（豐滿發(fā)電廠，吉林省吉林市 132108）

1 工程概況

豐滿大壩重建工程以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、城市及工業(yè)供水、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游等綜合利用，供電范圍為東北電網(wǎng)，在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用等任務(wù)。水庫正常蓄水位263.50m，汛限水位260.50m，死水位242.00m，校核洪水位268.50m，水庫總庫容103.77億m3。

樞紐工程主要由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪系統(tǒng)、泄洪兼導(dǎo)流洞、壩后式引水發(fā)電系統(tǒng)、原三期電站組成。新建大壩壩軸線位于原豐滿大壩壩軸線下游120m。

新建大壩由左岸擋水壩段、溢流壩段、廠房壩段及右岸擋水壩段組成，共分56個(gè)壩段，壩頂高程269.50m，最大壩高94.50m，壩頂全長1068m。溢流壩段布置于主河床，其上布置9孔開敞式溢流堰。廠房壩段布置于主河床偏右岸，布置6孔壩式發(fā)電引水進(jìn)水口。6臺水輪發(fā)電機(jī)組布置于右岸壩后廠房內(nèi)。

新建大壩于2014年9月開始基礎(chǔ)開挖，截至2016年7月底，重建工程各壩段澆筑高程見表1。

表1 各壩段澆筑高程表Tab.1 The elevation table of each dam section

大壩安全監(jiān)測施工安裝工程現(xiàn)已開展的監(jiān)測項(xiàng)目主要有大壩應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測及溫度監(jiān)測、大壩裂縫監(jiān)測、大壩滲流監(jiān)測、發(fā)電廠房及開關(guān)站監(jiān)測、引水壩段壓力鋼管監(jiān)測、消力池部位監(jiān)測、老壩F67斷層錨索監(jiān)測等7個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目。安全監(jiān)測完成形象面貌如下：

（1）廠房2號、4號機(jī)組中心線揚(yáng)壓力監(jiān)測6支滲壓計(jì)安裝完成。

（2）大壩基礎(chǔ)揚(yáng)壓力監(jiān)測15支滲壓計(jì)安裝完成。

（3）大壩基礎(chǔ)裂縫變化監(jiān)測18支測縫計(jì)、4支裂縫計(jì)安裝完成。

（4）大壩基巖變形8套多點(diǎn)位移計(jì)安裝完成。

（5）大壩基礎(chǔ)溫度監(jiān)測4套（20支）基巖溫度計(jì)安裝完成。

（6）大壩應(yīng)變應(yīng)變及溫度監(jiān)測7套五向應(yīng)變計(jì)組、2套三向應(yīng)變計(jì)組、9套無應(yīng)力計(jì)安裝完成、溫度計(jì)12支安裝完成。

（7）大壩接觸灌漿縱縫監(jiān)測35支測縫計(jì)安裝完成。

（8）大壩橫縫監(jiān)測8支測縫計(jì)安裝完成。

（9）壩體滲透壓力監(jiān)測6支滲壓計(jì)安裝完成。

（10）引水壩段壓力鋼管8支鋼板計(jì)、8支鋼筋計(jì)、8支測縫計(jì)安裝完成。

（11）消力池基礎(chǔ)7支測縫計(jì)安裝完成。

（12）新增大壩裂縫監(jiān)測2支裂縫計(jì)安裝完成。

（13）新增大壩溢流壩段反弧段1支。

本文只針對新壩施工期應(yīng)力應(yīng)變項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測資料分析。

2 施工期應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測資料分析

2.1 基巖和混凝土溫度

在9、19、23、32號4個(gè)壩段的基巖和混凝土內(nèi)埋設(shè)溫度計(jì)監(jiān)測基巖和混凝土溫度，目前9號壩段已埋設(shè)5支，19、23、32號各埋設(shè)7支總計(jì)26支。基巖溫度計(jì)深度在建基面以下8～16m之間，目前已埋設(shè)的混凝土溫度計(jì)一般在建基面以上4～11m之間。

各溫度計(jì)從2015年9月～2016年6月陸續(xù)埋設(shè)完成開始觀測，本次分析觀測成果截至2016年7月25日。埋設(shè)初期測次較密，后期為每周觀測1次，滿足設(shè)計(jì)要求的頻次。監(jiān)測儀器埋設(shè)部位、高程等見表2。

