丰满大坝新坝施工期应力应变监测资料分析

（丰满发电厂，吉林省吉林市 132108）

1 工程概况

丰满大坝重建工程以发电为主，兼有防洪、灌溉、城市及工业供水、生态环境保护、水产养殖和旅游等综合利用，供电范围为东北电网，在系统中担负调峰、调频和事故备用等任务。水库正常蓄水位263.50m，汛限水位260.50m，死水位242.00m，校核洪水位268.50m，水库总库容103.77亿m3。

枢纽工程主要由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪系统、泄洪兼导流洞、坝后式引水发电系统、原三期电站组成。新建大坝坝轴线位于原丰满大坝坝轴线下游120m。

新建大坝由左岸挡水坝段、溢流坝段、厂房坝段及右岸挡水坝段组成，共分56个坝段，坝顶高程269.50m，最大坝高94.50m，坝顶全长1068m。溢流坝段布置于主河床，其上布置9孔开敞式溢流堰。厂房坝段布置于主河床偏右岸，布置6孔坝式发电引水进水口。6台水轮发电机组布置于右岸坝后厂房内。

新建大坝于2014年9月开始基础开挖，截至2016年7月底，重建工程各坝段浇筑高程见表1。

表1 各坝段浇筑高程表Tab.1 The elevation table of each dam section

大坝安全监测施工安装工程现已开展的监测项目主要有大坝应力应变监测及温度监测、大坝裂缝监测、大坝渗流监测、发电厂房及开关站监测、引水坝段压力钢管监测、消力池部位监测、老坝F67断层锚索监测等7个监测项目。安全监测完成形象面貌如下：

（1）厂房2号、4号机组中心线扬压力监测6支渗压计安装完成。

（2）大坝基础扬压力监测15支渗压计安装完成。

（3）大坝基础裂缝变化监测18支测缝计、4支裂缝计安装完成。

（4）大坝基岩变形8套多点位移计安装完成。

（5）大坝基础温度监测4套（20支）基岩温度计安装完成。

（6）大坝应变应变及温度监测7套五向应变计组、2套三向应变计组、9套无应力计安装完成、温度计12支安装完成。

（7）大坝接触灌浆纵缝监测35支测缝计安装完成。

（8）大坝横缝监测8支测缝计安装完成。

（9）坝体渗透压力监测6支渗压计安装完成。

（10）引水坝段压力钢管8支钢板计、8支钢筋计、8支测缝计安装完成。

（11）消力池基础7支测缝计安装完成。

（12）新增大坝裂缝监测2支裂缝计安装完成。

（13）新增大坝溢流坝段反弧段1支。

本文只针对新坝施工期应力应变项目进行监测资料分析。

2 施工期应力应变监测资料分析

2.1 基岩和混凝土温度

在9、19、23、32号4个坝段的基岩和混凝土内埋设温度计监测基岩和混凝土温度，目前9号坝段已埋设5支，19、23、32号各埋设7支总计26支。基岩温度计深度在建基面以下8～16m之间，目前已埋设的混凝土温度计一般在建基面以上4～11m之间。

各温度计从2015年9月～2016年6月陆续埋设完成开始观测，本次分析观测成果截至2016年7月25日。埋设初期测次较密，后期为每周观测1次，满足设计要求的频次。监测仪器埋设部位、高程等见表2。

绘制基岩和混凝土温度计测值过程线见图1。

绘制基岩至混凝土温度测值沿高程分布图见图2。

从分布图可以明显看出，基岩内温度计随高程降低温度也降低，这反映了基岩沿深度范围内的温度分布，该分布符合一般认识。从过程线看出，基岩深处温度变化幅度较平缓，靠近建基面温度变化幅度稍大一些，靠近建基面温度变化较大。

