周公宅水库大坝无应力计观测资料分析

陈柏军,邓成发

(1.宁波市周公宅水库管理局,浙江 宁波 315161;2.浙江广川工程咨询有限公司,浙江 杭州 310020)

在混凝土坝安全监测中,应力应变监测是主要监测项目之一,通过在大坝混凝土中埋设应变计及无应力计观测大坝的应变及应力,为混凝土坝的运行提供安全评价的依据。在对应变计观测资料的分析过程中,无应力观测成果通常用于辅助计算混凝土的有效应变或应力[1-4],其自身的观测成果往往不作深入的分析,无应力计的自身价值未完全发挥,本文针对周公宅水库大坝无应力计观测资料进行分析,计算大坝的温度膨胀系数及自身体积变形,为同类工程提供参考。

1 工程概况

周公宅水库位于宁波市鄞州区大皎溪皎口水库上游15 km,水库总库容1.11亿m3。水库为完全年调节水库,是一座供水、防洪结合发电等综合利用效益的II等大(2)型水利工程。

拦河坝为混凝土拱坝,按500 a一遇洪水设计,2 000 a一遇洪水校核,设计洪水位为237.7 m,校核洪水位为237.89 m,正常蓄水位为231.13m。坝型为抛物线变厚双曲拱坝,坝体材料采用 C25和 C20混凝土,坝顶高程238.13 m,拱坝建基面高程112.63 m,最大坝高125.50 m,坝顶宽7.10 m,拱冠梁顶宽6.72 m,拱冠梁底宽26.25 m,拱冠梁厚高比0.21。

2 测点布置

为了解坝体混凝土受力情况,根据设计应力计算成果,在7,12,16号坝段拉应力较大部位埋设应变计组,在每组应变计组旁设置1支无应力计,共布置五向应变计组8组,无应力计8支(见图1)。仪器均采用美国基康公司生产的GK4210型振弦式应变计。

图1 应力应变监测布置图

3 无应力计观测资料分析

3.1 实测过程线分析

无应力计埋设在应变计组的附近,用以测量混凝土由温度和湿度变化引起的应变,故无应力需考虑温度的影响,需对测值进行补偿修正,针对未进行温度观测的无应力,采用附件的温度计观测资料进行修正,修正后无应力计观测资料见图2。由于篇幅限制,故只显示拱冠梁坝段 (12号坝段)的4组无应力计观测过程线图。

从图2可以看出无应力计测值变化具有如下的特点:①无应力计测值随温度变化而变化,与温度呈正相关,符合大坝混凝土无应力的一般变化规律;②无应力计测值变化具有明显的年周期性,越靠近下游侧的无应力计随气温变化越明显,上游侧应变计随温度变化具有一定的滞后性。

图2 无应力实测过程线图

3.2 混凝土温度膨胀系数

无应力计埋设在应变计组的附近,用以测量混凝土的自由体积变形或自由应变,是实测应变计算混凝土应力时必需的观测资料。无应力计测值包括:温度变形、自身体积变形和湿度变形3部分,可由公式 (1)表示:

式中:G(t)为自生体积变形;εω为湿度变形;α为温度膨胀系数。

利用计算公式可以从无应力计测值ε0计算出混凝土的温度膨胀系数α。混凝土浇筑以后,自生体积变形G(t)及温度变化都很大,经过一段时间以后,G(t)的发展趋于平缓,温度开始下降,一般认为εω变化不大,在降温时段可以认为G(t)+εω=0[5],因此推得:

式中:Δ ε0为无应力计在降温阶段的应变变化值,10-6;Δ T0为同一时段的温度变化值,℃;α为混凝土线膨胀系数,10-6/℃。

从降温阶段取ε0,T0绘制成相关线ε0～ T0(见图3),用最小二乘法计算直线斜率,即为混凝土的线膨胀系数。

通过上述方法求得混凝土温度膨胀系数见表1。

图3 混凝土线膨胀系数曲线图

表1 混凝土温度膨胀系数 α表

由表1可知,大坝混凝土的温度膨胀系数最大值为10.4×10-6/℃,最小值为 9.1×10-6/℃,平均值为 9.69×10-6/℃,与设计采用值9.75×10-6/℃相当。

3.3 混凝土自身体积变形

混凝土的自身体积变形是由水泥水化热作用和其他一些未知的物理化学变化引起的。混凝土的自身体积变形规律较为复杂,变形量的大小与水泥品种、用料及掺和料种类有关外,与无应力计的埋设位置和方向都有一定的关系。忽略湿度变形的影响,混凝土的自身体积变形G(t)=ε0-α Δ T0,代入求得的线膨胀系数,便可求得混凝土的自身体积变形。图4为拱冠梁坝段测点混凝土自身体积变形过程线图。由图4可知,该坝段测点混凝土自身体积变形略呈收缩型变化,对施工期混凝土抗裂有不利影响,但体积变形量整体较小,混凝土自身体积变形量在-73.77×10-6～53.22×10-6,2007年后基本趋于稳定。

图4 混凝土自身体积变形过程线图

4 结 语

通过对宁波市周公宅水库无应力观测资料的分析可以得出以下结论:

(1)无应力计主要观测混凝土中的温度和湿度变形,测值需考虑温度的影响,所以在日常人工以及自动化观测过程中,需同时观测测点温度变化,特别是振弦式的应变计,需引起注意。

(2)采用无应力计算混凝土的温度膨胀系数可以克服室内试验的试样尺寸效应,更加符合工程实际。

(3)混凝土的自身体积变形规律较为复杂,受多种因素的影响,通过大坝内部埋设的无应力计算混凝土的自身体积变形具有一定的局限性,其变化趋势与混凝土配合比的关系需进行进一步的研究。

[1]冯波,张志诚,董霞.混凝土应力计算的变形法误差分析及方法改进[J].河海大学学报:自然科学版,2007,35(2):217-219.

[2]刘志敏,赵坚,周澄.关于应变计的应力数值转换 [J].大坝与安全,2005(1):52-54.

[3]陈科文,李小余,何伟,等.某防渗墙变形应变监测成果分析[J].大坝与安全,2009(1):74-76.

[4]何勇军,刘成栋,向衍,等.大坝安全监测与自动化 [M].北京:中国水利出版社,2008.

[5]何金平.大坝安全监测理论与应用 [M].北京:中国水利出版社,2010.