周公宅水庫(kù)大壩無(wú)應(yīng)力計(jì)觀測(cè)資料分析

陳柏軍,鄧成發(fā)

(1.寧波市周公宅水庫(kù)管理局,浙江 寧波 315161;2.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020)

在混凝土壩安全監(jiān)測(cè)中,應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)是主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之一,通過(guò)在大壩混凝土中埋設(shè)應(yīng)變計(jì)及無(wú)應(yīng)力計(jì)觀測(cè)大壩的應(yīng)變及應(yīng)力,為混凝土壩的運(yùn)行提供安全評(píng)價(jià)的依據(jù)。在對(duì)應(yīng)變計(jì)觀測(cè)資料的分析過(guò)程中,無(wú)應(yīng)力觀測(cè)成果通常用于輔助計(jì)算混凝土的有效應(yīng)變或應(yīng)力[1-4],其自身的觀測(cè)成果往往不作深入的分析,無(wú)應(yīng)力計(jì)的自身價(jià)值未完全發(fā)揮,本文針對(duì)周公宅水庫(kù)大壩無(wú)應(yīng)力計(jì)觀測(cè)資料進(jìn)行分析,計(jì)算大壩的溫度膨脹系數(shù)及自身體積變形,為同類工程提供參考。

1 工程概況

周公宅水庫(kù)位于寧波市鄞州區(qū)大皎溪皎口水庫(kù)上游15 km,水庫(kù)總庫(kù)容1.11億m3。水庫(kù)為完全年調(diào)節(jié)水庫(kù),是一座供水、防洪結(jié)合發(fā)電等綜合利用效益的II等大(2)型水利工程。

攔河壩為混凝土拱壩,按500 a一遇洪水設(shè)計(jì),2 000 a一遇洪水校核,設(shè)計(jì)洪水位為237.7 m,校核洪水位為237.89 m,正常蓄水位為231.13m。壩型為拋物線變厚雙曲拱壩,壩體材料采用 C25和 C20混凝土,壩頂高程238.13 m,拱壩建基面高程112.63 m,最大壩高125.50 m,壩頂寬7.10 m,拱冠梁頂寬6.72 m,拱冠梁底寬26.25 m,拱冠梁厚高比0.21。

2 測(cè)點(diǎn)布置

為了解壩體混凝土受力情況,根據(jù)設(shè)計(jì)應(yīng)力計(jì)算成果,在7,12,16號(hào)壩段拉應(yīng)力較大部位埋設(shè)應(yīng)變計(jì)組,在每組應(yīng)變計(jì)組旁設(shè)置1支無(wú)應(yīng)力計(jì),共布置五向應(yīng)變計(jì)組8組,無(wú)應(yīng)力計(jì)8支(見(jiàn)圖1)。儀器均采用美國(guó)基康公司生產(chǎn)的GK4210型振弦式應(yīng)變計(jì)。

圖1 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)布置圖

3 無(wú)應(yīng)力計(jì)觀測(cè)資料分析

3.1 實(shí)測(cè)過(guò)程線分析

無(wú)應(yīng)力計(jì)埋設(shè)在應(yīng)變計(jì)組的附近,用以測(cè)量混凝土由溫度和濕度變化引起的應(yīng)變,故無(wú)應(yīng)力需考慮溫度的影響,需對(duì)測(cè)值進(jìn)行補(bǔ)償修正,針對(duì)未進(jìn)行溫度觀測(cè)的無(wú)應(yīng)力,采用附件的溫度計(jì)觀測(cè)資料進(jìn)行修正,修正后無(wú)應(yīng)力計(jì)觀測(cè)資料見(jiàn)圖2。由于篇幅限制,故只顯示拱冠梁壩段 (12號(hào)壩段)的4組無(wú)應(yīng)力計(jì)觀測(cè)過(guò)程線圖。

從圖2可以看出無(wú)應(yīng)力計(jì)測(cè)值變化具有如下的特點(diǎn):①無(wú)應(yīng)力計(jì)測(cè)值隨溫度變化而變化,與溫度呈正相關(guān),符合大壩混凝土無(wú)應(yīng)力的一般變化規(guī)律;②無(wú)應(yīng)力計(jì)測(cè)值變化具有明顯的年周期性,越靠近下游側(cè)的無(wú)應(yīng)力計(jì)隨氣溫變化越明顯,上游側(cè)應(yīng)變計(jì)隨溫度變化具有一定的滯后性。

圖2 無(wú)應(yīng)力實(shí)測(cè)過(guò)程線圖

3.2 混凝土溫度膨脹系數(shù)

