江垭碾压混凝土坝无应力变形规律分析

第９卷第３期　２　０　１　１年６月　水利与建筑工程学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．９　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．，２０　１　１　江垭碾压混凝土坝无应力变形规律分析　薛桂玉　，乔国龙　，杨定华２　（１．武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉４３００７２；　２．长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉４３００７２）　摘要：无应力计是应力应变监测的重要配套仪器，它的监测数据不仅在应变计算时要用到，而且在进　行温度应力计算和混凝土抗裂研究时需要加以考虑以及对施工期混凝土温度控制和裂缝防治也是非常　重要的。通过对坝体无应力计监测资料的分析，评价了碾压混凝土坝的无应力变形和自生体积变形的　变化规律，为大坝的温度应力计算和混凝土抗裂研究提供了参考。　关键词：碾压；大坝；无应力；自生体积；变形　中图分类号：ＴＶ６４２．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—１１４４（２０１１）Ｏ３—００５４一ｏ４　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｎｏｎ－ｓｔｒｅｓｓ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｊｉａｎｇｙａ　ＲＣＣ　Ｄａｍ　ＸＵＥ　Ｇｕｉ—ｙｕ　．ＱｔＡＯ　Ｇｕｏ．１ｏｎｇ　，ＹＡＮＧ　Ｄｉｎｇ．ｈｌＪａ２　（１．ＳｔａｔｅＫｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ　４３００７２，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　Ｓｕｒｖｅｙ－ｐｌａｎｎｉｇ　ｎａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｃ１．，Ｗｕｂａｎ，Ｈｕｂｅｉ　４３００７２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｏｎ—ｓｔｒｅｓｓ　ｍｅｔｅｒ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｓｔｒａｉｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｉｔ　ｗｉｌｌ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｏｆ　ｓｔｒａｉｎ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ａｎｔｉ－ｃｒａｃｋｉｎｇ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｉｔ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｏ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｃｒａｃｋ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｎｏｎ－ｓｔｒｅｓｓ　ｍｅｔｅｒ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｄａｔａ　ｏｆ　Ｊｉａｎｇｙａ　ＲＣＣ　Ｄａｍ，ｔｈｅ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｎｏｎ—ｓｔｒｅｓｓ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｕｔｏ－　ｇｅｎｏｕｓ　ｖｏｌｕｍｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＲＣＣ　ｄａｍ　ａｒｅ　ｅｖａｌｕａｔｅｄ　