基于植入式分布式光纤传感技术的引黄涵闸混凝土温度监测方法及其应用

摘要：准确获取混凝土浇筑及固化过程中的温度特征参量变化对于了解及掌握黄河流域引黄涵闸工程建设中混凝土开裂产生原因具有重要意义。目前黄河流域引黄涵闸建设工程中主要采用热成像方式测量其表面温度，难以实时获取混凝土的整体温度特征。采用植入式分布式光纤传感技术在对引黄涵闸工程山东段混凝土温度进行监测，在混凝土浇筑前，将传感光缆预先布设于结构钢筋两侧，从而实时有效地监测混凝土浇筑和固化过程中的内部温度特征。实验结果表明，采用植入式分布式光纤传感技术，可以实时监测混凝土各个点位的温度变化及固化过程中的温度异常点，同时，该方案可以有效分析混凝土固化过程中温度特征及整体变化情况。依托分布式光纤传感技术实现引黄涵闸混凝土温度监测，对黄河流域同类工程建设具有重要的借鉴意义。

关键词：引黄涵闸工程；分布式光纤传感技术；混凝土；温度监测

中图分类号：TN247文献标志码：A文章编号：1002-4026（2024）05-0054-08

开放科学（资源服务）标志码（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

完善黄河流域生态环境监管体系，加强黄河综合治理和能力建设，解决黄河流域高质量发展中存在的问题已上升为我国国家发展战略。随着我国对水资源综合利用和高效开发迈入全新的发展阶段，黄河流域水利工程建设也取得了快速发展。混凝土由于其价格低廉、可模性高、耐久性好等特点，在水利工程建设中被广泛地应用，已成为水利工程建设中不可或缺的材料。

在混凝土结构浇筑及固化过程中，温度变化会显著影响整体结构的应力状态，使得混凝土内部产生压应力，外部产生拉应变，从而导致裂缝的出现，对混凝土结构的整体性、耐久性以及防渗能力造成不可逆转的破坏，影响混凝土结构的长期运行安全，甚至对水利工程建设带来不可估量的损失［1-3］。因此，混凝土的温度监测是水利工程建设关注的重点。为了保证浇筑及固化过程中混凝土的内部结构质量，需要对混凝土生命周期中的实际温度状态进行实时测量，掌握混凝土内部的温度场分布规律，从而减少乃至消除混凝土裂缝对其功能完整性的影响，对安全生产具有重要意义。

目前，常用于混凝土结构温度监测的温度计或温度传感器主要包括热电偶、热敏电阻、红外测温仪等［4］。主动热成像技术被用于混凝土结构缺陷监测，通过对混凝土结构温度成像，检测混凝土在固化过程中的溶解、空洞和不均匀性等缺陷［5-6］。然而，上述混凝土温度监测技术依赖于人工，无法做到数据连续采集，会导致漏检等风险，难以实时反映混凝土内部温度场变化信息。同时，上述监测设备只能用于混凝土固化过程，无法对混凝土应用过程中的内部温度场进行监测。近年来，光纤传感技术由于其测量精度高、抗电磁干扰及恶劣环境、性能稳定、价格低等优点，受到了国内外研究学者的广泛关注。光纤本身便是一种有效的传感阵列，其可以被看作是大量传感器的集合，在完成光纤铺设时，大量的传感器也被相应地部署［7-8］。另外，光纤传感器用光纤进行信号传感和传输，可以实现对光纤沿线的应变、振动、温度等信息的测量。因此，光纤传感技术为混凝土全生命周期的温度监测提供新思路。光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating， FBG）传感器已被应用于混凝土结构温度的长期监测，但FBG传感器只能实现准分布式测量，无法对光纤沿线混凝土结构温度场进行连续测量［9］。为了实现连续分布式测量，基于布里渊散射的分布式光纤传感被用于混凝土温度测量，然而布里渊散射对温度和应变效应都敏感，在混凝土监测过程中会受到温度和应变交叉敏感性的影响［10-11］。

为了准确获取混凝土浇筑及固化过程中的温度参量变化，本文结合拉曼散射原理，采用植入式分布式光纤温度传感技术用于引黄涵闸混凝土温度监测，在不影响混凝土内部结构的情况下，对混凝土浇筑及固化过程中的温度进行实时在线状态监测。实验结果表明，利用分布式光纤温度传感技术，可以有效地监测混凝土浇筑及固化过程中各个位置的温度特征，实现全时全域全生命周期地完成对混凝土的内部结构状态测量，对保障水利工程中混凝土生命周期运转过程的健康状态监测及其质量提升具有重要意义，帮助工程师和监测人员及时了解混凝土结构的变化情况，预防可能发生的安全事故，为保证黄河流域健康发展，打造“智慧黄河”提供新技术和新途径。