無(wú)應(yīng)力計(jì)埋設(shè)在應(yīng)變計(jì)組的附近,用以測(cè)量混凝土的自由體積變形或自由應(yīng)變,是實(shí)測(cè)應(yīng)變計(jì)算混凝土應(yīng)力時(shí)必需的觀測(cè)資料。無(wú)應(yīng)力計(jì)測(cè)值包括:溫度變形、自身體積變形和濕度變形3部分,可由公式 (1)表示:

式中:G(t)為自生體積變形;εω為濕度變形;α為溫度膨脹系數(shù)。

利用計(jì)算公式可以從無(wú)應(yīng)力計(jì)測(cè)值ε0計(jì)算出混凝土的溫度膨脹系數(shù)α?；炷翝仓院?自生體積變形G(t)及溫度變化都很大,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后,G(t)的發(fā)展趨于平緩,溫度開(kāi)始下降,一般認(rèn)為εω變化不大,在降溫時(shí)段可以認(rèn)為G(t)+εω=0[5],因此推得:

式中:Δ ε0為無(wú)應(yīng)力計(jì)在降溫階段的應(yīng)變變化值,10-6;Δ T0為同一時(shí)段的溫度變化值,℃;α為混凝土線膨脹系數(shù),10-6/℃。

從降溫階段取ε0,T0繪制成相關(guān)線ε0～ T0(見(jiàn)圖3),用最小二乘法計(jì)算直線斜率,即為混凝土的線膨脹系數(shù)。

通過(guò)上述方法求得混凝土溫度膨脹系數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 混凝土線膨脹系數(shù)曲線圖

表1 混凝土溫度膨脹系數(shù) α表

由表1可知,大壩混凝土的溫度膨脹系數(shù)最大值為10.4×10-6/℃,最小值為 9.1×10-6/℃,平均值為 9.69×10-6/℃,與設(shè)計(jì)采用值9.75×10-6/℃相當(dāng)。

3.3 混凝土自身體積變形

混凝土的自身體積變形是由水泥水化熱作用和其他一些未知的物理化學(xué)變化引起的。混凝土的自身體積變形規(guī)律較為復(fù)雜,變形量的大小與水泥品種、用料及摻和料種類有關(guān)外,與無(wú)應(yīng)力計(jì)的埋設(shè)位置和方向都有一定的關(guān)系。忽略濕度變形的影響,混凝土的自身體積變形G(t)=ε0-α Δ T0,代入求得的線膨脹系數(shù),便可求得混凝土的自身體積變形。圖4為拱冠梁壩段測(cè)點(diǎn)混凝土自身體積變形過(guò)程線圖。由圖4可知,該壩段測(cè)點(diǎn)混凝土自身體積變形略呈收縮型變化,對(duì)施工期混凝土抗裂有不利影響,但體積變形量整體較小,混凝土自身體積變形量在-73.77×10-6～53.22×10-6,2007年后基本趨于穩(wěn)定。

圖4 混凝土自身體積變形過(guò)程線圖

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)寧波市周公宅水庫(kù)無(wú)應(yīng)力觀測(cè)資料的分析可以得出以下結(jié)論:

(1)無(wú)應(yīng)力計(jì)主要觀測(cè)混凝土中的溫度和濕度變形,測(cè)值需考慮溫度的影響,所以在日常人工以及自動(dòng)化觀測(cè)過(guò)程中,需同時(shí)觀測(cè)測(cè)點(diǎn)溫度變化,特別是振弦式的應(yīng)變計(jì),需引起注意。

(2)采用無(wú)應(yīng)力計(jì)算混凝土的溫度膨脹系數(shù)可以克服室內(nèi)試驗(yàn)的試樣尺寸效應(yīng),更加符合工程實(shí)際。

(3)混凝土的自身體積變形規(guī)律較為復(fù)雜,受多種因素的影響,通過(guò)大壩內(nèi)部埋設(shè)的無(wú)應(yīng)力計(jì)算混凝土的自身體積變形具有一定的局限性,其變化趨勢(shì)與混凝土配合比的關(guān)系需進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

[1]馮波,張志誠(chéng),董霞.混凝土應(yīng)力計(jì)算的變形法誤差分析及方法改進(jìn)[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,35(2):217-219.

[2]劉志敏,趙堅(jiān),周澄.關(guān)于應(yīng)變計(jì)的應(yīng)力數(shù)值轉(zhuǎn)換 [J].大壩與安全,2005(1):52-54.

[3]陳科文,李小余,何偉,等.某防滲墻變形應(yīng)變監(jiān)測(cè)成果分析[J].大壩與安全,2009(1):74-76.

[4]何勇軍,劉成棟,向衍,等.大壩安全監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化 [M].北京:中國(guó)水利出版社,2008.

[5]何金平.大壩安全監(jiān)測(cè)理論與應(yīng)用 [M].北京:中國(guó)水利出版社,2010.