ｈｅｒｅ，ｗｈｉｃｈ　ｗｏｕｌｄ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｆｏｒ　ｈｅ　ｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄａｍ　ａｎｄ　ａｎｔｉ－ｃｒａｃｋｉｎｇ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｌｌｅｒ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ；ｄａｎｌ；ｎｏｎ－ｓｔｒｅｓｓ；ａｕｔｏｇｅｎｏｕｓ　ｖｏｌｕｍｅ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　１工程概括　江垭水利枢纽位于澧水支流娄水中游，地处湖　南省慈利县江垭镇５　ｋｍ。坝址集雨面积３　７１１　ｋｍ２，　年来水量４１．６×１０８　ｋ１１１３。江垭工程主要由大坝及　ｍ，上游面为直立，下游坡１：０．８。坝顶长度３６８　ｍ，　分成１３个坝段。河床５　～７　坝段为溢流坝段，溢　流前沿长度８８　ｍ。０　～４　坝段为右岸挡水坝段，　８　～１２　坝段为左岸挡水坝段。挡水坝段最大横缝　间距３５　ｍ，坝段问用切缝机造缝并设有止水。　溢洪道、地下厂房、斜面升船机及灌溉取水系统四大　根据坝体运用要求，大坝除在基础齿槽、垫层、　中孔及廊道周边，下游溢流面及闸墩、导墙和坝顶细　部结构等采用常态混凝土或变态混凝土，其它部位　部分组成，为一等工程。大坝及临库挡水建筑物为　一级建筑物，发电厂房为二级建筑物，其它为三级建　筑物。　均采用碾压混凝土。坝体上游防渗采用二级配富胶　凝碾压混凝土，强度指标９０ｄ、Ｃ２０、Ｗ１２，坝体上游大　体积混凝土在高程１９０　ｍ以下为三级配９０ｄ、Ｃ１５；基　础垫层为常态混凝土。高程１９０　ｍ以上为三级配　９０ｄ、Ｃ１０，二级配骨料最大粒径４０　ｎｌｌｎ，三级配骨料　最大粒径８０　ＩＴｌｌｎ。　主体工程于１９９５—０７—０２开工，１９９８—１０—１８　下闸蓄水，１９９９—０４—２５大坝浇筑至坝顶，８月底３　台机组全部投产发电。　大坝坝高１３１　ｍ，为全断面碾压混凝土重力坝。　坝顶高程为２４５　ｍ，建基面高程为１１４　ｍ，坝顶宽１２　收稿日期：２０１０．０２．２４　修稿日期：２０１１—０３．２８　作者简介：薛桂玉（１９５２一），女（汉族），湖北襄樊人，教授，主要从事大坝安全监测工作。　第３期　薛桂玉，等：江垭碾压混凝土坝无应力变形规律分析　２无应力计布置及施测情况　无应力计是应力应变监测的重要配套仪器，通　过合格的无应力计可以测到混凝土的“自由应变”，　即不承受应力和约束的应变，它包含混凝土的温度　变形、湿度变形及自生体积变形＿１ｊ。这些数据不仅　在应变计算时要用到，而且在进行温度应力计算和　混凝土抗裂研究时需要加以考虑。利用无应力计实　３．２　混凝土无应力变形分析　无应力计主要是用来测量除外力作用以外的由　于混凝土物理、化学因素即温度、湿度变化引起的变　形，即自由体积变形ｅ０＝　＋Ｇ（ｔ）＋￡　在碾压　混凝土坝内，为了获得由外力产生的变形，必需扣除　应变计实测变形中的非应力变形部分，而非应力变　形即可由埋设在应变计组附近的无应力计测值中获　得［　。　测资料可以计算出混凝土的温度线膨胀系数及混凝　土自生体积变形，对施工期混凝土温度控制和裂缝　防治是非常重要的。为了解大坝自由应变的变化及　分布情况，在５　、７　溢流坝段和８　挡水坝段分别选　择了一个应力应变监测断面进行监测。应力应变监　测以五向应变计为主，并在每一组应变计　旁布设一　支无应力计监测混凝土的非应力应变变化情况。具　体布置见表１。　表１无应力计布置统计表　高程／ｍ　１１５　１２０　１４０　１４９　１７６　１８２　合计　５　１　８　５　３　１７　７　１　８　３　１２　８　６　３　９　其中，５　坝段位于高程１４９　ｍ的Ｎ５—１１和位于　高程１８２　ｍ的Ｎ５一ｌ６无应力计已损坏；７　坝段位于　高程１１５　ｍ的Ｎ７—１、高程１２０　ｍ的Ｎ７—２、Ｎ７—３和　高程１７６　ｍ的Ｎ７—１１无应力计已损坏；其它无应力　计都处于正常状态。　３无应力变形分析　３．１　混凝土线膨胀系数的计算　混凝土浇筑后，自生体积变形Ｇ（ｔ）和温度变形　都较大，当水泥水化热逐渐散发，经过一段时间以　后，Ｇ（ｔ）的发展趋于平缓，温度开始下降。