新疆某RCC壩混凝土應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)分析

云 磊

（新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊830000）

1 概述

某水利樞紐工程位于新疆北疆，是一項(xiàng)以供水為主的大型水利樞紐工程。樞紐水庫(kù)總庫(kù)容24.19億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容19.18億m3，水庫(kù)正常蓄水位739 m，死水位680 m。電站裝機(jī)容量140 MW，年發(fā)電量5.19億kW·h，主壩采用全斷面碾壓混凝土重力壩，最大壩高121.50 m，副壩最大壩高14.00 m。某水利樞紐規(guī)模為Ⅰ等大（1）型工程，發(fā)電引水洞及電站地面廠(chǎng)房布置在右岸。

該工程于2006年9月開(kāi)工建設(shè)，2007年4月大壩開(kāi)始埋設(shè)安全監(jiān)測(cè)儀器，2008年9月25日導(dǎo)流洞下閘蓄水，2011年主體工程竣工。

為了監(jiān)測(cè)大壩施工和運(yùn)行期的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律，分別在29#溢流壩段和35#擋水壩段各布置了6套五向應(yīng)變計(jì)組及相應(yīng)的無(wú)應(yīng)力計(jì)，對(duì)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行整理分析，總結(jié)出該RCC大壩應(yīng)力狀況初步分析結(jié)果。

2 無(wú)應(yīng)力計(jì)分析

混凝土自生體積變形對(duì)混凝土的應(yīng)力及結(jié)構(gòu)物的工作狀態(tài)有重要影響，當(dāng)結(jié)構(gòu)物受到約束時(shí)，收縮型自生體積變化將引起混凝土相當(dāng)?shù)睦瓚?yīng)力，甚至造成裂縫，反之，微膨脹型自生體積變形將產(chǎn)生壓應(yīng)力，可以提高混凝土的允許拉應(yīng)力，甚至可以簡(jiǎn)化施工措施。從現(xiàn)有資料來(lái)看，壩體內(nèi)埋設(shè)的12支無(wú)應(yīng)力計(jì)從2007年或2008年埋設(shè)至2015年10月底，數(shù)據(jù)完整，連續(xù)性較好，對(duì)其進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析，以確定混凝土的熱膨脹系數(shù)和體積變形，見(jiàn)表1及圖1。

經(jīng)分析，大部分部位三級(jí)配混凝土溫度線(xiàn)膨脹系數(shù)均大于二級(jí)配混凝土，三級(jí)配混凝土溫度線(xiàn)膨脹系數(shù)在7.298 /℃～12.475 /℃之間，均值為10.044 /℃，二級(jí)配混凝土溫度線(xiàn)膨脹系數(shù)在7.303 /℃～9.407 /℃之間，均值為8.605 /℃，各測(cè)點(diǎn)復(fù)相關(guān)系數(shù)較高，擬合效果較好，且從計(jì)算成果來(lái)看，無(wú)應(yīng)力計(jì)埋設(shè)質(zhì)量較高，溫度線(xiàn)膨脹系數(shù)反映了大壩實(shí)際情況。

表1 RCC大壩無(wú)應(yīng)力計(jì)分析成果表

圖1 無(wú)應(yīng)立計(jì)N2-5測(cè)點(diǎn)應(yīng)變-溫度時(shí)間序列過(guò)程線(xiàn)

分析結(jié)果表明，目前自生體積變化已基本呈收斂狀態(tài)，無(wú)應(yīng)力計(jì)的測(cè)值受溫度變化影響明顯，呈正相關(guān)關(guān)系變化，溫度升高，測(cè)值增大，即應(yīng)變值有膨脹的趨勢(shì)；反之，溫度降低，則測(cè)值減小，即應(yīng)變值有收縮的趨勢(shì)。使用同標(biāo)號(hào)、同品種水泥制成的混凝土其自生體積變化類(lèi)型也存在不同的情況，即便自生體積變化類(lèi)型、規(guī)律一致，其變形量也存在較大差異。

3 壩體實(shí)際應(yīng)力分析

從現(xiàn)有資料來(lái)看，壩體內(nèi)埋設(shè)的12組五向應(yīng)變計(jì)組大部分?jǐn)?shù)據(jù)連續(xù)性較好，但部分測(cè)點(diǎn)存在數(shù)據(jù)缺失和個(gè)別傳感器損壞的情況。對(duì)缺失數(shù)據(jù)較多的測(cè)點(diǎn)，按插值方式補(bǔ)充數(shù)據(jù)，并進(jìn)行應(yīng)力轉(zhuǎn)換；對(duì)個(gè)別損壞測(cè)點(diǎn)，通過(guò)空間第一應(yīng)力不變量原理對(duì)其進(jìn)行了處理，量值偏大且不符合實(shí)際規(guī)律的測(cè)點(diǎn)，其計(jì)算成果僅供參考。

