云 磊

（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)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(diào)節(jié)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(fā)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(guī)模為Ⅰ等大（1）型工程，發(fā)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(jiān)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(jiān)測大壩施工和運行期的應力應變變化規(guī)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(jiān)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(tài)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?shù)睦瓚?，甚至造成裂縫，反之，微膨脹型自生體積變形將產(chǎn)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(xiàn)有資料來看，壩體內(nèi)埋設的12支無應力計從2007年或2008年埋設至2015年10月底，數(shù)據(jù)完整，連續(xù)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(shù)和體積變形，見表1及圖1。

經(jīng)分析，大部分部位三級配混凝土溫度線膨脹系數(shù)均大于二級配混凝土，三級配混凝土溫度線膨脹系數(shù)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(shù)在7.303 /℃～9.407 /℃之間，均值為8.605 /℃，各測點復相關系數(shù)較高，擬合效果較好，且從計算成果來看，無應力計埋設質(zhì)量較高，溫度線膨脹系數(shù)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(tài)，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(guī)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(xiàn)有資料來看，壩體內(nèi)埋設的12組五向應變計組大部分數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，但部分測點存在數(shù)據(jù)缺失和個別傳感器損壞的情況。對缺失數(shù)據(jù)較多的測點，按插值方式補充數(shù)據(jù)，并進行應力轉(zhuǎn)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(guī)律的測點，其計算成果僅供參考。

3.1 壩踵區(qū)應力狀態(tài)

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(jiān)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(wěn)定連續(xù)，具有很好的規(guī)律性，自監(jiān)測儀器施工安裝埋設后，壩踵處一直處于受壓狀態(tài)，隨著水庫運行庫水位的逐步升高，更趨向于受壓穩(wěn)定狀態(tài)，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(jiān)測數(shù)據(jù)結果分析顯示，壩踵部位混凝土與基巖接觸面呈閉合狀態(tài)，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(tài)，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(wěn)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(tài)，有利于壩體穩(wěn)定，亦和壩踵區(qū)應該存在應力狀態(tài)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(qū)應力狀態(tài)

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(jiān)測儀器施工安裝埋設后，壩趾處一直處于受拉狀態(tài)，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(jiān)測數(shù)據(jù)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(nèi)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(tài)，亦和壩趾區(qū)應該存在應力狀態(tài)相吻合。

3.3 壩基及壩體應力狀態(tài)

根據(jù)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(guī)律：

1）各測點應力測值數(shù)據(jù)連續(xù)，具有較強規(guī)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??；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(xiàn)為對近壩踵部位應力影響顯著：水位升高，產(chǎn)生拉應力減小或壓應力增加的趨勢；水位降低，產(chǎn)生拉應力增加或壓應力減小的趨勢。

②在豎直向主要表現(xiàn)為：水位升高，近壩踵部位、靠近上游面以及壩體內(nèi)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(nèi)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(chǎn)生拉應力增加或壓應力減小的趨勢；隨著水位降低產(chǎn)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(chǎn)生受力方向為順時針旋轉(zhuǎn)指向XZ方向；隨著水位降低產(chǎn)生受力方向為逆時針旋轉(zhuǎn)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(nèi)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(tǒng)計表 單位：MPa

3.4 特征值統(tǒng)計分析

1）極值分析：每年6月份～10月份產(chǎn)生壩體拉應力極值，在每年12月份～次年3月份出現(xiàn)壩體壓應力極值，極值規(guī)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(jié)產(chǎn)生拉應力極值，而冬季溫度低的季節(jié)產(chǎn)生壓應力極值。不同部位滯后時間有所區(qū)別，壩體內(nèi)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(jiān)測資料分析，初步了解該壩自施工期至目前的應力狀態(tài)，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(wěn)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)，變化趨勢符合正常規(guī)律。

經(jīng)過多年運行，該RCC壩應力狀態(tài)良好，為整體工程安全狀態(tài)評價及后續(xù)工程運行提供有力技術支持和保證。