结合混凝土自身特性的某水库防渗墙应变计观测资料分析

2012-10-16戴春华王积普邓成发

浙江水利科技 2012年2期

戴春华,王积普,邓成发

(1.浙江广川工程咨询有限公司,浙江杭州 310020;2.舟山市水利水务围垦局,浙江舟山 316000)

1 工程概况

某水库位于浙江东部沿海地区,是一座以供水、防洪为主,结合灌溉、发电等综合利用的Ⅱ等水利工程。水库集水面积40.01 km2,总库容3 398×104m3,水库正常蓄水位65.30 m(1985国家高程基准,下同),设计洪水标准为100 a一遇,相应洪水位为68.04 m,校核洪水标准为2000 a一遇,相应洪水位为70.00 m。大坝坝型为混凝土面板堆石坝,坝顶高程为70.00 m,防浪墙顶高程71.20 m,最大坝高49.00 m,坝顶宽6.9 m,长420.0 m,大坝上下游坡比分别为1∶1.4,1∶1.3,在下游23.0,39.0,54.0 m高程处,设置3级3.0 m宽的马道。

工程枢纽建筑物由大坝、泄水建筑物、发电引水建筑物、发电厂及升压站组成。泄水建筑物布置在右坝段,为溢流重力坝,宽24.0 m,堰顶高程61.30 m;引水发电系统位于大坝左岸,由进水口、洞身及出水口组成;电站厂房位于大坝下游左岸,由主厂房、副厂房、升压站、尾水渠、进厂公路等组成。

2 防渗墙应变监测仪器布置

选取防渗墙0+192,0+260 m两个断面作为观测断面,在每个断面的合适位置埋设应变计及无应力计,其中0+120 m断面埋设应变计S11～S14、无应力计W6～W9,0+192 m断面埋设应变计S1～S10、无应力计W1～W5,0+260 m断面埋设应变计S15～S19、无应力计W10～W14,共埋设应变计19支,无应力计14支。0+192m断面监测仪器布置见图1。

3 应变计工作方法及计算原理

图1 0+192 m断面监测仪器布置图

防渗墙应变计为VWS—15型振弦式应变计,由前后端座、保护钢管、信号传输电缆、振弦及激振电磁线圈等组成,适用于长期埋设在水工混凝土建筑物中,测量结构物内部应变,并可同步测量埋设点温度。

其工作原理为:当被测结构物发生变化时将引起应变计的变形,变形通过前后端座传递给振弦转变成振弦应力的变化,从而改变振弦的振动频率,电磁线圈激振振弦并测量其振动频率,频率信号由电缆传输至读数装置,即可测出引起结构物变化的应变量,同时可同步测出埋设点的温度。在应变计测点附近埋设无应力计,以观测混凝土的非应力变形 (在温度、湿度及化学作用下的变形),并从混凝土的总变形中扣除非应力变形,即可求得应力应变。

一般计算公式:

式中:ε为被测结构物的应变量,10-6;K为应变计的最小读数,10-6/kHz2;Δ F为应变计实时测量的频率模数相对于基准值的变化量,kHz2;b为应变计的温度修正系数,取13.5×10-6/℃;Δ T为应变计实时测量的温度相对于基准值的变化量,℃;ε0为无应力计实时测量的频率模数相对于基准值的变化量,10-6。

当无应力计的温度和应变计的温度不同时,直接将同一测次的无应力计资料代入式(1)时,需要进行温度修正,其公式如下:

式中:αc为混凝土线膨胀系数,10-6/℃;Δ T1为应变计的温度增量;G(t)+ε为无应力计的自生体积变形和湿度变形。

4 观测资料分析

根据式(2),选取埋设高程较低的无应力计W2和较高的无应力计W5,其应变过程线见图2。从图2可以看出,埋设高程较低的无应力计温度变化较小,而高程较高的无应力计由于受外界环境的影响,温度变化与外界气温变化呈现相关性。所有混凝土防渗墙无应力计应变随温度变化而变化,并与温度呈正相关,符合混凝土无应力的一般变化规律,可认为是正常的。

利用计算公式可以从无应力计测值ε0计算混凝土的线膨胀系数αc,将无应力计应变测值和温度测值绘制成过程线,在这一曲线上取降温阶段的短时间间隔的应变变化 Δ ε0和相应的温度 Δ T0,则混凝土线膨胀系数可按式 (3)计算:

式中:Δ ε0为无应力计在降温阶段的应变变化值,10-6;T0为同一时段的温度变化值,℃;αc为混凝土线膨胀系数,10-6/℃。

图2 无应力计W2、W5应变过程线图

混凝土浇筑以后,自生体积变形G(t)及温度变化都很大,经过一定时间后,G(t)的发展趋于平缓,温度开始下降,一般认为εw变化不大,在降温阶段认为△G(t)+εw≈0,可得出式 (3)。

从降温阶段取ε0、T0绘制成相关线 ε0～T0(见图 3),用最小二乘法计算直线斜率,即为混凝土的线膨胀系数。

通过上述方法求得的混凝土温度膨胀系数αc列于表1,求出每个断面无应力计的平均温度膨胀系数,将该系数代入式 (2),再利用式 (1)计算经修正后的各应变计的应变,过程线见图4。分析表明,在2008年1月大坝未填筑前,墙体内各应变监测仪器曲线平缓,表明防渗墙受力状态稳定,在2008年1月大坝开始填筑时,数据显示防渗墙呈现受拉的趋势,在大坝填筑至2/3坝高时,拉应变至最大,之后又逐渐变小。2009年5月水库蓄水后,由于库水压力的作用,墙体呈现受压状态。