繪制基巖和混凝土溫度計(jì)測值過程線見圖1。

繪制基巖至混凝土溫度測值沿高程分布圖見圖2。

從分布圖可以明顯看出，基巖內(nèi)溫度計(jì)隨高程降低溫度也降低，這反映了基巖沿深度范圍內(nèi)的溫度分布，該分布符合一般認(rèn)識。從過程線看出，基巖深處溫度變化幅度較平緩，靠近建基面溫度變化幅度稍大一些，靠近建基面溫度變化較大。

從過程線和分布圖還可以看出，當(dāng)前各壩段混凝土內(nèi)溫度由于受氣溫影響明顯高于基巖內(nèi)溫度。

表2 溫度計(jì)埋設(shè)部位、高程表Tab.2 Iocation of thermometer and elevation table

圖1 9、23、32號壩段基巖和混凝土溫度計(jì)測值過程線Fig.1 9#、23#、32# Dam section bedrock and concrete thermometer measurement process line

圖2 9號壩段基巖和混凝土溫度計(jì)測值分布圖（建基面高程185m）Fig.2 9# Dam section bedrock and concrete thermometer Distribution（Built base elevation 185m）

（1）基巖溫度。

9號壩段基巖溫度在7.1～15.7℃之間，當(dāng)前溫度10.7～11.9℃；23號壩段基巖溫度在9.0～17.6℃之間，當(dāng)前溫度13.1～17.2℃；32號壩段基巖埋設(shè)以來溫度在7.2～14.4℃之間變化，當(dāng)前溫度12.1～13.5℃；19號壩段基巖溫度在9.2～15.0℃之間，當(dāng)前溫度10.2～12.3℃。

除23號壩段基巖當(dāng)前溫度稍高在13.1～17.2℃之間以外，其他3個(gè)壩段溫度基本在10.2～13.5℃之間，溫度較為接近。

（2）混凝土溫度。

9號壩段混凝土溫度在9.7～21.0℃之間，當(dāng)前溫度13.6～17.7℃；23號壩段混凝土溫度在11.7～26.4℃之間，當(dāng)前溫度10.2～12.3℃；32號壩段混凝土溫度在9.7～24.6℃之間變化，當(dāng)前溫度21.8～23.4℃；19號壩段混凝土溫度在22.5～26.9℃之間，當(dāng)前溫度26.6～26.9℃。

實(shí)測混凝土內(nèi)的最高溫度介于17.8～26.9℃，目前19、23號壩段最高溫度26.9、26.1℃，超過了混凝土容許最高溫度23～24℃，需要根據(jù)溫控結(jié)果進(jìn)一步分析及采取相應(yīng)措施。

綜上所述，各壩段基巖和混凝土溫度空間分布符合規(guī)律，基巖溫度目前穩(wěn)定在10.0～13.5℃之間，23號壩段基巖溫度稍高在13.1～17.2℃之間。實(shí)測混凝土內(nèi)的最高溫度介于17.8～26.9℃，目前19、23號壩段最高溫度26.9、26.1℃，需要根據(jù)溫控結(jié)果進(jìn)一步分析及控制。

2.2 混凝土應(yīng)力應(yīng)變分析

目前大壩混凝土內(nèi)部共埋設(shè)了無應(yīng)力計(jì)10支，五向應(yīng)變計(jì)組8組，三向應(yīng)變計(jì)組2組，布置在5個(gè)壩段，每組應(yīng)變計(jì)組均對應(yīng)布置一支無應(yīng)力計(jì)。應(yīng)變計(jì)（組）與無應(yīng)力計(jì)的對應(yīng)關(guān)系以及儀器的具體埋設(shè)位置、埋設(shè)方式、埋設(shè)時(shí)間和基準(zhǔn)值取值時(shí)間見表3。

表3 各向應(yīng)變計(jì)組及對應(yīng)無應(yīng)力計(jì)埋設(shè)情況表Tab.3 The table of each strain gauge group and corresponding non-stress meter

為了解大壩內(nèi)部已埋應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測儀器的工作情況，初步掌握大壩混凝土應(yīng)力應(yīng)變變化情況，對所有已埋設(shè)的無應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變計(jì)組的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步分析，分析時(shí)段截至2016年7月25日。本階段應(yīng)力應(yīng)變分析主要目的在于以下兩個(gè)方面：一是對已經(jīng)埋設(shè)的各類儀器的工作狀態(tài)及質(zhì)量進(jìn)行認(rèn)識及判斷發(fā)現(xiàn)可能存在的問題；二是通過已埋儀器的監(jiān)測資料分析來認(rèn)識掌握施工初期應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。其中，混凝土應(yīng)力應(yīng)變分析的主要工作包括：無應(yīng)力計(jì)分析、彈模及徐變試驗(yàn)資料處理、單支應(yīng)變計(jì)分析、應(yīng)變計(jì)組不平衡量檢查和平差、單軸應(yīng)變換算、徐變應(yīng)力計(jì)算、剪應(yīng)力計(jì)算、主應(yīng)力及其方向計(jì)算。正應(yīng)力以拉為正，壓為負(fù)。由于條件和時(shí)間所限本次僅對無應(yīng)力計(jì)進(jìn)行模型分析，對應(yīng)變計(jì)組進(jìn)行不平衡量檢查等檢查分析。