1分布式光纤温度传感技术测量原理

1.1基本原理

拉曼散射是一种非弹性碰撞，主要是入射光子和光学声子之间相互作用的结果，当入射光子与光学声子相互作用时，光学声子会被光子吸收，入射光频率会向更高频率的散射光偏移，反之，当光学声子被光子释放时，入射光会向低频率的散射光转变。拉曼散射也与特定的频移相关，其频移量约为13.2 THz，线宽约为5 THz。基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统如图1所示。

基于拉曼散射的分布式温度传感系统主要由光路模块、传感光纤、光信号检测与处理模块三部分组成。其中光路模块由固定重复频率的激光光源以及1×3的波分复用器（WDM）组成。传感光纤用于传输光信号及感知光纤沿线的温度变化情况。光信号检测与处理模块包括光电探测器、数据采集卡及上位机处理软件，其中，探测器用于探测沿传感光纤后向散射的Anti-Stokes和Stokes光信号，之后由数据采集卡对这两路光信号进行采集，最后由上位机处理软件对采集到的数据进行处理，从而分析出沿整个传感光纤方向的温度曲线特征。

1.2基于拉曼散射的分布式光纤温度传感解调方法

由于拉曼散射产生的Anti-Stokes光信号对外界环境温度变化具有较高的敏感性，而Stokes光信号对外界环境温度变化的敏感性较低，所以，通常采用Stokes后向散射光作为基于拉曼散射的分布式温度传感系统中温度解调的参考光来实现对外界温度的测量。

目前，基于Anti-Stokes光信号和Stokes光信号强度比值的温度解调方法可以有效地消除光源输出的不稳定性以及光纤链路中的损耗等不确定因素对温度变化造成的影响，可以极大地提升基于拉曼散射的分布式温度传感系统的可靠性，已经被广泛应用于分布式光纤温度传感系统来实现温度信息的解调。本系统所使用的分布式光纤温度传感系统温度分辨率为±1.5 ℃，空间分辨率为1 m，温度测量范围为-40～150 ℃。

2引黄涵闸混凝土温度在线监测系统的实现

2.1传感光缆及解调主机布置

为了实现对混凝土全时全域全生命周期温度监测，我们将传感光缆植入到黄河下游引黄涵闸改建工程混凝土内部结构中，在不影响混凝土内部结构的情况下，实现对混凝土浇筑及固化过程中的温度状态在线监测，并在山东黄河首批国家重大水利工程黄河下游引黄涵闸改建工程（山东段）落地实施。系统示意图如图2所示，将传感光缆布设在引黄涵闸架构之中，为了确保在混凝土浇筑过程中传感光缆的安全，采取传感光缆与钢筋贴合方式对光缆进行布设，同时，对关键部位进行加固处理，保护关键部位的光缆安全。对于分布式光纤温度传感系统，其主要包括数据采集模块和数据分析模块，采集模块与传感光缆相连接用于采集光纤沿线的拉曼散射信息，分析模块主要用于分析传感光缆沿线的温度变化情况，两个模块放置在监控室中用于实时监测分析。

为了不影响引黄涵闸现场施工，在钢筋结构施工完成后，将传感光缆布设于钢筋侧面紧挨钢筋结构，按照正弦型结构铺设光缆，并用钢丝将光缆固定于钢筋旁侧，使得光缆与钢筋紧贴，

光缆在布设过程中，应将光缆拉直，尽量减少光缆的弯曲，保证光缆在使用中具有较强的光信号。

2.2温度场状态分析

为确保分布式光纤温度传感系统的正常运行，先对光缆整体进行初步检测，对布设后的光缆某一时刻温度进行了测试，结果见图3。可以看出，整个光缆的温度沿线无断裂，分布式光纤传感系统可以正常监测到整根传感光缆的温度。此时，整根光缆受外界环境的影响，温度基本相同。因此，将分布式光纤温度传感系统进行时间采集设定，每间隔10 min采集一次，用于后续的混凝土温度监测。

