)力、裂縫、接縫開度、溫度、基巖變形、土壓力、土應(yīng)變、滲透壓力、錨桿應(yīng)力、錨索拉力都需要將監(jiān)測儀器埋設(shè)在建筑物或基巖、土體內(nèi)部，所以過去曾經(jīng)將這類監(jiān)測稱之為內(nèi)部觀測，所用儀器就稱為內(nèi)部儀器了。

  對(duì)于大中型工程來說，這些監(jiān)測項(xiàng)目是非常重要的，關(guān)系到工程安全和設(shè)計(jì)施工質(zhì)量的正確評(píng)估，也是水庫蓄水運(yùn)行后進(jìn)行安全監(jiān)控的重要依據(jù)。這些埋設(shè)儀器所監(jiān)測的物理量各有其重要性，不是其他外部安裝儀器監(jiān)測物理量所能替代的。

重力壩壩頂水平位移通常是監(jiān)測重點(diǎn)，人們以為它是一個(gè)關(guān)系安全的重要物理量，力圖制定監(jiān)控指標(biāo)、編制軟件、建立模型，以便對(duì)大壩安全實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。事實(shí)上壩頂水平位移是一個(gè)受多種因子影響的綜合效應(yīng)量，壩體混凝土裂縫、接縫開度，壩基和庫底沉陷對(duì)壩頂位移都是有影響的，其影響大小，尚未見有說服力的研究成果。大家都知道，混凝土有自生體積變形，有收縮型的，也有膨脹型的，對(duì)壩體應(yīng)力、變形的影響和溫度相似，其影響可能還不小。

  因此，我們認(rèn)為大壩安全決定于多種因子的綜合影響，不可能單純通過宏觀變形準(zhǔn)確判斷。由此可見，大、中型混凝土壩的應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測也是的，因?yàn)橹挥型ㄟ^應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測才能了解混凝土澆筑后直至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度場的應(yīng)力和溫度變化過程，從而得知壩體拉、壓應(yīng)力發(fā)生的部位和大小，評(píng)估裂縫或裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展直至破壞的可能性。

  混凝土壩的壩踵是否產(chǎn)生拉應(yīng)力，通常是人們關(guān)心的問題，但這里是應(yīng)力集中區(qū)，一般不布置應(yīng)變計(jì)組。事實(shí)上，真正發(fā)生拉應(yīng)力的時(shí)候，往往首先將基巖拉開，埋設(shè)基巖變形計(jì)和多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測基巖的變形比監(jiān)測應(yīng)力還重要。拱壩的拱座和高邊坡重力壩的邊坡壩段監(jiān)測應(yīng)力和監(jiān)測基巖變形都很重要，就拱壩而言，通過應(yīng)力監(jiān)測我們可以推算拱推力，而基巖變形監(jiān)測可以驗(yàn)證拱座的穩(wěn)定性。高邊坡重力壩的邊坡壩段的應(yīng)力是三維問題，其穩(wěn)定性也很重要，變形、應(yīng)力及邊界縫的監(jiān)測可以相互驗(yàn)證，因此都是必要的。

對(duì)大型地下洞室，適當(dāng)布置錨桿應(yīng)力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、基巖變形計(jì)等儀器監(jiān)測圍巖變形對(duì)施工開挖和襯砌支護(hù)設(shè)計(jì)相當(dāng)重要，沒有實(shí)測成果作為指導(dǎo)，單憑經(jīng)驗(yàn)是比較危險(xiǎn)的。近年來，有些工程通過錨桿應(yīng)力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)測成果異常，發(fā)現(xiàn)在開挖爆破過程中圍巖裂隙擴(kuò)大，必須及時(shí)采取設(shè)計(jì)施工措施，防止進(jìn)一步惡化。

  土石壩的防滲問題是大壩安全的關(guān)鍵，滲透壓力的異常有可能是形成滲漏通道的先兆，因此監(jiān)測滲透壓力比監(jiān)測大壩變形更為重要。在防滲體、壩基及壩體埋設(shè)滲壓計(jì)十分必要，在壩體中有時(shí)可采用測壓管代替滲壓計(jì)，但是有些部位則無法取代。

在面板壩監(jiān)測設(shè)計(jì)中，人們往往優(yōu)先考慮監(jiān)測內(nèi)部變形，布置多臺(tái)引張線式位移計(jì)和水管式沉降儀，其實(shí)，這兩種儀器只能測同一高程幾個(gè)測點(diǎn)，僅憑這些測值無法分析評(píng)估壩體的總變形，更無法對(duì)大壩安全作出判斷。因?yàn)榇髩伟踩珱Q定于面板和止水結(jié)構(gòu)的承受能力，例如巴西高160m的佛士度愛利（FOZ DO AREIA）面板壩承受了77.5cm的變形，安全運(yùn)行，據(jù)估計(jì)可承受100cm的變形也不會(huì)有問題[1]。顯然，壩體變形不是大壩安全的首要因素。

