二滩拱坝无应力计异常测值的修正方法研究

王志远，沈　慧，闵四海，宋明富

(1.南京南瑞集团公司 水利水电技术分公司， 南京　211106；2. 雅砻江流域水电开发有限公司 ，四川 攀枝花　617000)



二滩拱坝无应力计异常测值的修正方法研究

王志远1，沈慧1，闵四海2，宋明富2

(1.南京南瑞集团公司 水利水电技术分公司， 南京211106；2. 雅砻江流域水电开发有限公司 ，四川 攀枝花617000)

摘要：2009年，在小湾拱坝的安全监测中首次发现，部分无应力计的工作性态出现异常， 其测值反映的不全是坝体的自由变形，从而严重影响了应变观测成果的可靠性。针对无应力计的异常测值，从研究自生体积变形变化规律着手，结合统计分析方法，提出了判别异常数据的依据、标准和方法，建立了无应力计异常测值的修正方法，并对二滩拱坝部分无应力计观测成果进行了鉴别和修正处理。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滩坝体的实际应变。

关键词：无应力计；异常测值；二滩拱坝；高应力；混凝土坝

1无应力计在特高拱坝中的异常现象

众所周知，拱坝的安全度主要取决于拱座的稳定性及坝体应力值2个指标。稳定性主要通过考察点的变形来判断；而坝体应力观测则依靠应变计和无应力计，并配备一些压应力计作为补充和校核。为监测混凝土应力应变，必须同时配备无应力计，其观测成果如存在异常，将直接影响到应力成果的可靠性。

由于从应变到应力需要经过一系列换算，因此观测精度能否满足要求始终为业界所关注。国际大坝委员会在1972年发布的第60号专刊——《关于混凝土坝观测的一般意见》中建议，应变观测的允许平均误差为±10×10-6。若混凝土弹性模量为3×104MPa，则应力观测精度约±0.3MPa。笔者估计，我国实际情况与其差异不大。

评估观测精度能否满足要求，除仪器本身外，还取决于测值变幅。变幅越大，相对精度就越高，越能反映出测值变化的内在规律，一般认为变幅与精度之比宜在10倍以上。根据国内外已建的12座特高拱坝统计，在基本荷载组合条件下，设计容许最大主压应力在7.0～11.6 MPa之间，平均值为9.0 MPa，为0.3 MPa的30倍。如格鲁吉亚有应力原型观测成果报道的二座特高拱坝，即契尔盖拱坝和英古里拱坝，其中契尔盖拱坝设计的拱向应力为7.9 MPa，实测拱向最大压应力为12.3 MPa(1986年)，英古里拱坝的实测拱向最大压应力为14.3 MPa(1989年)[1]，实测值均在0.3 MPa的40倍以上。可见应变计用于观测高压应力坝，还是比较理想的。

然而我国已建的几座特高拱坝的应力观测成果却不甚理想，可能与长期以来忽视了一个问题不无关系，它就是无应力计的工作状态也可能会出现异常，其测值反映的不全是混凝土的自由变形。

2009年，南瑞集团潘琳在对小湾拱坝第二阶段蓄水期的无应力计资料进行检查时，首次发现拱冠梁坝踵的无应力计在库水位迅速上升时，无应力应变也同步迅速上升，相关性极为密切，显然这是一种异常现象。笔者同年在拉西瓦拱坝首次蓄水期资料中也发现类似现象，但程度稍轻。之后在二滩拱坝中也发现类似现象，且程度较重，详见后文。根据国外已建混凝土坝原型观测成果的有关文献调查，尚未见有类似报道。但看来不能排除此类异常在高混凝土坝中可能具有一定的普遍性，必须引起充分重视[2-4]。

特高拱坝应力较高，影响因素复杂，准确了解关键部位的应力尤为重要，应力成果即使经过有限元计算，是否符合实际仍需用原型观测成果来检验。它不仅可以掌握大坝安全信息，更重要的是当前世界上的特高拱坝并不多，掌握特高拱坝真实应力情况，对后继特高拱坝的设计，提高其设计水平无疑具有重要的指导意义。

2无应力计工作原理概述

常见的无应力计是将一支应变计放在一个截头的圆锥形筒内，筒壁中空，用于隔断外荷载如水压、坝体自重的影响，使筒内混凝土可以自由变形，通常布置见图1。

图1　无应力计示意图

2.1无应力应变的组成

无应力计测值传统上称之为无应力应变，主要包括由温度引起的热胀冷缩变形及湿度引起的湿胀干缩变形以及水泥水化作用引起的自生体积变形3部分。可用下式表示(混凝土碱骨料反应引起的变形，不在本文研究范围内)：

(1)

