泵站進水流道施工期鋼模板變形監測研究

包騰飛 ，張蘭蘭，胡雨菡，王一兵，李澗鳴

(1. 河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098； 2. 河海大學 水災害防御全國重點實驗室，江蘇 南京 210098；3. 紹興市水利水電勘測設計院有限公司，浙江 紹興 312099)

泵站進水流道是一種復雜的異型結構，其澆筑是施工難點。通常采用鋼模板進行流道施工，以克服傳統木模板和組合式鋼模板常出現的漏漿、麻面、裂縫等缺陷，避免流道混凝土脫落，且曲面加工難度小，接縫少，更有利于確保流道結構精度。在流道施工過程中，保證鋼模板的平整度和準確性對水泵的安全運行至關重要[1]。若鋼模板不平整或變形過大，容易在流道表面形成渦帶，導致阻力增加，進而改變水泵的能量和汽蝕特性，影響其運行效率，并伴生振動和噪聲等問題。因此，在施工過程中加強對泵站流道鋼模板的變形監測意義重大。

現有的鋼模板變形監測方法[2]主要包括全站儀法和多向應變片法。全站儀法通過觀測若干控制點的位移值以計算鋼模板變形，雖操作簡單，但易受環境因素的制約，如鋼模板附近搭設滿堂支架的情況，由于視線遮擋難以進行監測，且在陰雨天和夜間施工時基本無法觀測。多向應變片法在一些關鍵部位布置多向應變片，通過監測3 個方向的應變值以計算鋼模板變形。多向應變片僅能布置在相對平直的位置，對弧度較大的曲面，其測量精度不甚理想。為了進一步提升監測水平，保證施工質量，需研究一種受環境條件影響少并適用于泵站流道鋼模板這種復雜異型曲面的變形監測方法。

分布式光纖傳感技術以其耐久性好、靈敏度高、抗電磁干擾、便于分布式測量和遠程長期監測等優勢[3-5]受到土木和水利工程界的廣泛關注[6-8]。作為一種新型的分布式光纖傳感技術，預泵浦布里淵光時域分析技術（pulse-prepump Brillouin optical time domain analysis, PPP-BOTDA）利用受激布里淵散射效應，通過加入預泵浦脈沖光提高了測量的空間分辨率和精度，越來越多地應用在結構裂縫和位移監測等方面。Chai 等[9]基于PPP-BOTDA 通過模型試驗研究了地下煤礦覆蓋層變形與布里淵頻移的關系；Su 等[10]研究了PPP-BOTDA 混凝土應變監測的原理和實現方法，并以此為基礎試驗研究了裂縫的發生和擴展過程；Zhao 等[11]應用PPP-BOTDA 監測滑坡地表變形，利用巴特沃斯濾波器去噪并采用應變面積差表征應變差異程度，監測結果與GPS 和野外實測位移規律一致且具有更高的精度；Ye 等[12]考慮光纖涂覆層的彈塑性提出了一種基于PPP-BOTDA 的鋼結構裂縫張開位移監測方法，并通過試驗加以驗證。

本文基于PPP-BOTDA 分布式光纖傳感技術和改進共軛梁法對某排水泵站施工期流道模板的變形進行監測，并提出了相應的溫度補償方法。首先在混凝土澆筑過程中對相應部位的應變進行監測，然后基于應變數據，進行溫度補償以消除溫度影響，最后采用改進的共軛梁法計算流道鋼結構的變形。與傳統監測技術相比，PPP-BOTDA 技術可實現流道鋼模板選定斷面變形的全范圍監測，且不受環境因素干擾，對指導后續施工和減少經濟損失意義重大。

1 基于PPP-BOTDA 的結構變形監測原理

1.1 PPP-BOTDA 工作原理

光在光纖中傳播時會發生瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。其中，布里淵散射由光波與聲波作用產生。當光纖的應變和溫度等物理量發生變化時，背向布里淵散射光中心頻率會發生改變。通過時域或頻域技術測定背向布里淵散射光的頻移即可實現應變和溫度的分布式監測[13-14]。布里淵散射分為自發和受激兩種，基于布里淵散射的分布式光纖傳感時域技術相應地分為布里淵光時域反射（Brillouin optical time domain reflectometer, BOTDR）和布里淵光時域分析（Brillouin optical time domain analysis, BOTDA）等。由于自發布里淵背向散射光相對較弱，BOTDR 難以準確捕捉到布里淵頻移。而BOTDA 利用布里淵受激放大特性探測增益譜，并將其作為沿光纖的距離函數，相比BOTDR 其空間分辨率和精度都得到了進一步提升。BOTDA 系統在光纖的兩端分別注入連續探測光和泵浦脈沖光，當兩種光的頻差和光纖某部位布里淵偏移量相等時，會產生布里淵受激放大效應，從而相互作用產生更大光強度[15]。PPP-BOTDA 則是在BOTDA 輸入泵浦光之前加入預泵浦脈沖光以激發聲子，從而實現更高的分辨率和精度[16]。預泵浦脈沖通常采用如下階躍函數[16]描述：