  對(duì)中小型面板壩，監(jiān)測面板和止水結(jié)構(gòu)的安全比監(jiān)測內(nèi)部變形的大小更為重要。這就需要埋設(shè)鋼筋計(jì)、滲壓計(jì)和測縫計(jì)，合理地布置這些儀器，就能直觀地反映防滲結(jié)構(gòu)的有效程度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)滲漏點(diǎn)和滲透通道。

綜上所述，在大壩、基巖和巖土工程中的埋設(shè)儀器監(jiān)測項(xiàng)目十分重要，多數(shù)情況下是外部安裝監(jiān)測儀器無法取代的。充分認(rèn)識(shí)埋設(shè)儀器的重要性，有助于在儀器埋設(shè)工作中，提高各個(gè)環(huán)節(jié)的工作質(zhì)量，保證監(jiān)測成果長期可靠。

大壩和巖土工程中埋設(shè)儀器的基本要求

  在大壩和巖土工程中埋設(shè)儀器，失敗的風(fēng)險(xiǎn)是較大的，因?yàn)閺脑O(shè)計(jì)、施工埋設(shè)到運(yùn)行管理，有幾個(gè)重要環(huán)節(jié)，有一個(gè)環(huán)節(jié)失敗，就會(huì)導(dǎo)致全部工作失敗。個(gè)環(huán)節(jié)就是設(shè)計(jì)階段的儀器選型，選型不當(dāng)，即使其后的各個(gè)環(huán)節(jié)工作做好了，也不可能取得較好的成果。這是因?yàn)槁裨O(shè)儀器的性能和質(zhì)量是監(jiān)測工作的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒有正確的儀器選型，就不可能獲得滿足監(jiān)測要求的儀器，當(dāng)然就不可能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測設(shè)計(jì)期望的監(jiān)測目標(biāo)。另一方面，埋設(shè)儀器一旦埋設(shè)好了，就不能更換、修復(fù)、維護(hù)或率定。除了另外補(bǔ)充埋設(shè)以外，沒有其他補(bǔ)救辦法。埋設(shè)儀器是在一定的施工階段進(jìn)行的，如果錯(cuò)過了施工階段，就不再可能更換儀器，重新埋設(shè)。

  對(duì)于監(jiān)測設(shè)計(jì)人員來說，在設(shè)計(jì)過程中要重視儀器選型工作，這樣才能保證自己的設(shè)計(jì)很好地實(shí)現(xiàn)。對(duì)于業(yè)主和運(yùn)行管理單位來說，不僅要審查監(jiān)測布置是否合理，工程費(fèi)用是否較低，還要考查儀器選型是否正確，監(jiān)測目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)。

  儀器選型不能盲目套用類似的設(shè)計(jì)，因?yàn)閮H僅看設(shè)計(jì)資料看不到設(shè)計(jì)實(shí)施后的成效，要考察實(shí)施后的效果，才能吸取其成功經(jīng)驗(yàn)或失敗的教訓(xùn)。儀器選型也不能受儀器生產(chǎn)單位的誤導(dǎo)，因?yàn)橛械纳a(chǎn)廠家或科研單位只考慮自己的效益，而對(duì)監(jiān)測效果不負(fù)責(zé)任。

一般儀器的選型，要考慮儀器的功能和性能滿足監(jiān)測項(xiàng)目的需要，性能價(jià)格比較高，便于安裝、使用和維修。如果有自動(dòng)化監(jiān)測要求，儀器還應(yīng)滿足自動(dòng)化監(jiān)測的需要。對(duì)于埋設(shè)儀器來說，僅僅考慮這些還不夠，還必須滿足更高的一些要求。我們認(rèn)為埋設(shè)儀器應(yīng)具備下述六個(gè)基本要求，也就是說，埋設(shè)儀器選型要從以下六個(gè)方面進(jìn)行考慮：

1、儀器的長期穩(wěn)定性要好

  埋設(shè)儀器的工作條件是很特殊的，一旦埋入建筑物或基巖內(nèi)部，就不可能更換、維修、率定，因此必須能夠在長達(dá)十幾年的使用期內(nèi)保持穩(wěn)定的測值。也就是說，儀器的基準(zhǔn)零點(diǎn)不能變化，儀器的最小讀數(shù)（靈敏度）不能變化，儀器的溫度系數(shù)不能變化。有些學(xué)者稱這些儀器性能參數(shù)的不穩(wěn)定為零點(diǎn)飄移和溫度飄移。其現(xiàn)象就是儀器在給定的穩(wěn)定荷載條件下，其輸出的測值隨時(shí)間而變化。例如長期置于一定水壓力下的滲壓計(jì)或在一定變形下的應(yīng)變計(jì)，在不同時(shí)間的測值應(yīng)不變，如果其測值隨時(shí)間變化，那就不是穩(wěn)定的儀器。