2.2.1 無應(yīng)力計(jì)分析

對9、19、23、32號壩段183～189m高程已埋設(shè)無應(yīng)力計(jì)進(jìn)行分析。無應(yīng)力計(jì)測得混凝土的自由體積變形（或稱無應(yīng)力應(yīng)變），包括溫度變形、自生體積變形和濕度變形3部分。對無應(yīng)力計(jì)監(jiān)測資料進(jìn)行分析的主要目的有二：一是了解壩體混凝土溫度變形的實(shí)際線膨脹系數(shù)以及自生體積變化規(guī)律；二是利用無應(yīng)力計(jì)分析得到的線膨脹系數(shù)和自生體積變形來計(jì)算工作應(yīng)變計(jì)（組）的徐變應(yīng)力。

計(jì)算工作應(yīng)變計(jì)（組）的徐變應(yīng)力時(shí)需要從實(shí)測應(yīng)變中扣除無應(yīng)力應(yīng)變的部分，簡單的做法是直接用應(yīng)變計(jì)組實(shí)測應(yīng)變減去對應(yīng)的無應(yīng)力計(jì)應(yīng)變，但這樣做有3個(gè)不足：一是無應(yīng)力計(jì)單次測值本身存在測量誤差，直接相減會引起誤差傳遞；二是對應(yīng)無應(yīng)力計(jì)測點(diǎn)溫度與應(yīng)變計(jì)組的平均溫度可能不一致；三是無應(yīng)力計(jì)觀測時(shí)間與應(yīng)變計(jì)組可能不一致。結(jié)果會導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)組應(yīng)力應(yīng)變誤差擴(kuò)大，影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。而采用無應(yīng)力計(jì)回歸方程來計(jì)算對應(yīng)的無應(yīng)力應(yīng)變可以消除這些影響，提高計(jì)算精度。

目前可供分析的無應(yīng)力計(jì)共8支。圖繪制了無應(yīng)力計(jì)溫度及應(yīng)變測值過程線。無應(yīng)力計(jì)測值的影響因素相對而言比較簡單。當(dāng)溫度測值平穩(wěn)變化而應(yīng)變測值發(fā)生較大幅度的突變時(shí)，很可能由于觀測時(shí)存在系統(tǒng)誤差，例如9N2、23N1都存在這種現(xiàn)象。

在測值正常情況下，混凝土終凝后無應(yīng)力計(jì)的應(yīng)變與溫度之間會表現(xiàn)出明顯的線性相關(guān)關(guān)系，其斜率為混凝土的線膨脹系數(shù)。圖4為代表性測點(diǎn)應(yīng)變與溫度相關(guān)圖，從中可以看出，9N1存在明顯的相關(guān)關(guān)系，其他測點(diǎn)應(yīng)變和溫度由于測時(shí)較短及測量誤差等原因相關(guān)關(guān)系尚不明顯，需要進(jìn)一步觀測和分析。

從大量的無應(yīng)力計(jì)測值分析經(jīng)驗(yàn)來看，無應(yīng)力計(jì)一般都會較好地統(tǒng)計(jì)模型分析結(jié)果。通過統(tǒng)計(jì)模型分析，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(shí)際線膨脹系數(shù)以及自生體積變形趨勢性變化的類型；并且，當(dāng)無應(yīng)力計(jì)與對應(yīng)的工作應(yīng)變計(jì)（組）溫度條件不相同時(shí)，利用回歸方程來計(jì)算無應(yīng)力應(yīng)變。

圖4 9號壩段無應(yīng)力計(jì)9N1應(yīng)變和溫度相關(guān)圖Fig.4 9# Dam section No stress gauge 9N1 strain and temperature correlation chart

