結(jié)合混凝土自身特性的某水庫(kù)防滲墻應(yīng)變計(jì)觀測(cè)資料分析

戴春華,王積普,鄧成發(fā)

(1.浙江廣川工程咨詢(xún)有限公司,浙江 杭州 310020;2.舟山市水利水務(wù)圍墾局,浙江 舟山 316000)

1 工程概況

某水庫(kù)位于浙江東部沿海地區(qū),是一座以供水、防洪為主,結(jié)合灌溉、發(fā)電等綜合利用的Ⅱ等水利工程。水庫(kù)集水面積40.01 km2,總庫(kù)容3 398×104m3,水庫(kù)正常蓄水位65.30 m(1985國(guó)家高程基準(zhǔn),下同),設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇,相應(yīng)洪水位為68.04 m,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000 a一遇,相應(yīng)洪水位為70.00 m。大壩壩型為混凝土面板堆石壩,壩頂高程為70.00 m,防浪墻頂高程71.20 m,最大壩高49.00 m,壩頂寬6.9 m,長(zhǎng)420.0 m,大壩上下游坡比分別為1∶1.4,1∶1.3,在下游23.0,39.0,54.0 m高程處,設(shè)置3級(jí)3.0 m寬的馬道。

工程樞紐建筑物由大壩、泄水建筑物、發(fā)電引水建筑物、發(fā)電廠(chǎng)及升壓站組成。泄水建筑物布置在右壩段,為溢流重力壩,寬24.0 m,堰頂高程61.30 m;引水發(fā)電系統(tǒng)位于大壩左岸,由進(jìn)水口、洞身及出水口組成;電站廠(chǎng)房位于大壩下游左岸,由主廠(chǎng)房、副廠(chǎng)房、升壓站、尾水渠、進(jìn)廠(chǎng)公路等組成。

2 防滲墻應(yīng)變監(jiān)測(cè)儀器布置

選取防滲墻0+192,0+260 m兩個(gè)斷面作為觀測(cè)斷面,在每個(gè)斷面的合適位置埋設(shè)應(yīng)變計(jì)及無(wú)應(yīng)力計(jì),其中0+120 m斷面埋設(shè)應(yīng)變計(jì)S11～S14、無(wú)應(yīng)力計(jì)W6～W9,0+192 m斷面埋設(shè)應(yīng)變計(jì)S1～S10、無(wú)應(yīng)力計(jì)W1～W5,0+260 m斷面埋設(shè)應(yīng)變計(jì)S15～S19、無(wú)應(yīng)力計(jì)W10～W14,共埋設(shè)應(yīng)變計(jì)19支,無(wú)應(yīng)力計(jì)14支。0+192m斷面監(jiān)測(cè)儀器布置見(jiàn)圖1。

3 應(yīng)變計(jì)工作方法及計(jì)算原理

圖1 0+192 m斷面監(jiān)測(cè)儀器布置圖

防滲墻應(yīng)變計(jì)為VWS—15型振弦式應(yīng)變計(jì),由前后端座、保護(hù)鋼管、信號(hào)傳輸電纜、振弦及激振電磁線(xiàn)圈等組成,適用于長(zhǎng)期埋設(shè)在水工混凝土建筑物中,測(cè)量結(jié)構(gòu)物內(nèi)部應(yīng)變,并可同步測(cè)量埋設(shè)點(diǎn)溫度。

其工作原理為:當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)物發(fā)生變化時(shí)將引起應(yīng)變計(jì)的變形,變形通過(guò)前后端座傳遞給振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化,從而改變振弦的振動(dòng)頻率,電磁線(xiàn)圈激振振弦并測(cè)量其振動(dòng)頻率,頻率信號(hào)由電纜傳輸至讀數(shù)裝置,即可測(cè)出引起結(jié)構(gòu)物變化的應(yīng)變量,同時(shí)可同步測(cè)出埋設(shè)點(diǎn)的溫度。在應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)附近埋設(shè)無(wú)應(yīng)力計(jì),以觀測(cè)混凝土的非應(yīng)力變形 (在溫度、濕度及化學(xué)作用下的變形),并從混凝土的總變形中扣除非應(yīng)力變形,即可求得應(yīng)力應(yīng)變。

一般計(jì)算公式:

