新疆恰甫其海樞紐泄洪表孔監(jiān)測資料分析

趙慧琴

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

1 泄洪隧洞概況

恰甫其海表孔溢洪洞全長489.43 m，為無壓泄水隧洞。進口WES堰頂寬度為15 m，洞身為馬蹄形，最大寬度為11.0 m，最大高度為13.0 m，坡比為7%，出口明渠段坡比為50%，采用挑流消能方式。

2 儀器布置

恰甫其海樞紐工程表孔泄洪洞共設(shè)5個監(jiān)測斷面，分別布設(shè)鋼筋計、應(yīng)變計、無應(yīng)力計、滲壓計、底流速儀及脈動壓力傳感器基座，進行混凝土及鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變、滲流監(jiān)測和水力學(xué)觀測。其中，A-A（0+046.05）斷面共安裝 3支鋼筋計、3組應(yīng)變計、1支無應(yīng)力計和1支滲壓計；B-B（0+250.00）斷面共安裝3支鋼筋計、3組應(yīng)變計、1支無應(yīng)力計和1支滲壓計；C-C（0+480.00）斷面共安裝埋設(shè)了3支鋼筋計、3組應(yīng)變計、1支無應(yīng)力計和1支滲壓計；D-D（0+485.00）斷面布設(shè)了1支底流速儀及3支脈動壓力傳感器基座；F-F（0+661.58）斷面，布設(shè)了1支底流速儀及3支脈動壓力傳感器基座、1支滲壓計。

3 資料分析

3.1 無應(yīng)力計分析

表孔泄洪洞混凝土在不受外力作用時發(fā)生的變形稱為自由體積變形，主要包括由于溫度變化引起的熱脹冷縮變形及濕度變化引起的濕脹干縮變形，以及水泥水化作用引起的自生體積變形。

式中：α——溫度線膨脹系數(shù)，△T0——溫度變化量；εg（t）——混凝土自生體積變形，隨時間而變化；εw（t）——濕度變化引起的變形。

無應(yīng)力計是用于測定混凝土的自由體積變形，對無應(yīng)力計分析主要是：一是可以了解混凝土無應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律，即混凝土實際線膨脹系數(shù)以及自生體積變形趨勢性變化的類型；二是當無應(yīng)力計與對應(yīng)的工作應(yīng)變計溫度條件不相同時，利用回歸方程來計算無應(yīng)力應(yīng)變。

無應(yīng)力計的回歸方程形式如下：

式中：T為無應(yīng)力計測點溫度；t為測時距分析起始日期的時間長度（d）；a0，a1，a2，a3，a4為回歸系數(shù)；k=-0.01。

利用逐步回歸求解上述方程，所得a1為對混凝土線膨脹系數(shù)的估計值，時間函數(shù)的組合部分簡稱為時效分量，包括了自生體積變形及濕度變形的變化部分。

通過分析可知：

1）3支無應(yīng)力計溫度測值在2006年后基本一致，主要受到外界氣溫影響，年周期明顯，在-0.90℃至20.30℃之間。

2）無應(yīng)力計應(yīng)變測值與溫度呈正相關(guān)，在2006—1—1 至 2008—8—7 時段，N5，N6，N7 的應(yīng)變均為壓應(yīng)變，變幅分別為 165.48 με，222.14 με和 202.20 με。

3）無應(yīng)力計應(yīng)變測值與溫度具有較強的線性相關(guān)性，回歸分析得到N5，N6，N7的線膨脹系數(shù)分別為 7.7 με/℃，9.1 με/℃和 9.2 με/℃（其中με 即為 10-6，下同），平均為 8.7 με/℃。無應(yīng)力計應(yīng)變測值，主要是溫度引起的，時效分量很小。

3.2 混凝土應(yīng)變分析

表孔溢洪洞鋼筋混凝土無配套、無應(yīng)力計的應(yīng)變計，所測的應(yīng)變?yōu)閷崪y應(yīng)變。有配套的無應(yīng)力計的應(yīng)變計，按平面應(yīng)力問題換算成單軸應(yīng)變：

式中：εx，εy分別為實測的混凝土應(yīng)變計環(huán)向與軸向應(yīng)變（溫度修正后）；ε0為無應(yīng)力計實測應(yīng)變（溫度修正后）；εx′，εy′分別為環(huán)向與軸向單軸應(yīng)變；μ為混凝土的泊松比，取1/6。

采用統(tǒng)計模型對各測點的位移測值進行定量分析，統(tǒng)計模型的因子形式如下：

水位分量：h，h2，h3和 h4，其中 h=（H-900）/100，H為測時當天平均水位。

溫度分量：T（測點），表示測點溫度以及Sin（s）、Cos（s）、Sin2（s）、Sin（s）.Cos（s），其 中 s=2πt/365，t為測時距分析起始日期的時間長度（d）。溫度分量為半年及年周期性因子。

時效分量：t，ln(1+t)，e-kt。其中 t為時間長度，含義同上，k=0.01。

通過分析可知：

1）同組應(yīng)變計的溫度測值基本一致，側(cè)墻的Y2—24、Y2—27和 Y2—30在后期溫度測值基本一致，比其它測點變幅稍大，為21℃～22℃，其它為18℃～20℃，只有Y2—23較為特殊，變幅只有9.20℃左右，最低溫度為6.0℃，明顯高于0℃，最高溫度15.20左右，明顯低于其它測點，初步分析原因為該處受地下水影響所致。