3.1 壩踵區(qū)應(yīng)力狀態(tài)

29#溢流壩段壩踵部位埋設(shè)應(yīng)變計(jì)組S2-1，其附近布置裂縫計(jì)K2-4、K2-5，且在混凝土與基巖接觸面布置多點(diǎn)位移計(jì)M2-1，以達(dá)到監(jiān)測(cè)變化情況相互驗(yàn)證的效果。

圖2表明，壩踵部位應(yīng)力測(cè)值穩(wěn)定連續(xù)，具有很好的規(guī)律性，自監(jiān)測(cè)儀器施工安裝埋設(shè)后，壩踵處一直處于受壓狀態(tài)，隨著水庫(kù)運(yùn)行庫(kù)水位的逐步升高，更趨向于受壓穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而說(shuō)明壩踵混凝土應(yīng)力條件良好。

另一方面，四點(diǎn)位移計(jì)M2-1監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析顯示，壩踵部位混凝土與基巖接觸面呈閉合狀態(tài)，其絕對(duì)位移變化幅度微小，當(dāng)前變化量在-7.84 mm左右，且在該部位混凝土與基巖接觸面豎直方向埋深3 m，13 m處，基巖依舊呈閉合狀態(tài)，絕對(duì)變化量在-1.27 mm，-0.89 mm左右；在應(yīng)變計(jì)埋設(shè)部位附近布置的裂縫計(jì)K2-4、K2-5測(cè)值自2010年施工期后穩(wěn)定在-0.14 mm、0.48 mm，無(wú)任何變化趨勢(shì)。

以上情況表明，壩踵部位與基巖膠結(jié)良好，該處混凝土處于受壓狀態(tài)，有利于壩體穩(wěn)定，亦和壩踵區(qū)應(yīng)該存在應(yīng)力狀態(tài)相吻合。

圖2 29#壩段壩踵處混凝土應(yīng)力時(shí)間序列過(guò)程線(xiàn)

3.2 壩趾區(qū)應(yīng)力狀態(tài)

在29#溢流壩段壩趾部位埋設(shè)應(yīng)變計(jì)組S2-4，且在混凝土與基巖接觸面布置多點(diǎn)位移計(jì)M2-2。

自監(jiān)測(cè)儀器施工安裝埋設(shè)后，壩趾處一直處于受拉狀態(tài)，前期庫(kù)水位低，壩趾處混凝土拉應(yīng)力大，隨水庫(kù)運(yùn)行庫(kù)水位的逐步升高，拉應(yīng)力減小，目前最大拉應(yīng)力為0.45 MPa，進(jìn)而說(shuō)明庫(kù)水位升高有利于壩趾處混凝土拉應(yīng)力降低。

另外，四點(diǎn)位移計(jì)M2-2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析顯示，壩趾部位混凝土與基巖接觸面位移計(jì)測(cè)值在-1.50 mm左右一定小幅度內(nèi)變化。

以上情況表明，壩趾部位與基巖膠結(jié)良好，該處混凝土處于受壓狀態(tài)，亦和壩趾區(qū)應(yīng)該存在應(yīng)力狀態(tài)相吻合。

3.3 壩基及壩體應(yīng)力狀態(tài)

根據(jù)對(duì)各部位實(shí)測(cè)應(yīng)力值分析，可以歸納出壩基及壩體混凝土應(yīng)力大致有以下規(guī)律：

1）各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力測(cè)值數(shù)據(jù)連續(xù)，具有較強(qiáng)規(guī)律，在埋設(shè)初期受混凝土水化熱溫升影響應(yīng)力變化較大，施工期主要受混凝土澆筑和外界氣溫影響，開(kāi)始蓄水后，水位變化對(duì)其有一定影響，但仍舊受溫度變化的影響較明顯。

2）溫度變化對(duì)壩體應(yīng)力的影響顯著，高程越高，越靠近下游面，應(yīng)力受溫度變化影響越大，即當(dāng)壩溫度升高時(shí)壓應(yīng)力增加或拉應(yīng)力減??；壩體溫度降低時(shí)則相反，壓應(yīng)力減小或拉應(yīng)力增加；高程越低，越在庫(kù)水位以下，受外界氣溫影響越小，應(yīng)力變化幅度越小。

3）庫(kù)水位變化對(duì)壩體應(yīng)力變化有一定影響，但比溫度影響略小，近壩踵部位的應(yīng)力受庫(kù)水位變化影響尤為明顯。庫(kù)水位變化對(duì)壩體不同部位不同方向的應(yīng)力有不同影響。

①在順?biāo)鞣较蛑饕憩F(xiàn)為對(duì)近壩踵部位應(yīng)力影響顯著：水位升高，產(chǎn)生拉應(yīng)力減小或壓應(yīng)力增加的趨勢(shì)；水位降低，產(chǎn)生拉應(yīng)力增加或壓應(yīng)力減小的趨勢(shì)。

