王志遠，沈　慧，閔四海，宋明富

(1.南京南瑞集團公司 水利水電技術(shù)分公司， 南京　211106；2. 雅礱江流域水電開發(fā)有限公司 ，四川 攀枝花　617000)

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二灘拱壩無應(yīng)力計異常測值的修正方法研究

王志遠1，沈慧1，閔四海2，宋明富2

(1.南京南瑞集團公司 水利水電技術(shù)分公司， 南京211106；2. 雅礱江流域水電開發(fā)有限公司 ，四川 攀枝花617000)

摘要：2009年，在小灣拱壩的安全監(jiān)測中首次發(fā)現(xiàn)，部分無應(yīng)力計的工作性態(tài)出現(xiàn)異常， 其測值反映的不全是壩體的自由變形，從而嚴重影響了應(yīng)變觀測成果的可靠性。針對無應(yīng)力計的異常測值，從研究自生體積變形變化規(guī)律著手，結(jié)合統(tǒng)計分析方法，提出了判別異常數(shù)據(jù)的依據(jù)、標準和方法，建立了無應(yīng)力計異常測值的修正方法，并對二灘拱壩部分無應(yīng)力計觀測成果進行了鑒別和修正處理。研究表明，提出的修正方法是有效的，修正后的成果反映了二灘壩體的實際應(yīng)變。

關(guān)鍵詞：無應(yīng)力計；異常測值；二灘拱壩；高應(yīng)力；混凝土壩

1無應(yīng)力計在特高拱壩中的異?，F(xiàn)象

眾所周知，拱壩的安全度主要取決于拱座的穩(wěn)定性及壩體應(yīng)力值2個指標。穩(wěn)定性主要通過考察點的變形來判斷；而壩體應(yīng)力觀測則依靠應(yīng)變計和無應(yīng)力計，并配備一些壓應(yīng)力計作為補充和校核。為監(jiān)測混凝土應(yīng)力應(yīng)變，必須同時配備無應(yīng)力計，其觀測成果如存在異常，將直接影響到應(yīng)力成果的可靠性。

由于從應(yīng)變到應(yīng)力需要經(jīng)過一系列換算，因此觀測精度能否滿足要求始終為業(yè)界所關(guān)注。國際大壩委員會在1972年發(fā)布的第60號?？蛾P(guān)于混凝土壩觀測的一般意見》中建議，應(yīng)變觀測的允許平均誤差為±10×10-6。若混凝土彈性模量為3×104MPa，則應(yīng)力觀測精度約±0.3MPa。筆者估計，我國實際情況與其差異不大。

評估觀測精度能否滿足要求，除儀器本身外，還取決于測值變幅。變幅越大，相對精度就越高，越能反映出測值變化的內(nèi)在規(guī)律，一般認為變幅與精度之比宜在10倍以上。根據(jù)國內(nèi)外已建的12座特高拱壩統(tǒng)計，在基本荷載組合條件下，設(shè)計容許最大主壓應(yīng)力在7.0～11.6 MPa之間，平均值為9.0 MPa，為0.3 MPa的30倍。如格魯吉亞有應(yīng)力原型觀測成果報道的二座特高拱壩，即契爾蓋拱壩和英古里拱壩，其中契爾蓋拱壩設(shè)計的拱向應(yīng)力為7.9 MPa，實測拱向最大壓應(yīng)力為12.3 MPa(1986年)，英古里拱壩的實測拱向最大壓應(yīng)力為14.3 MPa(1989年)[1]，實測值均在0.3 MPa的40倍以上。可見應(yīng)變計用于觀測高壓應(yīng)力壩，還是比較理想的。

然而我國已建的幾座特高拱壩的應(yīng)力觀測成果卻不甚理想，可能與長期以來忽視了一個問題不無關(guān)系，它就是無應(yīng)力計的工作狀態(tài)也可能會出現(xiàn)異常，其測值反映的不全是混凝土的自由變形。