2、儀器測值應(yīng)不受電纜阻抗的影響，在實(shí)現(xiàn)遙測自動(dòng)化時(shí)能保證測值準(zhǔn)確性

  埋設(shè)儀器在實(shí)際使用時(shí)已埋設(shè)在建筑物或巖土體內(nèi)部，觀測人員是不可能直接接觸該儀器以進(jìn)行測量?，F(xiàn)在通用的埋設(shè)儀器都是用電纜傳輸測值信號(hào)，以便在遠(yuǎn)離埋設(shè)點(diǎn)的監(jiān)測站進(jìn)行測量。埋設(shè)儀器中的敏感元件利用各種電感、電容、電阻或振動(dòng)頻率將物理量變換為電量通過電纜遠(yuǎn)傳，電纜中的阻抗會(huì)對(duì)測值信號(hào)造成影響，使儀器的精度降低，有規(guī)律的影響可以設(shè)法修正，無規(guī)律的影響只能視為系統(tǒng)誤差而不能修正。

儀器選型時(shí)要對(duì)儀器這方面的特性進(jìn)行充分的了解，選擇電纜影響小或無影響的儀器，這樣的儀器不會(huì)因?yàn)榻娱L電纜而降低精度，在實(shí)現(xiàn)遙測自動(dòng)化時(shí)才能保證測值準(zhǔn)確性。

3、儀器使用壽命要長，能保證10～20年內(nèi)連續(xù)正常使用

  水工建筑物施工周期長，運(yùn)行年限更長。已埋設(shè)儀器在建筑物長期施工運(yùn)行中不能更換，也不可能和建筑物同壽。儀器的使用壽命必須延長到10年以上，保證能用于施工期監(jiān)測，在蓄水后3～5年內(nèi)也能正常使用。通過長達(dá)10年以上的監(jiān)測資料才能掌握所需監(jiān)測的物理量的變化規(guī)律，對(duì)建筑物或基巖的工作性態(tài)作出正確評(píng)估。例如混凝土壩的溫度變化是很復(fù)雜的，混凝土澆筑后因水泥水化熱而升溫，以后逐漸冷卻，冷卻速度受到各種因素的影響，達(dá)到穩(wěn)定溫度的時(shí)間可能需要幾年甚至幾十年。壩體的應(yīng)力更復(fù)雜，在混凝土升溫時(shí)，一般會(huì)出現(xiàn)壓應(yīng)力，降溫時(shí)也可能轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。在蓄水時(shí)因?yàn)樵黾恿怂奢d，應(yīng)力可能進(jìn)一步增加，也可能減少。在這一期間如果儀器已經(jīng)不能正常使用，我們就不可能了解溫度和應(yīng)力的變化規(guī)律，也就不可能對(duì)大壩的應(yīng)力是否滿足強(qiáng)度條件得出正確的結(jié)論。

  儀器使用壽命是難以用試驗(yàn)方法測試的指標(biāo)，必須從現(xiàn)場實(shí)際使用情況進(jìn)行考察，儀器質(zhì)量也和使用壽命有一定關(guān)聯(lián)，因此在儀器選型時(shí)還需要考慮到生產(chǎn)廠家。

  目前監(jiān)測儀器生產(chǎn)廠家很多，不同廠家的產(chǎn)品的功能和性能可能相似，但質(zhì)量和使用壽命可能大不相同。在設(shè)計(jì)選型和施工采購時(shí)只能選用經(jīng)過工程實(shí)踐長期考驗(yàn)廠家的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，切不可因?yàn)榈蛢r(jià)而選用那些未經(jīng)工程實(shí)踐長期考驗(yàn)的產(chǎn)品。

過去，有很多失敗的工程實(shí)例，都是這個(gè)原因造成的，在設(shè)計(jì)選型和施工采購時(shí)，不能不吸取這方面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

4、埋設(shè)儀器性能必須與監(jiān)測功能要求匹配

  這是一個(gè)易于忽略的問題，選定的儀器必須滿足監(jiān)測功能的要求，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中預(yù)期的監(jiān)測目的。為了解決這個(gè)問題首先要對(duì)儀器的性能和使用方法充分了解，選擇那些和預(yù)期監(jiān)測目的相適應(yīng)的儀器。例如設(shè)計(jì)要求監(jiān)測混凝土應(yīng)力，就要求儀器的變形模量不高于500MPa，且能同時(shí)測出測點(diǎn)的溫度，否則就不能選用。設(shè)計(jì)人員如果在這一方面未作細(xì)致考慮和調(diào)查研究，輕信儀器廠家的廣告或不負(fù)責(zé)任的傳說，選用了不恰當(dāng)?shù)膬x器，就可能導(dǎo)致監(jiān)測失敗。