2）A—A斷面均為壓應(yīng)變，且與溫度過程正相關(guān)；Y2—23溫度特殊，應(yīng)變測值變幅亦小；環(huán)向的Y2—22—2和Y2—24—2的壓應(yīng)變，大于軸向的Y2—22—1和Y2—24—1，壓應(yīng)變最大為-265.20 με（Y2—22—2）。

3）B—B 斷 面 Y2—27（Y2—27—1、Y2—27—2）測值規(guī)律性較差（2007年7月由于受雷雨天氣及其它因素的影響，數(shù)據(jù)采集模塊出現(xiàn)硬件故障，返廠修理后恢復(fù)正常）。

4）C—C斷面，2006年后，各測點應(yīng)變變幅在70 με 至 135 με 左右，Y2—30—2 有一定的拉應(yīng)變，最大為85.13 με，其它基本為壓應(yīng)變。

3.3 鋼筋計應(yīng)力分析

表孔溢洪洞鋼筋計所測應(yīng)力實際是綜合應(yīng)力，包含了荷載應(yīng)力（相應(yīng)于設(shè)計計算的應(yīng)力）和附加應(yīng)力，附加應(yīng)力則包括混凝土徐變、自生變形、干縮變形、溫度變形對鋼筋形成約束產(chǎn)生的應(yīng)力。

采用統(tǒng)計模型對各測點的位移測值進行定量分析，統(tǒng)計模型的因子形式如下：

溫度分量：T（測點），表示測點溫度以及 Sin（s）、Cos（s）、Sin2（s）、Sin（s）、Cos（s），其中 s=2πt/365，t為測時距分析起始日期的時間長度（d）。

時效分量：t，ln（1+t），e-kt。其中 t為時間長度，含義同上，k=0.01。

回歸結(jié)果方程見表1。

表1 表孔溢洪洞鋼筋計應(yīng)力測值回歸結(jié)果方程表 MPa

由此可見：

1）各斷面的鋼筋計的溫度年周期明顯，底板內(nèi)R37，R40，R43受地溫影響變化較平緩，變幅較小，但各處差異明顯，變幅為8.0℃，10.3℃，16.7℃不等；側(cè)墻內(nèi)R38，R41，R44受氣溫影響，鋸齒較多，變幅較大，為24℃左右，各處基本一致。

2）A-A斷面R37，R38在2006年后，應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，測值分別在-20.21 MPa至-8.98 MPa，-28.66 MPa至8.55 MPa之間；R37與溫度相關(guān)關(guān)系不明顯，R38應(yīng)力基本與溫度負相關(guān)；R38回歸分析結(jié)果表明：主要為溫度分量，R37，R38均有不到4 MPa的時效分量（拉應(yīng)力）。

4 應(yīng)力應(yīng)變工作性態(tài)評價

1）A—A斷面為壓應(yīng)變，且與溫度過程正相關(guān)；環(huán)向壓應(yīng)變大于軸向，壓應(yīng)變最大為-265.20 με（Y2—22—2）；未減去無應(yīng)力應(yīng)變的Y2—22、Y2—23與溫度的關(guān)系呈現(xiàn)非線性；減去了無應(yīng)力應(yīng)變的Y2—24—1，Y2—24—2與溫度有較好的線性正相關(guān)關(guān)系。表明在2006年后其應(yīng)變基本為溫度變形，荷載變形很小。鋼筋計拉應(yīng)力較小，2006年后測值應(yīng)力在-28.66 MPa至8.55 MPa之間。

2）B—B斷面應(yīng)變計測值規(guī)律性較差；鋼筋計R40在2005-06-06至13日，應(yīng)力從22.83 MPa激增至228.25 MPa，超過儀器常規(guī)量程200MPa，原因不明，其后在250 MPa左右周期性變化，變幅為10 MPa左右，基本與溫度正相關(guān)；R41為拉應(yīng)力，與溫度呈負相關(guān)，2006年后在16.89 MPa至96.44 MPa之間，回歸分析結(jié)果表明：主要為溫度分量，有7.5 MPa左右的時效分量（壓應(yīng)力）。總體而言，該斷面應(yīng)力水平較高，混凝土可能出現(xiàn)裂縫。

3）C—C 斷面，Y2—30—2有一定的拉應(yīng)變，最大為85.13 με，其它基本為壓應(yīng)變，應(yīng)變變幅在70 με至135 με左右；軸向應(yīng)變基本與溫度過程的正相關(guān)性強于環(huán)向的各測點，表明軸向的荷載作用（包括溫度荷載及外荷載）變化很小，其應(yīng)變基本為溫度變形；環(huán)向的測點與溫度的關(guān)系呈現(xiàn)較強的非線性或負相關(guān)。其中Y2—30—2基本與溫度過程負相關(guān)，表明有一定的荷載作用（包括溫度荷載及外荷載）。鋼筋計應(yīng)力為拉應(yīng)力，基本與溫度負相關(guān)，2006年后分別在25.21 MPa至63.41 MPa、10.00 MPa至54.22 MPa之間，回歸分析結(jié)果表明：主要為溫度分量。

無應(yīng)力計測值表明，表孔溢洪洞襯砌混凝土線膨脹系數(shù)平均為8.7 με/℃，時效分量（自生體積變形及濕度變形）性態(tài)不一，收縮型最大收縮為-67.87 με（N06），膨脹型最大膨脹為 12.33 με（N07），這主要是無應(yīng)力計受測向約束而不能完全自由變形，以及混凝土本身的不均勻性所致。