摘要：準確獲取混凝土澆筑及固化過程中的溫度特征參量變化對于了解及掌握黃河流域引黃涵閘工程建設中混凝土開裂產生原因具有重要意義。目前黃河流域引黃涵閘建設工程中主要采用熱成像方式測量其表面溫度，難以實時獲取混凝土的整體溫度特征。采用植入式分布式光纖傳感技術在對引黃涵閘工程山東段混凝土溫度進行監(jiān)測，在混凝土澆筑前，將傳感光纜預先布設于結構鋼筋兩側，從而實時有效地監(jiān)測混凝土澆筑和固化過程中的內部溫度特征。實驗結果表明，采用植入式分布式光纖傳感技術，可以實時監(jiān)測混凝土各個點位的溫度變化及固化過程中的溫度異常點，同時，該方案可以有效分析混凝土固化過程中溫度特征及整體變化情況。依托分布式光纖傳感技術實現引黃涵閘混凝土溫度監(jiān)測，對黃河流域同類工程建設具有重要的借鑒意義。

關鍵詞：引黃涵閘工程；分布式光纖傳感技術；混凝土；溫度監(jiān)測

中圖分類號：TN247文獻標志碼：A文章編號：1002-4026（2024）05-0054-08

開放科學（資源服務）標志碼（OSID）：

Method and application of concrete temperature monitoring for

the Yellow River diversion sluice gates based on embedded

distributed fiber optic sensing technology

QU Jikai1， QI Yueqiang2， QU Shuai3*

（1.Shandong Yellow River Water Conservancy Bureau Engineering Construction Center， Jinan 250011， China;

2.Shandong Yellow River Shuncheng Water Conservancy and Hydropower Engineering Co.， Ltd.， Jinan 250032， China;

3.Laser Institute， Qilu University of Technology （Shandong Academy of Sciences）， Jinan 250104， China）

Abstract∶Accurate measurement of temperature variations during the pouring and curing of concrete is of great importance for investigating concrete cracking during the construction of the Yellow River Diversion Project in the Yellow River Basin. Notably， the current construction projects involved in the Yellow River Diversion Project in the Yellow River Basin primarily use thermal imaging methods for surface temperature measurement， making it difficult to obtain real-time overall temperature characteristics of concrete. Therefore， to improve the ecological system of the Yellow River Basin and ensure high-quality development in the region， this research proposes a concrete-temperature monitoring method for the Yellow River Diversion Project based on implantable distributed fiber optic sensing;this method has been successfully used in the Yellow River Diversion Project in Shandong Province. Before concrete is poured， the sensing fiber opthic cable is prelaid on both sides of the involved structural-steel bars， enabling real-time and effective monitoring of the internal temperatures during the pouring and curing of concrete. This method is of great value for ensuring real-time analysis of the temperature of concrete throughout its lifecycle. Experimental results show that the use of implantable distributed fiber optic sensing allows real-time monitoring of temperature changes at various points in concrete and temperature anomalies during curing. Moreover， this method can be used to effectively analyze the overall temperature variation during curing. Using implantable distributed fiber optic sensing to monitor the concrete temperature for the Yellow River Diversion Project is of considerable reference value for similar engineering projects in the Yellow River Basin.

Key words∶Yellow River Diversion Project; distributed fiber optic sensing; concrete; temperature monitoring

完善黃河流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)管體系，加強黃河綜合治理和能力建設，解決黃河流域高質量發(fā)展中存在的問題已上升為我國國家發(fā)展戰(zhàn)略。隨著我國對水資源綜合利用和高效開發(fā)邁入全新的發(fā)展階段，黃河流域水利工程建設也取得了快速發(fā)展?；炷劣捎谄鋬r格低廉、可模性高、耐久性好等特點，在水利工程建設中被廣泛地應用，已成為水利工程建設中不可或缺的材料。

在混凝土結構澆筑及固化過程中，溫度變化會顯著影響整體結構的應力狀態(tài)，使得混凝土內部產生壓應力，外部產生拉應變，從而導致裂縫的出現，對混凝土結構的整體性、耐久性以及防滲能力造成不可逆轉的破壞，影響混凝土結構的長期運行安全，甚至對水利工程建設帶來不可估量的損失［1-3］。因此，混凝土的溫度監(jiān)測是水利工程建設關注的重點。為了保證澆筑及固化過程中混凝土的內部結構質量，需要對混凝土生命周期中的實際溫度狀態(tài)進行實時測量，掌握混凝土內部的溫度場分布規(guī)律，從而減少乃至消除混凝土裂縫對其功能完整性的影響，對安全生產具有重要意義。