5、埋設(shè)儀器要有較強(qiáng)的防水防雷性能，要有較高的絕緣度

  大壩巖土環(huán)境十分惡劣，埋設(shè)儀器需要能在一定水壓下長期工作，儀器和連接電纜不能進(jìn)水，其絕緣度不能降低到不能工作或引入很大誤差。大壩通常位置于雷電高發(fā)地區(qū)，儀器要有抗感應(yīng)雷電流的能力，否則易于為雷電流損壞。

6、埋設(shè)儀器要配套齊全，廠家應(yīng)有成套產(chǎn)品供應(yīng)

  在大壩和巖土工程中埋設(shè)儀器通常都需要不少品種，從采購、率定、埋設(shè)和測量等各個(gè)環(huán)節(jié)都希望采用同一類型的儀器，這樣工作單純和方便。如果在同一工程中采用多種類型的儀器，各自都要專用的率定、測量設(shè)備，采購、率定、埋設(shè)、觀測工作量都大為增加。

  因此，儀器選型時(shí)同時(shí)要了解儀器的配套性，盡可能為實(shí)施監(jiān)測設(shè)計(jì)取得良好的監(jiān)測效果創(chuàng)造條件。

幾類埋設(shè)儀器的選型分析

  在上世紀(jì)三十年代，就已經(jīng)發(fā)明了兩類埋設(shè)儀器，即差阻（彈性鋼絲）式儀器和鋼弦（振弦）式儀器。前者是美國人卡爾遜發(fā)明的，所以又稱卡爾遜儀器，現(xiàn)在在美國、瑞士、日本和中國都有工廠生產(chǎn)。鋼弦式儀器在法國、德國和前蘇聯(lián)都先后有人發(fā)明了這類儀器，分別有工廠生產(chǎn)，現(xiàn)在更多的國家有工廠出這類儀器產(chǎn)品，中國也有不少工廠生產(chǎn)。

  上世紀(jì)七十年代，日本共和電業(yè)試圖改進(jìn)差阻式儀器，他們推出了一種新型埋設(shè)儀器，其外形和差阻式儀器相同，但內(nèi)部用特制的電阻片彈性元件作為變換物理量為電量的敏感元件，這樣就克服了差阻式儀器的兩個(gè)缺點(diǎn)，其一，解決了差阻式儀器鋼絲易斷的問題；其二，解決了長電纜對(duì)測值影響問題。這種儀器就稱為貼片式儀器，因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中，需要把微型電阻片貼在彈性元件上。這種改變也帶來了新的缺點(diǎn)，因?yàn)椴捎昧烁唠娮柚档膽?yīng)變片元件，在電路絕緣降低后就不能測量，在實(shí)際使用中損壞率達(dá)1/3以上。由于電阻片是膠基的，同時(shí)又用膠粘貼到彈性元件上，這些高分子化合物的長期穩(wěn)定性是個(gè)問題，因此作為長期監(jiān)測就不適宜。我國也曾經(jīng)進(jìn)口了少量這類儀器，埋設(shè)后很快損壞。我國也曾經(jīng)研制過這種貼片式儀器，由于這些方面問題并未大量生產(chǎn)。

近年來，國內(nèi)儀器市場上可以采購到不少類型的監(jiān)測儀器，如電位器式、電感式、電容式、電解液式、壓阻式、光纖式等，但都不能取代兩類傳統(tǒng)的埋設(shè)儀器即差阻設(shè)儀器和鋼弦式儀器。因?yàn)檫@類儀器中，有的不符合前述埋設(shè)儀器的基本要求，有的則品種單一，有的是新研發(fā)的產(chǎn)品，還缺乏實(shí)際工程的考驗(yàn)。

  中國早在上世紀(jì)五十年代就已選擇差阻式儀器作為水利水電工程的埋設(shè)儀器，當(dāng)時(shí)還沒有中國自己的產(chǎn)品，只能從瑞士和日本進(jìn)口。最初埋設(shè)進(jìn)口儀器的有流溪河、上猶江、新安江等大壩。選擇這種儀器的理由是差阻式儀器測值穩(wěn)定、能同時(shí)兼測測點(diǎn)溫度，測量儀表（水工比例電橋）輕便。當(dāng)時(shí)的鋼弦式儀器的測量儀表很笨重而且使用不方便。為了解決國內(nèi)自己生產(chǎn)差阻式儀器的問題，水利電力部選定了南京水利電力儀表廠（即現(xiàn)在的南京電力自動(dòng)化設(shè)備總廠）作為研發(fā)和生產(chǎn)差阻式儀器的定點(diǎn)工廠，該廠從六十年代直到七十年代用了20多年的時(shí)間完成了儀器研制、提高、發(fā)展和批量生產(chǎn)的全過程，在技術(shù)水平上已和國外不相上下，使儀器性能、品種和產(chǎn)量滿足國內(nèi)水利水電建設(shè)的需求，而且也滿足一些國外工程的需要。

