鄧成發(fā),吳勝利,倪凱軍,管利軍

(1.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020;2.仙居縣里林水電管理處,浙江 仙居 317300;3.寧波市周公宅水庫管理局,浙江 寧波 315161)

應力應變監(jiān)測是混凝土壩中常用的監(jiān)測方法,通過混凝土內(nèi)部埋設的應變計組可以計算大壩的應力狀況,為混凝土壩的運行提供安全評價的依據(jù)。在對應變計觀測資料的分析過程中,應變數(shù)值向應力數(shù)值的轉換是非常有必要的[1-4].。本文利用周公宅水庫五向應變計及無應力計的觀測數(shù)據(jù),采用變形法,計算大壩混凝土的應力,為同類工程提供參考。

1 計算原理

混凝土是彈塑性體,應變計測值為總應變,包括應力引起的應變及非應力引起的應變,可用式(1)表示:

式中:εm為總應變 ,με;ε為應力應變,με;ε0為非應力應變(無應力計測值),με。

根據(jù)平衡修正[3].后的應變再計算單軸應變。各方向的單軸應變計算公式如下:

式中:μ為泊桑比,混凝土取 μ=1/6。

由單軸應變計算混凝土應力,本文采用變形法[5].。計算公式為:

其中 △σ(τi)為應力增量:

式中:E(τi-1)為混凝土的瞬時彈性模量,P a;c(τi,τi-1)為混凝土的徐變度。

根據(jù)周公宅水庫拱壩混凝土徐變試驗數(shù)據(jù),模擬出了徐變度 C(t,τ)和瞬時彈性模量E(t)的計算公式:

式中:τ為混凝土加荷的中點齡期,d;t為加荷持續(xù)的時間,d。

根據(jù)上述計算原理,采用自編程序進行迭代計算,得到應變計組的實測正應力 σx、σy和σz,即徑向、切向和豎直方向。應力以拉為正,壓為負。

2 工程概況

周公宅水庫位于寧波市鄞州區(qū)大皎溪皎口水庫上游15 km,水庫總庫容1.11億m3。水庫為完全年調(diào)節(jié)水庫,是一座供水、防洪結合發(fā)電等綜合利用效益的II等大(2)型水利工程。

攔河壩為混凝土雙曲拱壩,按 500 a一遇洪水設計,2 000 a一遇洪水校核,設計洪水位為237.7m,校核洪水位為237.89m,正常蓄水位為231.13 m。壩型為拋物線變厚雙曲拱壩,壩體材料采用C25和C20混凝土,壩頂高程238.13m,拱壩建基面高程112.63m,最大壩高125.50m,拱冠梁頂寬6.72 m,拱冠梁底寬26.25 m,拱冠梁厚高比0.21。

為了解壩體混凝土受力情況,根據(jù)設計應力計算成果,在7#、12#、16#壩段拉應力較大部位埋設應變計組,在每組應變計組旁設置1支無應力計,共布置五向應變計組8組,無應力計8支(見圖1)。儀器均采用美國基康公司生產(chǎn)的GK4210型振弦式應變計。

圖1 應力應變監(jiān)測布置圖

3 計算成果分析

3.1 應力計算結果

由于受篇幅限制,本文僅顯示大壩中部拱冠梁壩段(12#壩段)應力計算過程線圖見圖2。綜合計算成果可以看出:

圖2 12#壩段各測點應力變化過程線示意圖

(1)應變測點以壓應力為主。徑向最大拉應力為1.03 MPa,出現(xiàn)在7#壩段173.13m高程下游側;最大壓應力為4.22MPa,出現(xiàn)在7#壩段173.13m高程下游側。切向最大拉應力為1.15MPa,出現(xiàn)在12#壩段128.13m高程下游側;最大壓應力為4.25MPa,出現(xiàn)在12#壩段173.13m高程下游側。豎向最大拉應力為1.17 MPa,出現(xiàn)在12#壩段128.13m高程下游側,最大壓應力為3.63MPa,出現(xiàn)在12#壩段173.13m高程下游側。各向最大拉應力基本出現(xiàn)在埋設初期。

(2)受庫水溫度變幅小影響,12#壩段128.13m高程上游面應力變化平穩(wěn)。其余測點應力明顯呈年周期性變化。測點溫度升高,壓應力增大;溫度降低壓應力減小,部分測點出現(xiàn)微拉狀態(tài)。表明溫度變化是影響混凝土應力的主要因素。

(3)從趨勢上看,目前各測點各方向應力均向受壓方向發(fā)展,測點應力已基本穩(wěn)定,少數(shù)測點低溫季節(jié)出現(xiàn)較小拉應力?？傮w上看,壩體處于較好的受力狀態(tài)。

3.2 應力控制標準

拱梁分載法計算的混凝土容許拉應力,基本荷載組合及非地震特殊荷載組合,分別為1.2,1.5MPa。當采用有限元計算時,按有限元等效應力計算,有限元模型網(wǎng)格見圖3。容許壓應力同拱梁分載法控制標準,容許拉應力基本荷載組合及非地震特殊荷載組合,分別為1.5,2.0MPa,壩體應力控制標準見表1。

圖3 大壩有限元網(wǎng)格圖

通過實測應變計算值與理論計算值的對比可以看出,實測最大主拉應力及主壓應力分別為1.17,4.81 MPa,均小于拱梁分載法及有限元等效應力計算的容許拉應力?？梢?最大拉、壓應力在理論計算值之內(nèi),應力變化規(guī)律正常。

表1 壩體應力控制標準 MPa

4 結 語

(1)周公宅水庫拱壩以壓應力為主。徑向最大拉應力為1.03MPa,最大壓應力為4.22MPa。 切向最大拉應力為1.15MPa,最大壓應力為4.25MPa。豎向最大拉應力為1.17MPa,最大壓應力為3.63MPa。各向最大拉應力基本出現(xiàn)在埋設初期。實測最大拉壓主應力基本在理論容許范圍內(nèi),變化規(guī)律正常。

(2)應力變化曲線明顯呈年周期性變化,多數(shù)測點,3個方向均為壓應力與溫度成正比,部分測點出現(xiàn)微拉狀態(tài)。表明溫度是影響混凝土應力的主要因素。

(3)從趨勢上看,目前各測點各方向應力均向受壓方向發(fā)展,應力已基本穩(wěn)定,少數(shù)測點低溫季節(jié)出現(xiàn)較小拉應力?？傮w上看,壩體處于較好的受力狀態(tài)。

[1].劉志敏,趙堅,周澄.關于應變計的應力數(shù)值轉換[J]..大壩與安全,2005(1):52-54.

[2].李軍,張文勝.ROCTEST應變計在三峽工程中的應用[J]..人民長江,2007,38(10):74-76.

[3].董利斌,鄭東健.李家峽拱壩應力應變性態(tài)分析[J]..人民黃河,2008,30(3):84-85.

[4].門遠,林堅,張日勇,等.五向應變計應力松弛法應力計算[J]..水利水電技術,2004,(3):43-47.

[5].何勇軍,劉成棟,向衍,等.大壩安全監(jiān)測與自動化 [M]..北京:中國水利水電出版社,2008.