新疆某RCC壩混凝土應力應變監測分析

云 磊

（新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊830000）

1 概述

某水利樞紐工程位于新疆北疆，是一項以供水為主的大型水利樞紐工程。樞紐水庫總庫容24.19億m3，調節庫容19.18億m3，水庫正常蓄水位739 m，死水位680 m。電站裝機容量140 MW，年發電量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。某水利樞紐規模為Ⅰ等大（1）型工程，發電引水洞及電站地面廠房布置在右岸。

該工程于2006年9月開工建設，2007年4月大壩開始埋設安全監測儀器，2008年9月25日導流洞下閘蓄水，2011年主體工程竣工。

為了監測大壩施工和運行期的應力應變變化規律，分別在29#溢流壩段和35#擋水壩段各布置了6套五向應變計組及相應的無應力計，對應力應變監測資料進行整理分析，總結出該RCC大壩應力狀況初步分析結果。

2 無應力計分析

混凝土自生體積變形對混凝土的應力及結構物的工作狀態有重要影響，當結構物受到約束時，收縮型自生體積變化將引起混凝土相當的拉應力，甚至造成裂縫，反之，微膨脹型自生體積變形將產生壓應力，可以提高混凝土的允許拉應力，甚至可以簡化施工措施。從現有資料來看，壩體內埋設的12支無應力計從2007年或2008年埋設至2015年10月底，數據完整，連續性較好，對其進行線性回歸分析，以確定混凝土的熱膨脹系數和體積變形，見表1及圖1。

經分析，大部分部位三級配混凝土溫度線膨脹系數均大于二級配混凝土，三級配混凝土溫度線膨脹系數在7.298 /℃～12.475 /℃之間，均值為10.044 /℃，二級配混凝土溫度線膨脹系數在7.303 /℃～9.407 /℃之間，均值為8.605 /℃，各測點復相關系數較高，擬合效果較好，且從計算成果來看，無應力計埋設質量較高，溫度線膨脹系數反映了大壩實際情況。

表1 RCC大壩無應力計分析成果表

圖1 無應立計N2-5測點應變-溫度時間序列過程線

分析結果表明，目前自生體積變化已基本呈收斂狀態，無應力計的測值受溫度變化影響明顯，呈正相關關系變化，溫度升高，測值增大，即應變值有膨脹的趨勢；反之，溫度降低，則測值減小，即應變值有收縮的趨勢。使用同標號、同品種水泥制成的混凝土其自生體積變化類型也存在不同的情況，即便自生體積變化類型、規律一致，其變形量也存在較大差異。

3 壩體實際應力分析

從現有資料來看，壩體內埋設的12組五向應變計組大部分數據連續性較好，但部分測點存在數據缺失和個別傳感器損壞的情況。對缺失數據較多的測點，按插值方式補充數據，并進行應力轉換；對個別損壞測點，通過空間第一應力不變量原理對其進行了處理，量值偏大且不符合實際規律的測點，其計算成果僅供參考。

3.1 壩踵區應力狀態

29#溢流壩段壩踵部位埋設應變計組S2-1，其附近布置裂縫計K2-4、K2-5，且在混凝土與基巖接觸面布置多點位移計M2-1，以達到監測變化情況相互驗證的效果。

圖2表明，壩踵部位應力測值穩定連續，具有很好的規律性，自監測儀器施工安裝埋設后，壩踵處一直處于受壓狀態，隨著水庫運行庫水位的逐步升高，更趨向于受壓穩定狀態，進而說明壩踵混凝土應力條件良好。

另一方面，四點位移計M2-1監測數據結果分析顯示，壩踵部位混凝土與基巖接觸面呈閉合狀態，其絕對位移變化幅度微小，當前變化量在-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，絕對變化量在-1.27 mm，-0.89 mm左右；在應變計埋設部位附近布置的裂縫計K2-4、K2-5測值自2010年施工期后穩定在-0.14 mm、0.48 mm，無任何變化趨勢。