當(dāng)時(shí)，鋼弦式儀器和差阻式儀器比較，也具有自己的優(yōu)勢。因?yàn)殇撓沂絻x器輸出為頻率值，不受電纜阻抗影響，可以遠(yuǎn)傳數(shù)百米，不增加測值的誤差。鋼弦式儀器的分辨率較高，如果解決長期穩(wěn)定性問題，可獲得較高的測量精度。由于土石壩不需要測量測點(diǎn)溫度，因此可在土石壩中應(yīng)用。上世紀(jì)六十年代，我國一些科研單位也進(jìn)行了鋼弦式儀器的研究和生產(chǎn)，但投入和研發(fā)力度不如差阻式儀器，迄今，在產(chǎn)品品種和性能上和國外產(chǎn)品還有相當(dāng)大的差距。

  上世紀(jì)八十年代，我國科技人員在差阻式儀器的測量方法和實(shí)現(xiàn)遙測自動(dòng)化方面取得重大突破，即采用五芯測量方法代替了傳統(tǒng)的四芯測量方法?？栠d發(fā)明差阻式儀器時(shí)，采用了三芯測量方法連接惠斯登電橋測量，儀器電纜的芯線電阻對(duì)測值影響較大，增加了測值誤差。后來改進(jìn)為四芯測量方法，連接專用的水工比例電橋進(jìn)行測量，可以基本消除芯線電阻對(duì)溫度電阻的影響，但不能消除對(duì)電阻比測值的影響，因此連接電纜長度不宜超過百米，而且要求四根芯線的電阻相等，否則會(huì)增加誤差。

采用五芯測量方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的四芯測量方法后，連接以恒流源為基礎(chǔ)的檢測儀或自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行測量，可以消除電纜電阻對(duì)測值的影響，試驗(yàn)和實(shí)踐證明，連接電纜長達(dá)2000m，儀器的溫度電阻和電阻比也不受影響。芯線之間的差異及其變差對(duì)測值的影響也可以消除。這樣解決了不能連接長電纜進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量的問題，取得和鋼弦式儀器在這方面的同樣性。

  上世紀(jì)九十年代，采用五芯測量方法的分布式自動(dòng)化系統(tǒng)研制成功，進(jìn)一步使差阻式儀器的應(yīng)用得到優(yōu)化。與此同時(shí)，南京電力自動(dòng)化設(shè)備廠研發(fā)了更多的品種，進(jìn)一步提高了儀器性能[2]，使差阻式儀器的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣闊，成為大壩、巖土工程的埋設(shè)儀器。

  對(duì)照上節(jié)埋設(shè)儀器選型要求考查，差阻式儀器具有的適應(yīng)性、性有如下許多方面：

1、差阻式儀器的長期穩(wěn)定性優(yōu)良

  差阻式儀器由兩阻鋼絲組成，其測值穩(wěn)定性取決于鋼絲材料的松弛，鋼絲的銹蝕和焊接點(diǎn)的脫焊。生產(chǎn)廠家（南京電力自動(dòng)化設(shè)備廠）經(jīng)過幾十年的努力，鋼絲的銹蝕和焊接點(diǎn)的脫焊已解決。從這種儀器的原理來看，鋼絲材料的松弛，對(duì)電阻的影響是一次性的，電阻比是內(nèi)外兩個(gè)線圈電阻值的比值，因此基本不受影響?，F(xiàn)在，對(duì)鋼絲材料的松弛也有一定的工藝進(jìn)行處理，可使其影響十分微小。這樣，就使差阻式儀器具有良好的長期穩(wěn)定性。

為了驗(yàn)證這個(gè)問題國內(nèi)有多次試驗(yàn)成果，見[2][3]，證明差阻式儀器確實(shí)是穩(wěn)定的，和進(jìn)口產(chǎn)品相當(dāng)。