無應(yīng)力計(jì)的實(shí)測無應(yīng)力應(yīng)變主要受測點(diǎn)溫度、自生體積及濕度變化的影響，模型方程形式一般如下：

式中：T——無應(yīng)力計(jì)測點(diǎn)溫度；

t—— 測時(shí)距分析起始日期的時(shí)間長度，天；

a0，a1，a2，a3，a4——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(jì)值，時(shí)間函數(shù)的組合部分簡稱為時(shí)效分量，包括了自生體積變形及濕度變形的變化部分。

對無應(yīng)力計(jì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)模型分析，典型測點(diǎn)無應(yīng)力計(jì)（9N1）可建立起有效的統(tǒng)計(jì)模型，模型時(shí)段2015年10月18日～2016年7月25日，模型結(jié)果過程線見圖5。模型方程如下：

圖3 9號壩段無應(yīng)力計(jì)溫度和應(yīng)變測值過程線Fig.3 9# Dam section bedrock No stress gauge temperature and strain measurement process line

模型復(fù)相關(guān)系數(shù)0.952，剩余標(biāo)準(zhǔn)差14.76με，線脹系數(shù)估計(jì)值即為11.476με/℃。一般認(rèn)為當(dāng)剩余標(biāo)準(zhǔn)差為3～6με（相當(dāng)于1～2個(gè)電阻比）時(shí)，模型結(jié)果效果較好。由于本次分析時(shí)大部分測點(diǎn)數(shù)據(jù)序列太短，本模型結(jié)果僅供分析作參考。

圖5 無應(yīng)力計(jì)9N1回歸分析結(jié)果過程線（R=9522，S=14.755）Fig.5 No stress gauge regression analysis of the results of the process line

從上述分析結(jié)果來看，混凝土線膨脹系數(shù)的估計(jì)值在11.98με/℃左右，由于目前未見到試驗(yàn)資料，不能進(jìn)一步對比分析。按經(jīng)驗(yàn)估計(jì)此值偏大，估計(jì)與模型計(jì)算共線性有關(guān)?？傮w來看，目前的無應(yīng)力計(jì)測值還不能完全反映出混凝土無應(yīng)力應(yīng)變情況，進(jìn)一步的認(rèn)識還有待于后期的觀測及分析。

2.2.2 應(yīng)變計(jì)組分析

目前在9、19、23、32號壩段183～189m高程已埋設(shè)五向應(yīng)變計(jì)7組，三向應(yīng)變計(jì)2組。

繪制各壩段應(yīng)變計(jì)組應(yīng)變和溫度過程線見圖6。從各應(yīng)變計(jì)組的測值過程線中可以看到，9S1應(yīng)變計(jì)組2、3號儀器出現(xiàn)了較大變幅（300με）的測值跳動，初步判斷為觀測誤差引起的。除該組應(yīng)變計(jì)組之外，一般單支儀器的應(yīng)變測值變化在-100～100με之間，除19S1有超過30℃的溫度之外，其他單支儀器的溫度測值均在26℃以下。

圖6 應(yīng)變計(jì)組9S1溫度和應(yīng)變過程線Fig.6 Strain gauge temperature and strain line

在進(jìn)行應(yīng)變計(jì)組的徐變應(yīng)力計(jì)算之前，要求應(yīng)變計(jì)組要滿足“點(diǎn)溫度” “點(diǎn)應(yīng)力”條件。是否滿足“點(diǎn)溫度”及 “點(diǎn)應(yīng)力”條件是檢查應(yīng)變計(jì)組測值是否可靠的兩個(gè)重要步驟，以下簡要介紹兩種條件的檢查結(jié)果。

（1）“點(diǎn)溫度”條件檢查。

“點(diǎn)溫度”條件是指同一組內(nèi)各支儀器的溫度測值應(yīng)在一定范圍內(nèi)基本一致，沒有溫度梯度?？紤]到測量偶然誤差問題，一般根據(jù)應(yīng)變計(jì)溫度的測量精度作為檢查標(biāo)準(zhǔn)，即同一測次多支儀器溫度差應(yīng)控制在0.8～1.0℃之內(nèi)。從各應(yīng)變計(jì)組溫度測值過程線中可以看到，同組中各支儀器溫度測值有較大差別，同一測次、不同儀器的最大差值為10℃，因此可以認(rèn)為部分應(yīng)變計(jì)組早期測值不能滿足“點(diǎn)溫度”條件。需要說明的是，多支應(yīng)變計(jì)組表現(xiàn)為隨時(shí)間變化，各支儀器溫差減小的現(xiàn)象，觀測結(jié)果是否反映了實(shí)際情況尚需進(jìn)一步研究。

