一种地震条件下大坝安全动态监测装置及监测方法技术领域
本发明涉及一种监测装置及监测方法，具体涉及一种地震条件下大坝安全动态监
测装置及监测方法。
背景技术
地震条件下大坝的安全性态评估涉及水工结构物、岩土体、水、地震等多场耦合作
用，作用机制异常复杂，单纯的结构正分析理论很难直接应用于工程实践，存在结构过于复
杂、分析模型难于简化、边界条件难于确定、公式推导不便等困难；缩尺模型试验，在模型与
原型的可比性、“尺寸效应”等方面存在困扰；数值模拟由于计算参数很难准确获取、不连续
面力学特性难于描述、计算边界条件很难与实际情况相符等因素导致计算结果的准确度和
可信度也大打折扣。
而大坝安全监测是水库大坝运行管理过程中的一项基本工作，通过监测表征大坝
等水工建筑物结构性态的各关键信息(如变形、应力应变、渗流等)来评估大坝的安全状态。
静力学条件下，大坝的上述各物理量信息变化相当缓慢，呈静态特征，通常采取每天1～2次
进行周期性监测即可满足需要，一般由大坝安全监测自动化采集装置按设定的起测时间启
动一次数据采样，然后传输至计算机进行成果计算、数据存储，已有的大坝安全监测方法对
数据采样速度要求不高，现有的监测方法完成一次多测点数据采集周期普遍在1分钟以上。
而当大坝处于地震工况时，各物理量在短时间内(地震持续时间一般1分钟左右)急速变化，
已有的大坝安全监测方法无法捕捉到振动前后及过程中的数据信息。
现有的大坝安全监测方法主要是针对静态条件下设计，采取基于时间的周期性定
时触发或手动方式进行数据监测，而非在线式连续高速监测，对于地震工况下的数据监测，
这种监测方法存在一些不足：
(1)无法完整监测振动过程的数据信息。触发式监测方式具有一定的滞后性，从震
动状态的获取，到触发监测的启动执行，再到数据监测的采样过程，均需耗费一定的时间，
因而无法监测震动前、震动过程初段的数据信息；
(2)数据监测采样速度无法满足要求。静态监测方法数据采样速率较低，连续监测
采样间隔普遍在1分钟以上，而地震持续时间大部分仅仅1分钟左右，因此，现有监测方法的
数据采样速度根本无法捕捉震动过程中的数据变化。
因此，现有的大坝安全监测方法无法实现对地震前后及振动过程的完整监测，不
能满足地震条件下大坝安全信息的动态监测要求。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种地震条件下大坝
安全动态监测装置及监测方法，在实现了常规静态监测同时，也实现了对地震条件下大坝
安全的动态监测。
为解决上述技术问题，本发明提供一种地震条件下大坝安全动态监测装置，包括
动态监测传感器，用于感知反应大坝动力学安全性态的参数信息，参数信息包括变形、应变
和渗流；
数据采集器，用于对动态监测传感器信号进行在线采样，并通过通讯网络向上位
机监测系统传输、交换数据；
地震检测装置，用于捕捉地震状态，若检测到地震发生时，向通讯网络中广播地震
事件；
上位机监测系统，用于对数据采集器发送的数据进行处理，并对监测装置进行管
理控制；
数据库，用于存储检测数据及参数信息。
进一步，所述的通讯网络包括主通讯网络和备通讯网络。
进一步，所述数据库包括数据暂存区、地震事件数据存储区和常规监测数据存储
区；
所述数据采集器按设定频次对动态监测传感器的信号进行采样，并将数据写入数
据暂存区，数据暂存区的数据按时间序列滚动更新；
常规检测状态下，即未发生地震时，数据采集器按设定频次将数据从数据暂存区
复制存储到常规监测数据存储区；
当地震发生时，数据采集器从通讯网络中接收到地震检测装置播送的地震信息，
地震信息包括地震开始时刻T1和震级，将地震发生前一段时间t1、地震期间和地震结束时
刻T2后一段时间t2的数据从数据暂存区复制存储到地震事件数据存储区，从而完整地监测
地震前后及地震过程中的数据。
进一步，数据暂存区的数据为实时更新，所需的数据存储容量Q为：
Q＝fs·T·m·Co
其中，fs为采样频率，单位：个/秒；T为监测时间，单位：秒；m为接入装置的测点数；
co为单个测点数据的大小，单位：字节/个；
地震事件数据存储区包括对余震的数据存储，主震发生后的时间t，余震发生次数
n(t)的计算公式为：
其中，K、c、p是系数；
通讯网络的通讯速率C的计算公式如下：
C＝m·fs·CO
其中，m为监测的测点数。
进一步，所述动态监测传感器、数据采集器和地震检测装置为同一时标，且具有独
立时钟，通过上位机监测系统定期同步时间信息。
本发明还提供一种地震条件下大坝安全动态监测方法，包括如下步骤：
步骤一，通过动态监测传感器感知反应大坝动力学安全性态的参数信息，并将参
数信息发送给数据采集器，参数信息包括变形、应变和渗流；