2009年，南瑞集團潘琳在對小灣拱壩第二階段蓄水期的無應(yīng)力計資料進行檢查時，首次發(fā)現(xiàn)拱冠梁壩踵的無應(yīng)力計在庫水位迅速上升時，無應(yīng)力應(yīng)變也同步迅速上升，相關(guān)性極為密切，顯然這是一種異?，F(xiàn)象。筆者同年在拉西瓦拱壩首次蓄水期資料中也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，但程度稍輕。之后在二灘拱壩中也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，且程度較重，詳見后文。根據(jù)國外已建混凝土壩原型觀測成果的有關(guān)文獻調(diào)查，尚未見有類似報道。但看來不能排除此類異常在高混凝土壩中可能具有一定的普遍性，必須引起充分重視[2-4]。

特高拱壩應(yīng)力較高，影響因素復(fù)雜，準確了解關(guān)鍵部位的應(yīng)力尤為重要，應(yīng)力成果即使經(jīng)過有限元計算，是否符合實際仍需用原型觀測成果來檢驗。它不僅可以掌握大壩安全信息，更重要的是當前世界上的特高拱壩并不多，掌握特高拱壩真實應(yīng)力情況，對后繼特高拱壩的設(shè)計，提高其設(shè)計水平無疑具有重要的指導(dǎo)意義。

2無應(yīng)力計工作原理概述

常見的無應(yīng)力計是將一支應(yīng)變計放在一個截頭的圓錐形筒內(nèi)，筒壁中空，用于隔斷外荷載如水壓、壩體自重的影響，使筒內(nèi)混凝土可以自由變形，通常布置見圖1。

圖1　無應(yīng)力計示意圖

2.1無應(yīng)力應(yīng)變的組成

無應(yīng)力計測值傳統(tǒng)上稱之為無應(yīng)力應(yīng)變，主要包括由溫度引起的熱脹冷縮變形及濕度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3部分?？捎孟率奖硎?混凝土堿骨料反應(yīng)引起的變形，不在本文研究范圍內(nèi))：

(1)

式中：ε0為無應(yīng)力應(yīng)變(10-6)；α 為溫度線膨脹系數(shù)(10-6/℃)；ΔT為溫度變化量(℃)；G(t)為混凝土自生體積變形(10-6)；εw(t)為濕度變化引起的變形(10-6)。

2.2無應(yīng)力計應(yīng)變的一般規(guī)律性

國內(nèi)外對無應(yīng)力應(yīng)變的正常變化規(guī)律已有較充分研究，認識基本一致。

在上述3部分變形中，濕度變形可以忽略不計，因為儀器通常埋設(shè)在離壩面5 m左右，壩內(nèi)濕度變化極微。溫度變形也容易掌握，它和溫度呈線性關(guān)系，壩內(nèi)溫度測點眾多，差阻式應(yīng)變計及無應(yīng)力計本身便能直接測量溫度。在大壩運行期，壩內(nèi)溫度變幅小呈穩(wěn)定年周期性。因此只要確定溫度線膨脹系數(shù)α和溫度值，就可計算溫度變形。

自生體積變形是混凝土中膠凝材料的水化作用引起的，由于水泥和水反應(yīng)后，反應(yīng)物和生成物的密度不同，當生成物密度小于反應(yīng)物密度時，就表現(xiàn)為膨脹，反之則表現(xiàn)為收縮。自生體積變形主要取決于膠凝材料的性質(zhì)，與水泥品種、水泥用量、混合材料的品種和摻量等因素有關(guān)[5]。

自生體積變形的影響因素復(fù)雜，至今沒有理論推算值。但根據(jù)大量室內(nèi)試驗和原型觀測成果的統(tǒng)計資料，其基本變化規(guī)律已經(jīng)掌握。它的特性是變幅較小，宏觀變化趨勢不可逆，后期趨于一個定值，這點非常重要。

