周公宅水庫混凝土雙曲拱壩實測應(yīng)力特性分析

鄧成發(fā),吳勝利,倪凱軍,管利軍

(1.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020;2.仙居縣里林水電管理處,浙江 仙居 317300;3.寧波市周公宅水庫管理局,浙江 寧波 315161)

應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測是混凝土壩中常用的監(jiān)測方法,通過混凝土內(nèi)部埋設(shè)的應(yīng)變計組可以計算大壩的應(yīng)力狀況,為混凝土壩的運行提供安全評價的依據(jù)。在對應(yīng)變計觀測資料的分析過程中,應(yīng)變數(shù)值向應(yīng)力數(shù)值的轉(zhuǎn)換是非常有必要的[1-4].。本文利用周公宅水庫五向應(yīng)變計及無應(yīng)力計的觀測數(shù)據(jù),采用變形法,計算大壩混凝土的應(yīng)力,為同類工程提供參考。

1 計算原理

混凝土是彈塑性體,應(yīng)變計測值為總應(yīng)變,包括應(yīng)力引起的應(yīng)變及非應(yīng)力引起的應(yīng)變,可用式(1)表示:

式中:εm為總應(yīng)變 ,με;ε為應(yīng)力應(yīng)變,με;ε0為非應(yīng)力應(yīng)變(無應(yīng)力計測值),με。

根據(jù)平衡修正[3].后的應(yīng)變再計算單軸應(yīng)變。各方向的單軸應(yīng)變計算公式如下:

式中:μ為泊桑比,混凝土取 μ=1/6。

由單軸應(yīng)變計算混凝土應(yīng)力,本文采用變形法[5].。計算公式為:

其中 △σ(τi)為應(yīng)力增量:

式中:E(τi-1)為混凝土的瞬時彈性模量,P a;c(τi,τi-1)為混凝土的徐變度。

根據(jù)周公宅水庫拱壩混凝土徐變試驗數(shù)據(jù),模擬出了徐變度 C(t,τ)和瞬時彈性模量E(t)的計算公式:

式中:τ為混凝土加荷的中點齡期,d;t為加荷持續(xù)的時間,d。

根據(jù)上述計算原理,采用自編程序進(jìn)行迭代計算,得到應(yīng)變計組的實測正應(yīng)力 σx、σy和σz,即徑向、切向和豎直方向。應(yīng)力以拉為正,壓為負(fù)。

2 工程概況

周公宅水庫位于寧波市鄞州區(qū)大皎溪皎口水庫上游15 km,水庫總庫容1.11億m3。水庫為完全年調(diào)節(jié)水庫,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。

攔河壩為混凝土雙曲拱壩,按 500 a一遇洪水設(shè)計,2 000 a一遇洪水校核,設(shè)計洪水位為237.7m,校核洪水位為237.89m,正常蓄水位為231.13 m。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238.13m,拱壩建基面高程112.63m,最大壩高125.50m,拱冠梁頂寬6.72 m,拱冠梁底寬26.25 m,拱冠梁厚高比0.21。

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

圖1 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測布置圖

3 計算成果分析

3.1 應(yīng)力計算結(jié)果

由于受篇幅限制,本文僅顯示大壩中部拱冠梁壩段(12#壩段)應(yīng)力計算過程線圖見圖2。綜合計算成果可以看出:

圖2 12#壩段各測點應(yīng)力變化過程線示意圖

(1)應(yīng)變測點以壓應(yīng)力為主。徑向最大拉應(yīng)力為1.03 MPa,出現(xiàn)在7#壩段173.13m高程下游側(cè);最大壓應(yīng)力為4.22MPa,出現(xiàn)在7#壩段173.13m高程下游側(cè)。切向最大拉應(yīng)力為1.15MPa,出現(xiàn)在12#壩段128.13m高程下游側(cè);最大壓應(yīng)力為4.25MPa,出現(xiàn)在12#壩段173.13m高程下游側(cè)。豎向最大拉應(yīng)力為1.17 MPa,出現(xiàn)在12#壩段128.13m高程下游側(cè),最大壓應(yīng)力為3.63MPa,出現(xiàn)在12#壩段173.13m高程下游側(cè)。各向最大拉應(yīng)力基本出現(xiàn)在埋設(shè)初期。

(2)受庫水溫度變幅小影響,12#壩段128.13m高程上游面應(yīng)力變化平穩(wěn)。其余測點應(yīng)力明顯呈年周期性變化。測點溫度升高,壓應(yīng)力增大;溫度降低壓應(yīng)力減小,部分測點出現(xiàn)微拉狀態(tài)。表明溫度變化是影響混凝土應(yīng)力的主要因素。

(3)從趨勢上看,目前各測點各方向應(yīng)力均向受壓方向發(fā)展,測點應(yīng)力已基本穩(wěn)定,少數(shù)測點低溫季節(jié)出現(xiàn)較小拉應(yīng)力?？傮w上看,壩體處于較好的受力狀態(tài)。

3.2 應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

拱梁分載法計算的混凝土容許拉應(yīng)力,基本荷載組合及非地震特殊荷載組合,分別為1.2,1.5MPa。當(dāng)采用有限元計算時,按有限元等效應(yīng)力計算,有限元模型網(wǎng)格見圖3。容許壓應(yīng)力同拱梁分載法控制標(biāo)準(zhǔn),容許拉應(yīng)力基本荷載組合及非地震特殊荷載組合,分別為1.5,2.0MPa,壩體應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)見表1。

圖3 大壩有限元網(wǎng)格圖

通過實測應(yīng)變計算值與理論計算值的對比可以看出,實測最大主拉應(yīng)力及主壓應(yīng)力分別為1.17,4.81 MPa,均小于拱梁分載法及有限元等效應(yīng)力計算的容許拉應(yīng)力?？梢?最大拉、壓應(yīng)力在理論計算值之內(nèi),應(yīng)力變化規(guī)律正常。

表1 壩體應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn) MPa

4 結(jié) 語

(1)周公宅水庫拱壩以壓應(yīng)力為主。徑向最大拉應(yīng)力為1.03MPa,最大壓應(yīng)力為4.22MPa。 切向最大拉應(yīng)力為1.15MPa,最大壓應(yīng)力為4.25MPa。豎向最大拉應(yīng)力為1.17MPa,最大壓應(yīng)力為3.63MPa。各向最大拉應(yīng)力基本出現(xiàn)在埋設(shè)初期。實測最大拉壓主應(yīng)力基本在理論容許范圍內(nèi),變化規(guī)律正常。

(2)應(yīng)力變化曲線明顯呈年周期性變化,多數(shù)測點,3個方向均為壓應(yīng)力與溫度成正比,部分測點出現(xiàn)微拉狀態(tài)。表明溫度是影響混凝土應(yīng)力的主要因素。

(3)從趨勢上看,目前各測點各方向應(yīng)力均向受壓方向發(fā)展,應(yīng)力已基本穩(wěn)定,少數(shù)測點低溫季節(jié)出現(xiàn)較小拉應(yīng)力?？傮w上看,壩體處于較好的受力狀態(tài)。

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