船閘結構施工過程光纖監測應用

夏猛 中設設計集團股份有限公司

船閘工程對于施工質量的要求相對較高，由于其多為大型鋼筋混凝土結構，閘首底板大體積混凝土結構內部的抗拉能力相對較差，當受到溫度條件的影響以后，極易出現嚴重的結構裂縫，對整體結構產生極為不利的影響。因此，為了保障船閘結構符合相應的標準，在工程建設施工的過程中，施工企業必須要充分應用光纖技術來進行施工監測，充分發揮光纖監測在施工質量控制方面的作用，提高船閘結構的穩定性與安全性。

1.光纖感測技術原理

在船閘結構工程施工時，光纖感測技術是一種有效的監測技術，此技術的應用可以為施工質量控制提供良好的技術支持。一般情況下，最為常用的就是BOTDA、ROTDR、FBG幾種，在實際的應用過程中，這些不同的感測技術存在不同的技術原理與應用條件，為發揮其不同光纖監測技術的優勢，在船閘結構施工的過程中，需要結合其具體的結構特征、現場環境條件，選擇最佳的光纖感測技術，獲得更為精確的監測數據。BOTDA技術對船閘結構工程的施工監測原理是受激布里淵散射，在此散射作用下，各種參數在此過程中存在著一定的相關性，比如，頻率變化量、光纖軸向應變與環境溫度，通過這些量之間的聯系可以有效實現傳感，進而達到良好的監測效果。

表1 解調儀主要性能的對比

ROTDR測溫技術同樣是船閘結構工程施工中的一種關鍵監測技術，此技術的應用過程中，將光脈沖信號照射到纖芯，當光纖接收到此信號以后，光子與光聲子之間會發生明顯的非彈性碰撞作用，而此作用的出現必然伴隨著拉曼散射。作為一種特殊的散射作用，此散射光中為反斯托克斯光、斯托克斯光，前者的頻率相對較高，而后者的頻率要略微低些。在散射原理出現的瞬時時間段內，斯托克斯光與反斯托克斯光之間的強度比、溫度之間息息相關，當溫度出現明顯的變化時，二者的強度比同樣會呈現出線性變化。通過對這種關系的掌握，使得相關人員可以利用此種監測技術來活動相應的溫度信息，進而進行施工質量的監測與評估。

FBG監測技術是一種相對特殊的監測技術，其特殊性主要體現在其波長選擇性方面，而這一特性、技術應用使得其能夠與布喇格衍射條件下入射光在FBG處被耦合反射的要求保持一致，在光的反射過程中，FBG中心波長處，反射光譜處于峰值狀態下，這一變化特征使得隨著光的反射作用的出現，應變、溫度變化量、反射光中心波長的位移量之間存在著緊密的聯系，當其中一個量發生變化時，其余的兩個量也會隨之發生同步的變化，此監測技術下的監測對象為反射光中心波長位移。

三種光纖感測技術下，所對應的解調儀性能對比如表1所示。

2.工程概況及監測方案

以某船閘結構工程為例，此工程采用雙線230m×23m×4.0m，上、下閘首對齊布置，兩閘中心的距離保持60m。閘首、閘室為鋼筋混凝土結構，要滿足施工的要求，需保持鋼筋混凝土良好的抗震性與足夠的剛度。在本工程的施工過程中，主要是對溫度、應變與裂縫的監測，其監測方案如下：

2.1 混凝土水熱化溫度監測

在此船閘結構工程中，由于閘首底板結構的尺寸相對較大，為達到良好的施工效果，在整個的混凝土澆筑過程中采用的是分塊澆筑的原則。在此情況下，經過綜合對比，選用的是TOTDR與FBG相結合的監測技術，監測對象為底板混凝土水熱化溫度，為保障監測數據的可靠性，在監測時，分布式測溫傳感光纖采用的是U字型回路，將其布設于底板中部的位置，盡量保持U字型之間的距離在3m左右，將其安裝于距離表層1.5m的位置，監測在底板混凝土水熱化現象出現時溫度的變化趨勢；FBG光纖感測技術下，需將溫度計與結構上表層與下表層的鋼筋加以綁扎，在施工過程中，由溫度計來實時反饋相應的溫度信息。底板結構中，需進行后澆帶的設置，其布置如圖1所示。

2.2 鋼筋與混凝土應變監測

在應變監測的過程中，主要利用的是BOTDA技術，在具體的監測過程中，需將分布式纖維加強筋光纖安裝在結構的特定位置，由其來進行底板上表層混凝土、下表層混凝土在閘首施工過程中的應變。在鋼筋的應變監測過程中，需采用FBG鋼筋應力計來進行監測，應變傳感光纖、鋼筋應力計的安裝時，需保持其與船閘的垂直性。

2.3 混凝土裂縫監測

由于船閘工程所處的環境條件相對特殊，在整個的施工過程中，水環境會對整體結構存在一定的影響，尤其是閘首輸水廊道上導角位置混凝土會受到上部的荷載作用力、水流沖刷的影響，一旦這些作用力超過了混凝土本身可以承受的范圍，極易出現混凝土裂縫。

3.監測結果分析

3.1 混凝土水化熱監測

圖1 閘首結構及傳感器布設

根據相應的施工監測結果，由于閘首底板中間板塊在施工時采用的是分層澆筑工藝，當混凝土澆筑作業完成128h以后，中底板混凝土內部溫度達到了最高值，閘首底板混凝土內部溫度存在著明顯的變化。以某一底板來分析，溫度最高值出現在混凝土澆筑后的128h時間段內，溫度峰值區域位于澆筑結構的中心區；在整個的施工作業過程中，施工區域內的氣溫條件、氣候情況會混凝土水熱化的熱量釋放有著一定的影響；混凝土結構內部溫度的變化與水熱化的熱量釋放存在著緊密的聯系，由于熱量釋放存在階段性變化特征，使得混凝土內部的溫度也存在這一變化。

3.2 混凝土應變監測

在混凝土應變監測的過程中，采用的是BODTA技術，根據相應的監測結果分析，發現在閘首底板混凝土澆筑完成以后，混凝土呈現出拉應變分布的狀態，當混凝土處于凝固狀態時，或多或少地會受到水熱化反應的影響，此時，混凝土結構上表層的最大應變在22με，兩邊底板上澆筑輸水廊道與上部空箱，左右底板會受到荷載作用力的影響，這種受力情況下，底板上表層中間位置的拉應變最大，而下表層的拉應變稍微小于上表層。中底板由于存在后澆帶的設置，使得其在結構中起到了重要的隔離與保護作用，邊墩荷載不會對其產生任何的影響。

3.3 鋼筋應變監測

在鋼筋的應變監測過程中，為保障監測結果的有效性與準確性，在監測時需將閘首底板鋼筋應力計與主筋串聯焊接。根據相應的監測結果分析，當混凝土處于固化條件下時，底板中鋼筋會受到一定的拉力作用，在拉力作用下，底板表面鋼筋的拉應變現象明顯，應變值較大，而下表面的應變值相對較小，大約在60με。為達到良好的施工效果，施工人員在整體混凝土施工作業結束以后，往往需進行一段時間的養護，以保持良好的混凝土性能，在混凝土的養護施工階段，雖然鋼筋對底板存在連續的作用，但是，在混凝土結構成型的過程中，應力松弛現象并未出現，結構穩定性得以保持。

4.結束語

近年來，隨著船閘結構工程項目的增多，在此類工程的質量控制過程中，人們越來越傾向于采用光纖監測技術來進行工程質量問題的監測，以提高質量監測的準確性，保障船閘施工作業的順利進行，達到良好的質量控制目標。