3異常無應(yīng)力計的鑒別和修正概述

3.1鑒別無應(yīng)力應(yīng)變異常的原則

如上所述，在大壩運行期，無應(yīng)力應(yīng)變只有溫度變形和自生體積變形2部分。一般自生體積變形G(t)已經(jīng)穩(wěn)定，所以無應(yīng)力應(yīng)變僅與溫度呈線性相關(guān)，二者之比是一個定值，據(jù)此就可判斷其是否正常。

在施工期，溫度變形仍有較固定的規(guī)律性，可以從測點溫度推算，但在自生體積變形未基本穩(wěn)定前，作準確判斷比較困難，需要綜合分析，結(jié)合自生體積變形一般規(guī)律來鑒別。通常認為，自生體積變形的最大變幅在±100×10-6之內(nèi)，2～3 a齡期后已趨穩(wěn)定，其中最關(guān)鍵的是定量分析穩(wěn)定趨勢。但各工程的差別較大，最好根據(jù)該工程仍正常的無應(yīng)力計資料來鑒別。

3.2鑒別實例

現(xiàn)選取小灣大壩2支典型無應(yīng)力計作為實例進行分析鑒別。

3.2.1正常實例

小灣大壩誘導(dǎo)縫附近的一支無應(yīng)力計，埋設(shè)于2006年8月，至2013年10月10日，期間共觀測8 055次。得出α值為10.9×10-6/℃，自生體積變形的平均值為10.3×10-6，標準差僅為0.86×10-6，證明它非常穩(wěn)定，α值選取準確，這是一支典型正常的無應(yīng)力計，見圖2。

圖2　正常無應(yīng)力計實例(A16Y2-N03)

3.2.2異常實例

小灣拱壩壩踵附近一支無應(yīng)力計，埋設(shè)于2007年6月，2008年11月后溫度穩(wěn)定在21.5℃左右，而無應(yīng)力應(yīng)變卻持續(xù)下降，自-5×10-6下降至-200×10-6，兩者明顯不呈線性關(guān)系，顯然這是一支異常無應(yīng)力計，見圖3。

圖3　異常無應(yīng)力計實例(A12-N02)

3.2.3小灣正常自生體積變形統(tǒng)計

在小灣100多支無應(yīng)力計中，篩選出38支正常或基本正常的儀器，得出小灣大壩混凝土自生體積變形值及各齡期間的增量。證明到720 d齡期后，平均年增量均小于1×10-6，絕大部分到540 d后已經(jīng)穩(wěn)定。因絕大部分異常均發(fā)生在蓄水后，混凝土齡期大多超過540 d，為鑒別提供了可靠依據(jù)。表1為小灣拱壩在不同齡期的自生體積變形增量統(tǒng)計。

表1　小灣拱壩混凝土自生體積變形增量統(tǒng)計Table 1　Statistics of the increment of autogenous volume deformation of Xiaowan arch dam　10-6

3.3混凝土溫度膨脹系數(shù)α的推求

要鑒別和修正無應(yīng)力應(yīng)變必須確定混凝土溫度膨脹系數(shù)α，它與確定自生體積變形穩(wěn)定值同等重要，二者密切相關(guān)。確定α值可通過室內(nèi)試驗，也可從無應(yīng)力應(yīng)變中推求。實際上壩體各處的α值差別較大，如有可能，宜盡量選擇后者。常規(guī)的方法主要有3種：

第1種是以無應(yīng)力計溫度和某種時間函數(shù)式分別作為因子，對無應(yīng)力應(yīng)變進行回歸分解后，分別得出溫度變形和自生體積變形。

第2種是選取混凝土某個迅速變溫段，基于短時段內(nèi)自生體積變形變化不大的假定，認為該時段增量僅為溫度變形，用它除以溫度增量，得到系數(shù)α。

第3種為“試算法”，根據(jù)實測溫度，假定不同的α，試算出溫度變形，并從無應(yīng)力計測值中將其扣除，剩下的視為自生體積變形?？啥啻畏磸?fù)試算，以最大程度減小自生體積變形中的溫度影響。也可通過不斷地調(diào)整α值，使剝離了溫度變形后的自生體積變形最穩(wěn)定，這時的α值可認為最接近實際情況。

