1、2 0 2 3 年 4 月收 稿 日 期：2 0 2 2 1 0 2 3作 者 简 介：杨 光（1 9 8 9），男，工 程 师，主 要 从 事 水 利 水 电 工 程 施 工 与管 理 工 作。摘 要：水 工 建 筑 工 作 环 境 恶 劣，安 全 性 要 求 高，而 其 内 部 病 害 往 往 无 法 及 时 发 现。通 过 对 比 预 埋 应 变 片 和 光 纤 传感 器 测 量 结 果，验 证 了 光 纤 传 感 器 监 测 钢 筋 混 凝 土 结 构 内 部 应 变 的 可 行 性。同 时，以 辽 宁 省 北 票 市 三 宝 乡 一 处 拦 河闸 门 为 例，分 析 其 结 构 变
2、形 情 况，其 中 闸 室 侧 墙 顶 端 位 移 最 大，但 未 超 过 0.0 5 c m；闸 门 结 构 最 大 应 变 在 闸 槽 中 间 位置，为 4.3 1 0-5，符 合 要 求。关 键 词：光 纤 传 感 器；应 变 曲 线；应 力 应 变 对 比；闸 室中 图 分 类 号：T P 2 7 7.2；T V 6 9 8.1+1 文 献 标 识 码：A 文 章 编 号：1 0 0 4-7 3 2 8（2 0 2 3）0 4-0 1 1 2-0 3D O I：1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 4-7 3 2 8.2 0 2 3.0 4.0 2 9光 纤 传 感
3、器在 拦 河 闸 内 部 变 形 监 测 中 的 应 用 分 析杨 光（北 票 市 防 汛 抗 旱 指 挥 部 办 公 室，辽 宁 北 票 1 2 2 1 0 0）水 工 建 筑 具 有 结 构 体 积 大、安 全 稳 定 性 要 求 高、工 作 环 境 恶 劣 等 特 点，一 旦 水 工 建 筑 出 现 问 题，将 对当 地 经 济 和 社 会 造 成 较 大 影 响，因 此 对 水 工 建 筑 的内 部 变 形 监 测 是 保 证 其 安 全 稳 定 运 行 的 重 要 基 础。1 光 纤 传 感 器 原 理传 感 器 技 术 已 经 更 新 多 代，最 新 的 光 纤 传 感 器具 有
4、体 积 小、灵 敏 度 高、检 测 速 度 快、监 测 对 象 多 等优 点，目 前 已 被 广 泛 应 用 于 混 凝 土 结 构、隧 洞、公 路桥 梁 等 诸 多 领 域 1。光 纤 传 感 器 的 基 本 工 作 原 理 是 将 来 自 光 源 的 光信 号 经 过 光 纤 送 入 调 制 器，使 待 测 参 数 与 进 入 调 制 区的 光 相 互 作 用 后，导 致 光 的 光 学 性 质（如 光 的 强 度、波长、频率、相位 等）发生 变化，成为 被调 制的 信号 源，再经 过 光 纤 送 入 光 探 测 器，经 解 调 后，获 得 被 测 参 数。2 光 纤 传 感 器 精 确
5、度 验 证 设 计利 用 试 验 的 方 法（对 比 预 埋 应 变 片 和 光 纤 传 感器 两 者 测 试 的 结 果）来 验 证 光 纤 传 感 器 的 监 测 精 度，整 个 过 程 在 实 验 室 完 成，具 体 分 为 试 件 设 计 和 制 作、试 验 结 果 分 析。2.1 试 件 设 计 和 制 作2.1.1 试 件 设 计本 试 验 共 设 计 了 2 根 钢 筋 混 凝 土 梁，所 用 材 料 规格和具体设计参数详见表 1，试件尺寸如图 1 所示 2。2.1.2 试 件 制 作试 件 制 作 主 要 包 括 3 个 关 键 点，即 应 变 片 粘 贴、光 纤 传 感 器
6、布 置、混 凝 土 浇 筑。（1）应 变 片 粘 贴。为 了 监 测 试 件 应 变 情 况，设 计 2组 应 变 片，其 中 1 组 粘 贴 在 钢 筋 表 面、另 1 组 布 置 在 混凝 土 梁 表 面。为 验 证 测 量 结 果 的 准 确 性，每 组 均 设 3个 监 测 点。首 先 将 监 测 点 表 面 清 理 干 净，打 磨 并 擦 拭使 其 光 滑；然 后 利 用 胶 水 将 应 变 片 粘 贴 并 将 导 线 焊接；最 后 待 胶 水 凝 固 后，利 用 纱 布 和 环 氧 树 脂 将 应 变片 和 导 线 接 触 口 完 全 包 裹，防 止 其 损 伤，如 图 2 所 示