通常认为　混凝土湿度变形很小，基本上可以忽略不计，因此在　降温时段认为ＡＧ（ｔ）＋ｅ　０，由此得到△￡０＝　ｄ　，即有　＝△￡０／ＡＴ。　按上述原理用无应力计计算的无应力变形求解　混凝土线膨胀系数，将自由体积变形后期降温段的　△Ｅ　ＡＴ用最小二乘法进行线性拟合。５　坝段混凝　土线膨胀系数平均为７．３５×１０Ｉ６／℃，７　坝段混凝　土线膨胀系数平均为７．２２　Ｘ　１０－６／℃，８　坝段混凝　土线膨胀系数平均为７．９６×１０－６／ｃＣ，与室内试验的　线膨胀系数比较接近。　三个应力应变监测断面的无应力变形规律如　下：　（１）在５　坝段的１４支无应力计中，６支呈膨胀　变形，５支呈收缩变形，２支先缩后胀，１支先胀后缩；　最大的收缩变形为一１６９　￡，最大的膨胀变形为３０６　￡。在７　坝段的８支无应力计中，６支呈膨胀变形，２　支呈收缩变形；最大的收缩变形为一１８９　ｅ，最大的　膨胀变形为２２７　￡。在８　坝段的９支无应力计中，７　支呈收缩变形，２支先胀后缩；最大的收缩变形为　一１５０　，最大的膨胀变形为１６９　￡。　（２）从２００８年的观测成果看，５　坝段混凝土无　应力变形一般在１２　ｅ～３００　之间，４支无应力计　所测部位的无应力变形在５０　ｓ以下；７　坝段混凝　土无应力变形一般在ｌ０　ｅ～２２３　￡之间，２支无应　力计所测部位的无应力变形在５０　￡以下；８　坝段　混凝土无应力变形一般在４０　ｅ～１３５　￡之间。　（３）混凝土无应力变形部分测点已基本稳定，　部分测点仍存在趋势性变化。大坝最大膨胀变形为　３０６　ｅ，发生在５　坝段１２０　１１３高程，最大收缩变形为　一１８９　，发生在７　坝段１２０　ｍ高程。　图１为部分测点膨胀型混凝土无应力变形过程　线，由图１可以看出，而Ｎ５—６和Ｎ７—８随着时间的　增长，混凝土的膨胀变形在继续增大，并且和温度呈　反向变化。膨胀变形增大对改善混凝土的受拉是有　利的。　Ｎ５—１和Ｎ８—１测得的混凝土无应力变形为收　缩型，其变化过程见图２。从图可以看出Ｎ５—１和Ｎ８　—１部位的混凝土无应力变形属于收缩型。Ｎ５—１布　置于常态混凝土中，其浇筑初期产生的水化热较小，　故其膨胀变形较小，从最大的膨胀变形１４．７　ｅ变　至收缩变形一１４３．１衅，且趋向稳定；Ｎ８—１变形量　从最大的膨胀变形１６９．４　变至收缩变形一１４９．９　ｅ，且变形量有继续增大趋势。　５６　水利与建筑工程学报　第９卷　【＝＝ｌ期ｆ年－月）　图１膨胀型混凝土无应力变形过程线　３７　３１　ｐ　２５童　１９赠　挺．　１　３　７　越　图２收缩型混凝土无应力变形变化过程线　据统计，目前５　、７　、８　三个坝段所测得的无　应力变形当中，１７支无应力计测得的变形已基本稳　定，９支无应力计测得的变形仍在继续膨胀，５支无　应力计测得的变形有收缩的趋势。　３．３混凝土自生体积变形　无应力计观测的变形包括混凝土的自生体积变　形、湿度变形、温度变形。对于大体积混凝土来讲，　只在混凝土表面受湿度影响，内部的湿度变化很小，　一般忽略不计。因此，从测得的无应力计的变形值　中扣除温度变形，可得到混凝土的自生体积变形，即　Ｇ（ｔ）一。０一。　。　自生体积变形的大小和变化规律在混凝土抗裂　方面有举足轻重的作用。如自生体积变形较大且为　“收缩型”，其影响相当于混凝土温度下降若干度，这　就使降温下的混凝土浇筑块更易于发生裂缝＿３ｊ。对　高混凝土坝来说，希望混凝土自生体积变形是微膨　胀型，这样有助于降低混凝土降温时的温度应力，减　小混凝土发生裂缝的风险。　混凝土自生体积变形的变化规律主要取决于水　泥品种和水分补给条件。一般硅酸盐水泥制备的混　凝土的自生体积变形大都是收缩型，按大坝施工要　求研制的大坝水泥可以获得微膨胀混凝土自生体积　变形或先收缩后膨胀的混凝土自生体积变形＿４　Ｊ。　各坝段混凝土自生体积变化过程线见图３～图　５　一０－９０－＿【０－１００　＿【。　。。　一。＿９。　【＿＿【。＿￡。。　图３　５　典型测点自生体积变化过程线　【＿图４　７　典型测点自生体积变化过程线　日期（年一月－Ｅｔ）　图５　８　典型测点自生体积变化过程线　０＿９０Ｉ￡０＿９０　第３期　薛桂玉，等：江垭碾压混凝土坝无应力变形规律分析　５７　从图３　图５中看出，自生体积变形有以下规　区，但测得的混凝土无应力变形却相差较大，主要是　律：　由于混凝土无应力变形受浇筑季节、混凝土人仓温　（１）大部分混凝土自生体积变形为趋势性递增　度以及仪器埋设部位的影响较大。