式中：Cp為泵浦脈沖的功率；Dp為預泵浦脈沖的持時；D為泵浦脈沖的持時；Ap+Cp為預泵浦脈沖的功率。

如圖1 所示，當應變和溫度發生變化時，布里淵頻移變化量為：

圖1 PPP-BOTDA 系統技術原理示意Fig. 1 Schematic diagram of the technical principle of PPP-BOTDA systems

式中：υB(ε,T)為在應變ε和溫度T時的布里淵頻移值；υB(0)為在無應變、溫度為參考溫度T0時的布里淵頻移值；Cε=dυB(ε)/dε和CT=dυB(T)/dT分別表示應變和溫度影響系數； ?T為溫度變化量。

1.2 溫度補償方法

在使用感測光纖對泵站流道鋼模板應變進行監測時，由于光纖中的布里淵散射光同時受溫度和應變的影響，實測應變同時包含由鋼結構形變和溫度變化引起的應變。為得到鋼模板在外荷載作用下的應變，應將溫度應變剔除，即進行溫度補償。溫度補償通過在流道鋼模板上布置應變傳感光纖并平行布置溫度傳感光纖實現。采用復合織物將應變傳感光纖和溫度傳感光纖附著成一體，組成復合基感測光纖。其中，溫度傳感光纖具有特制的松套包層結構，只能測量由溫度引起的應變。將應變傳感光纖測值減去溫度傳感光纖測值，即可得到流道鋼模板由外荷載引起的應變。

由PPP-BOTDA 原理可知，對于應變傳感光纖有：

式中： ε1為應變傳感光纖的測量應變；Cε1為應變傳感光纖的應變影響系數。

對于溫度傳感光纖有：

式中： ε2為溫度傳感光纖中由溫度變化引起的應變；Cε2為溫度傳感光纖的應變影響系數；CT2為溫度傳感光纖的溫度影響系數。

將式（3）~（5）代入式（2），可得剔除溫度影響后的應變為：

式中：CT1為應變傳感光纖的溫度影響系數。式（6）中的ε在應變傳感光纖實測應變曲線的基礎上減去溫度傳感光纖實測應變曲線的CT1Cε2/(Cε1CT2)，可得到消除溫度影響的應變。其中，應變和溫度影響系數為光纖基本參數，一般由廠家測試確定。

1.3 基于改進共軛梁法的結構變形監測

通過PPP-BOTDA 技術可以直接監測結構應變的空間分布，需通過進一步轉換得到結構變形，通常通過撓度計算實現?，F有方法包括應變二次積分法、歐拉-貝努利梁理論、共軛梁法等。本文采用改進共軛梁法。該方法可以克服應變二次積分法的誤差累積、歐拉-貝努利梁理論不合理剛度假定和傳統共軛梁法通用性不足等問題[17]，具有更高的計算精度。根據共軛梁法原理，梁的曲率分布與共軛梁的荷載分布等價，于是梁的曲率可由應變表示為：

式中：k(x)為實際梁曲率；M(x)為實際梁彎矩；E為彈性模量；I(x)為截面慣性矩；ε(x)為實際梁應變；y為光纖監測點和中性軸之間的距離；q′(x)為共軛梁的等效荷載分布。

若梁長度為L，截面抗彎剛度為EI，沿長度方向均勻劃分n個單元，那么各單元長度為l=L/n，如圖2所示。將式（7）單元化得第i個單元的平均曲率為：

圖2 簡支梁與其共軛梁示意Fig. 2 Schematic diagram of simply supported beams and conjugate beams

則共軛梁的第j和j+1單元分界點的變形vj[18]為：

同理可得第j+1單元中點處變形vj+1/2：

對于連續梁，可按照支座位置拆分為若干段，每一段視為簡支梁，分別由式（9）和（10）計算梁的變形。

2 泵站工程概況及現場測試

某排水泵站工程位于京杭運河二通道一線船閘東側，為Ⅰ等工程，設計排水流量為200 m3/s。泵站均位于錢塘江北岸1 級海堤上，系堤身式泵站。排水泵站（包括前池、出水池兩側岸墻）及其下游翼墻、與錢塘江海塘的連接堤等主要建筑物為1 級建筑物；上游翼墻、引河、邊坡等次要建筑物為3 級建筑物。排水泵站工程主要建筑物包括上游引河、排水泵站和出水渠等，上游引河中心線長1 256.12 m。泵站建筑物主要包括進水池、泵房及出水池，順水流方向長度分別為70.0、55.0 和50.0 m，水泵采用4 臺斜15°臥式軸流泵。下游排水箱涵前接出水池，后接擋潮排水閘，中心線長170.90 m。泵站流道內模均采用鋼模板，在流道混凝土澆筑后不拆模，主要起混凝土定形及保護作用，但流道鋼模板不承擔施工期荷載，采取滿堂支架的支撐措施保證施工期鋼模板不產生過大變形。