从过程线和分布图还可以看出，当前各坝段混凝土内温度由于受气温影响明显高于基岩内温度。

表2 温度计埋设部位、高程表Tab.2 Iocation of thermometer and elevation table

图1 9、23、32号坝段基岩和混凝土温度计测值过程线Fig.1 9#、23#、32# Dam section bedrock and concrete thermometer measurement process line

图2 9号坝段基岩和混凝土温度计测值分布图（建基面高程185m）Fig.2 9# Dam section bedrock and concrete thermometer Distribution（Built base elevation 185m）

（1）基岩温度。

9号坝段基岩温度在7.1～15.7℃之间，当前温度10.7～11.9℃；23号坝段基岩温度在9.0～17.6℃之间，当前温度13.1～17.2℃；32号坝段基岩埋设以来温度在7.2～14.4℃之间变化，当前温度12.1～13.5℃；19号坝段基岩温度在9.2～15.0℃之间，当前温度10.2～12.3℃。

除23号坝段基岩当前温度稍高在13.1～17.2℃之间以外，其他3个坝段温度基本在10.2～13.5℃之间，温度较为接近。

（2）混凝土温度。

9号坝段混凝土温度在9.7～21.0℃之间，当前温度13.6～17.7℃；23号坝段混凝土温度在11.7～26.4℃之间，当前温度10.2～12.3℃；32号坝段混凝土温度在9.7～24.6℃之间变化，当前温度21.8～23.4℃；19号坝段混凝土温度在22.5～26.9℃之间，当前温度26.6～26.9℃。

实测混凝土内的最高温度介于17.8～26.9℃，目前19、23号坝段最高温度26.9、26.1℃，超过了混凝土容许最高温度23～24℃，需要根据温控结果进一步分析及采取相应措施。

综上所述，各坝段基岩和混凝土温度空间分布符合规律，基岩温度目前稳定在10.0～13.5℃之间，23号坝段基岩温度稍高在13.1～17.2℃之间。实测混凝土内的最高温度介于17.8～26.9℃，目前19、23号坝段最高温度26.9、26.1℃，需要根据温控结果进一步分析及控制。

2.2 混凝土应力应变分析

目前大坝混凝土内部共埋设了无应力计10支，五向应变计组8组，三向应变计组2组，布置在5个坝段，每组应变计组均对应布置一支无应力计。应变计（组）与无应力计的对应关系以及仪器的具体埋设位置、埋设方式、埋设时间和基准值取值时间见表3。

表3 各向应变计组及对应无应力计埋设情况表Tab.3 The table of each strain gauge group and corresponding non-stress meter

为了解大坝内部已埋应力应变监测仪器的工作情况，初步掌握大坝混凝土应力应变变化情况，对所有已埋设的无应力计、应变计组的监测数据进行了初步分析，分析时段截至2016年7月25日。本阶段应力应变分析主要目的在于以下两个方面：一是对已经埋设的各类仪器的工作状态及质量进行认识及判断发现可能存在的问题；二是通过已埋仪器的监测资料分析来认识掌握施工初期应力应变状态。其中，混凝土应力应变分析的主要工作包括：无应力计分析、弹模及徐变试验资料处理、单支应变计分析、应变计组不平衡量检查和平差、单轴应变换算、徐变应力计算、剪应力计算、主应力及其方向计算。正应力以拉为正，压为负。由于条件和时间所限本次仅对无应力计进行模型分析，对应变计组进行不平衡量检查等检查分析。

2.2.1 无应力计分析

对9、19、23、32号坝段183～189m高程已埋设无应力计进行分析。无应力计测得混凝土的自由体积变形（或称无应力应变），包括温度变形、自生体积变形和湿度变形3部分。对无应力计监测资料进行分析的主要目的有二：一是了解坝体混凝土温度变形的实际线膨胀系数以及自生体积变化规律；二是利用无应力计分析得到的线膨胀系数和自生体积变形来计算工作应变计（组）的徐变应力。

