溪洛渡高拱壩運行初期應力應變監測資料分析

李 波1，3，4，周 恆2，胡 蕾1，3，4，田亞嶺1，3，4，嚴 帥1，3，4

(1.長江科學院工程安全與災害防治研究所，湖北武漢430010；2.長江空間信息技術工程有限公司(武漢)，湖北武漢430010；3.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北武漢430010；4.水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心，湖北武漢430010)

摘 要：通過分析溪洛渡高拱壩運行初期無應力計和應變計組監測基本情況，建立了壩體混凝土應力應變監測資料分析流程，構建了溪洛渡水電站高拱壩應力應變監測資料分析模塊，對壩體混凝土的自生體積變形和應力狀態進行了計算。計算結果表明，溪洛渡高拱壩大部分無應力計為收縮型，拱壩混凝土自生體積變形隨齡期變化穩定；壩體強約束區和典型壩段總體呈受壓狀態，局部存在少量拉應力，影響範圍和計算值均較小。

關鍵詞：應力；應變；監測資料分析；溪洛渡高拱壩

溪洛渡水電站位於四川省雷波縣和雲南省永善縣交界的金沙江幹流峽谷段，是一座以發電為主，兼有攔沙、防洪和改善下游航運條件等綜合效益的巨型水電站，樞紐工程由混凝土雙曲拱壩、壩身泄洪孔口、壩後水墊塘和二道壩、左右岸各兩條泄洪洞、左右岸各9×770 MW裝機的引水發電系統及送出工程組成。電站正常蓄水位600 m，總裝機容量13 860 MW，多年平均年發電量575.5億～640.6億kW·h[1]。

溪洛渡混凝土拱壩壩頂高程610.00 m，建基面開挖高程324.50 m，最大壩高285.50 m，壩身設橫縫不設縱縫，從左岸至右岸依次分為31個壩段。溪洛渡拱壩內共埋設了145組應變計組，其中三向、五向、六嚮應變計組分別為10、66、69組,同時布設了162支配套無應力計，此外，為監測大壩混凝土自生體積變形特性，還安裝埋設67支無應力計。本文結合溪洛渡高拱壩運行初期無應力計和應變計組實測資料(截至2016年12月22日)，計算分析高拱壩在運行初期的應力應變狀態。

為監測大壩混凝土自生體積變形特性，在混凝土置換區390～440 m高程，14號壩段332.5、335.7 m高程，15號壩段325.2 m高程，6號壩段328.2、345.75、348.75、351.75、411.0 m高程,17號壩段328.2 m高程、18號壩段332.5、335.7、345.75 m高程，20號壩段354.3 m高程，1、2、4、30、31號壩段603.5 m高程共安裝埋設無應力計67支。無應力計測得混凝土的自由體積變形包括溫度變形、自生體積變形和濕度變形三部分。對無應力計監測資料進行分析的主要目的是了解壩體混凝土溫度變形的實際線膨脹係數以及自生體積變化規律[4-5]。

對各測點無應力計進行統計模型回歸分析，通過回歸分析可以了解混凝土無應力應變的變化規律，即混凝土實際線膨脹係數以及自生體積變形趨勢性變化的類型。

無應力計的實測無應力應變主要受測點溫度、自生體積及濕度變化的影響，統計模型方程為

ε0=a0+a1T+a2t+a3ln(1+t)+a4(ekt-1)

(1)

式中，T為無應力計測點當前溫度與起始日溫度的差值；t為距分析起始日期的時間長度，d；a0,a1,a2,a3,a4為回歸係數；k為常數，取0.01。求解上述方程，所得的a1即為混凝土線脹係數的估計值，其餘部分為時效分量，這裡忽略濕度變化影響，時效分量即為自生體積變形。