3实验结果及分析

3.1引黄涵闸混凝土浇筑和固化过程中温度变化

为了获取引黄涵闸混凝土浇筑和固化过程中温度变化情况，我们将分布式光纤温度传感系统放置在监测室，并利用分布式光纤温度传感系统对引黄涵闸浇筑和固化的整个生命过程进行为期7天的温度监测，其中包含2个半天，5个整天。对混凝土浇筑及固化过程中的温度测量结果如图4所示，可以明显看出混凝土浇筑前后的温度变化差异，其中前75 m范围内为涵闸与监测室连接的光缆长度，而后125 m范围内为布设在引黄涵闸内部的光缆长度。图4（a）反映了混凝土浇筑前光缆沿线的温度特征变化，可以看出，在未浇筑混凝土时，光缆温度主要由外界环境温度决定。图4（b）反映了混凝土浇筑之前以及浇筑固化过程中的温度变化情况，在第二天上午11：00时，混凝土开始浇筑，布设在引黄涵闸内部的光缆受混凝土温度的影响快速升高，达到50 ℃，引黄涵闸混凝土内部温度与外界温度形成了一个明显的温度差。图4（c）～4（e）给出了混凝土在固化过程中的温度变化情况，可以看出，混凝土在浇筑之后的两天处于温度下降期，在此期间，混凝土内外温差在白天时受太阳光照的影响，温差维持在20 ℃以内，而在夜间时，混凝土内外温差会达到30 ℃。此外，在监测的第四天，引黄涵闸施工附近受降雨天气的影响，进一步加速了混凝土的温度下降，使得混凝土内部温度更加快速地趋于外界环境温度，如图4（d）所示。图4（e）～4（g）展示了混凝土固化过程后期温度变化情况，可以看出，在监测第五天中，混凝土局部温度维持在30 ℃，而后混凝土内部温度下降至20 ℃后基本不变，可以判断，混凝土在固化之后内部温度基本维持在20 ℃。从图5（d）～5（e）中可以看出，混凝土在固化过程中，会有局部位置点比其他位置温度高，冷却时间要长于其他位置。通过分析布设距离得知，温度较高点主要位于整个引黄涵闸边界位置，这可能是由于在浇筑混凝土过程中，边界的混凝土浇筑不均匀。在这种情况下，为了确保混凝土的浇筑质量，防止温度异常产生开裂现象，可以适当地进行降温处理。

根据GB 50496—2018《大体积混凝土施工标准》［12］第3.0.4条，混凝土施工温控指标应符合下列规定：（1）混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值不宜大于50 ℃; （2）混凝土浇筑体里表温差不宜大于25 ℃; （3）混凝土浇筑体降温速率不宜大于2.0 ℃/d; （4）拆除保温覆盖时混凝土浇筑体表面与大气温差不应大于20 ℃。图4（h）显示了混凝土浇筑及固化过程中的整体温度变化。通过对比可以发现，混凝土升温最大达到50 ℃以及拆除保温覆盖时混凝土浇筑体表面与大气温差小于20 ℃，因此混凝土浇筑体在入模温度升值以及拆除保温覆盖时温度差满足标准要求；而在夜间，浇筑体里表温差大于30 ℃，在这种情况下，可以对混凝土固化过程中的周围环境采取相应的升温措施，避免温差过大；另外，混凝土浇筑体降温速率远大于2.0 ℃/d，考虑天气降雨原因加速了混凝土降温，在后续相似工程建设过程中，可以预先分析外界环境因素，对混凝土做好保温措施。

因此，通过采用植入式分布式光纤温度传感技术，可以实时地分析混凝土浇筑固化整个过程中的内部温度场变化，从而判断混凝土内部温度变化是否满足引黄涵闸工程建设要求，并可以在关键时间节点采取有效措施，及时指导混凝土浇筑养护等工序，提升工程建设质量。

3.2不同时刻下混凝土内部温度变化

为了更详细地分析引黄涵闸建设过程中混凝土温度情况，我们给出了不同时刻下混凝土内部温度变化特征，结果如图5所示。其中，图5（a）反映了混凝土入模前的温度变化情况，该时段主要受天气环境温度的影响，在监测时间为25 h时，混凝土入模，此时混凝土的温度为40 ℃左右，且混凝土内部的整体温度波动幅值较小，表明混凝土施工前的配料比满足浇筑的温度要求。图5（b）～5（c）反映了混凝土在浇筑之后40 h内的整体温度变化情况，可以看出，混凝土整体温度上升至50 ℃之后并逐渐下降，其中温差最大可达45 ℃，最小温度差小于10 ℃，造成这种巨大温差的主要原因是夜间以及下雨天外界环境温度降低。图5（d）展示了固化完成后70 h内的温度变化情况，可以看出，在混凝土浇筑80 h后，混凝土内部温度保持基本不变，与外界温度差在5 ℃左右。由于混凝土巨大的内外温差变化是引起混凝土产生裂缝的一个关键原因，因此在混凝土固化过程中，当大温差产生时，可对混凝土进行整体养护，降低其温差变化。