计算工作应变计（组）的徐变应力时需要从实测应变中扣除无应力应变的部分，简单的做法是直接用应变计组实测应变减去对应的无应力计应变，但这样做有3个不足：一是无应力计单次测值本身存在测量误差，直接相减会引起误差传递；二是对应无应力计测点温度与应变计组的平均温度可能不一致；三是无应力计观测时间与应变计组可能不一致。结果会导致应变计组应力应变误差扩大，影响计算结果的准确性。而采用无应力计回归方程来计算对应的无应力应变可以消除这些影响，提高计算精度。

目前可供分析的无应力计共8支。图绘制了无应力计温度及应变测值过程线。无应力计测值的影响因素相对而言比较简单。当温度测值平稳变化而应变测值发生较大幅度的突变时，很可能由于观测时存在系统误差，例如9N2、23N1都存在这种现象。

在测值正常情况下，混凝土终凝后无应力计的应变与温度之间会表现出明显的线性相关关系，其斜率为混凝土的线膨胀系数。图4为代表性测点应变与温度相关图，从中可以看出，9N1存在明显的相关关系，其他测点应变和温度由于测时较短及测量误差等原因相关关系尚不明显，需要进一步观测和分析。

从大量的无应力计测值分析经验来看，无应力计一般都会较好地统计模型分析结果。通过统计模型分析，可以了解混凝土无应力应变的变化规律，即混凝土实际线膨胀系数以及自生体积变形趋势性变化的类型；并且，当无应力计与对应的工作应变计（组）温度条件不相同时，利用回归方程来计算无应力应变。

图4 9号坝段无应力计9N1应变和温度相关图Fig.4 9# Dam section No stress gauge 9N1 strain and temperature correlation chart

无应力计的实测无应力应变主要受测点温度、自生体积及湿度变化的影响，模型方程形式一般如下：

式中：T——无应力计测点温度；

t—— 测时距分析起始日期的时间长度，天；

a0，a1，a2，a3，a4——回归系数 ；

k=-0.01。

利用逐步回归求解上述方程，所得a1为对混凝土线膨胀系数的估计值，时间函数的组合部分简称为时效分量，包括了自生体积变形及湿度变形的变化部分。

对无应力计进行统计模型分析，典型测点无应力计（9N1）可建立起有效的统计模型，模型时段2015年10月18日～2016年7月25日，模型结果过程线见图5。模型方程如下：

图3 9号坝段无应力计温度和应变测值过程线Fig.3 9# Dam section bedrock No stress gauge temperature and strain measurement process line

模型复相关系数0.952，剩余标准差14.76με，线胀系数估计值即为11.476με/℃。一般认为当剩余标准差为3～6με（相当于1～2个电阻比）时，模型结果效果较好。由于本次分析时大部分测点数据序列太短，本模型结果仅供分析作参考。

图5 无应力计9N1回归分析结果过程线（R=9522，S=14.755）Fig.5 No stress gauge regression analysis of the results of the process line

从上述分析结果来看，混凝土线膨胀系数的估计值在11.98με/℃左右，由于目前未见到试验资料，不能进一步对比分析。按经验估计此值偏大，估计与模型计算共线性有关。总体来看，目前的无应力计测值还不能完全反映出混凝土无应力应变情况，进一步的认识还有待于后期的观测及分析。

2.2.2 应变计组分析

目前在9、19、23、32号坝段183～189m高程已埋设五向应变计7组，三向应变计2组。

绘制各坝段应变计组应变和温度过程线见图6。从各应变计组的测值过程线中可以看到，9S1应变计组2、3号仪器出现了较大变幅（300με）的测值跳动，初步判断为观测误差引起的。除该组应变计组之外，一般单支仪器的应变测值变化在-100～100με之间，除19S1有超过30℃的温度之外，其他单支仪器的温度测值均在26℃以下。