目前，常用于混凝土結構溫度監(jiān)測的溫度計或溫度傳感器主要包括熱電偶、熱敏電阻、紅外測溫儀等［4］。主動熱成像技術被用于混凝土結構缺陷監(jiān)測，通過對混凝土結構溫度成像，檢測混凝土在固化過程中的溶解、空洞和不均勻性等缺陷［5-6］。然而，上述混凝土溫度監(jiān)測技術依賴于人工，無法做到數據連續(xù)采集，會導致漏檢等風險，難以實時反映混凝土內部溫度場變化信息。同時，上述監(jiān)測設備只能用于混凝土固化過程，無法對混凝土應用過程中的內部溫度場進行監(jiān)測。近年來，光纖傳感技術由于其測量精度高、抗電磁干擾及惡劣環(huán)境、性能穩(wěn)定、價格低等優(yōu)點，受到了國內外研究學者的廣泛關注。光纖本身便是一種有效的傳感陣列，其可以被看作是大量傳感器的集合，在完成光纖鋪設時，大量的傳感器也被相應地部署［7-8］。另外，光纖傳感器用光纖進行信號傳感和傳輸，可以實現對光纖沿線的應變、振動、溫度等信息的測量。因此，光纖傳感技術為混凝土全生命周期的溫度監(jiān)測提供新思路。光纖布拉格光柵（fiber Bragg grating， FBG）傳感器已被應用于混凝土結構溫度的長期監(jiān)測，但FBG傳感器只能實現準分布式測量，無法對光纖沿線混凝土結構溫度場進行連續(xù)測量［9］。為了實現連續(xù)分布式測量，基于布里淵散射的分布式光纖傳感被用于混凝土溫度測量，然而布里淵散射對溫度和應變效應都敏感，在混凝土監(jiān)測過程中會受到溫度和應變交叉敏感性的影響［10-11］。

為了準確獲取混凝土澆筑及固化過程中的溫度參量變化，本文結合拉曼散射原理，采用植入式分布式光纖溫度傳感技術用于引黃涵閘混凝土溫度監(jiān)測，在不影響混凝土內部結構的情況下，對混凝土澆筑及固化過程中的溫度進行實時在線狀態(tài)監(jiān)測。實驗結果表明，利用分布式光纖溫度傳感技術，可以有效地監(jiān)測混凝土澆筑及固化過程中各個位置的溫度特征，實現全時全域全生命周期地完成對混凝土的內部結構狀態(tài)測量，對保障水利工程中混凝土生命周期運轉過程的健康狀態(tài)監(jiān)測及其質量提升具有重要意義，幫助工程師和監(jiān)測人員及時了解混凝土結構的變化情況，預防可能發(fā)生的安全事故，為保證黃河流域健康發(fā)展，打造“智慧黃河”提供新技術和新途徑。

1分布式光纖溫度傳感技術測量原理

1.1基本原理

拉曼散射是一種非彈性碰撞，主要是入射光子和光學聲子之間相互作用的結果，當入射光子與光學聲子相互作用時，光學聲子會被光子吸收，入射光頻率會向更高頻率的散射光偏移，反之，當光學聲子被光子釋放時，入射光會向低頻率的散射光轉變。拉曼散射也與特定的頻移相關，其頻移量約為13.2 THz，線寬約為5 THz?；诶⑸涞姆植际焦饫w溫度傳感系統如圖1所示。

基于拉曼散射的分布式溫度傳感系統主要由光路模塊、傳感光纖、光信號檢測與處理模塊三部分組成。其中光路模塊由固定重復頻率的激光光源以及1×3的波分復用器（WDM）組成。傳感光纖用于傳輸光信號及感知光纖沿線的溫度變化情況。光信號檢測與處理模塊包括光電探測器、數據采集卡及上位機處理軟件，其中，探測器用于探測沿傳感光纖后向散射的Anti-Stokes和Stokes光信號，之后由數據采集卡對這兩路光信號進行采集，最后由上位機處理軟件對采集到的數據進行處理，從而分析出沿整個傳感光纖方向的溫度曲線特征。