7、 3。（2）光 纤 传 感 器 布 置。本 试 验 共 设 计 了 2 组 光纤 传 感 器，分 别 对 应 应 变 片 的 安 装 位 置，其 中 1 组 粘贴 在 钢 筋 表 面、另 1 组 粘 贴 在 混 凝 土 梁 表 面。（3）混 凝 土 浇 筑。浇 筑 梁 尺 寸 为 1 5 0 0 m m 2 0 0 m m 1 2 0 m m（长 宽 高），在 其 四 周 设 置 厚 2 0 m m的 垫 块，以 保 证 梁 体 保 护 层 厚 度。为 保 证 浇 筑 密 实表 1 试 件 所 用 材 料 规 格 和 具 体 设 计 参 数混 凝 土强 度C 3 0保 护 层厚 度/m m2
8、0箍 筋 6 H P B 3 0 0纵 筋2 根 1 2 H R B 4 0 0配 筋 率/%0.9 4剪 跨 比1 2图 1 试 件 尺 寸单 位/m m1 5 0 2 0 0 8 0 01 5 0 02 0 0 1 5 01 2 02 1 2 2 0 02 6 6 7 0P P海 河 水 利 1 1 22 0 2 3.N o.4度，分 层 浇 筑，且 采 用 振 动 棒 人 工 捣 实。为 保 证 试 验数 据 准 确，共 制 作 2 个 完 全 相 同 的 浇 筑 梁 试 件，编 号为 1#梁、2#梁 4。2.2 试 验 结 果 分 析2.2.1 荷 载-钢 筋 应 变 曲 线 对 比荷
9、 载-钢 筋 应 变 曲 线 拟 合，如 图 3 所 示。由 图 3 可 知，1#梁 在 荷 载 4 0 k N 以 下 时，拟 合 度很 好；荷 载 在 4 0 1 6 0 k N 时，应 变 片 测 得 的 应 变 值均 高 于 光 纤 传 感 器 测 得 值，最 大 差 值 为 2 0 0；随着 荷 载 逐 渐 增 大，拟 合 度 逐 渐 吻 合。2#梁 自 始 至 终两 者 拟 合 度 均 非 常 好。综 合 来 看，光 纤 传 感 器 对 于钢 筋 应 变 监 测 准 确 度 更 高 5。2.2.2 荷 载-混 凝 土 应 变 曲 线 对 比荷 载-混 凝 土 应 变 曲 线 拟 合
10、，如 图 4 所 示。由 图4 可 知，1#梁 在 荷 载 2 0 k N 以 下 时，应 变 片 测 得 的 应 变值 均 低 于 光 纤 传 感 器 测 得 值，最 大 差 值 为 3 0；随着 荷 载 逐 渐 增 大，拟 合 度 逐 渐 吻 合。2#梁 在 荷 载 4 0 k N以 下 时，两 者 拟 合 度 很 好，之 后 出 现 较 小 差 别。随 着混 凝 土 出 现 裂 缝，混 凝 土 表 面 应 变 监 测 停 止。综 合 来看，光 纤 传 感 器 对 于 混 凝 土 应 变 监 测 准 确 度 更 高。3 水 工 闸 门 变 形 监 测 应 用 分 析通 过 上 述 试 验
11、验 证 了 光 纤 传 感 器 监 测 混 凝 土 构件 应 变 的 可 行 性，而 大 型 水 工 闸 门 结 构 也 符 合 上 述试 验 的 基 本 条 件，因 此 光 纤 传 感 器 可 以 用 于 对 其 进行 变 形 监 测。3.1 闸 门 概 况试 验 节 制 闸 门 位 于 北 票 市 三 宝 乡 初 级 中 学 以 西5 k m 扎 兰 营 子 河 上，是 一 座 以 防 洪、活 水、调 水 为 主要 任 务 的 3 级 水 工 建 筑 物。闸 门 结 构 为“U”形 钢 筋混 凝 土，地 板 厚 0.8 m，闸 门 孔 径 5.0 m（配 套“一 字型”Q 2 3 5 B