一般无应力计在　膨胀，仅有Ｎ７—５和Ｎ８—１少数测点混凝土自生体　秋冬季节埋设，混凝土入仓温度较低，混凝土无应力　积呈收缩变形。在５　坝段中，混凝土自生体积最大　变形呈膨胀变形；无应力计在春夏季节埋设，混凝土　的膨胀变形为３１２腰，发生在Ｎ５—４测点，混凝土自　人仓温度较高，混凝土无应力变形呈收缩变形　５。　生体积最大的收缩变形为７７胆，发生在Ｎ５—１０测　（２）坝体大部分测点混凝土自生体积呈膨胀变　点；在７　坝段中，混凝土自生体积最大的膨胀变形　形，少数测点混凝土自生体积呈收缩变形。　为２４２雎，发生在Ｎ７—８测点，混凝土自生体积最大　（３）无应力计实测的混凝土自生体积变形比试　的收缩变形为２１６　，发生在Ｎ７—５测点；在８　坝　验值要大，产生差别的主要原因是现场的实际环境　段中，混凝土自生体积最大的膨胀变形为ｌＯ４　，发　变化比试验室模拟的情况更加复杂，影响因素更多，　生在Ｎ８—８测点，混凝土自生体积最大的收缩变形　混凝土自生体积变形的室内试验是在绝湿条件下做　为１１９肚，发生在Ｎ８—１测点。　的，如果施工现场埋设的无应力计的水分补给条件　（２）坝踵部位无应力计测得的自生体积变形一　有所不同，则实测结果和试验结果就会有所不同。　般要小于其他部位的自生体积变形，同时，埋设部位　高程低的无应力计所测得的自生体积变形较小；　参考文献：　［１］李珍照．大坝安全监测［Ｍ］．北京：中国电力出版社，　（３）对于趋势性递增膨胀的白生体积变形，其　１９９７：３０—３５．　平均发展速度第一个月约占当前总变形的２０％，其　［２］储海宁．混凝土坝内部观测技术［Ｍ］．北京：水利电力　后速度逐渐变慢，前６　ａ变形占当前总变形的８０％，　出版社，１９８９：７９．８１．　６　ａ后仍在发展，但变形较小。目前，自生体积变形　［３］刘光廷，张富德，张国新，等．江垭碾压混凝土重力坝右　仍未达到稳定。　边坝段温度场和应力场分析［Ｒ］．北京：清华大学水电　系，１９９４．　４结语　［４］刘光廷，张富德，张国新，等．江垭碾压混凝土坝下部整　通过对坝体的无应力变形和自生体积变形的分　体式新型结构温度场、应力场分析［ｔ１］．北京：清华大学　析，可得出以下结论：　水电系，１９９３．　［５］ＤＬ／Ｔ５１７８—２００３．混凝土坝安全监测技术规范［Ｓ］．北　（１）无应力计大部分埋设在　Ｃ１５碾压混凝土　京：中国电力出版社，２００３．　钸　　．不　尔　禾　坏　尔　乔　（上接第２７页）　报，２００２，２５（３）：４３—４７．　［２］王瑞芬．棉花优化灌溉制度基本参数的确定［Ｊ］．科技　３结论　情报开发与经济，２００７，１７（３ｏ）：１７２—１７３．　本文对智能化滴灌示范区的技术资料进行分　［３］刘雁翼，杨贵森，张寄阳，等．利用气象资料指导膜下滴　析，得出了可以在条件类似的地区推广运用的智能　灌棉花灌溉的试验研究［Ｊ］．灌溉排水学报，２００８，２７　化／自动化滴灌的优化灌溉制度，见表５。这是根据　（３）：３７—４０．　［４］张玉平，王俊，孟杰．棉花地面灌溉制度研究［Ｊ］．　棉花不同生育期需水量不同的实际情况制定的一种　水资源与水工程学报，２００９，２０（４）：１２９—１３１．　按需配水的优化灌溉制度。并且经过２　ａ的试验验　［５］何雨江，汪丙国，王在敏，等．棉花微咸水膜下滴灌灌溉　证，取得了明显的节水增产的效果。　制度的研究［Ｊ］．农业工程学报，２０１０，２６（７）：１４—２（】．　目前仍处于经济落后地区，全面推行智能　［６］高龙，田富强，倪广恒，等．膜下滴灌棉田土壤水盐分　化滴灌的条件还不够成熟，但是在已经建设的示范　布特征及灌溉制度试验研究［Ｊ］．水利学报，２０１０，４１　区内获取的宝贵资料是有意义的，可供未来进行该　（１２）：１４８３—１４９０．　方面的研究、技术推广参考。　［７］王则玉，冯耀祖，陈署晃，等．彭曼一蒙太斯法制定阿克　苏红枣根渗灌灌溉制度［Ｊ］．农业科学，２０１０，４７　参考文献：　（１１）：２１８９－２１９４．　［１］李富先，杨举芳，张玲，等．棉花膜下滴灌需水规律和　［８］李明思，郑旭荣，贾宏伟，等．棉花膜下滴灌灌溉制度试　最大耗水时段及耗水量的研究［Ｊ］．农业大学学　验研究［Ｊ］．中国农村水利水电，２００１，（１１）：１３—１５．