式中：ε0为无应力应变(10-6)；α 为温度线膨胀系数(10-6/℃)；ΔT为温度变化量(℃)；G(t)为混凝土自生体积变形(10-6)；εw(t)为湿度变化引起的变形(10-6)。

2.2无应力计应变的一般规律性

国内外对无应力应变的正常变化规律已有较充分研究，认识基本一致。

在上述3部分变形中，湿度变形可以忽略不计，因为仪器通常埋设在离坝面5 m左右，坝内湿度变化极微。温度变形也容易掌握，它和温度呈线性关系，坝内温度测点众多，差阻式应变计及无应力计本身便能直接测量温度。在大坝运行期，坝内温度变幅小呈稳定年周期性。因此只要确定温度线膨胀系数α和温度值，就可计算温度变形。

自生体积变形是混凝土中胶凝材料的水化作用引起的，由于水泥和水反应后，反应物和生成物的密度不同，当生成物密度小于反应物密度时，就表现为膨胀，反之则表现为收缩。自生体积变形主要取决于胶凝材料的性质，与水泥品种、水泥用量、混合材料的品种和掺量等因素有关[5]。

自生体积变形的影响因素复杂，至今没有理论推算值。但根据大量室内试验和原型观测成果的统计资料，其基本变化规律已经掌握。它的特性是变幅较小，宏观变化趋势不可逆，后期趋于一个定值，这点非常重要。

3异常无应力计的鉴别和修正概述

3.1鉴别无应力应变异常的原则

如上所述，在大坝运行期，无应力应变只有温度变形和自生体积变形2部分。一般自生体积变形G(t)已经稳定，所以无应力应变仅与温度呈线性相关，二者之比是一个定值，据此就可判断其是否正常。

在施工期，温度变形仍有较固定的规律性，可以从测点温度推算，但在自生体积变形未基本稳定前，作准确判断比较困难，需要综合分析，结合自生体积变形一般规律来鉴别。通常认为，自生体积变形的最大变幅在±100×10-6之内，2～3 a龄期后已趋稳定，其中最关键的是定量分析稳定趋势。但各工程的差别较大，最好根据该工程仍正常的无应力计资料来鉴别。

3.2鉴别实例

现选取小湾大坝2支典型无应力计作为实例进行分析鉴别。

3.2.1正常实例

小湾大坝诱导缝附近的一支无应力计，埋设于2006年8月，至2013年10月10日，期间共观测8 055次。得出α值为10.9×10-6/℃，自生体积变形的平均值为10.3×10-6，标准差仅为0.86×10-6，证明它非常稳定，α值选取准确，这是一支典型正常的无应力计，见图2。

图2　正常无应力计实例(A16Y2-N03)

3.2.2异常实例

小湾拱坝坝踵附近一支无应力计，埋设于2007年6月，2008年11月后温度稳定在21.5℃左右，而无应力应变却持续下降，自-5×10-6下降至-200×10-6，两者明显不呈线性关系，显然这是一支异常无应力计，见图3。

图3　异常无应力计实例(A12-N02)

3.2.3小湾正常自生体积变形统计

在小湾100多支无应力计中，筛选出38支正常或基本正常的仪器，得出小湾大坝混凝土自生体积变形值及各龄期间的增量。证明到720 d龄期后，平均年增量均小于1×10-6，绝大部分到540 d后已经稳定。因绝大部分异常均发生在蓄水后，混凝土龄期大多超过540 d，为鉴别提供了可靠依据。表1为小湾拱坝在不同龄期的自生体积变形增量统计。

表1　小湾拱坝混凝土自生体积变形增量统计Table 1　Statistics of the increment of autogenous volume deformation of Xiaowan arch dam　10-6

3.3混凝土温度膨胀系数α的推求

要鉴别和修正无应力应变必须确定混凝土温度膨胀系数α，它与确定自生体积变形稳定值同等重要，二者密切相关。确定α值可通过室内试验，也可从无应力应变中推求。实际上坝体各处的α值差别较大，如有可能，宜尽量选择后者。常规的方法主要有3种：

第1种是以无应力计温度和某种时间函数式分别作为因子，对无应力应变进行回归分解后，分别得出温度变形和自生体积变形。

第2种是选取混凝土某个迅速变温段，基于短时段内自生体积变形变化不大的假定，认为该时段增量仅为温度变形，用它除以温度增量，得到系数α。

第3种为“试算法”，根据实测温度，假定不同的α，试算出温度变形，并从无应力计测值中将其扣除，剩下的视为自生体积变形。可多次反复试算，以最大程度减小自生体积变形中的温度影响。也可通过不断地调整α值，使剥离了温度变形后的自生体积变形最稳定，这时的α值可认为最接近实际情况。