12、钢 闸 门），翼 墙 结 构 为 M 1 0 浆 砌 石。3.2 光 纤 传 感 器 布 置 设 计3.2.1 布 置 原 则（1）布 置 时 必 须 包 括 闸 门 关 键 位 置，例 如 最 大 位图 2 应 变 片 粘 贴图 3 荷 载-钢 筋 应 变 曲 线 拟 合（b）包 裹 保 护（a）粘 贴图 4 荷 载-混 凝 土 应 变 曲 线 拟 合（a）1#梁光 纤 传 感 器 测 得 数 据应 变 片 测 得 数 据（b）2#梁光 纤 传 感 器 测 得 数 据应 变 片 测 得 数 据（b）2#梁（a）1#梁2 0 01 8 01 6 01 4 01 2 01 0 08 06 04
13、02 00荷 载/k N2 0 01 8 01 6 01 4 01 2 01 0 08 06 04 02 00荷 载/k N0 3 0 0 6 0 0 9 0 0 1 2 0 0 1 5 0 0 1 8 0 0 2 1 0 0 2 4 0 0 2 7 0 0 3 0 0 00 3 0 0 6 0 0 9 0 0 1 2 0 0 1 5 0 0 1 8 0 0 2 1 0 0 2 4 0 0 2 7 0 0钢 筋 应 变/钢 筋 应 变/9 08 07 06 05 04 03 02 01 00荷 载/k N0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8
14、 0 0 9 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0受 拉 区 混 凝 土 应 变/受 拉 区 混 凝 土 应 变/0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 1 1 0 09 08 07 06 05 04 03 02 01 00荷 载/k N光 纤 传 感 器 测 得 数 据应 变 片 测 得 数 据光 纤 传 感 器 测 得 数 据应 变 片 测 得 数 据杨 光：光 纤 传 感 器 在 拦 河 闸 内 部 变 形 监 测 中 的 应 用 分 析 1 1 32 0 2 3 年 4 月移 处、
15、最 大 受 力 点 处、结 构 薄 弱 处，而 且 应 尽 量 覆 盖闸 门 全 部 结 构 信 息；为 了 减 少 传 感 器 布 置 数 量，可 以利 用 闸 门 的 结 构 对 称 性 6。（2）由 于 水 工 建 筑 结 构 安 全 系 数 一 般 较 高，而 且闸 门 主 要 受 压 应 力 影 响，主 要 监 测 点 往 往 集 中 在 跨 中最 大 弯 矩 截 面、支 座 最 大 负 弯 矩 截 面。因 此，为 了 保证 监 测 准 确 性，在 这 些 重 要 点 位 应 多 布 置 几 根 传 感 器。3.2.2 具 体 布 置 设 计（1）在 闸 门 侧 墙 顶 端 布 置
16、2 组（每 组 2 根）光 纤 传感 器，主 要 目 的 是 监 测 侧 墙 稳 定 性（传 感 器 编 号 为1#、2#、3#、4#）。（2）在 闸 门 侧 墙 底 端 布 置 2 组（每 组 2 根）光 纤 传感 器，主 要 目 的 是 监 测 侧 墙 底 部 应 变（传 感 器 编 号 为5#、6#、7#、8#）。（3）分 别 在 闸 门 和 检 修 门 闸 槽 处 垂 直 水 流 方 向布 置 2 组（共 4 根）光 纤 传 感 器，主 要 目 的 是 监 测 闸 门结 构 应 变（传 感 器 编 号 为 9#、1 0#、1 1#、1 2#）。3.3 监 测 结 果 分 析3.3.1
17、闸 室 结 构 位 移 监 测 结 果 分 析闸 室 结 构 位 移（沿 水 流 方 向）由 布 置 在 侧 墙 顶端、底 端 和 闸 室 中 部 的 光 纤 传 感 器（1#1 0#）监 测，具 体 监 测 结 果 如 图 5 所 示 7。由 图 5 可 知：侧 墙 顶 端 布 置 的 光 纤 传 感 器 测得 位 移 量 为 0.0 3 0.0 5 c m；侧 墙 底 端 布 置 的 光 纤传 感 器 测 得 位 移 量 为 0.0 1 0.0 2 c m。顶 端 相 对 于底 端 位 移 量 较 大，这 也 符 合 其 他 学 者 得 出 的 结 论。综 合 来 看，本 项 目 闸 室
