船閘結構施工過程光纖監測應用研究

宋占璞

摘 要：文章以海安船閘工程為例，采用三種光纖感測技術對船閘結構施工過程進行了監測應用研究。運用拉曼散射光時域反射技術對底板混凝土水化熱的釋放過程進行了監測;運用布里淵光時域分析技術和布喇格光纖光柵傳感技術對混凝土和鋼筋應變進行了監測。根據監測結果，分析了混凝土水化熱釋放過程和上部荷載雙重作用下船閘底板混凝土和鋼筋的應變過程，并分析了相關監測結果的形成機理。研究成果表明分布式光纖感測技術在船閘等大型水工結構施工安全監測中具有很大的優勢，值得應用推廣。

關鍵詞：船閘工程;光纖監測;混凝土;結構監測

中圖分類號：TV7+X171.4? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）01-0051-04

引言

大型鋼筋混凝土結構在以船閘、大壩為代表的水利水運工程中得到了越來越廣泛的應用。由于船閘工程結構復雜、施工難度大，需要在施工期間對其關鍵部位的應變、應力狀態進行監測[1]。監測閘首結構施工過程中鋼筋混凝土結構的溫度、應力、應變，可以對閘首結構的施工質量的準確評估，對運行期的維護提供科學依據，也為類似船閘的優化設計提供了數據支撐[2，3]。

目前，對于船閘工程施工期監測所采用的相關技術主要有沉降儀、測斜儀、全站儀、水準儀等[4]。這些監測技術均屬于點式測量，測點分散，也很難對混凝土結構內部的應力應變和溫度進行實時測量。近年來光纖感測技術作為分布式監測手段，已越來越多地應用于工程結構的施工監測和健康診斷。分布式光纖感測技術屬于無源感測技術，采用光信號感測具有本質安全、抗電磁干擾、防水防潮、抗腐蝕和耐久性長等特點[5]。另外，該技術采用光纖傳輸，傳輸損耗小，容易實現遠距離信號傳輸和自動監測控制。相關研究人員在土木工程、水利工程和航空航天等領域已經開展了廣泛的光纖感測技術理論和應用研究，取得了一系列研究成果：施斌等[6，7]將分布式感測光纖黏貼在隧道混凝土表面對其進行健康診斷，Matta等[8]將傳感光纖黏貼在鋼結構表面以監測鋼橋應變，Zhou等[9]將傳感光纖加工成復合筋的形式埋入鋼筋混凝土梁內部并隨其進行了實驗研究。此外，毛江鴻等[10]開展了光線感測技術在結構應變及開裂監測中的應用研究，但其研究僅限理論論證及室內試驗，缺乏實際工程驗證。

本文以江蘇省海安船閘為依托工程，采用三種光纖感測技術，包括布里淵光時域分析技術（Brillouin Optical Time-domain Analysis，簡稱BOTDA），拉曼散射光時域反射測量技術（Raman Optical Time-domain Refectometry，簡稱ROTDR）和布喇格光纖光柵技術（Fiber Bragg grating，簡稱FBG）分別對船閘閘首底板在溫度、受荷作用下混凝土結構內部的應力應變信息，閘首底板混凝土澆筑過程中水化熱的釋放和底板內部鋼筋的應力應變信息進行了監測，取得了一些新的認識。

1光纖感測技術原理

本次研究采用了BOTDA、ROTDR和FBG三種光纖感測技術，它們具有各自的感測原理和功能。BOTDA技術基于受激布里淵散射原理，利用了光纖中的布里淵散射光頻率變化量與光纖軸向應變、環境溫度之間的線性關系來實現傳感[6，7]。ROTDR測溫技術以光脈沖來照射纖芯，光波發生拉曼散射，散射光中斯托克斯光和反斯托克斯光的強度比和溫度具有線性關系[5]。FBG具有良好的波長選擇特性，滿足布喇格衍射條件的入射光（波長為lB）在FBG處被耦合反射，反射光譜在FBG中心波長lB處出現峰值，布喇格衍射條件可表示為[11]。應變和溫度的變化量與反射光中心波長lB的位移有良好的線性關系，通過檢測反射光中心波長的漂移，實現對環境溫度和結構應變的監測。