式中:ε為被測(cè)結(jié)構(gòu)物的應(yīng)變量,10-6;K為應(yīng)變計(jì)的最小讀數(shù),10-6/kHz2;Δ F為應(yīng)變計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量的頻率模數(shù)相對(duì)于基準(zhǔn)值的變化量,kHz2;b為應(yīng)變計(jì)的溫度修正系數(shù),取13.5×10-6/℃;Δ T為應(yīng)變計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量的溫度相對(duì)于基準(zhǔn)值的變化量,℃;ε0為無(wú)應(yīng)力計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量的頻率模數(shù)相對(duì)于基準(zhǔn)值的變化量,10-6。

當(dāng)無(wú)應(yīng)力計(jì)的溫度和應(yīng)變計(jì)的溫度不同時(shí),直接將同一測(cè)次的無(wú)應(yīng)力計(jì)資料代入式(1)時(shí),需要進(jìn)行溫度修正,其公式如下:

式中:αc為混凝土線(xiàn)膨脹系數(shù),10-6/℃;Δ T1為應(yīng)變計(jì)的溫度增量;G(t)+ε為無(wú)應(yīng)力計(jì)的自生體積變形和濕度變形。

4 觀測(cè)資料分析

根據(jù)式(2),選取埋設(shè)高程較低的無(wú)應(yīng)力計(jì)W2和較高的無(wú)應(yīng)力計(jì)W5,其應(yīng)變過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖2。從圖2可以看出,埋設(shè)高程較低的無(wú)應(yīng)力計(jì)溫度變化較小,而高程較高的無(wú)應(yīng)力計(jì)由于受外界環(huán)境的影響,溫度變化與外界氣溫變化呈現(xiàn)相關(guān)性。所有混凝土防滲墻無(wú)應(yīng)力計(jì)應(yīng)變隨溫度變化而變化,并與溫度呈正相關(guān),符合混凝土無(wú)應(yīng)力的一般變化規(guī)律,可認(rèn)為是正常的。

利用計(jì)算公式可以從無(wú)應(yīng)力計(jì)測(cè)值ε0計(jì)算混凝土的線(xiàn)膨脹系數(shù)αc,將無(wú)應(yīng)力計(jì)應(yīng)變測(cè)值和溫度測(cè)值繪制成過(guò)程線(xiàn),在這一曲線(xiàn)上取降溫階段的短時(shí)間間隔的應(yīng)變變化 Δ ε0和相應(yīng)的溫度 Δ T0,則混凝土線(xiàn)膨脹系數(shù)可按式 (3)計(jì)算:

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;T0為同一時(shí)段的溫度變化值,℃;αc為混凝土線(xiàn)膨脹系數(shù),10-6/℃。

圖2 無(wú)應(yīng)力計(jì)W2、W5應(yīng)變過(guò)程線(xiàn)圖

混凝土澆筑以后,自生體積變形G(t)及溫度變化都很大,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后,G(t)的發(fā)展趨于平緩,溫度開(kāi)始下降,一般認(rèn)為εw變化不大,在降溫階段認(rèn)為△G(t)+εw≈0,可得出式 (3)。

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

通過(guò)上述方法求得的混凝土溫度膨脹系數(shù)αc列于表1,求出每個(gè)斷面無(wú)應(yīng)力計(jì)的平均溫度膨脹系數(shù),將該系數(shù)代入式 (2),再利用式 (1)計(jì)算經(jīng)修正后的各應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變,過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖4。分析表明,在2008年1月大壩未填筑前,墻體內(nèi)各應(yīng)變監(jiān)測(cè)儀器曲線(xiàn)平緩,表明防滲墻受力狀態(tài)穩(wěn)定,在2008年1月大壩開(kāi)始填筑時(shí),數(shù)據(jù)顯示防滲墻呈現(xiàn)受拉的趨勢(shì),在大壩填筑至2/3壩高時(shí),拉應(yīng)變至最大,之后又逐漸變小。2009年5月水庫(kù)蓄水后,由于庫(kù)水壓力的作用,墻體呈現(xiàn)受壓狀態(tài)。

表1 混凝土溫度膨脹系數(shù) αc表 10-6/℃

圖4 經(jīng)修正后的應(yīng)變計(jì)變化過(guò)程線(xiàn)圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)各無(wú)應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,計(jì)算出各無(wú)應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的溫度膨脹系數(shù),利用該系數(shù)對(duì)防滲墻應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的修正。結(jié)果表明,應(yīng)變計(jì)能更有效地反應(yīng)墻體的工作狀態(tài),并能與外界環(huán)境變化相呼應(yīng),驗(yàn)證了該方法的可行性,可以為今后其它類(lèi)似工程應(yīng)變計(jì)的資料分析提供參考。