溪洛渡拱壩應力應變監測按六拱三梁(334.00 m高程拱圈、372.00 m高程拱圈、442.20 m高程拱圈、481.20 m高程拱圈、560.00 m高程拱圈、604.00 m高程拱圈和7、16、22壩段三梁)原則布置，應變計組按照自上游向下游布置原則，用於監測上下游壩面和壩體內部的應力狀態。其中，上下遊方向測點距上下游壩面3 m，壩體區中間測點位於兩者之間的等分點處(1支在2等分點、2支在3等分點、3支在4等分點)，低高程基礎部位下游貼角區測點位置距離貼角邊界4 m，配套無應力計在應變計組2 m範圍內。依此原則共布置145組應變計組，其中，三向、五向、六嚮應變計組各10、66、69組，配套無應力計168支[1]。

根據壩體不同部位的應力狀態，應變計組按三向、五向和六向布置埋設。

3.1 三嚮應變計組

三嚮應變計組採用平面正三角形(3c型)，布置在大壩442.20 m高程以下，上下游壩面側以監測平面應力，共計10組，見圖1。

圖1 溪洛渡拱壩三嚮應變計組布置

3.2 五嚮應變計組

五嚮應變計組採用傳統三維坐標型(5a型)，主要布置在拱壩上下游壩面以監測平面應力及徑向正應力，共計66組，見圖2。

圖2 溪洛渡拱壩五嚮應變計組布置

3.3 六嚮應變計組

圖3 溪洛渡拱壩六嚮應變計組布置

六嚮應變計組採用空間正四面體形(6b型)，布置在大壩481.20 m高程以下，監測空間應力，共計69組，見圖3。

通過應變計組實測資料計算大壩實際應力，常用的方法有疊加法、有效彈模法和流動率法[2-5]，其中，疊加法又分為變形法和鬆弛係數法，本文採用常用的變形法對應變計組監測資料進行計算分析。

本文基於面向對象思想及模塊化設計理念[6-7]，抽象提取相應計算模型，統一設計並實現了應力應變監測資料的計算分析，研發了專業高效的應力應變監測資料分析模塊。溪洛渡水電站應力應變監測資料分析流程見圖4。

圖4 應力應變監測資料分析流程

4.1 無應力計統計模型回歸成果

對埋設的無應力計進行分析後，對其中的48支進行統計模型回歸分析。進行計算前先通過儀器過程線與相關圖對測值進行粗差處理。

(1)統計回歸計算。無應力計實測應變的回歸復相關係數均在0.9以上，剩餘標準差均在10 με以下。

(2)線膨脹係數估算。通過計算，混凝土的線膨脹係數在3.983～8.856 με/℃之間，48支儀器中線膨脹係數在5以下的有5支、5～6的有12支、6～7的有19支、7以上的有12支，總體平均值為6.417 με/℃，與實驗室的試驗結果6.50 με/℃基本吻合。

(3)自生體積變形。48支儀器中收縮型佔大部分，先收縮後膨脹的有5支，先膨脹後收縮的有3支，膨脹型的有2支。從量值上看，呈收縮變形的儀器中，大部分變形量值超過-30 με。

無應力計回歸典型過程線見圖5、6。從圖中可以看出，無應力計實測值擬合效果較好，自生體積變形已趨於穩定。

圖5 NCP14-1無應力計實測值與回歸值過程線

圖6 NCP14-1無應力計自生體積變形過程線

4.2 應變計組監測資料分析

4.2.1 大壩上游壩基強約束區應力

圖7 16號壩段應力等勢線(單位：MPa)

目前，大壩上游壩基強約束區垂直嚮應力在-5.363～0.499 MPa之間，總體上表現為受壓狀態，最大壓應力為-5.363 MPa(11號壩段356.50 m高程測點S611-1)。大壩上游壩基強約束區切嚮應力在-6.076～-2.613 MPa之間，均表現為受壓狀態，最大壓應力為-6.076 MPa(14號壩段334.40 m高程測點S614-1)。上游壩基強約束區徑嚮應力在-2.335～0.865 MPa之間，總體上為壓應力，最大壓應力為-2.335(21號壩段335.40 m高程測點S621-1)，最大拉應力為0.865 MPa(29號壩段562.20 m高程測點S629-1)。在設計階段，通過三維地質力學模型試驗得到正常蓄水位情況下的最大拉應力為1.57 MPa，最大壓應力為-7.85 MPa，因此，上游壩基約束區部位應力符合設計要求。