鋼弦儀器依靠單根鋼弦的振動(dòng)，其頻率和鋼弦的應(yīng)力成平方根關(guān)系，頻率的平方和應(yīng)力成一次關(guān)系，鋼絲材料的松弛對(duì)測值的影響比差阻式儀器嚴(yán)重得多。我國科技人員對(duì)此也十分重視，進(jìn)行過研究[4]。但國內(nèi)生產(chǎn)廠家很多，并不是都重視這個(gè)問題，長期穩(wěn)定性就成為鋼弦式儀器作為埋設(shè)儀器的大患。長期穩(wěn)定性同樣是國外鋼弦式儀器需要考核的問題，不是所有國外產(chǎn)品的長期穩(wěn)定性都好，有的廠家認(rèn)真消除不穩(wěn)定的因素，其產(chǎn)品的長期穩(wěn)定性就好，有的廠家的產(chǎn)品的長期穩(wěn)定性就不好，見[5]。因此選擇國外鋼弦式儀器作埋設(shè)儀器時(shí)，首先要了解其長期穩(wěn)定性的試驗(yàn)情況，盲目采購可能導(dǎo)致不良后果。

2、差阻式儀器可兼測同一測點(diǎn)的溫度

  對(duì)于混凝土壩來說，溫度是一非常重要的物理量?；炷恋臏囟瓤刂坪蜏囟葢?yīng)力測都需要了解溫度的大小、分布和變化規(guī)律。所有埋設(shè)儀器資料的溫度修正（溫度補(bǔ)償）計(jì)算都需要溫度測值。對(duì)于土石壩來說，現(xiàn)在認(rèn)識(shí)到壩體和壩基的溫度場對(duì)監(jiān)測滲流異常也很有用，因?yàn)榈蜏氐膸焖畬⒏淖儔误w和壩基的溫度場，監(jiān)測到此種變化，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)滲流問題。

鋼弦式儀器原來不能兼測測點(diǎn)溫度，需要另外埋設(shè)溫度計(jì)?，F(xiàn)在有的新式鋼弦式儀器中安裝了溫度傳感器，是高阻值的熱敏電阻，能夠測溫。這樣可以解決這種儀器本身需要的溫度修正（溫度補(bǔ)償）問題，也可提供測點(diǎn)的溫度測值。但從實(shí)際使用情況看，其測值精度較低，易于損壞，因?yàn)槠渥柚蹈?，在受潮后易于短路[6]。

3、差阻式應(yīng)變計(jì)變形模量低，更適合測量混凝土應(yīng)力應(yīng)變

  用于混凝土壩應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測的埋設(shè)儀器必須具有與混凝土彈性模量相匹配的變形模量，才能準(zhǔn)確地將混凝土應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電量為測量儀表或自動(dòng)化系統(tǒng)接收。差阻式應(yīng)變計(jì)的變形模量為400～500MPa，和早期混凝土的彈性模量相匹配，因此能在混凝土終凝后即測出混凝土的應(yīng)變。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榛炷翝仓髮⒁蛩嗨療嵘郎?，以后又逐漸降溫，混凝土應(yīng)力也從壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，有可能引起混凝土裂縫，亟需監(jiān)測。另一方面，混凝土應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算需要考慮全部歷史應(yīng)變（承前應(yīng)變），否則將引入很大誤差，因此應(yīng)變資料的基準(zhǔn)值取得越早越好。采用差阻式應(yīng)變計(jì)測應(yīng)變時(shí)，通常在混凝土終凝前后取基準(zhǔn)值。

鋼弦式應(yīng)變計(jì)的變形模量約在20000MPa，埋設(shè)后不能立即反映混凝土變形，一直到混凝土彈性模量發(fā)展到和儀器匹配時(shí)才能和混凝土協(xié)調(diào)變形，這樣只能測到57%～87%的應(yīng)變量，對(duì)于蓄水后的應(yīng)力監(jiān)測是不利的。由于混凝土澆筑初期的溫度應(yīng)力測不到，不能為混凝土溫度控制和防止裂縫提供依據(jù)，是不能容忍的損失。

4、采用五芯連接電纜的差阻式儀器可以消除電纜電阻和芯線電阻變差的影響，遙測距離可達(dá)2000m。

  由于我國科技人員在差阻式儀器測量技術(shù)方面的突破，解決了長期困擾的電纜電阻對(duì)測值的影響問題，不僅使遙測距離大大加長，而且提高了差阻式儀器監(jiān)測資料質(zhì)量，因?yàn)樾揪€電阻變差會(huì)引入電阻比和電阻值的誤差，使測值精度降低，采用五芯測法，這個(gè)問題即不復(fù)存在。

差阻式儀器的遙測距離加長，在土石壩和隧洞中的應(yīng)用就很方便，不再需要考慮長電纜的影響問題。由于五芯測法解決了消除電纜電阻和芯線變差的影響問題，對(duì)集線箱的接觸電阻及芯線電阻一致性的要求就不需要太高了。