1.2基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感解調方法

由于拉曼散射產生的Anti-Stokes光信號對外界環(huán)境溫度變化具有較高的敏感性，而Stokes光信號對外界環(huán)境溫度變化的敏感性較低，所以，通常采用Stokes后向散射光作為基于拉曼散射的分布式溫度傳感系統中溫度解調的參考光來實現對外界溫度的測量。

目前，基于Anti-Stokes光信號和Stokes光信號強度比值的溫度解調方法可以有效地消除光源輸出的不穩(wěn)定性以及光纖鏈路中的損耗等不確定因素對溫度變化造成的影響，可以極大地提升基于拉曼散射的分布式溫度傳感系統的可靠性，已經被廣泛應用于分布式光纖溫度傳感系統來實現溫度信息的解調。本系統所使用的分布式光纖溫度傳感系統溫度分辨率為±1.5 ℃，空間分辨率為1 m，溫度測量范圍為-40～150 ℃。

2引黃涵閘混凝土溫度在線監(jiān)測系統的實現

2.1傳感光纜及解調主機布置

為了實現對混凝土全時全域全生命周期溫度監(jiān)測，我們將傳感光纜植入到黃河下游引黃涵閘改建工程混凝土內部結構中，在不影響混凝土內部結構的情況下，實現對混凝土澆筑及固化過程中的溫度狀態(tài)在線監(jiān)測，并在山東黃河首批國家重大水利工程黃河下游引黃涵閘改建工程（山東段）落地實施。系統示意圖如圖2所示，將傳感光纜布設在引黃涵閘架構之中，為了確保在混凝土澆筑過程中傳感光纜的安全，采取傳感光纜與鋼筋貼合方式對光纜進行布設，同時，對關鍵部位進行加固處理，保護關鍵部位的光纜安全。對于分布式光纖溫度傳感系統，其主要包括數據采集模塊和數據分析模塊，采集模塊與傳感光纜相連接用于采集光纖沿線的拉曼散射信息，分析模塊主要用于分析傳感光纜沿線的溫度變化情況，兩個模塊放置在監(jiān)控室中用于實時監(jiān)測分析。

為了不影響引黃涵閘現場施工，在鋼筋結構施工完成后，將傳感光纜布設于鋼筋側面緊挨鋼筋結構，按照正弦型結構鋪設光纜，并用鋼絲將光纜固定于鋼筋旁側，使得光纜與鋼筋緊貼，

光纜在布設過程中，應將光纜拉直，盡量減少光纜的彎曲，保證光纜在使用中具有較強的光信號。

2.2溫度場狀態(tài)分析

為確保分布式光纖溫度傳感系統的正常運行，先對光纜整體進行初步檢測，對布設后的光纜某一時刻溫度進行了測試，結果見圖3?？梢钥闯?，整個光纜的溫度沿線無斷裂，分布式光纖傳感系統可以正常監(jiān)測到整根傳感光纜的溫度。此時，整根光纜受外界環(huán)境的影響，溫度基本相同。因此，將分布式光纖溫度傳感系統進行時間采集設定，每間隔10 min采集一次，用于后續(xù)的混凝土溫度監(jiān)測。

