[发明专利]船闸结构应变、应力分布式光纤监测方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于水运工程监测技术领域，尤其涉及一种基于分布式光纤传感技术的船闸主体结构应变、应力的监测方法及系统。

背景技术

我国水运工程基础设施正处于大规模建设时期，大型混凝土结构在船闸等水运工程中也得到了越来越广泛的应用。由于船闸等水运工程结构复杂、施工难度较大，因此为了保证构筑物安全，需要在施工以及运行期间对重点部位的应变、应力状态进行监测。通过监测，可以准确获知其施工质量控制参数，了解结构关键部位的受力特征，对优化船闸工程结构的设计、施工和维护具有重要意义。

目前，在水运工程监测技术领域，特别是与船闸工程施工期监测相关的技术方法主要有沉降监测技术、土体测斜技术、地表沉降监测技术等，仪器设备多采用沉降仪、测斜仪、全站仪、水准仪等。这些技术方法均具有点式测量特点，测点稀疏，难以实现对被测对象的全方位监控，又因为传感器多为电阻式、压阻式、电容式，易腐蚀，难以实现长期监测。常规的监测技术多数仍不能实现实时监测，且传感原理多种多样，数据种类多，难以集成大规模实时监测系统。因此，有必要研究开发适用于新型船闸混凝土结构的实时监测方法和技术，以满足日益增长的船闸工程施工期和运营期安全监测的要求以及相关理论研究的需要。

基于布里渊光时域分析(Brillouin Optical Time-domain Analysis，缩写：BOTDA)和拉曼散射光时域反射（Raman Optical Time-domain Refectometry，缩写：ROTDR）的分布式传感技术是近年来国际上在光电信息领域兴起的尖端光纤传感技术，除了具有一般光纤传感技术耐腐蚀、抗电磁干扰的优点，还具有分布式(超高密度连续测点)、实时在线测量、可直接测量光纤上任意点的应变和温度信息等优点；根据钢筋混凝土变形的特点，还可以计算得到应力、位移等多项物理指标。BOTDA和ROTDR分布式光纤传感技术已用于通讯、土木、能源、交通等领域，在桩基、隧道结构、边坡、基坑等监测方面也有大量工程应用。但由于船闸工程结构复杂、施工节点繁多，且分布式监测系统设计较为复杂，因此BOTDA技术还未在船闸工程中得到有效应用。

发明内容

针对船闸常规监测方法和手段的不足，本发明旨在提出一种基于分布式光纤传感的，能长期、精确、系统监测船闸主体结构在施工期和运营期的应变、应力状态的方法及系统。

本发明实现其目的采取的技术方案是：

基于分布式光纤传感技术的船闸结构应变和温度监测装置，包括分布式传感光缆、数据采集设备、数据处理与分析模块；分布式传感光缆以与主筋绑扎的方式敷设于船闸结构的闸首底板、输水廊道、闸室底板、闸室墙钢筋混凝土结构表层的顶、底或内、外表面构成U字形回路；混凝土浇筑完成之后，传感光缆距离混凝土表面5-10cm；传感光缆将随钢筋混凝土结构产生同步变形，光纤传感器产生相应的应变，将传感光缆的应变分布进行温度补偿、做差计算后就得到对应工况作用下钢筋混凝土结构的应变分布；在闸首顶部建立数据采集站点，将所敷设的传感光缆线路通过光缆连接至数据采集站点。进一步，混凝土浇筑完成，待混凝土水化热完全释放、混凝土初凝之后，采集监测初值；之后，在混凝土养护期以及各个施工阶段，根据施工节点采集传感光缆数据，利用ROTDR测得的温度数据对应变传感光缆进行温度补偿，进而得到船闸结构在施工期间的应变分布情况，为保证施工安全、指导后期施工提供依据；在船闸运营期间，定期采集数据，得到结构的应变和应力特征，为优化工程设计，指导类似工程施工提供依据。

分布式传感线路由紧套单模传感光缆和松套多模传感光缆组成，两根光缆并排沿主筋布置。紧套单模传感光缆用于应变测量，松套多模传感光缆用于温度测量。

数据采集设备包括布里渊光时域分析仪（BOTDA）和拉曼光时域反射仪（ROTDR）。BOTDA主要用于光纤应变分布的测量，ROTDR则用于光纤温度分布的测量。其中BOTDA信号解调仪空间分辨率为0.05m、测量精度为20με、测量长度可达80km；ROTDR系统信号解调仪测量温度范围为-40-120℃、分辨率为±0.1℃、测量精度±0.5℃、空间分辨率1m、测量长度6km。分布式光缆信号解调仪的高空间分辨率和高精度有助于实现自动化远程监测和结构裂缝发育的超前监测预报。

数据处理与分析模块可以提取光纤应变数据和温度数据，对应变和温度进行位置校准、降噪，可以实现应变数据的温度补偿，结构应变、应力的计算，具有对原始数据和计算结果的存贮、显示，输出为指定格式的功能。

本发明具有以下有益效果：