公伯峡温度监测资料分析

吕蓓蓓 徐 磊 程 琳

（河海大学 水利水电学院，南京 210098）

黄河公伯峡水电站位于青海省循化县与化隆县交界处的黄河干流上，水库正常蓄水2 005.00m，设计及校核洪水位分别为2 005.00m及2 008.28m.水库总库容6.2亿m3，调节库容0.75亿m3，为日调节水库.电站大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝高132.20m，坝顶宽10m，坝顶长429.0m.坝体填筑分垫层、过渡料、主堆石（块石及砂砾石）、次堆石等区，并在国内首次采用挤压式边墙施工技术［1］.

2006年在混凝土面板检查中发现部分面板的水面以上部分出现不同程度的裂缝，面板裂缝主要为纵向缝，个别面板有横向裂缝，主要分布在水位变动区，且堆石坝左右两岸面板分布相对较多.面板产生的裂缝具有一定的规律性：①面板裂缝在库水位以上的部分较多，延伸入水面以下较少；②面板裂缝左右岸部位较多，且左岸部位比右岸部位偏多，河床中间部位较少；③从几次检查结果看，面板裂缝逐年有所增加，且冬季产生的裂缝较多，夏季较少；④面板产生裂缝的部位沿坝轴线方向对称分布或位于坝轴线方向面板的中间部位［2］.

在施工期，较大的水化热会导致裂缝的产生且主要是横向裂缝，而运行期不容易产生裂缝.现在公伯峡的裂缝主要是纵向裂缝，有逐年增加的趋势，说明面板有受到持续的、有利于裂缝产生的影响，如沉降、渗流、水位大幅度升降和温度等.目前，研究面板的方法集中在有限元仿真分析［3－4］，将原型观测成果分析与之结合也能得到很好的效果［4］.

1 仪器布置

坝体内主要布置了温度计，钢筋计，无应力计，应变计和土压力计5种仪器.应变计为三向应变计组，按竖直、45°和水平3个方向布置（如图1所示），无压力计为竖直埋设（如图2所示）.

温度计监测设备共7个测点，布置在11号面板上.应变计监测设备布置在面板里，共26个测点，设在5号、10号、14号、20号、26号这5块面板上，下面列出温度计的布置表（见表1）和10号面板上7支温度计的布置表（见表2）.

图1 应变计组埋设示意图

图2 无应力计埋设示意图

表1 温度计监测测点布置表

表2 10号面板应变计监测测点布置表

坝体内部3个监测断面（桩号为0＋075.000m，0＋130.000m和0＋230.000m）的不同高程共布置了64支土压力计.130断面的土压力布置图见图3.

图3 面板130断面土压力计布置图

2 气温资料分析

公伯峡水电站坝区日均气温监测资料系列为2004年12月2日～2011年5月17日，气温测值变化过程线如图4所示.

图4 气温实测过程线

由图4和表3可以看出：①坝体所在地日气温呈明显的年周期变化，每年12～1月出现0℃以下低温群；②气温年变幅大，2005年～2010年历年的气温年变幅在30℃以上；③年均值变化小；④每年都会出现日均气温下降2.5℃以上且连续4d以上的降温过程，即寒潮过程.

表3 2005～2010年气温特征值统计表

3 监测资料分析

3.1 变化规律

测点温度实测过程线有如下特点：①面板上高程高的测点温度测值受气温影响大，过程线呈明显的年周期变化，变幅较大；②随着高程的降低，测值受气温影响逐渐减弱，高程1 938m下测点受气温的影响小，温度测值趋于稳定.

以10号面板的应变计为例，10号面板上的7只应变计从高程高的地方向低高程分布，其实测资料过程线对比如图5所示.由图5可看出：①前4个测点位置高，温度测值呈现明显的周期性变化，年温差约8℃；②后2个测点在面板底部，靠近恒温岩体，温度测值变化幅度较小，年温差在2～3℃.S－B－31～33的温度由始测时的较高温度渐渐趋于稳定；③面板温度变化与气温变化同步，没有明显的滞后.