3.3不同位置温度随时间变化

此外，我们分析了沿传感光缆不同位置温度随时间变化情况，结果如图6所示。其中，图6（a）展示了引黄涵闸至监控室的温度变化情况，其各个位置的温度波动情况相同，主要是受到环境温度的影响，环境温度最高可达33 ℃，最低在5 ℃。图6（b）～6（d）给出了引黄涵闸内部铺设光缆各个位置的温度变化情况，可以看出，在引黄涵闸内部，温度变化趋势相同，混凝土内部的温差最大在15 ℃，如图6（d）中165 m处和185 m处比较，引起温度差异的原因可能是185 m处于涵闸整体混凝土浇筑的边缘位置，混凝土在浇筑之后，温度由边缘向外界扩散，使得边缘温度下降较快。此外，通过图6（b）～6（d）我们可以看出，混凝土整体温度在监测30 h后达到50 ℃，在之后70 h内温度降低至均衡，达到15 ℃，与外界保持稳定的温度差，因此，混凝土内部温度在固化过程中的下降速率约为0.5 ℃/h，这种快速的下降速率也可能是造成混凝土后续产生裂纹的原因之一。因此，通过对混凝土浇筑及固化过程中的温度实时监控，及时处理温度过高情况，一方面可以采取有效应急措施，减少问题发生;另一方面，通过研究分析混凝土浇筑固化过程中温度变化规律，可以为后续的涵闸改建或同类项目混凝土设计、施工及材料配比等提供指导性建议和注意事项，提升工程建设质量，为黄河流域水利工程建设高质量发展贡献力量。

分布式光纤温度传感技术可以准确地监测光纤沿线某一点的实时温度信息，在混凝土施工之前，可以事前标注光缆位置及形状走势，从而准确分析混凝土结构中温度变化的具体位置。图7展示了依照光缆铺设方向在不同阶段监测到的温度情况，其中图7（a）给出了引黄涵闸混凝土浇筑前光缆沿线某一时刻的温度情况，根据正弦型铺设结构中各个点的温度，可以得到整个引黄涵闸混凝土平面的温度场信息，保障温度全方位实时监测。图7（b）给出了混凝土浇筑后前期温度变化情况，可以详细地分析出整个混凝土浇筑后前期温度具体细节值，整个混凝土结构平面温度最大可以达到49.2 ℃，最低温度为42.5 ℃，可以通过混凝土整体结构的细节温度差判断混凝土在配料比方面是否满足水利工程需求，以及对后续的混凝土配料比提供指导性建议并进行相关调整。图7（c）展示了引黄涵闸混凝土浇筑后期温度细节，可以有效地分析混凝土温度下降过程中出现的异常高温点，并对异常点采取相关降温措施。图7（d）给出了混凝土固化后内部结构温度，可以看出，混凝土固化后的最终温度趋近于环境温度，通过对后期温度的监测，可以判断混凝土是否固化完成，以及混凝土温度固化周期是否满足水利建设工程。

4总结

本文提出一种基于拉曼散射的分布式光纤温度传感技术，利用植入式光纤光缆实现对黄河涵闸混凝土浇筑固化过程中的温度变化的有效监测。采用分布式光纤温度传感技术，可以在不影响混凝土内部结构的同时，全方位、大范围实时监测混凝土浇筑及固化过程整个生命周期的内部温度场变化情况，有效地保障了混凝土内部结构安全。

但同时也存在一

些不足，比如温度数据的解释可能较为复杂，尤其是在结合其他因素（如气候条件、混凝土配方等）进行综合分析时，可能需要更深入的研究和分析。因此，在后续的研究中，可以进一步引入先进的数据分析技术，如机器学习算法，从收集的温度数据中提取相关影响因素，改进关于引黄涵闸结构完整性和性能随时间变化的预测能力，保障我国水利工程建设安全。

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