5、差阻式儀器能承受0.5～3MPa以上的外水壓力，儀器的密封性高且有高絕緣要求，適宜于在水工環(huán)境及高水壓下使用。

  早期的差阻式儀器只能承受0.5MPa的水壓力，適宜于一般混凝土壩和巖土工程中使用，對(duì)于高壩、深基礎(chǔ)、深防滲墻及高壓水下是不適宜的。上世紀(jì)末，南京電力設(shè)備總廠研制成功耐高壓差阻式儀器，為高水壓下的使用提供了優(yōu)良的監(jiān)測儀器。這種耐高壓差阻式儀器內(nèi)部安裝了微型平壓元件，理論上能讓儀器承受一切外部水壓，儀器變形模量并不加大，所以特別是適宜于高防滲墻和高壓管道的監(jiān)測。

  差阻式儀器出廠時(shí)要求儀器具有耐受50MΩ的絕緣要求，但這種儀器其實(shí)是低阻值儀器，即使電路絕緣較低，甚至低到1`MΩ以下，也能正常測量。

  鋼弦式儀器雖然也能一定的水壓力，但不是用內(nèi)部平壓元件達(dá)到的，因此其剛度很高，不宜用于高防滲墻和高壓管道的應(yīng)變測量。過去不少工程實(shí)例說明有些國產(chǎn)鋼弦式儀器的防水能力特別脆弱，埋設(shè)后大量損壞，使用時(shí)必須注意考核。

  鋼弦式儀器出廠時(shí)沒有絕緣要求，測量電路中如有某個(gè)環(huán)節(jié)絕緣下降，就可能導(dǎo)致儀器不能測量。從我們曾經(jīng)為之改造過監(jiān)測系統(tǒng)的魯布革電站和松子坑水庫的鋼弦式儀器大量失效來看，其原因多半是由于儀器及其電纜進(jìn)水或絕緣降低造成的。

6、差阻式儀器具有一定的抗感應(yīng)雷電流能力

  差阻式儀器由低電阻鋼絲繞制而成，鋼絲繞阻又浸泡在變壓器油中，能夠承受一定的感應(yīng)雷電流的沖擊。瑞士胡根伯儀器廠的JOSEF ZILTENER說他們通過瑞士電氣技術(shù)協(xié)會(huì)進(jìn)行過測試，差阻式儀器能夠承受4.8～5.2KV的涌浪電壓的沖擊。實(shí)際上埋設(shè)在壩內(nèi)的儀器沒有損壞于雷電流的報(bào)道，但埋設(shè)在壩面的儀器和連接了長電纜又敷設(shè)在壩面的儀器仍然需要防雷措施，否則恐怕要遭受雷害。

鋼弦式儀器的防雷性能較差，不但其連接電纜采用了屏蔽電纜，必要時(shí)還需要連接防雷器和良好的地線。

7、差阻式儀器具有長壽命，埋設(shè)在壩內(nèi)的儀器可運(yùn)行10～20年以上

  在混凝土壩中埋設(shè)的差阻式儀器可以正常工作20年以上，國內(nèi)外的工程實(shí)例很多。因?yàn)榇髩问┕て谳^長，儀器埋設(shè)后首先要為施工期提供監(jiān)測資料，其次，要能監(jiān)測初期蓄水的大壩性態(tài)，蓄水后的5～10年也需要儀器監(jiān)測資料，以了解大壩運(yùn)行規(guī)律。差阻式儀器的長壽命滿足這一監(jiān)測過程的要求。

8、差阻式儀器具有雙監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以利用其相互關(guān)系來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性

  從差阻式儀器獲得的監(jiān)測數(shù)成雙的，一個(gè)是電阻比，它相關(guān)于儀器承受的物理量，另一個(gè)是電阻值，相關(guān)于測點(diǎn)溫度。兩個(gè)測值之間有一定的關(guān)系，它們都來自于儀器的兩組鋼絲的電阻R1和R2。我們利用他們的相互關(guān)系就可以檢查監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，例如儀器的電阻比大幅跳動(dòng)，就可能有幾種原因：監(jiān)測物理量異常；混凝土裂縫；儀器鋼絲松脫；檢測儀表異常，通過分析可以確定數(shù)據(jù)跳動(dòng)的真正原因[2][7]。

  鋼弦式儀器或其它非電量傳感器都只有一個(gè)測值，在發(fā)生異常變化時(shí)就不可能用這種方法檢驗(yàn)。不能正確判斷異常的原因，為資料分析帶來困難。

9、差阻式儀器可以用于動(dòng)態(tài)監(jiān)測

  早在上世紀(jì)60年代，我國科技人員即進(jìn)行過差阻式儀器的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，進(jìn)行了國產(chǎn)、瑞士產(chǎn)、日本產(chǎn)的大應(yīng)變計(jì)在空氣中的振動(dòng)試驗(yàn)，又進(jìn)行了埋設(shè)在固體介質(zhì)的動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)研究。認(rèn)為大應(yīng)變計(jì)在空氣中的自振頻率與其變形模量的平方根成正比，在100Hz的范圍內(nèi)具有良好的頻率和動(dòng)荷重特性。而在固體介質(zhì)中，在1000Hz的之內(nèi)，仍具有良好的頻率和動(dòng)荷重特性[8]。