2監測方案

2.1船閘概況

海安船閘位于江蘇省南通市海安縣，采用雙線230×23×4.0（m）上、下閘首對齊布置，兩閘中心距60m，閘首采用整體剛度大抗震性能好的鋼筋混凝土塢式結構，閘首邊墩采用空箱式結構，左右空箱底部設有輸水廊道。

2.2 監測方案

2.2.1混凝土水化熱溫度監測

針對閘首底板結構尺寸大、混凝土分塊澆筑的特點，本次研究采用分布式ROTDR測溫技術與點式FBG測溫技術相結合的方式監測底板混凝土水化熱溫度：分布式測溫傳感光纖采用U字型回路布設于底板中部，U字型間距3m，距表層1.5m處，監測底板混凝土內部水化熱溫度變化過程;FBG溫度計與結構上、下表層鋼筋綁扎安裝，監測結構表層混凝土溫度。底板結構設置后澆帶，橫向隔離為三個體積相近的塊體，塊體編號及光纖傳感器布設如圖1所示。

2.2.2 混凝土和鋼筋應變監測

用BOTDA技術分布式纖維加強筋光纖監測底板上、下表層混凝土在閘首施工過程中的應變;采用FBG鋼筋應力計監測底板上、下表層鋼筋在閘首施工過程中的應變，傳感器的技術參數如表2所示。應變傳感光纖和鋼筋應力計垂直于船閘軸向安裝，監測底板結構鋼筋受力及底板撓曲變形，位置示意見圖1。

2.2.3 混凝土裂縫監測

閘首輸水廊道上導角位置混凝土受上部荷載及流水沖刷作用最易發育裂縫。本次研究采用BOTDA技術將纖維加強筋光纜沿輸水廊道上導角混凝土表層，監測該位置混凝土應變，結合混凝土材料的極限抗拉強度判斷混凝土裂縫發育情況，傳感器安裝位置示意見圖1。

3監測結果分析

3.1 混凝土水化熱溫度

閘首中底板結構長14.8m，寬29.2m，高3m，澆筑混凝土1042m3，屬于大體積混凝土結構。大體積混凝土由于水泥水化釋放水化熱，結構內部和表層散熱條件不同形成內外溫差，由于內外約束存在，混凝土不能自由變形，在水化熱作用下產生溫度應力。圖2為混凝土澆筑完成之后ROTDR系統獲得的內部溫度場變化過程云圖：

從圖中可以看出，混凝土澆筑完成之后，水化熱反應迅速，1-5天底板內部溫度快速上升，至第5天，底板混凝土內部區域溫度達到最大值。混凝土內部溫度升高之后，內部熱量向表層傳遞散熱;第7天之后，內部溫度開始緩慢下降。至澆筑完成第14天，混凝土內部溫度場下降至平穩階段，至養護期結束，混凝土內部溫度降至環境溫度。

圖3是光柵FBG傳感器監測的底板上、下表層溫度與ROTDR測得的底板中心溫度差值。由圖可知，上表層混凝土溫度澆筑完成初期下降較快，隨后中心溫度向表層消散，上表層臨空，散熱條件較好，下表層附著地基，散熱條件不理想，說明底板大體積混凝土水化熱主要通過上表層散熱。

3.2 混凝土應變

基于BODTA技術的閘首底板混凝土結構應變監測網絡，測得船閘工程閘首結構封鉸之后、邊墩后土體回填完成和船閘通航之后閘首底板上、下表層的混凝土應變變化，見圖4。

3.3 鋼筋應變

閘首底板FBG鋼筋應力計采用與主筋串聯焊接的方式安裝，現場實時監測混凝土澆筑完成之后2#底板中鋼筋的應變，監測結果見圖5（a）。分析上、下表層鋼筋受力作用，

4 結論

（1）采用ROTDR和FBG相結合的分布式光纖感測技術，能完整監測到閘首底板大體積混凝土水化熱的釋放過程。

（2）采用BOTDA與ROTDR相結合，準確地獲取了船閘閘首底板結構在施工過程中混凝土的應變分布。

（3）采用FBG準分布式光柵傳感技術監測了船閘閘首底板中鋼筋的應力變化過程。

本次采用光纖感測技術監測船閘結構施工過程的結果表明：根據被測物的結構特點，利用三種分布式光纖感測技術各自優勢，取長補短，可形成船閘分布式光纖傳感監測體系，可實現船閘整體和局部的精細化監測。

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基金項目：江蘇省青年基金項目（SBK2017040181）