步骤二，数据采集器对动态监测传感器信号进行在线采样，并将采集到的数据存
储在数据库中，且根据地震是否发生，改变数据采集器的监测频次；
步骤三，通过地震检测装置捕捉地震状态，若检测到地震发生时，向通讯网络中广
播地震事件，数据采集器从通讯网络中接收地震信息，一方面将数据存储在数据库，另一方
面通过通讯网络向上位机监测系统传输，由上位机监测系统进行实时监控。
进一步，所述的通讯网络包括主通讯网络和备通讯网络。
进一步，所述数据库包括数据暂存区、地震事件数据存储区和常规监测数据存储
区；
所述数据采集器按设定频次对动态监测传感器的信号进行采样，并将数据写入数
据暂存区，数据暂存区的数据按时间序列滚动更新；
常规检测状态下，即未发生地震时，数据采集器按设定频次将数据从数据暂存区
复制存储到常规监测数据存储区；
当地震发生时，数据采集器从通讯网络中接收到地震检测装置播送的地震信息，
地震信息包括地震开始时刻T1和震级，将地震发生前一段时间t1、地震期间和地震结束时
刻T2后一段时间t2的数据从数据暂存区复制存储到地震事件数据存储区，从而完整地监测
地震前后及地震过程中的数据。
进一步，数据暂存区的数据为实时更新，所需的数据存储容量Q为：
Q＝fs·T·m·Co
其中，fs为采样频率，单位：个/秒；T为监测时间，单位：秒；m为接入装置的测点数；
co为单个测点数据的大小，单位：字节/个；
地震事件数据存储区包括对余震的数据存储，主震发生后的时间t，余震发生次数
n(t)的计算公式为：
其中，K、c、p是系数；
通讯网络的通讯速率C的计算公式如下：
C＝m·fs·CO
其中，m为监测的测点数。
进一步，所述动态监测传感器、数据采集器和地震检测装置为同一时标，且具有独
立时钟，通过上位机监测系统定期同步时间信息。
本发明所达到的有益技术效果：本发明解决了静态监测方法无法满足地震条件下
的监测要求的问题，在实现常规静态监测需求的同时，实现了对地震条件下大坝安全的动
态监测，方案清晰简单，易于实现，具有较高的实用价值。
附图说明
图1本发明之地震条件下大坝安全动态监测装置组成框图；
图2本发明之数据采集器对采集到的数据进行存储的流程框图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明
的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供一种地震条件下大坝安全动态监测装置，包括动态监测传
感器，用于感知反应大坝动力学安全性态的参数信息，参数信息包括变形、应变和渗流；
数据采集器，用于对动态监测传感器信号进行在线采样，并通过通讯网络向上位
机监测系统传输、交换数据；
地震检测装置，用于捕捉地震状态，若检测到地震发生时，向通讯网络中广播地震
事件；
上位机监测系统，用于对数据采集器发送的数据进行处理，并对监测装置进行管
理控制；
数据库，用于存储检测数据及参数信息。
考虑到通讯网络延伸分布广，地震具有一定的破坏性，网络一旦中断，数据采集器
将无法接收到地震事件信息，因此所述的通讯网络包括主通讯网络和备通讯网络。
数据采集器采用连续在线高速采样、时间触发转储的检测方式，实现对整个地震
过程的动态监测，具体过程如图2所示，所述数据库包括数据暂存区、地震事件数据存储区
和常规监测数据存储区；
所述数据采集器按设定频次对动态监测传感器的信号进行采样，并将数据写入数
据暂存区，数据暂存区的数据按时间序列滚动更新，即先进先出，保持最新一段时间的数
据；数据暂存区的数据为实时更新，所需的数据存储容量Q为：
Q＝fs·T·m·Co
其中，fs为采样频率，单位：个/秒；T为监测时间，单位：秒；m为接入装置的测点数；
co为单个测点数据的大小，单位：字节/个；
常规检测状态下，即未发生地震时，数据采集器按设定频次，如1次/天，将数据从
数据暂存区复制存储到常规监测数据存储区；
当地震发生时，数据采集器从通讯网络中接收到地震检测装置播送的地震信息，
地震信息包括地震开始时刻T1和震级，将地震发生前一段时间t1、地震期间和地震结束时
刻T2后一段时间t2的数据从数据暂存区复制存储到地震事件数据存储区，从而完整地监测
地震前后及地震过程中的数据。
地震持续的时间通常较短，大部分地震持续时间约为1分钟左右，考虑一定的余
量，一次地震事件的记录时间按照2分钟估算。大地震过后通常会有若干次较大的余震，对
余震也需要进行监测。通常震级越大，余震就越多，余震的次数一般会随主震后的时间推移
而逐渐衰减。地震事件数据存储区包括对余震的数据存储，主震发生后的时间t，余震发生
次数n(t)的计算公式为：
其中，K、c、p是系数；
通讯网络的通讯速率C的计算公式如下：
C＝m·fs·CO
其中，m为监测的测点数；
