公伯峽溫度監測資料分析

呂蓓蓓 徐 磊 程 琳

（河海大學 水利水電學院，南京 210098）

黃河公伯峽水電站位于青海省循化縣與化隆縣交界處的黃河干流上，水庫正常蓄水2 005.00m，設計及校核洪水位分別為2 005.00m及2 008.28m.水庫總庫容6.2億m3，調節庫容0.75億m3，為日調節水庫.電站大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩高132.20m，壩頂寬10m，壩頂長429.0m.壩體填筑分墊層、過渡料、主堆石（塊石及砂礫石）、次堆石等區，并在國內首次采用擠壓式邊墻施工技術［1］.

2006年在混凝土面板檢查中發現部分面板的水面以上部分出現不同程度的裂縫，面板裂縫主要為縱向縫，個別面板有橫向裂縫，主要分布在水位變動區，且堆石壩左右兩岸面板分布相對較多.面板產生的裂縫具有一定的規律性：①面板裂縫在庫水位以上的部分較多，延伸入水面以下較少；②面板裂縫左右岸部位較多，且左岸部位比右岸部位偏多，河床中間部位較少；③從幾次檢查結果看，面板裂縫逐年有所增加，且冬季產生的裂縫較多，夏季較少；④面板產生裂縫的部位沿壩軸線方向對稱分布或位于壩軸線方向面板的中間部位［2］.

在施工期，較大的水化熱會導致裂縫的產生且主要是橫向裂縫，而運行期不容易產生裂縫.現在公伯峽的裂縫主要是縱向裂縫，有逐年增加的趨勢，說明面板有受到持續的、有利于裂縫產生的影響，如沉降、滲流、水位大幅度升降和溫度等.目前，研究面板的方法集中在有限元仿真分析［3－4］，將原型觀測成果分析與之結合也能得到很好的效果［4］.

1 儀器布置

壩體內主要布置了溫度計，鋼筋計，無應力計，應變計和土壓力計5種儀器.應變計為三向應變計組，按豎直、45°和水平3個方向布置（如圖1所示），無壓力計為豎直埋設（如圖2所示）.

溫度計監測設備共7個測點，布置在11號面板上.應變計監測設備布置在面板里，共26個測點，設在5號、10號、14號、20號、26號這5塊面板上，下面列出溫度計的布置表（見表1）和10號面板上7支溫度計的布置表（見表2）.

圖1 應變計組埋設示意圖

圖2 無應力計埋設示意圖

表1 溫度計監測測點布置表

表2 10號面板應變計監測測點布置表

壩體內部3個監測斷面（樁號為0＋075.000m，0＋130.000m和0＋230.000m）的不同高程共布置了64支土壓力計.130斷面的土壓力布置圖見圖3.

圖3 面板130斷面土壓力計布置圖

2 氣溫資料分析

公伯峽水電站壩區日均氣溫監測資料系列為2004年12月2日～2011年5月17日，氣溫測值變化過程線如圖4所示.

圖4 氣溫實測過程線

由圖4和表3可以看出：①壩體所在地日氣溫呈明顯的年周期變化，每年12～1月出現0℃以下低溫群；②氣溫年變幅大，2005年～2010年歷年的氣溫年變幅在30℃以上；③年均值變化小；④每年都會出現日均氣溫下降2.5℃以上且連續4d以上的降溫過程，即寒潮過程.

表3 2005～2010年氣溫特征值統計表

3 監測資料分析

3.1 變化規律

測點溫度實測過程線有如下特點：①面板上高程高的測點溫度測值受氣溫影響大，過程線呈明顯的年周期變化，變幅較大；②隨著高程的降低，測值受氣溫影響逐漸減弱，高程1 938m下測點受氣溫的影響小，溫度測值趨于穩定.

以10號面板的應變計為例，10號面板上的7只應變計從高程高的地方向低高程分布，其實測資料過程線對比如圖5所示.由圖5可看出：①前4個測點位置高，溫度測值呈現明顯的周期性變化，年溫差約8℃；②后2個測點在面板底部，靠近恒溫巖體，溫度測值變化幅度較小，年溫差在2～3℃.S－B－31～33的溫度由始測時的較高溫度漸漸趨于穩定；③面板溫度變化與氣溫變化同步，沒有明顯的滯后.