3種方法各有優(yōu)缺點，宜采用多種方法綜合比較并相互驗證。

3.4鑒別異常值的標準

確定無應(yīng)力計正常與否，首先應(yīng)確定誤差的允許范圍。根據(jù)應(yīng)變計和采集系統(tǒng)的觀測精度，并考慮到假定α值可能引起的誤差，初步以10×10-6作為界定明顯異常的標準(標號為C40混凝土，10×10-6相應(yīng)的應(yīng)力約為0.33 MPa)。實踐證明，自動化系統(tǒng)的綜合觀測精度遠高于10×10-6，約在1×10-6～2×10-6之間，因此在自動化采集條件下，異常較易鑒別。

3.5異常值的修正

在混凝土自生體積變形穩(wěn)定后，G(t)成為定值，溫度膨漲系數(shù)α已知，如溫度值正常，ΔT就正常。以開始發(fā)生異常時測值作為新基準，由此可以繼續(xù)推算無應(yīng)力應(yīng)變。即式(1)中去除了濕度變形εw(t)一項，公式變?yōu)椋?/p>

(2)

必須強調(diào)指出，本文所提無應(yīng)力計異常，其溫度值仍然是正常的，迄今所了解的無應(yīng)力計異常的機理并未影響溫度值的正確性。退一步說，即使無應(yīng)力計完全損壞，只要同組應(yīng)變計正常，仍可從應(yīng)變計所測溫度算出無應(yīng)力應(yīng)變值，可能還更為準確，因為應(yīng)變計溫度和無應(yīng)力計溫度仍有一定差異，正常情況下這種差異不大，故略而不計。

現(xiàn)在一些工程在分析應(yīng)變計長期監(jiān)測資料時，往往相應(yīng)的無應(yīng)力計一損壞，就停止計算應(yīng)力應(yīng)變，這種處理方式有待商榷。

當然，進行修正都會存在一定誤差，特別當目前還缺乏經(jīng)驗時。如異常發(fā)生在施工期特別是施工初期，能否修正更需具體研究，慎重對待。

4對二灘拱壩無應(yīng)力計異常的初步研究成果

4.1無應(yīng)力計異常測值修正的重要性

分析發(fā)現(xiàn)，二灘無應(yīng)力計的異?，F(xiàn)象，分布范圍相當廣泛，異常程度亦不可忽視。

然而據(jù)此就斷定拱壩應(yīng)變資料價值不大，只能作為參考，這個結(jié)論尚需慎重考慮。二灘拱壩是我國第一座建成的240m的特高拱壩，至今已安全運行逾15 a，它所有的原型觀測資料包括近200支應(yīng)變計資料在內(nèi)以及前人的研究成果[6]，都是反映大壩運行狀況的寶貴資料。如果異常的無應(yīng)力應(yīng)變能夠有效修正，應(yīng)力成果的可靠性問題便迎刃而解。

這是一項新的嘗試，缺乏經(jīng)驗，修正的有效程度，有待繼續(xù)驗證。但盡量縮小修正誤差，使其基本恢復(fù)拱壩應(yīng)力應(yīng)變的真實面目，還是有可能的。在未就此作專項研究，努力加以解決前，實不宜輕易放棄。

4.2二灘無應(yīng)力計異常測值修正的有利條件

4.2.1測次密，觀測精度高

《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[7]規(guī)定，無應(yīng)力計的觀測測次在施工期為1周1次至1月1次。如按此要求執(zhí)行，再加上觀測質(zhì)量一般，要想精確推求混凝土的α值和自生體積變形是極為困難的。研究中發(fā)現(xiàn)，二灘無應(yīng)力計應(yīng)變觀測設(shè)計要求嚴格，測次要求遠高于規(guī)范值，以拱冠梁近基面為例，混凝土齡期90 d以內(nèi)1～2 d測1次；360 d以內(nèi)(1～3)d測1次；720 d以內(nèi)平均3 d測1次，超過規(guī)范要求2～10倍，自動化觀測后至少保持1 d測1次至今。這給資料分析工作提供了極大的方便。