4.2.2 大壩下游壩基強約束區應力

目前，大壩下游壩基強約束區垂直嚮應力-3.161～-0.360 MPa之間，總體上表現為受壓狀態，最大壓應力為-3.161 MPa(25號壩段442.20 m高程測點S525-2)。大壩下游壩基強約束區切嚮應力在-3.869～-1.624 MPa之間，均表現為受壓狀態，最大壓應力為-3.869 MPa(29號壩段562.20 m高程S529-2)。下游壩基強約束區徑嚮應力在-3.902～1.160 MPa之間，總體上為壓應力，最大壓應力為-3.902 MPa(拱壩22號壩段下游，376.20 m高程測點S622-3)，最大拉應力為1.160 MPa(21號壩段355.40 m高程測點S621-4)。總體而言，下游壩基約束區部位應力符合設計要求。

4.2.3 16號壩段應力

拱冠16號壩段在334.40、372.00、442.20、481.20、562.20 m高程布置應變計組，16號壩段應力等勢線見圖7。目前，16號壩段垂直嚮應力在-4.999～-0.940 MPa之間，最大壓應力為-4.999(442.2 m下游測點S616-11)。拱圈切嚮應力在-8.110～-0.438 MPa之間，均表現為受壓狀態，最大壓應力為-8.110 MPa(442.2 m下游測點S516-2)。徑嚮應力在-1.422～1.296 MPa(442.2 m下游測點S516-2)之間，存在少量拉應力，但量值不大。從圖7可以看出，目前，16號壩段垂直和切嚮應力均表現為壓應力，徑向主要在442.2～481.2m高程中下游附近存在少量拉應力，影響範圍和拉應力值均較小。總體而言，16號壩段應力符合設計要求。

結合溪洛渡高拱壩運行初期無應力計和應變計組實測資料，建立了溪洛渡水電站應力應變監測資料分析模塊，計算分析了壩體混凝土的自生體積變形和應力狀態。計算結果表明，溪洛渡高拱壩大部分無應力計為收縮型，與混凝土試驗結論一致；拱壩混凝土自生體積變形隨齡期變化穩定；壩體強約束區總體呈受壓狀態，拱冠16號壩段垂直和切嚮應力均表現為壓應力，切向在442.2 m高程中下游附近存在少量拉應力，影響範圍和拉應力值均較小，滿足設計要求。該成果可為溪洛渡高拱壩運行初期安全性態評價提供重要依據。

參考文獻：

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(責任編輯 焦雪梅)

Stress-strain Monitoring Data Analysis of Xiluodu High Arch Dam in Early Operation Period

LI Bo1,3,4, ZHOU Heng2, HU Lei1,3,4, TIAN Yaling1,3,4, YAN Shuai1,3,4

(1. Engineering Safety and Disaster Prevention Institute, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010,Hubei, China; 2. Changjiang Spatial Information Technology Co., Ltd., (Wuhan), Wuhan 430010, Hubei, China;3. Research Center on Water Engineering Safety and Disaster Prevention of MWR, Wuhan 430010, Hubei, China;4. National Dam Safety Research Center, Wuhan 430010, Hubei, China)

Abstract：Based on the analyses of monitoring data of no-stress meter and strain gauge groups for Xiluodu high arch dam in early operation period, the analysis process of dam concrete stress-strain monitoring data is established and the analysis module of stress-strain monitoring data for Xiluodu high arch dam is also established. The autogenous volume deformation and stress state of dam concrete are calculated. The results show that most no-stress meters in Xiluodu arch dam are deflating and the autogenous volume deformation of arch dam concrete along with the age are stable. The dam strong constraint area and typical dam section are generally compressed with small tensile stress in local area, but the impact scope and calculated value of tensile stress are smaller．

Key Words：stress; strain; monitoring data analysis; Xiluodu high arch dam

收稿日期：2017- 01- 23

基金項目：國家自然科學基金項目(51409018)

作者簡介：李波(1980—)，男，湖北天門人，高級工程師，博士，主要從事水工結構安全監控與健康診斷研究．

中圖分類號：TV698.1(271)

文獻標識碼：A

文章編號：0559- 9342(2017)07- 0108- 04

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