3种方法各有优缺点，宜采用多种方法综合比较并相互验证。

3.4鉴别异常值的标准

确定无应力计正常与否，首先应确定误差的允许范围。根据应变计和采集系统的观测精度，并考虑到假定α值可能引起的误差，初步以10×10-6作为界定明显异常的标准(标号为C40混凝土，10×10-6相应的应力约为0.33 MPa)。实践证明，自动化系统的综合观测精度远高于10×10-6，约在1×10-6～2×10-6之间，因此在自动化采集条件下，异常较易鉴别。

3.5异常值的修正

在混凝土自生体积变形稳定后，G(t)成为定值，温度膨涨系数α已知，如温度值正常，ΔT就正常。以开始发生异常时测值作为新基准，由此可以继续推算无应力应变。即式(1)中去除了湿度变形εw(t)一项，公式变为：

(2)

必须强调指出，本文所提无应力计异常，其温度值仍然是正常的，迄今所了解的无应力计异常的机理并未影响温度值的正确性。退一步说，即使无应力计完全损坏，只要同组应变计正常，仍可从应变计所测温度算出无应力应变值，可能还更为准确，因为应变计温度和无应力计温度仍有一定差异，正常情况下这种差异不大，故略而不计。

现在一些工程在分析应变计长期监测资料时，往往相应的无应力计一损坏，就停止计算应力应变，这种处理方式有待商榷。

当然，进行修正都会存在一定误差，特别当目前还缺乏经验时。如异常发生在施工期特别是施工初期，能否修正更需具体研究，慎重对待。

4对二滩拱坝无应力计异常的初步研究成果

4.1无应力计异常测值修正的重要性

分析发现，二滩无应力计的异常现象，分布范围相当广泛，异常程度亦不可忽视。

然而据此就断定拱坝应变资料价值不大，只能作为参考，这个结论尚需慎重考虑。二滩拱坝是我国第一座建成的240m的特高拱坝，至今已安全运行逾15 a，它所有的原型观测资料包括近200支应变计资料在内以及前人的研究成果[6]，都是反映大坝运行状况的宝贵资料。如果异常的无应力应变能够有效修正，应力成果的可靠性问题便迎刃而解。

这是一项新的尝试，缺乏经验，修正的有效程度，有待继续验证。但尽量缩小修正误差，使其基本恢复拱坝应力应变的真实面目，还是有可能的。在未就此作专项研究，努力加以解决前，实不宜轻易放弃。

4.2二滩无应力计异常测值修正的有利条件

4.2.1测次密，观测精度高

《混凝土坝安全监测技术规范》[7]规定，无应力计的观测测次在施工期为1周1次至1月1次。如按此要求执行，再加上观测质量一般，要想精确推求混凝土的α值和自生体积变形是极为困难的。研究中发现，二滩无应力计应变观测设计要求严格，测次要求远高于规范值，以拱冠梁近基面为例，混凝土龄期90 d以内1～2 d测1次；360 d以内(1～3)d测1次；720 d以内平均3 d测1次，超过规范要求2～10倍，自动化观测后至少保持1 d测1次至今。这给资料分析工作提供了极大的方便。

4.2.2观测质量控制严格

施工期，测值过程线均匀连续，粗差很少。为较准确地推求混凝土的α值和自生体积变形，以及修正应力应变创造了良好条件。

4.2.3龄期360～540 d之后自生体积变形已稳定

根据初步研究，二滩混凝土自生体积变形的急剧变化期在龄期28～180 d之内，绝大部分在360～540 d之后已经稳定，而绝大多数无应力计异常发生在上述时段之后，只有个别几支异常发生在上述时段前，所以能较准确地界定异常及其发生的时段。

4.2.4无应力计温度测值正常

无应力计传感器本身是正常的，只是在复杂的影响因素下，测值不能完全反应混凝土无应力应变。但传感器温度仍然正常，这也为测值修正创造了条件。

4.3对修正效果的初步估计

初步估计，α值的计算精度大致可在±0.5×10-6/℃之内，无应力应变修正后误差大致在±10×10-6之内，折合应力值在±0.3 MPa左右。二滩设计允许最大主压应力为9 MPa[1]，修正误差与最大变幅之比约1/30，精度能够满足要求。

经过对现有32支无应力计逐支鉴别和试验修正后，得出初步结论是，修正方法基本可行，修正效果可能超过预期。

5二滩无应力计异常应变修正实例

以二滩拱坝21#坝段坝基无应力计为例，讨论NS016,NS023,NS024,NS025这4支无应力计的观测成果及其修正。4支无应力计的埋设位置见图4。

图4　21#坝段坝基 无应力计布置图

5.1无应力计NS016

无应力计NS016处于拱冠梁坝段坝踵部位，其自生体积变形在270 d龄期时为122×10-6，已经十分稳定。1998年5月开始蓄水后，仪器对库水位变化反应十分灵敏，表明蓄水后无应力计已经失真。2000—2011年期间，无应力变形年变幅约71×10-6，并有逐年下降趋势，最大异常值约86 ×10-6，该仪器从蓄水时开始修正，前后应变及温度过程线见图5。