4.2.2觀測質(zhì)量控制嚴格

施工期，測值過程線均勻連續(xù)，粗差很少。為較準確地推求混凝土的α值和自生體積變形，以及修正應(yīng)力應(yīng)變創(chuàng)造了良好條件。

4.2.3齡期360～540 d之后自生體積變形已穩(wěn)定

根據(jù)初步研究，二灘混凝土自生體積變形的急劇變化期在齡期28～180 d之內(nèi)，絕大部分在360～540 d之后已經(jīng)穩(wěn)定，而絕大多數(shù)無應(yīng)力計異常發(fā)生在上述時段之后，只有個別幾支異常發(fā)生在上述時段前，所以能較準確地界定異常及其發(fā)生的時段。

4.2.4無應(yīng)力計溫度測值正常

無應(yīng)力計傳感器本身是正常的，只是在復(fù)雜的影響因素下，測值不能完全反應(yīng)混凝土無應(yīng)力應(yīng)變。但傳感器溫度仍然正常，這也為測值修正創(chuàng)造了條件。

4.3對修正效果的初步估計

初步估計，α值的計算精度大致可在±0.5×10-6/℃之內(nèi)，無應(yīng)力應(yīng)變修正后誤差大致在±10×10-6之內(nèi)，折合應(yīng)力值在±0.3 MPa左右。二灘設(shè)計允許最大主壓應(yīng)力為9 MPa[1]，修正誤差與最大變幅之比約1/30，精度能夠滿足要求。

經(jīng)過對現(xiàn)有32支無應(yīng)力計逐支鑒別和試驗修正后，得出初步結(jié)論是，修正方法基本可行，修正效果可能超過預(yù)期。

5二灘無應(yīng)力計異常應(yīng)變修正實例

以二灘拱壩21#壩段壩基無應(yīng)力計為例，討論NS016,NS023,NS024,NS025這4支無應(yīng)力計的觀測成果及其修正。4支無應(yīng)力計的埋設(shè)位置見圖4。

圖4　21#壩段壩基 無應(yīng)力計布置圖

5.1無應(yīng)力計NS016

無應(yīng)力計NS016處于拱冠梁壩段壩踵部位，其自生體積變形在270 d齡期時為122×10-6，已經(jīng)十分穩(wěn)定。1998年5月開始蓄水后，儀器對庫水位變化反應(yīng)十分靈敏，表明蓄水后無應(yīng)力計已經(jīng)失真。2000—2011年期間，無應(yīng)力變形年變幅約71×10-6，并有逐年下降趨勢，最大異常值約86 ×10-6，該儀器從蓄水時開始修正，前后應(yīng)變及溫度過程線見圖5。

圖5　NS016無應(yīng)力計修正前后應(yīng)變過程線

5.2無應(yīng)力計NS023

NS023位于拱冠梁壩段近基面中上游部位，其自生體積變形在270 d時為40×10-6，此后變化在±1×10-6之內(nèi)，大約在630 d后出現(xiàn)了2次明顯的波動，此后直線下降，至1 000 d后才基本穩(wěn)定。1998年5月蓄水后，出現(xiàn)類似NS016先升后降現(xiàn)象，至2010年底，最大異常值約-36×10-6，年降率-2.6×10-6/a。對這支儀器自620 d起修正，前后應(yīng)變及溫度過程線見圖6。

圖6　NS023無應(yīng)力計修正前后應(yīng)變過程線

5.3無應(yīng)力計NS024

NS024位于拱冠梁壩段近基面中下游部位，其自生體積變形在360 d時為39×10-6，此后十分穩(wěn)定。它同NS016一樣，異常也出現(xiàn)在蓄水之后，但下降趨勢輕微，最大異常值約-18×10-6，從蓄水開始加以修正，詳見圖7。