18、结 构 位 移 量 很 小，安 全 稳 定 性能 够 保 证。3.3.2 闸 门 结 构 应 力 应 变 监 测 结 果 分 析闸 门 结 构 应 力 应 变（垂 直 水 流 方 向）由 布 置 在 闸门 和 检 修 门 闸 槽 处 的 光 纤 传 感 器（9#1 2#）监 测，根据 经 验 判 断 闸 门 结 构 应 变 最 大 位 置 应 在 闸 门 与 地 板交 界 位 置，该 处 承 受 水 压 最 大，具 体 监 测 结 果 如 图 6所 示。由 图 6 可 知：9#传 感 器 位 于 闸 槽 中 间 位 置，监测 应 变 最 大，为 4.3 1 0-5；其 次 是 1 0#和 1
19、2#传 感 器，位于 闸 门 与 控 制 箱、侧 墙 交 接 处，监 测 值 约 为 2.4 1 0-5；1 1#传 感 器 位 于 检 修 闸 门 边 界 位 置，监 测 应 变 最 小，约 为 1.2 1 0-5。闸 门 总 体 应 变 较 小 且 均 匀，没 有 出现 级 别 数 差 距，安 全 稳 定 性 可 以 保 证。通 过 与 其 他测 量 仪 器 测 得 的 数 值 相 比，光 纤 传 感 器 测 试 结 果 与其 基 本 吻 合，再 次 验 证 了 光 纤 传 感 器 应 用 于 闸 门 监测 的 可 行 性 和 准 确 性。4 结 语本 文 通 过 试 件 试 验 和 北
20、票 市 三 宝 乡 拦 河 闸 门 实际 现 场 应 用，证 明 了 光 纤 传 感 器 对 水 工 建 筑 物 变 形监 测 的 可 行 性。参 考 文 献 1 林 金 梅，潘 锋，李 茂 东，等.光 纤 传 感 器 研 究 J.自 动 化 仪表，2 0 2 0，4 1（1）：3 7-4 1.2 蒋 晓 曙，李 莽，任 亮，等.光 纤 光 栅 传 感 器 在 混 凝 土 变 形 及裂 缝 监 测 中 的 应 用 J.施 工 技 术，2 0 1 3，4 2（4）：5 2-5 4.3 唐 晋 生，黄 雪 梅，杨 儒 贵.一 种 监 测 水 坝 变 形 的 光 外 差 光 纤传 感 器 设 计 J
21、.西 南 交 通 大 学 学 报，2 0 0 4（2）：2 2 6-2 2 8.4 赵 勇，王 敏，高 文 旗，等.分 布 式 光 纤 传 感 新 技 术 在 盾 构 隧道 结 构 变 形 监 测 中 的 应 用 J.公 路，2 0 1 7，6 2（7）：3 2 6-3 2 9.5 施 伟 华，吴 静.基 于 表 面 等 离 子 体 共 振 和 定 向 耦 合 的 光 子晶 体 光 纤 传 感 器 J.光 学 学 报，2 0 1 5，3 5（2）：4 9-5 3.6 童 峥 嵘，韩 伟，曹 晔.基 于 多 模 光 纤 偏 芯 熔 接 实 现 温 度 和 折 射率 同 时 测 量 的 光 纤 传
22、 感 器 J.光 学 学 报，2 0 1 4，3 4（1）：6 1-6 5.7 许 滨 华，何 宁，何 斌，等.基 于 分 布 式 光 纤 传 感 器 的 管 道 受弯 变 形 监 测 试 验 研 究 J.仪 器 仪 表 学 报，2 0 1 9，4 0：2 0-3 0.图 5 侧 墙 位 移 变 化 曲 线（a）侧 墙 顶 端（b）侧 墙 底 端图 6 闸 门 结 构 应 力 应 变 变 化 曲 线0.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10位 移/c m1#2#3#4#0.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10位 移/c m5#6#7#8#7.0 1 0-56.0 1 0-55.0 1 0-54.0 1 0-53.0 1 0-52.0 1 0-51.0 1 0-50应 变9#1 0#1 1#1 2#传 感 器传 感 器传 感 器海 河 水 利 1 1 4