图5　NS016无应力计修正前后应变过程线

5.2无应力计NS023

NS023位于拱冠梁坝段近基面中上游部位，其自生体积变形在270 d时为40×10-6，此后变化在±1×10-6之内，大约在630 d后出现了2次明显的波动，此后直线下降，至1 000 d后才基本稳定。1998年5月蓄水后，出现类似NS016先升后降现象，至2010年底，最大异常值约-36×10-6，年降率-2.6×10-6/a。对这支仪器自620 d起修正，前后应变及温度过程线见图6。

图6　NS023无应力计修正前后应变过程线

5.3无应力计NS024

NS024位于拱冠梁坝段近基面中下游部位，其自生体积变形在360 d时为39×10-6，此后十分稳定。它同NS016一样，异常也出现在蓄水之后，但下降趋势轻微，最大异常值约-18×10-6，从蓄水开始加以修正，详见图7。

图7　 NS024无应力计修正前后应变过程线

5.4无应力计NS025

NS025位于拱冠梁坝段坝踵部位，在施工期就出现异常。其自生体积变形在270 d时为62×10-6，360d为63×10-6，已趋稳定。但从373 d后直线下降，1998年5月蓄水以后至1998年11月，下降趋势才基本消失。至1999年6月后迅速上升，当时库水位于6月1日首次达到1 193.39 m新高程，此后明显受库水位影响，最大异常值约-60×10-6。

初步分析认为，施工期呈现的直线下降现象，是坝体自重的影响，自生体积变形不太可能出现这样剧烈线性收缩的现象，而且还处于升温期。由于同一层浇筑的其余3支无应力计的自生体积变形在360 d后均已稳定，可以作为参照。对NS025从373 d起进行修正。见图8及图9，图中剩余变形指从无应力应变中扣除温度变形后的余量。

图8　NS025剩余变形与温度过程线

图9　NS025无应力计修正前后应变过程线

6结语

当前世界上的特高拱坝不多，原型观测成果对掌握坝体真实应力情况，提高后继特高拱坝的设计水平具有重要的指导意义。

最近研究表明，无应力计异常现象在高应力混凝土坝中可能具有一定的普遍性，它直接影响了应变观测成果的可靠性，必须引起重视。

二滩拱坝的无应力计存在异常现象，分布范围广。但据此就做出其应变资料价值不大，只能作为参考的结论，为时尚早。建议就此作专项研究，努力加以补救。

试验修正成果表明，基本恢复二滩应力应变的真实情况是有可能的。 二滩无应力计资料，施工期测次极密，观测质量控制严格，为较准确地修正创造了有利条件 。

应力修正研究尚需深入进行，对异常原因尚待具体分析，周密细致的综合考证十分必要。初期应力修正，需结合大量人工干预，定型后修改相应程序，可实现完全自动化。

参考文献：

[1]李瓒，陈飞，郑建波,等．特高拱坝枢纽分析与重点问题研究[M]．北京：中国电力出版社， 2004:449-475.

[2]王志远，潘琳，沈慧．高混凝土坝原型观测中无应力计异常现象研究[J]．水电自动化与大坝监测，2010，34(6):42-45.

[3]沈慧，王志远．高混凝土坝无应力计测值异常修正方法及其应用[C]∥大坝技术及长效性能国际研讨会.北京：中国水利水电出版社，2011.

[4]王志远，潘琳，沈慧．水工建筑物异常工作性态实例解析[M]．北京:中国水利水电出版社，2014:181-211.

[5]王同生．混凝土自生体积变形与无应力计[J]．水利规划与设计，2009,(5):38-40,62.

[6]邵乃辰．二滩拱坝应变计的组合特点及其计算方法[J]．水电站设计，2000，16(2):35-40.

[7]SL601—2013，混凝土坝安全监测技术规范[S]．北京：中国水利水电出版社，2013.

(编辑：曾小汉)

收稿日期：2015-08-20；修回日期：2015-10-22

作者简介：王志远(1934-)，男，江苏太仓人，高级工程师，研究方向为水工建筑物安全监测，(电话)13913857679(电子信箱)wangzhiyuan201@163.com。

通讯作者：沈慧(1981-)，女，江苏南京人，高级工程师，硕士，研究方向为水工建筑物安全监测，(电话)13813933819(电子信箱)shenhui@sgepri.sgcc.com.cn。

doi:10.11988/ckyyb.20150692

中图分类号：TV698.1

文献标志码：A

文章编号：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