圖7　 NS024無應(yīng)力計修正前后應(yīng)變過程線

5.4無應(yīng)力計NS025

NS025位于拱冠梁壩段壩踵部位，在施工期就出現(xiàn)異常。其自生體積變形在270 d時為62×10-6，360d為63×10-6，已趨穩(wěn)定。但從373 d后直線下降，1998年5月蓄水以后至1998年11月，下降趨勢才基本消失。至1999年6月后迅速上升，當時庫水位于6月1日首次達到1 193.39 m新高程，此后明顯受庫水位影響，最大異常值約-60×10-6。

初步分析認為，施工期呈現(xiàn)的直線下降現(xiàn)象，是壩體自重的影響，自生體積變形不太可能出現(xiàn)這樣劇烈線性收縮的現(xiàn)象，而且還處于升溫期。由于同一層澆筑的其余3支無應(yīng)力計的自生體積變形在360 d后均已穩(wěn)定，可以作為參照。對NS025從373 d起進行修正。見圖8及圖9，圖中剩余變形指從無應(yīng)力應(yīng)變中扣除溫度變形后的余量。

圖8　NS025剩余變形與溫度過程線

圖9　NS025無應(yīng)力計修正前后應(yīng)變過程線

6結(jié)語

當前世界上的特高拱壩不多，原型觀測成果對掌握壩體真實應(yīng)力情況，提高后繼特高拱壩的設(shè)計水平具有重要的指導(dǎo)意義。

最近研究表明，無應(yīng)力計異?，F(xiàn)象在高應(yīng)力混凝土壩中可能具有一定的普遍性，它直接影響了應(yīng)變觀測成果的可靠性，必須引起重視。

二灘拱壩的無應(yīng)力計存在異常現(xiàn)象，分布范圍廣。但據(jù)此就做出其應(yīng)變資料價值不大，只能作為參考的結(jié)論，為時尚早。建議就此作專項研究，努力加以補救。

試驗修正成果表明，基本恢復(fù)二灘應(yīng)力應(yīng)變的真實情況是有可能的。 二灘無應(yīng)力計資料，施工期測次極密，觀測質(zhì)量控制嚴格，為較準確地修正創(chuàng)造了有利條件 。

應(yīng)力修正研究尚需深入進行，對異常原因尚待具體分析，周密細致的綜合考證十分必要。初期應(yīng)力修正，需結(jié)合大量人工干預(yù)，定型后修改相應(yīng)程序，可實現(xiàn)完全自動化。

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(編輯：曾小漢)

收稿日期：2015-08-20；修回日期：2015-10-22

作者簡介：王志遠(1934-)，男，江蘇太倉人，高級工程師，研究方向為水工建筑物安全監(jiān)測，(電話)13913857679(電子信箱)wangzhiyuan201@163.com。

通訊作者：沈慧(1981-)，女，江蘇南京人，高級工程師，碩士，研究方向為水工建筑物安全監(jiān)測，(電話)13813933819(電子信箱)shenhui@sgepri.sgcc.com.cn。

doi:10.11988/ckyyb.20150692

中圖分類號：TV698.1

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)04-0046-05

Research on Correcting the Abnormal Data ofNon-stress Meters in Ertan Arch Dam

WANG Zhi-yuan1, SHEN Hui1, MIN Si-hai2, SONG Ming-fu2

(1.Water Resource and Hydropower Company, Nari Group Corporation, Nanjing211106, China;2.Yalong River Hydropower Development Company, Ltd., Panzhihua 617000, China)

Abstract:Recently, some deformation measured by non-stress meters are found abnormal, which affects the reliability of observation results of strain meters. In view of this, we propose the basis, criteria and methods to distinguish abnormal data by researching the regularity of autogenous volumetric deformation of concrete. We also suggest some methods to correct the abnormal data of non-stress meters, and applied them to the discrimination and modification of non-stress meter results for Ertan arch dam. The results prove that the modification methods are effective, and the corrected results reflect the actual stress of Ertan dam.

Key words:non-stress meter; abnormal data; Ertan arch dam; high stress; concrete dam

2016,33(04):46-50,56