当地震发生时，必须采用足够密集的测次方能捕捉到地震工况下的大坝工作性态
变化，这就对动态监测的采样频率提出了要求。
当地震波在场地土中传播时，由于不同性质界面多次反射的结果，仅有处于场地
特征周期的地震波强度会得到增强，而其余周期的地震波则被削弱。为了减小地震引起的
共振作用，实际建筑结构的自振周期一般会大于设计特征周期。《水工建筑物抗震设计规范
GB5073-2000》中指出，设计特征周期Tg与场地类别有关，即场地类别越高、越软，Tg越大。从
保守角度出发，考虑在I类场地上，即坚硬场地，通常大坝建造在此类场地上的设计特征周
期Tg为0.2s，其它类别场地的设计特征周期均高于该值。理论上当采样频率为最高频率的2
倍时就能完整保留原始信号的信息，一般在工程实用中取采样频率为最高频率的5～10倍。
因此采样周期可选取为特征周期的十分之一即0.02s，也就是说采样频率宜选用50Hz方可
满足在震动环境下的I类场地动态监测数据采集需求，如表1所示。为效监测地震对监测对
象的短期破坏影响，地震事件后的一段时间内，如一周，数据采集器可以以较高的监测频
次，如1次/分钟进行数据采样保存。
表1不同场地类别特征周期和采样频率关系
场地类别
I
II
III
IV
特征周期Tg(s)
0.2
0.3
0.4
0.65
采样频率(Hz)
50
35
25
20
所述动态监测传感器、数据采集器和地震检测装置为同一时标，以便于分析各效
应量测值与地震特性量以及其它变量之间的时间对应关系，且具有独立时钟，通过上位机
监测系统定期同步时间信息。
本发明还提供一种地震条件下大坝安全动态监测方法，包括如下步骤：
步骤一，通过动态监测传感器感知反应大坝动力学安全性态的参数信息，并将参
数信息发送给数据采集器，参数信息包括变形、应变和渗流；
步骤二，数据采集器对动态监测传感器信号进行在线采样，并将采集到的数据存
储在数据库中，且根据地震是否发生，改变数据采集器的监测频次；
步骤三，通过地震检测装置捕捉地震状态，若检测到地震发生时，向通讯网络中广
播地震事件，数据采集器从通讯网络中接收地震信息，一方面将数据存储在数据库，另一方
面通过通讯网络向上位机监测系统传输，由上位机监测系统进行实时监控。
考虑到通讯网络延伸分布广，地震具有一定的破坏性，网络一旦中断，数据采集器
将无法接收到地震事件信息，因此所述的通讯网络包括主通讯网络和备通讯网络。
数据采集器采用连续在线高速采样、时间触发转储的检测方式，实现对整个地震
过程的动态监测，具体过程如图2所示，所述数据库包括数据暂存区、地震事件数据存储区
和常规监测数据存储区；
所述数据采集器按设定频次对动态监测传感器的信号进行采样，并将数据写入数
据暂存区，数据暂存区的数据按时间序列滚动更新，即先进先出，保持最新一段时间的数
据；数据暂存区的数据为实时更新，所需的数据存储容量Q为：
Q＝fs·T·m·Co
其中，fs为采样频率，单位：个/秒；T为监测时间，单位：秒；m为接入装置的测点数；
co为单个测点数据的大小，单位：字节/个；
常规检测状态下，即未发生地震时，数据采集器按设定频次，如1次/天，将数据从
数据暂存区复制存储到常规监测数据存储区；
当地震发生时，数据采集器从通讯网络中接收到地震检测装置播送的地震信息，
地震信息包括地震开始时刻T1和震级，将地震发生前一段时间t1、地震期间和地震结束时
刻T2后一段时间t2的数据从数据暂存区复制存储到地震事件数据存储区，从而完整地监测
地震前后及地震过程中的数据。为效监测地震对监测对象的短期破坏影响，地震事件后的
一段时间内，如一周，数据采集器可以以较高的监测频次，如1次/分钟进行数据采样保存。
地震持续的时间通常较短，大部分地震持续时间约为1分钟左右，考虑一定的余
量，一次地震事件的记录时间按照2分钟估算。大地震过后通常会有若干次较大的余震，对
余震也需要进行监测。通常震级越大，余震就越多，余震的次数一般会随主震后的时间推移
而逐渐衰减。地震事件数据存储区包括对余震的数据存储，主震发生后的时间t，余震发生
次数n(t)的计算公式为：
其中，K、c、p是系数；
通讯网络的通讯速率C的计算公式如下：
C＝m·fs·CO
其中，m为监测的测点数；
所述动态监测传感器、数据采集器和地震检测装置为同一时标，以便于分析各效
应量测值与地震特性量以及其它变量之间的时间对应关系，且具有独立时钟，通过上位机
监测系统定期同步时间信息。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人
员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形
也应视为本发明的保护范围。