以上情況表明，壩踵部位與基巖膠結良好，該處混凝土處于受壓狀態，有利于壩體穩定，亦和壩踵區應該存在應力狀態相吻合。

圖2 29#壩段壩踵處混凝土應力時間序列過程線

3.2 壩趾區應力狀態

在29#溢流壩段壩趾部位埋設應變計組S2-4，且在混凝土與基巖接觸面布置多點位移計M2-2。

自監測儀器施工安裝埋設后，壩趾處一直處于受拉狀態，前期庫水位低，壩趾處混凝土拉應力大，隨水庫運行庫水位的逐步升高，拉應力減小，目前最大拉應力為0.45 MPa，進而說明庫水位升高有利于壩趾處混凝土拉應力降低。

另外，四點位移計M2-2監測數據結果分析顯示，壩趾部位混凝土與基巖接觸面位移計測值在-1.50 mm左右一定小幅度內變化。

以上情況表明，壩趾部位與基巖膠結良好，該處混凝土處于受壓狀態，亦和壩趾區應該存在應力狀態相吻合。

3.3 壩基及壩體應力狀態

根據對各部位實測應力值分析，可以歸納出壩基及壩體混凝土應力大致有以下規律：

1）各測點應力測值數據連續，具有較強規律，在埋設初期受混凝土水化熱溫升影響應力變化較大，施工期主要受混凝土澆筑和外界氣溫影響，開始蓄水后，水位變化對其有一定影響，但仍舊受溫度變化的影響較明顯。

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

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

①在順水流方向主要表現為對近壩踵部位應力影響顯著：水位升高，產生拉應力減小或壓應力增加的趨勢；水位降低，產生拉應力增加或壓應力減小的趨勢。

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

③左右岸方向：靠近上游面的測點略有相關性，隨著水位升高產生拉應力增加或壓應力減小的趨勢；隨著水位降低產生拉應力減小或壓應力增加的趨勢。

④剪應力：庫水位變化對各測點剪應力影響非常顯著，隨著水位升高產生受力方向為順時針旋轉指向XZ方向；隨著水位降低產生受力方向為逆時針旋轉指向ZX方向。

⑤當前混凝土各向拉應力最大值為1.79 MPa（35#壩段壩體內部順水流方向），壓應力最大值為-3.52 MPa（29#壩段壩踵處豎直向），剪應力最大值為1.05 MPa（29#壩段壩趾處），見表2，各向量值均較小，未達到混凝土承受能力。

表2 當前各部位應力情況統計表 單位：MPa

3.4 特征值統計分析

1）極值分析：每年6月份～10月份產生壩體拉應力極值，在每年12月份～次年3月份出現壩體壓應力極值，極值規律與溫度有較好相關性。因混凝土溫度變化滯后于氣溫變化3～6個月，導致夏季溫度高的季節產生拉應力極值，而冬季溫度低的季節產生壓應力極值。不同部位滯后時間有所區別，壩體內部及基礎部位滯后時間較長且受影響較小，壩體上部和與大氣相近部位滯后時間較短且影響較大。

2）年均值分析：大部分部位混凝土各向應力年均值在施工期（2007年～2009年）呈較明顯的變化趨勢，蓄水后，壩踵處順水流方向逐年有壓應力微弱增加的趨勢，其他部位各向應力基本呈緩慢變化趨勢。

3）年變幅分析：大部分部位混凝土各向應力年變幅在施工期（2007年～2009年）變化較大，蓄水后基本呈逐年減小趨勢。壩踵部位順水流方向和左右岸方向受2010年和2013年兩次較大的水位抬升影響年變幅略有反應（增大），其他部位年變幅均呈逐年減小趨勢或有微弱變化。

4 結論

通過對該RCC壩壩體應力監測資料分析，初步了解該壩自施工期至目前的應力狀態，簡要概括如下：

1）溫度變化對壩體應力的影響顯著。初期受混凝土水化熱溫升影響，混凝土應力變化較大；穩定后庫水位變化對壩體應力變化有一定影響，但沒有溫度變化對壩體應力的影響顯著。

2）壩踵部位混凝土產生壓應力，隨著庫水位升高，受壓趨勢明顯，該部位混凝土應力條件良好；壩趾部位混凝土產生應力，隨水庫運行庫水位的逐步升高，拉應力減小，目前最大拉應力為0.45 MPa；壩基及壩體混凝土應力量值基本均在合理范圍內，變化趨勢符合正常規律。

經過多年運行，該RCC壩應力狀態良好，為整體工程安全狀態評價及后續工程運行提供有力技術支持和保證。