近年來，河海大學(xué)在南京電力設(shè)備總廠進(jìn)行過試驗(yàn)，認(rèn)為在300Hz以下測試也很好，河海大學(xué)和東南大學(xué)都在巖土工程中采用差阻式儀器進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試，取得良好成果。

10、差阻式儀器的品種、規(guī)格齊全，并具有配套件和有關(guān)率定設(shè)備，為設(shè)計(jì)和實(shí)施提供方便。

  差阻式儀器現(xiàn)有16種產(chǎn)品幾十種規(guī)格，已相當(dāng)齊全，覆蓋了大壩巖土工程的大部分主要監(jiān)測項(xiàng)目，同時(shí)還為用戶提供了必要的配套件和率定設(shè)備。這樣，在同一工程中可以保證使用同一類型的監(jiān)測儀器，同一種集線箱和檢測儀表，也便于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測自動(dòng)化。

在施工埋設(shè)前的現(xiàn)場率定是一個(gè)保證埋設(shè)儀器質(zhì)量和完好率的重要措施，因?yàn)槁识ㄔO(shè)備有保障，且有成套率定方法，對(duì)差阻式儀器來說，是不成問題的。

  鋼弦式儀器在這方面有差距，從大壩和巖土工程需求來看，儀器品種規(guī)格還不足，特別是一些配套件，也沒有率定設(shè)備供應(yīng)。生產(chǎn)廠家的率定設(shè)備和率定方法是不給用戶提供的，為這種儀器的使用增添了困難。

11、差阻式儀器主要產(chǎn)品具有國家標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)齊全，國內(nèi)具有豐富的使用經(jīng)驗(yàn)和資料分析經(jīng)驗(yàn)

  國內(nèi)從上世紀(jì)50年代即開展了差阻式儀器的研究，80年代就制定了主要產(chǎn)品的國家標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在各種產(chǎn)品的企業(yè)都已齊全，儀器的質(zhì)量和性能有標(biāo)準(zhǔn)加以規(guī)范。國產(chǎn)差阻式儀器問世以來，埋設(shè)在包括三峽大壩在內(nèi)的上千座的大壩和巖土工程中，已生產(chǎn)和埋設(shè)的儀器已經(jīng)超過20萬臺(tái)（支）。60年來，在我國科研、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和高校積累了豐富的使用經(jīng)驗(yàn)和分析資料經(jīng)驗(yàn)，提出了成套的儀器率定和儀器鑒定方法，發(fā)表了大量分析成果。

  綜上所述，可見差阻式儀器是十分良好的埋設(shè)儀器，適宜于在大壩和巖土工程中用。但是這種儀器也有一定的缺點(diǎn)，成為使用中的局限性。其缺點(diǎn)是：

1、分辨力和精度較低

  由于鋼絲材料的局限性，差阻式儀器的分辨力和精度較鋼弦式儀器的分辨力和精度低，為了在這方面有所改進(jìn)，還需要加強(qiáng)研究，進(jìn)一步提高。從工程應(yīng)用的觀點(diǎn)，現(xiàn)有的儀器的精度是滿足要求的，從安全監(jiān)測角度考慮也是足夠的。加上長期穩(wěn)定性的因素，在大多數(shù)情況下，其綜合精度并不遜色。

2、儀器的輕便性有待提高

  有些品種如位移計(jì)計(jì)及由此改裝的兩向、三向測縫計(jì)都較鋼弦式同類儀器笨重。多點(diǎn)位移計(jì)的傳感器也采用了測縫計(jì)和位移計(jì)，需要減少直徑，降低重量。

3、儀器引出電纜亟需改進(jìn)

  傳統(tǒng)的差阻式儀器采用三芯電纜引出，因?yàn)閮x器端部密封室很小，三芯電纜便于焊接。現(xiàn)在推廣使用五芯儀器，將引出電纜改為五芯，這樣便于施工埋設(shè)時(shí)接長，防止接錯(cuò)。

4、要保證測量儀表和自動(dòng)化系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性

  因?yàn)闇y量儀表和自動(dòng)化系統(tǒng)是監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的手段，沒有良好的精度和高度的穩(wěn)定性就不可能取得可靠的監(jiān)測資料，可以認(rèn)為這是所有埋設(shè)儀器的基礎(chǔ)。為了解決這個(gè)問題，首先要制定出五芯測量儀表和自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并以此為根據(jù)，考核現(xiàn)有的有關(guān)儀表和自動(dòng)化系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，保證已埋設(shè)差阻式儀器的監(jiān)測資料的可靠性。