3實驗結果及分析

3.1引黃涵閘混凝土澆筑和固化過程中溫度變化

為了獲取引黃涵閘混凝土澆筑和固化過程中溫度變化情況，我們將分布式光纖溫度傳感系統放置在監(jiān)測室，并利用分布式光纖溫度傳感系統對引黃涵閘澆筑和固化的整個生命過程進行為期7天的溫度監(jiān)測，其中包含2個半天，5個整天。對混凝土澆筑及固化過程中的溫度測量結果如圖4所示，可以明顯看出混凝土澆筑前后的溫度變化差異，其中前75 m范圍內為涵閘與監(jiān)測室連接的光纜長度，而后125 m范圍內為布設在引黃涵閘內部的光纜長度。圖4（a）反映了混凝土澆筑前光纜沿線的溫度特征變化，可以看出，在未澆筑混凝土時，光纜溫度主要由外界環(huán)境溫度決定。圖4（b）反映了混凝土澆筑之前以及澆筑固化過程中的溫度變化情況，在第二天上午11：00時，混凝土開始澆筑，布設在引黃涵閘內部的光纜受混凝土溫度的影響快速升高，達到50 ℃，引黃涵閘混凝土內部溫度與外界溫度形成了一個明顯的溫度差。圖4（c）～4（e）給出了混凝土在固化過程中的溫度變化情況，可以看出，混凝土在澆筑之后的兩天處于溫度下降期，在此期間，混凝土內外溫差在白天時受太陽光照的影響，溫差維持在20 ℃以內，而在夜間時，混凝土內外溫差會達到30 ℃。此外，在監(jiān)測的第四天，引黃涵閘施工附近受降雨天氣的影響，進一步加速了混凝土的溫度下降，使得混凝土內部溫度更加快速地趨于外界環(huán)境溫度，如圖4（d）所示。圖4（e）～4（g）展示了混凝土固化過程后期溫度變化情況，可以看出，在監(jiān)測第五天中，混凝土局部溫度維持在30 ℃，而后混凝土內部溫度下降至20 ℃后基本不變，可以判斷，混凝土在固化之后內部溫度基本維持在20 ℃。從圖5（d）～5（e）中可以看出，混凝土在固化過程中，會有局部位置點比其他位置溫度高，冷卻時間要長于其他位置。通過分析布設距離得知，溫度較高點主要位于整個引黃涵閘邊界位置，這可能是由于在澆筑混凝土過程中，邊界的混凝土澆筑不均勻。在這種情況下，為了確保混凝土的澆筑質量，防止溫度異常產生開裂現象，可以適當地進行降溫處理。

根據GB 50496—2018《大體積混凝土施工標準》［12］第3.0.4條，混凝土施工溫控指標應符合下列規(guī)定：（1）混凝土澆筑體在入模溫度基礎上的溫升值不宜大于50 ℃; （2）混凝土澆筑體里表溫差不宜大于25 ℃; （3）混凝土澆筑體降溫速率不宜大于2.0 ℃/d; （4）拆除保溫覆蓋時混凝土澆筑體表面與大氣溫差不應大于20 ℃。圖4（h）顯示了混凝土澆筑及固化過程中的整體溫度變化。通過對比可以發(fā)現，混凝土升溫最大達到50 ℃以及拆除保溫覆蓋時混凝土澆筑體表面與大氣溫差小于20 ℃，因此混凝土澆筑體在入模溫度升值以及拆除保溫覆蓋時溫度差滿足標準要求；而在夜間，澆筑體里表溫差大于30 ℃，在這種情況下，可以對混凝土固化過程中的周圍環(huán)境采取相應的升溫措施，避免溫差過大；另外，混凝土澆筑體降溫速率遠大于2.0 ℃/d，考慮天氣降雨原因加速了混凝土降溫，在后續(xù)相似工程建設過程中，可以預先分析外界環(huán)境因素，對混凝土做好保溫措施。

因此，通過采用植入式分布式光纖溫度傳感技術，可以實時地分析混凝土澆筑固化整個過程中的內部溫度場變化，從而判斷混凝土內部溫度變化是否滿足引黃涵閘工程建設要求，并可以在關鍵時間節(jié)點采取有效措施，及時指導混凝土澆筑養(yǎng)護等工序，提升工程建設質量。

3.2不同時刻下混凝土內部溫度變化

為了更詳細地分析引黃涵閘建設過程中混凝土溫度情況，我們給出了不同時刻下混凝土內部溫度變化特征，結果如圖5所示。其中，圖5（a）反映了混凝土入模前的溫度變化情況，該時段主要受天氣環(huán)境溫度的影響，在監(jiān)測時間為25 h時，混凝土入模，此時混凝土的溫度為40 ℃左右，且混凝土內部的整體溫度波動幅值較小，表明混凝土施工前的配料比滿足澆筑的溫度要求。圖5（b）～5（c）反映了混凝土在澆筑之后40 h內的整體溫度變化情況，可以看出，混凝土整體溫度上升至50 ℃之后并逐漸下降，其中溫差最大可達45 ℃，最小溫度差小于10 ℃，造成這種巨大溫差的主要原因是夜間以及下雨天外界環(huán)境溫度降低。圖5（d）展示了固化完成后70 h內的溫度變化情況，可以看出，在混凝土澆筑80 h后，混凝土內部溫度保持基本不變，與外界溫度差在5 ℃左右。由于混凝土巨大的內外溫差變化是引起混凝土產生裂縫的一個關鍵原因，因此在混凝土固化過程中，當大溫差產生時，可對混凝土進行整體養(yǎng)護，降低其溫差變化。