采用基于PPP-BOTDA 的光纖傳感器對該泵站進水流道的鋼模板結構進行監測。采用碳纖維布織物條帶編織的方式將應變傳感光纖和溫度傳感光纖附著成一體，其應變光纖和溫度光纖的基本參數如表1 所示。PPP-BOTDA 測試設備為NBX-6050A 光納儀，其最大測量長度為25 km，應變測量范圍和精度分別為?3%~4%和±7.5×10?6。

表1 應變光纖及溫度光纖基本參數Tab. 1 Basic parameters of optical fibers for strain and temperature

在進水流道最大斷面鋼模板上布設復合傳感光纖，該斷面為矩形，尺寸為9.6 m×5.6 m（寬×高），如圖3 所示。具體布設方法如下：首先在流道結構上繪制預定鋪設線路，并進行清掃除塵。將復合傳感光纖平鋪在結構表面，并用夾具以定點的方式將復合光纖分段固定在表面。在固定時，應對復合光纖進行預拉，避免復合光纖松弛彎曲影響后期測試效果。 然后用粘貼劑沿鋪設線路將固定的復合光纖全面粘貼覆蓋，再用電吹風機熱化膠體，使復合光纖與表面充分粘結。為方便復合光纖接續，采用專用保護夾具在出線處將纖芯引出。施工完畢后熔接引出的光纖，使用跳線將復合傳感光纖接入儀器后進行測量。

采集數據前，連接光纖跳線后進行熔接，并加熱連接點以加固效果。將采集接頭接入光納儀，系統啟動正常后設置相關參數進行數據采集。采集過程中空間分辨率和采樣間隔分別設為0.1 和0.05 m。記錄重要的監控時間點，每隔20 min 采集1 次應變數據，并記錄采集時間和環境溫度。

3 監測結果分析

3.1 應變監測結果分析

流道混凝土在2020 年7 月28 日07:15 開始施工，選取澆筑前（07:00）、兩側完成澆筑（20:20）、完成澆筑（次日02:30）、完成澆筑后的6、16 和28 h 幾個典型監測時間點的應變監測結果進行分析，實測應變曲線見圖4，其中以拉應變為正，壓應變為負。采用本文提出的溫度補償方法得到消除溫度影響的應變曲線，如圖5 所示。比較圖4 和圖5 可以看出，頂部模板和兩側模板轉角處光纖不貼合于鋼襯，此部位由溫度引起的應變值在溫度補償后為0。這說明本文提出的溫度補償是有效的。由圖5 可以看出，施工過程中鋼模板兩側和頂部均產生了拉應變，頂部的拉應變小于兩側的，且拉應變隨混凝土澆筑呈不斷增加的趨勢，在澆筑完成16 h 后趨于穩定。

圖4 典型監測時間點實測應變曲線Fig. 4 Measured strain curves at typical measuring time

圖5 典型監測時間點溫度補償后的應變曲線Fig. 5 Measured strain curves after temperature compensation at typical measuring time

3.2 變形監測結果分析

施工期泵站流道鋼模板內部搭設了滿堂支架，將鋼模板簡化為連續梁模型以計算變形，如圖6 所示?；跍囟妊a償后的應變監測數據，采用前述改進共軛梁法得到鋼模板撓度曲線，如圖7 所示。規定垂直鋼模板表面變形向外為正，向內為負?？梢钥闯?，鋼模板各部分變形量隨混凝土澆筑持續增加，澆筑完成后，由于混凝土凝結硬化，對鋼模板的壓力增加，變形量仍持續增加，直到澆筑完成16 h 后趨于穩定。由圖7 可知，完成澆筑16 h 后，左側鋼模板變形最大值為3.40 mm，出現在3 號簡支梁段的跨中；頂部鋼模板撓度最大值為2.20 mm，出現在14 號簡支梁段的跨中；右側鋼模板撓度最大值為3.49 mm，出現在37 號簡支梁段的跨中。施工期鋼模板變形均未超過設計容許值5 mm，這表明流道施工平整度和準確性可以得到保證。

圖7 典型監測時間點鋼模板撓度曲線Fig. 7 Deflection curves of the steel template at typical measuring time

4 結 語

針對光纖傳感器的布里淵頻移對溫度和應變交叉敏感的問題，提出了一種基于PPP-BOTDA 的溫度補償方法，得到消除溫度影響的結構應變。通過排水泵站流道鋼模板施工期應變監測試驗驗證了方法的有效性。

采用PPP-BOTDA 技術對某排水泵站流道鋼模板施工期應變進行監測。結果表明，鋼模板兩側和頂部均產生了拉應變，且頂部的拉應變小于兩側。隨著混凝土澆筑，拉應變逐漸增加，澆筑完成約16 h 后趨于穩定?；趹儽O測數據，采用改進共軛梁法計算鋼模板變形。變形量隨混凝土澆筑持續增加，由于混凝土凝結硬化，在澆筑完成后變形量仍持續增加，直到澆筑完成約16 h 后趨于穩定。左側鋼模板變形最大值為3.40 mm，出現在3 號簡支梁段的跨中；頂部鋼模板撓度最大值為2.20 mm，出現在14 號簡支梁段的跨中；右側鋼模板撓度最大值為3.49 mm，出現在37 號簡支梁段的跨中。