图5 10号面板应变计温度实测过程线

3.2 分布情况

3.2.1 典型日气温等值线分布图

选择2008年的年最高气温（22.3℃）所在的2008年7月27日和年最低气温（－13.4℃）所在的2008年1月29日为典型日，采用应变计当天的伴测温度值，画出整个面板的温度等值线图，如图6～7所示.由图可知：当外部气温有所变化时，面板上部的温度变化幅度大，大概在5℃左右，而面板下部的温度保持稳定的状态.

3.2.2 特征值分布

以下选择10号坝段2008年的应变计伴测温度资料，统计该年各个测点的年最大值，最小值及变幅，绘制特征值随高程变化过程线，如图8所示.当高程小于1 920m时，随着高程的降低，年最大值和年变幅不断降低，年最小值和年均值不断升高.

图8 10号坝段应变计2008年特征值随高程变化

3.2.3 坝体温度分布

以下列出130断面土压力计的统计特征值，见表4.表4显示，从上游到下游，挤压墙（JM）、过渡料区（GD）和主堆石区（BZ）测点温度受气温的影响逐渐减小，上游测点温度测值变幅较大，越接近坝体中心，测点测值变化幅度越小，趋于稳定.

表4 断面130土压力计伴测温度测值特征值统计表

续表4 断面130土压力计伴测温度测值特征值统计表

4 温度对裂缝的影响

1）气温骤降的影响：面板上部对气温有较高的灵敏性，当外界气温陡降时，板上部温度大幅度降低，导致了板上部面板混凝土产生较大幅度的收缩变形，并由此产生较大的拉应力［6］，若超出混凝土承载范围，面板开裂.同时，下部温度保持稳定，与上部面板有较大温差，面板上的温度差导致面板发展不均衡，裂缝发展加剧.

2）坝体内外温差影响：温度应力受大气温度与材料的影响，初期混凝土内部水化热上升，外部大气温度较低，温差引起温度应力也是大坝面板产生裂缝的另一因素［7］.冬季的运行期，坝体内部温度高，外部面板温度低，这样的温度状况与初期由水化热引起的温差状况类似，也会引发面板开裂.

5 结 语

1）坝体所在地区特有的寒潮天气会引发面板裂缝，坝体内外温度的变化规律，变化幅度的差异也是裂缝发展的原因.

2）裂缝多发生在水位升降区，应加强低水位温度骤降时期面板裂缝发展情况的监测.考虑温度荷载，对面板局部进行有限元模拟计算分析，定量分析裂缝成因和挤压墙的影响［6］.

3）监测过程中发现，不少仪器已经损坏，测值不能被采用，类似情况在其他工程中也时有出现，今后要对如何有效提高坝体布置仪器耐用性进行研究［6］.

4）公伯峡大坝位于高原寒冷气候区域，气温低、湿度低、温差大、风速大，增加了防止面板裂缝的难度［5］.初步的建议是，对水位变动区及以上高程区域采取适当的保温措施，对典型裂缝进行监测.

［1］ 郑东健，顾冲时，苏怀智，等.青海公伯峡面板裂缝简化模拟计算分析报告［R］.南京：河海大学，2011.

［2］ 张国新，张丙印，王光纶.混凝土面板堆石坝温度应力研究［J］.水利水电技术，2001，32（7）：1－6.

［3］ 于 淼.公伯峡堆石坝面板温度应力及干缩应力问题研究［D］.天津：天津大学，2003.

［4］ 麻 媛.混凝土面板堆石坝双层面板抗裂措施研究［D］.杨凌：西北农林科技大学，2007.

［5］ 刘 虎.公伯峡面板混凝土裂缝成因分析与处理［J］.建筑与工程，2008，26：123－124.

［6］ 戴妙林，吴宏明，刘宗汉，等.万安溪面板堆石坝面板上部裂缝情况及初步分析［J］.大坝观测与土工测试，2001，25（6）：19－21.

［7］ 罗福海，张保军，夏界平，等.水布垭大坝施工期面板裂缝成因分析及处理措施［J］.人民长江，2011，42（1）：50－53.