3.3不同位置溫度隨時間變化

此外，我們分析了沿傳感光纜不同位置溫度隨時間變化情況，結果如圖6所示。其中，圖6（a）展示了引黃涵閘至監(jiān)控室的溫度變化情況，其各個位置的溫度波動情況相同，主要是受到環(huán)境溫度的影響，環(huán)境溫度最高可達33 ℃，最低在5 ℃。圖6（b）～6（d）給出了引黃涵閘內部鋪設光纜各個位置的溫度變化情況，可以看出，在引黃涵閘內部，溫度變化趨勢相同，混凝土內部的溫差最大在15 ℃，如圖6（d）中165 m處和185 m處比較，引起溫度差異的原因可能是185 m處于涵閘整體混凝土澆筑的邊緣位置，混凝土在澆筑之后，溫度由邊緣向外界擴散，使得邊緣溫度下降較快。此外，通過圖6（b）～6（d）我們可以看出，混凝土整體溫度在監(jiān)測30 h后達到50 ℃，在之后70 h內溫度降低至均衡，達到15 ℃，與外界保持穩(wěn)定的溫度差，因此，混凝土內部溫度在固化過程中的下降速率約為0.5 ℃/h，這種快速的下降速率也可能是造成混凝土后續(xù)產生裂紋的原因之一。因此，通過對混凝土澆筑及固化過程中的溫度實時監(jiān)控，及時處理溫度過高情況，一方面可以采取有效應急措施，減少問題發(fā)生;另一方面，通過研究分析混凝土澆筑固化過程中溫度變化規(guī)律，可以為后續(xù)的涵閘改建或同類項目混凝土設計、施工及材料配比等提供指導性建議和注意事項，提升工程建設質量，為黃河流域水利工程建設高質量發(fā)展貢獻力量。

分布式光纖溫度傳感技術可以準確地監(jiān)測光纖沿線某一點的實時溫度信息，在混凝土施工之前，可以事前標注光纜位置及形狀走勢，從而準確分析混凝土結構中溫度變化的具體位置。圖7展示了依照光纜鋪設方向在不同階段監(jiān)測到的溫度情況，其中圖7（a）給出了引黃涵閘混凝土澆筑前光纜沿線某一時刻的溫度情況，根據正弦型鋪設結構中各個點的溫度，可以得到整個引黃涵閘混凝土平面的溫度場信息，保障溫度全方位實時監(jiān)測。圖7（b）給出了混凝土澆筑后前期溫度變化情況，可以詳細地分析出整個混凝土澆筑后前期溫度具體細節(jié)值，整個混凝土結構平面溫度最大可以達到49.2 ℃，最低溫度為42.5 ℃，可以通過混凝土整體結構的細節(jié)溫度差判斷混凝土在配料比方面是否滿足水利工程需求，以及對后續(xù)的混凝土配料比提供指導性建議并進行相關調整。圖7（c）展示了引黃涵閘混凝土澆筑后期溫度細節(jié)，可以有效地分析混凝土溫度下降過程中出現的異常高溫點，并對異常點采取相關降溫措施。圖7（d）給出了混凝土固化后內部結構溫度，可以看出，混凝土固化后的最終溫度趨近于環(huán)境溫度，通過對后期溫度的監(jiān)測，可以判斷混凝土是否固化完成，以及混凝土溫度固化周期是否滿足水利建設工程。

4總結

本文提出一種基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感技術，利用植入式光纖光纜實現對黃河涵閘混凝土澆筑固化過程中的溫度變化的有效監(jiān)測。采用分布式光纖溫度傳感技術，可以在不影響混凝土內部結構的同時，全方位、大范圍實時監(jiān)測混凝土澆筑及固化過程整個生命周期的內部溫度場變化情況，有效地保障了混凝土內部結構安全。

但同時也存在一

些不足，比如溫度數據的解釋可能較為復雜，尤其是在結合其他因素（如氣候條件、混凝土配方等）進行綜合分析時，可能需要更深入的研究和分析。因此，在后續(xù)的研究中，可以進一步引入先進的數據分析技術，如機器學習算法，從收集的溫度數據中提取相關影響因素，改進關于引黃涵閘結構完整性和性能隨時間變化的預測能力，保障我國水利工程建設安全。

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