貴州觀音巖水庫大壩施工期應力應變分析

張珍惜，陳宗壯

（1.貴州省大壩安全監測中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州金水燕禹科技有限責任公司，貴州 貴陽 550002）

1 工程概況

圖1 大壩五向應變計組及無應力計布置圖

2 混凝土應變分析方法

2.1 線膨脹系數

無應力計測值代表了測點混凝土的自由體積變形ε0，ε0包含三部分變形，即溫度變形、自生體積變形G（t）和濕度變形εw，即：

根據相關文獻及規范線膨脹系[1,2]的計算方法，是將無應力計應變測值和溫度測值繪制成過程線，在這一曲線上取降溫段短時間間隔的應變變化△ε0和相應的溫度變化△T0，假定△G（t）+εw≈0，計算得溫度膨脹系數為：α=△ε0/△T0。按照以上計算方法分別對壩體埋設的無應力計計算其線性膨脹系數并取其平均值作為壩體的線性膨脹系數，最終確定其線性膨脹系數為6.5×10-6/℃。查閱參考國內類似工程計算得出的線性膨脹系數，該工程的線性膨脹系數基本合適。

2.2 混凝土自生體積變形

結合公式（1）和差阻式應變計應力計計算公式[3]，忽略濕度變化，可得出混凝土自生體積變形為：

2.3 單軸應變計算

根據彈性變形理論，在壩體內的任意一點，五項應變計三個互相垂直方向應變ε1、ε2、ε3之和為一個常數。在理想情況下有：ε1+ε3+ε5=ε2+ε4+ε5，即 ε1+ε3=ε2+ε4。實際上總存在觀測誤差，而且應變計組的各支應變計并不是在一個幾何點上，因而上式并不相等，須進行應變平衡。拱壩應力分析中最關心的為其徑向、切向和梁向的應力狀況，根據本工程五向應變計的埋設情況，其徑向、切向和梁向分別對應編號為1、5、3的應變計，因為本文計算分別對編號為1、5、3的應變計進行應變平衡后得到大壩的徑向、切向和梁向應變。平衡后的單軸應變計算公式如下：

3 壩體應力計算及結果分析

3.1 混凝土自生體積變形計算

由公式（2）對大壩內部7個高程埋設的無應力計計算其自生體積變形值并統計其特征值，特征值計算成果見表1。

表1 大壩混凝土自生體積變形特征值成果

從統計成果看，壩體自生體積變形大多呈膨脹變形，大部分測點為單調膨脹變形，但有些測點出現了先收縮后膨脹或先膨脹后收縮的不單調發展情況，分析認為這可能與外界溫度的影響造成無應力測值包含溫度應力有關。混凝土的自生體積變形主要是水泥在水化過程中由于化學作用而產生的變形，隨著水化過程的結束而逐漸趨向結束。自生體積變形在混凝土澆筑初期變化較大，隨著混凝土齡期增加，自生體積變形趨于穩定，有利于改善混凝土內部的應力狀況。

3.2 壩體應力計算

由公式（3）～（5）計算所得的單軸應變，再結合混凝土徐變試驗資料及彈性模量試驗資料，利用變形法[3]計算混凝土應力。變形法將單軸應變過程線劃分成若干時段，根據徐變的概念，每一時段的應力增量都將引起該時段的瞬時彈性變形和徐變變形，二者之和為總變形，對以后各時段的應變都將產生影響，計算各個時段應力增量時都應加以考慮。變形法的基本計算公式如下：

由于該工程未做相應的壩體碾壓混凝土徐變試驗，且貴州省內類似工程做徐變試驗的工程又較少，故計算時參考龍灘大壩徐變試驗[4]得到的數據，混凝土的徐變度采用公式：(單位：10-6/MPa)

利用上述計算參數對應變觀測資料計算應所得大壩壩體應力計算成果，“+”表示受拉，“-”表示受壓。該分析過程只分析只反映施工期的應力變化情況。

3.3 混凝土壩體應力計算結果分析

按照以上方法分別計算大壩各個高程的徑向、切向和梁向的應力，測點應力極值見表2，部分高程的應變計反算應力變化過程線圖見圖2。

從特征值統計表中可以看出，實測壩體混凝土最大拉應力一般在1.0 MPa以下，個別測點最大拉應力超過1.0 MPa，實測最大拉應力為1.69 MPa（S24），發生在相應部位混凝土澆筑后約10個月的低溫季節，此時混凝土抗拉強度較高，該點處拉應力處于允許范圍內。從壩體各個測點整體應力變化過程看，施工壩體混凝土拉、壓應力在允許范圍內變化。

表2 大壩壩體五向應變計極值應力（最大值、最小值）特征值統計表 單位MPa

圖2 應變計實測混凝土應力過程線圖（部分測點）

此外，查閱該工程設計自檢報告中（該工程未做施工工況下的有限元應力計算分析）有限元計算結果，在推薦溫控方案下，在高程1349.00m～1361.00m之間，壩體最大溫度應力1.2MPa；在高程1349.00 m～1361.00 m之間，拱端最大溫度應力1.77 MPa；在1406.00 m高程以上至壩頂區域右拱端最大溫度應力為1.7 MPa～1.9 MPa；溢流堰常態混凝土最大溫度應力1.03 MPa。從各測點拉應力極值來看，實測值均小于各個部位仿真計算值，因此，就目前監測資料分析得出的應力結果來看，壩體不存在被拉裂的風險。

4 結論

1）大壩壩體自生體積變形大多呈膨脹變形，大部分測點為單調膨脹變形，但有些測點出現了先收縮后膨脹或先膨脹后收縮的不單調發展情況，分析認為這可能與外界溫度的影響造成無應力測值包含溫度應力有關。

2）施工期壩體混凝土拉、壓應力皆在允許范圍內，實測壩體混凝土最大拉應力為1.69 MPa（S24），發生在相應部位混凝土澆筑后約10個月的低溫季節。各測點拉應力極值均小于各個部位仿真計算值，壩體不存在被拉裂的風險。