图6 应变计组9S1温度和应变过程线Fig.6 Strain gauge temperature and strain line

在进行应变计组的徐变应力计算之前，要求应变计组要满足“点温度” “点应力”条件。是否满足“点温度”及 “点应力”条件是检查应变计组测值是否可靠的两个重要步骤，以下简要介绍两种条件的检查结果。

（1）“点温度”条件检查。

“点温度”条件是指同一组内各支仪器的温度测值应在一定范围内基本一致，没有温度梯度。考虑到测量偶然误差问题，一般根据应变计温度的测量精度作为检查标准，即同一测次多支仪器温度差应控制在0.8～1.0℃之内。从各应变计组温度测值过程线中可以看到，同组中各支仪器温度测值有较大差别，同一测次、不同仪器的最大差值为10℃，因此可以认为部分应变计组早期测值不能满足“点温度”条件。需要说明的是，多支应变计组表现为随时间变化，各支仪器温差减小的现象，观测结果是否反映了实际情况尚需进一步研究。

（2）“点应力”条件检查。

应变计组按平面或空间计算应力，需满足“应变不变”条件，具体到丰满大坝来说，同一平面内的4支应变计应变应平衡，按设计编号表述，应满足S_2+S_3=S_4+S_5，由于测量误差，导致上面等式两端存在不平衡量，但该不平衡量ΔS=S_2+S_3-S_4-S_5应在一定范围内，一般采用4～8个电阻比或者相当的应变值进行控制。已埋设的五向应变计组不平衡量检查结果过程线见图7。对所有8组应变计组，进行应变计组计算条件检查，部分应变计组早期存在一定不平衡量超界的情况，但具体原因有所不同，例如9S1不平衡量值应该由于2、3号仪器存在系统误差引起的，在后期计算和分析时应进行相应处理。

检查结果总体来看部分应变计组早期测值存在未满足“点温度”“点应力”条件的情况，在其他工程中也曾存在类似观测结果，对于本工程来说需要对此现象进一步查明原因，并在实际计算分析时进行相应的处理。

图7 应变计组9S1不平衡量检查Fig.7 Strain gauge group unbalance check

3 总结及建议

（1）通过目前无应力计统计模型分析，混凝土线膨胀系数估计值为11.4με/℃左右。部分无应力计测值与温度相关关系不明显，初步分析除施工和观测等因素以外，与观测时段较短也有一定关系。

（2）本次对应变计组分析主要为计算条件检查，发现部分应变计组早期测值不满足“点温度” “点应力”条件，应变计观测精度有待进一步提高。从量值上看，应变计温度测值仅18S1出现过超过30℃情况，一般均低于26℃，与温度计观测结果基本一致。各应变计组单支仪器应变值一般在-100～100με之间，反映出施工期大坝受力基本属于正常。

（3）后期应进一步关注无应力计测值与温度相关关系，及时进行应变计组“点温度” “点应力”条件检查，保证为后期资料分析提供可靠数据。

（4）混凝土及基岩温度监测，各坝段基岩目前一般稳定在10.0～13.5℃之间，23号坝段基岩当前温度稍高。混凝土最高温度介于17.8～26.9℃，目前19、23号坝段最高温度分别为26.9、26.1℃，超过设计允许最高温度，需要加强观测，并结合温控结果进一步分析及控制。

（5）混凝土应力应变监测，无应力计统计模型计算结果表明混凝土线膨胀系数估计值为11.4με/℃左右，应变计温度测值一般均低于26℃，与温度计观测结果基本一致。各应变计组单支仪器应变值一般在-100～100με之间，反映出施工期大坝受力基本属于正常。

（6）已完成监测项目实施符合规范要求，仪器完好率较高。已埋入仪器监测资料连续、完整，大部分监测仪器数据基本可靠。

（7）建议关注各环节监测实施，及时进行数据检查，保证数据观测精度及数据可靠性。对出现异常变化的测点及时记录并反馈，并分析异常原因。

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