（2）“點(diǎn)應(yīng)力”條件檢查。

應(yīng)變計(jì)組按平面或空間計(jì)算應(yīng)力，需滿足“應(yīng)變不變”條件，具體到豐滿大壩來說，同一平面內(nèi)的4支應(yīng)變計(jì)應(yīng)變應(yīng)平衡，按設(shè)計(jì)編號表述，應(yīng)滿足S_2+S_3=S_4+S_5，由于測量誤差，導(dǎo)致上面等式兩端存在不平衡量，但該不平衡量ΔS=S_2+S_3-S_4-S_5應(yīng)在一定范圍內(nèi)，一般采用4～8個(gè)電阻比或者相當(dāng)?shù)膽?yīng)變值進(jìn)行控制。已埋設(shè)的五向應(yīng)變計(jì)組不平衡量檢查結(jié)果過程線見圖7。對所有8組應(yīng)變計(jì)組，進(jìn)行應(yīng)變計(jì)組計(jì)算條件檢查，部分應(yīng)變計(jì)組早期存在一定不平衡量超界的情況，但具體原因有所不同，例如9S1不平衡量值應(yīng)該由于2、3號儀器存在系統(tǒng)誤差引起的，在后期計(jì)算和分析時(shí)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)處理。

檢查結(jié)果總體來看部分應(yīng)變計(jì)組早期測值存在未滿足“點(diǎn)溫度”“點(diǎn)應(yīng)力”條件的情況，在其他工程中也曾存在類似觀測結(jié)果，對于本工程來說需要對此現(xiàn)象進(jìn)一步查明原因，并在實(shí)際計(jì)算分析時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

圖7 應(yīng)變計(jì)組9S1不平衡量檢查Fig.7 Strain gauge group unbalance check

3 總結(jié)及建議

（1）通過目前無應(yīng)力計(jì)統(tǒng)計(jì)模型分析，混凝土線膨脹系數(shù)估計(jì)值為11.4με/℃左右。部分無應(yīng)力計(jì)測值與溫度相關(guān)關(guān)系不明顯，初步分析除施工和觀測等因素以外，與觀測時(shí)段較短也有一定關(guān)系。

（2）本次對應(yīng)變計(jì)組分析主要為計(jì)算條件檢查，發(fā)現(xiàn)部分應(yīng)變計(jì)組早期測值不滿足“點(diǎn)溫度” “點(diǎn)應(yīng)力”條件，應(yīng)變計(jì)觀測精度有待進(jìn)一步提高。從量值上看，應(yīng)變計(jì)溫度測值僅18S1出現(xiàn)過超過30℃情況，一般均低于26℃，與溫度計(jì)觀測結(jié)果基本一致。各應(yīng)變計(jì)組單支儀器應(yīng)變值一般在-100～100με之間，反映出施工期大壩受力基本屬于正常。

（3）后期應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注無應(yīng)力計(jì)測值與溫度相關(guān)關(guān)系，及時(shí)進(jìn)行應(yīng)變計(jì)組“點(diǎn)溫度” “點(diǎn)應(yīng)力”條件檢查，保證為后期資料分析提供可靠數(shù)據(jù)。

（4）混凝土及基巖溫度監(jiān)測，各壩段基巖目前一般穩(wěn)定在10.0～13.5℃之間，23號壩段基巖當(dāng)前溫度稍高?；炷磷罡邷囟冉橛?7.8～26.9℃，目前19、23號壩段最高溫度分別為26.9、26.1℃，超過設(shè)計(jì)允許最高溫度，需要加強(qiáng)觀測，并結(jié)合溫控結(jié)果進(jìn)一步分析及控制。

（5）混凝土應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，無應(yīng)力計(jì)統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算結(jié)果表明混凝土線膨脹系數(shù)估計(jì)值為11.4με/℃左右，應(yīng)變計(jì)溫度測值一般均低于26℃，與溫度計(jì)觀測結(jié)果基本一致。各應(yīng)變計(jì)組單支儀器應(yīng)變值一般在-100～100με之間，反映出施工期大壩受力基本屬于正常。

（6）已完成監(jiān)測項(xiàng)目實(shí)施符合規(guī)范要求，儀器完好率較高。已埋入儀器監(jiān)測資料連續(xù)、完整，大部分監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)基本可靠。

（7）建議關(guān)注各環(huán)節(jié)監(jiān)測實(shí)施，及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查，保證數(shù)據(jù)觀測精度及數(shù)據(jù)可靠性。對出現(xiàn)異常變化的測點(diǎn)及時(shí)記錄并反饋，并分析異常原因。

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