船闸结构施工过程光纤监测应用

夏猛 中设设计集团股份有限公司

船闸工程对于施工质量的要求相对较高，由于其多为大型钢筋混凝土结构，闸首底板大体积混凝土结构内部的抗拉能力相对较差，当受到温度条件的影响以后，极易出现严重的结构裂缝，对整体结构产生极为不利的影响。因此，为了保障船闸结构符合相应的标准，在工程建设施工的过程中，施工企业必须要充分应用光纤技术来进行施工监测，充分发挥光纤监测在施工质量控制方面的作用，提高船闸结构的稳定性与安全性。

1.光纤感测技术原理

在船闸结构工程施工时，光纤感测技术是一种有效的监测技术，此技术的应用可以为施工质量控制提供良好的技术支持。一般情况下，最为常用的就是BOTDA、ROTDR、FBG几种，在实际的应用过程中，这些不同的感测技术存在不同的技术原理与应用条件，为发挥其不同光纤监测技术的优势，在船闸结构施工的过程中，需要结合其具体的结构特征、现场环境条件，选择最佳的光纤感测技术，获得更为精确的监测数据。BOTDA技术对船闸结构工程的施工监测原理是受激布里渊散射，在此散射作用下，各种参数在此过程中存在着一定的相关性，比如，频率变化量、光纤轴向应变与环境温度，通过这些量之间的联系可以有效实现传感，进而达到良好的监测效果。

表1 解调仪主要性能的对比

ROTDR测温技术同样是船闸结构工程施工中的一种关键监测技术，此技术的应用过程中，将光脉冲信号照射到纤芯，当光纤接收到此信号以后，光子与光声子之间会发生明显的非弹性碰撞作用，而此作用的出现必然伴随着拉曼散射。作为一种特殊的散射作用，此散射光中为反斯托克斯光、斯托克斯光，前者的频率相对较高，而后者的频率要略微低些。在散射原理出现的瞬时时间段内，斯托克斯光与反斯托克斯光之间的强度比、温度之间息息相关，当温度出现明显的变化时，二者的强度比同样会呈现出线性变化。通过对这种关系的掌握，使得相关人员可以利用此种监测技术来活动相应的温度信息，进而进行施工质量的监测与评估。

FBG监测技术是一种相对特殊的监测技术，其特殊性主要体现在其波长选择性方面，而这一特性、技术应用使得其能够与布喇格衍射条件下入射光在FBG处被耦合反射的要求保持一致，在光的反射过程中，FBG中心波长处，反射光谱处于峰值状态下，这一变化特征使得随着光的反射作用的出现，应变、温度变化量、反射光中心波长的位移量之间存在着紧密的联系，当其中一个量发生变化时，其余的两个量也会随之发生同步的变化，此监测技术下的监测对象为反射光中心波长位移。

三种光纤感测技术下，所对应的解调仪性能对比如表1所示。

2.工程概况及监测方案

以某船闸结构工程为例，此工程采用双线230m×23m×4.0m，上、下闸首对齐布置，两闸中心的距离保持60m。闸首、闸室为钢筋混凝土结构，要满足施工的要求，需保持钢筋混凝土良好的抗震性与足够的刚度。在本工程的施工过程中，主要是对温度、应变与裂缝的监测，其监测方案如下：

2.1 混凝土水热化温度监测

在此船闸结构工程中，由于闸首底板结构的尺寸相对较大，为达到良好的施工效果，在整个的混凝土浇筑过程中采用的是分块浇筑的原则。在此情况下，经过综合对比，选用的是TOTDR与FBG相结合的监测技术，监测对象为底板混凝土水热化温度，为保障监测数据的可靠性，在监测时，分布式测温传感光纤采用的是U字型回路，将其布设于底板中部的位置，尽量保持U字型之间的距离在3m左右，将其安装于距离表层1.5m的位置，监测在底板混凝土水热化现象出现时温度的变化趋势；FBG光纤感测技术下，需将温度计与结构上表层与下表层的钢筋加以绑扎，在施工过程中，由温度计来实时反馈相应的温度信息。底板结构中，需进行后浇带的设置，其布置如图1所示。

2.2 钢筋与混凝土应变监测

在应变监测的过程中，主要利用的是BOTDA技术，在具体的监测过程中，需将分布式纤维加强筋光纤安装在结构的特定位置，由其来进行底板上表层混凝土、下表层混凝土在闸首施工过程中的应变。在钢筋的应变监测过程中，需采用FBG钢筋应力计来进行监测，应变传感光纤、钢筋应力计的安装时，需保持其与船闸的垂直性。

2.3 混凝土裂缝监测

由于船闸工程所处的环境条件相对特殊，在整个的施工过程中，水环境会对整体结构存在一定的影响，尤其是闸首输水廊道上导角位置混凝土会受到上部的荷载作用力、水流冲刷的影响，一旦这些作用力超过了混凝土本身可以承受的范围，极易出现混凝土裂缝。

3.监测结果分析

3.1 混凝土水化热监测

图1 闸首结构及传感器布设

根据相应的施工监测结果，由于闸首底板中间板块在施工时采用的是分层浇筑工艺，当混凝土浇筑作业完成128h以后，中底板混凝土内部温度达到了最高值，闸首底板混凝土内部温度存在着明显的变化。以某一底板来分析，温度最高值出现在混凝土浇筑后的128h时间段内，温度峰值区域位于浇筑结构的中心区；在整个的施工作业过程中，施工区域内的气温条件、气候情况会混凝土水热化的热量释放有着一定的影响；混凝土结构内部温度的变化与水热化的热量释放存在着紧密的联系，由于热量释放存在阶段性变化特征，使得混凝土内部的温度也存在这一变化。

3.2 混凝土应变监测

在混凝土应变监测的过程中，采用的是BODTA技术，根据相应的监测结果分析，发现在闸首底板混凝土浇筑完成以后，混凝土呈现出拉应变分布的状态，当混凝土处于凝固状态时，或多或少地会受到水热化反应的影响，此时，混凝土结构上表层的最大应变在22με，两边底板上浇筑输水廊道与上部空箱，左右底板会受到荷载作用力的影响，这种受力情况下，底板上表层中间位置的拉应变最大，而下表层的拉应变稍微小于上表层。中底板由于存在后浇带的设置，使得其在结构中起到了重要的隔离与保护作用，边墩荷载不会对其产生任何的影响。

3.3 钢筋应变监测

在钢筋的应变监测过程中，为保障监测结果的有效性与准确性，在监测时需将闸首底板钢筋应力计与主筋串联焊接。根据相应的监测结果分析，当混凝土处于固化条件下时，底板中钢筋会受到一定的拉力作用，在拉力作用下，底板表面钢筋的拉应变现象明显，应变值较大，而下表面的应变值相对较小，大约在60με。为达到良好的施工效果，施工人员在整体混凝土施工作业结束以后，往往需进行一段时间的养护，以保持良好的混凝土性能，在混凝土的养护施工阶段，虽然钢筋对底板存在连续的作用，但是，在混凝土结构成型的过程中，应力松弛现象并未出现，结构稳定性得以保持。

4.结束语

近年来，随着船闸结构工程项目的增多，在此类工程的质量控制过程中，人们越来越倾向于采用光纤监测技术来进行工程质量问题的监测，以提高质量监测的准确性，保障船闸施工作业的顺利进行，达到良好的质量控制目标。