②在豎直向主要表現(xiàn)為：水位升高，近壩踵部位、靠近上游面以及壩體內(nèi)部略靠上游的豎直向應(yīng)力有拉應(yīng)力增加或壓應(yīng)力減小的趨勢(shì)，近壩趾部位的豎直向應(yīng)力有拉應(yīng)力減小或壓應(yīng)力增加的趨勢(shì)；水位降低，近壩踵部位、靠近上游面以及壩體內(nèi)部略靠上游的豎直向應(yīng)力有拉應(yīng)力減小或壓應(yīng)力增加的趨勢(shì)，近壩趾部位的豎直向應(yīng)力有拉應(yīng)力增加或壓應(yīng)力減小的趨勢(shì)。

③左右岸方向：靠近上游面的測(cè)點(diǎn)略有相關(guān)性，隨著水位升高產(chǎn)生拉應(yīng)力增加或壓應(yīng)力減小的趨勢(shì)；隨著水位降低產(chǎn)生拉應(yīng)力減小或壓應(yīng)力增加的趨勢(shì)。

④剪應(yīng)力：庫(kù)水位變化對(duì)各測(cè)點(diǎn)剪應(yīng)力影響非常顯著，隨著水位升高產(chǎn)生受力方向?yàn)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)指向XZ方向；隨著水位降低產(chǎn)生受力方向?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)指向ZX方向。

⑤當(dāng)前混凝土各向拉應(yīng)力最大值為1.79 MPa（35#壩段壩體內(nèi)部順?biāo)鞣较颍?，壓?yīng)力最大值為-3.52 MPa（29#壩段壩踵處豎直向），剪應(yīng)力最大值為1.05 MPa（29#壩段壩趾處），見(jiàn)表2，各向量值均較小，未達(dá)到混凝土承受能力。

表2 當(dāng)前各部位應(yīng)力情況統(tǒng)計(jì)表 單位：MPa

3.4 特征值統(tǒng)計(jì)分析

1）極值分析：每年6月份～10月份產(chǎn)生壩體拉應(yīng)力極值，在每年12月份～次年3月份出現(xiàn)壩體壓應(yīng)力極值，極值規(guī)律與溫度有較好相關(guān)性。因混凝土溫度變化滯后于氣溫變化3～6個(gè)月，導(dǎo)致夏季溫度高的季節(jié)產(chǎn)生拉應(yīng)力極值，而冬季溫度低的季節(jié)產(chǎn)生壓應(yīng)力極值。不同部位滯后時(shí)間有所區(qū)別，壩體內(nèi)部及基礎(chǔ)部位滯后時(shí)間較長(zhǎng)且受影響較小，壩體上部和與大氣相近部位滯后時(shí)間較短且影響較大。

2）年均值分析：大部分部位混凝土各向應(yīng)力年均值在施工期（2007年～2009年）呈較明顯的變化趨勢(shì)，蓄水后，壩踵處順?biāo)鞣较蛑鹉暧袎簯?yīng)力微弱增加的趨勢(shì)，其他部位各向應(yīng)力基本呈緩慢變化趨勢(shì)。

3）年變幅分析：大部分部位混凝土各向應(yīng)力年變幅在施工期（2007年～2009年）變化較大，蓄水后基本呈逐年減小趨勢(shì)。壩踵部位順?biāo)鞣较蚝妥笥野斗较蚴?010年和2013年兩次較大的水位抬升影響年變幅略有反應(yīng)（增大），其他部位年變幅均呈逐年減小趨勢(shì)或有微弱變化。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該RCC壩壩體應(yīng)力監(jiān)測(cè)資料分析，初步了解該壩自施工期至目前的應(yīng)力狀態(tài)，簡(jiǎn)要概括如下：

1）溫度變化對(duì)壩體應(yīng)力的影響顯著。初期受混凝土水化熱溫升影響，混凝土應(yīng)力變化較大；穩(wěn)定后庫(kù)水位變化對(duì)壩體應(yīng)力變化有一定影響，但沒(méi)有溫度變化對(duì)壩體應(yīng)力的影響顯著。

2）壩踵部位混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)力，隨著庫(kù)水位升高，受壓趨勢(shì)明顯，該部位混凝土應(yīng)力條件良好；壩趾部位混凝土產(chǎn)生應(yīng)力，隨水庫(kù)運(yùn)行庫(kù)水位的逐步升高，拉應(yīng)力減小，目前最大拉應(yīng)力為0.45 MPa；壩基及壩體混凝土應(yīng)力量值基本均在合理范圍內(nèi)，變化趨勢(shì)符合正常規(guī)律。

經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，該RCC壩應(yīng)力狀態(tài)良好，為整體工程安全狀態(tài)評(píng)價(jià)及后續(xù)工程運(yùn)行提供有力技術(shù)支持和保證。