圖5 10號面板應變計溫度實測過程線

3.2 分布情況

3.2.1 典型日氣溫等值線分布圖

選擇2008年的年最高氣溫（22.3℃）所在的2008年7月27日和年最低氣溫（－13.4℃）所在的2008年1月29日為典型日，采用應變計當天的伴測溫度值，畫出整個面板的溫度等值線圖，如圖6～7所示.由圖可知：當外部氣溫有所變化時，面板上部的溫度變化幅度大，大概在5℃左右，而面板下部的溫度保持穩定的狀態.

3.2.2 特征值分布

以下選擇10號壩段2008年的應變計伴測溫度資料，統計該年各個測點的年最大值，最小值及變幅，繪制特征值隨高程變化過程線，如圖8所示.當高程小于1 920m時，隨著高程的降低，年最大值和年變幅不斷降低，年最小值和年均值不斷升高.

圖8 10號壩段應變計2008年特征值隨高程變化

3.2.3 壩體溫度分布

以下列出130斷面土壓力計的統計特征值，見表4.表4顯示，從上游到下游，擠壓墻（JM）、過渡料區（GD）和主堆石區（BZ）測點溫度受氣溫的影響逐漸減小，上游測點溫度測值變幅較大，越接近壩體中心，測點測值變化幅度越小，趨于穩定.

表4 斷面130土壓力計伴測溫度測值特征值統計表

續表4 斷面130土壓力計伴測溫度測值特征值統計表

4 溫度對裂縫的影響

1）氣溫驟降的影響：面板上部對氣溫有較高的靈敏性，當外界氣溫陡降時，板上部溫度大幅度降低，導致了板上部面板混凝土產生較大幅度的收縮變形，并由此產生較大的拉應力［6］，若超出混凝土承載范圍，面板開裂.同時，下部溫度保持穩定，與上部面板有較大溫差，面板上的溫度差導致面板發展不均衡，裂縫發展加劇.

2）壩體內外溫差影響：溫度應力受大氣溫度與材料的影響，初期混凝土內部水化熱上升，外部大氣溫度較低，溫差引起溫度應力也是大壩面板產生裂縫的另一因素［7］.冬季的運行期，壩體內部溫度高，外部面板溫度低，這樣的溫度狀況與初期由水化熱引起的溫差狀況類似，也會引發面板開裂.

5 結 語

1）壩體所在地區特有的寒潮天氣會引發面板裂縫，壩體內外溫度的變化規律，變化幅度的差異也是裂縫發展的原因.

2）裂縫多發生在水位升降區，應加強低水位溫度驟降時期面板裂縫發展情況的監測.考慮溫度荷載，對面板局部進行有限元模擬計算分析，定量分析裂縫成因和擠壓墻的影響［6］.

3）監測過程中發現，不少儀器已經損壞，測值不能被采用，類似情況在其他工程中也時有出現，今后要對如何有效提高壩體布置儀器耐用性進行研究［6］.

4）公伯峽大壩位于高原寒冷氣候區域，氣溫低、濕度低、溫差大、風速大，增加了防止面板裂縫的難度［5］.初步的建議是，對水位變動區及以上高程區域采取適當的保溫措施，對典型裂縫進行監測.

［1］ 鄭東健，顧沖時，蘇懷智，等.青海公伯峽面板裂縫簡化模擬計算分析報告［R］.南京：河海大學，2011.

［2］ 張國新，張丙印，王光綸.混凝土面板堆石壩溫度應力研究［J］.水利水電技術，2001，32（7）：1－6.

［3］ 于 淼.公伯峽堆石壩面板溫度應力及干縮應力問題研究［D］.天津：天津大學，2003.

［4］ 麻 媛.混凝土面板堆石壩雙層面板抗裂措施研究［D］.楊凌：西北農林科技大學，2007.

［5］ 劉 虎.公伯峽面板混凝土裂縫成因分析與處理［J］.建筑與工程，2008，26：123－124.

［6］ 戴妙林，吳宏明，劉宗漢，等.萬安溪面板堆石壩面板上部裂縫情況及初步分析［J］.大壩觀測與土工測試，2001，25（6）：19－21.

［7］ 羅福海，張保軍，夏界平，等.水布埡大壩施工期面板裂縫成因分析及處理措施［J］.人民長江，2011，42（1）：50－53.