维普资讯 http://www.cqvip.com 第３３卷第３期 ２００６年９月 黑龙江水专 学报 Ｖ０１．３３．Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．，２００６ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ 文章编号：１０００—９８３３（２００６）０３～【ｌ（１３４—０４ 某混凝土坝坝体压应力计监测资料分析 陈真林 ，何金平２ （１．湖北省水利水电科学研究所，武汉４３００７０；２．武汉大学水利水电学院，武汉４３００７２） 摘要：在定性分析的基础上，通过建立数学模型，对某混凝土坝压应力计观测资料进行了定量分析。分析表明：该混凝土坝压应 力计实测资料基本上能反映出坝体测点部位混凝土压应力状况；其变化规律和分布规律符合混凝土大坝的一般物理力学 规律；混凝土实测压应力主要受水压和温度的影响，时效应力正趋于稳定，坝体应力性态良好。 关键词：混凝土坝；压应力计；监测；资料分析 中圈分类号：ＴＶ６９８．１ １ 文献标识码：Ａ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｄａｔａ ｏｆ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｓｔｒｅｓｓ Ｍｅｔｒｅ ｉｎ ａ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｄａｍ ＣＨＥＮ Ｚｈｅｎ—ｌｉｎ ．Ｈｅ Ｊｉｎ—ｐｉｎｇ２ （１．Ｈｕｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｉｅｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒ． Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｗｕｈａｎ ４３００７２，Ｃｈｉａ） ｎＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎａｌ ｄａｔａ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ｍｅｔｒｅ ｉｎ ａ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｄａｍ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｎａｌｙｚｅｄ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂｙ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉａｔｃｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ｍｅｔｒｅ ａｎ ｃｂａｓｉａｌｃｌｙ ｒｅｆｌｅｃｔ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｇ ｐｏｉｎｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄａｍ，ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ａｒｅ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｃｏｎｆｏｒｍｉｇ ｗｉｎｔｈ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉａｌｃ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉａｌｃ ｌａｗ，ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｇ ｎｏｍｐｒｅｓｓｉｃｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｄａｍ ｉｓ ａｉｍｎｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｇ ｐｅｒｎｉｄ ｏｂｙ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａ ｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｅｆｆｅｃｔ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｂｅ（ｘ）ｍｅ ｓｔｅａｄｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍ ｉｓ ａｌｌ ｒｉｇｈｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｄａｍ；ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ｍｅｔｒｅ；ｓａｆｅｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｇ；ｄａｔｎａ ｎａｌａｙｓｉｓ 某水电站枢纽由大坝、厂房、通航建筑物及开关 站等主要建筑物组成，具有发电、防洪、航运等综合效 益。大坝为混凝土重力坝，最大坝高１０１ ｍ，坝顶高程 ７４ ｍ，坝顶全长７８３ ｍ，共分４２个坝段。工程于１９８７ 年开工，１９９３年４月下闸蓄水，１９９６年竣工。 为监测坝体混凝土温度及应力状况，该混凝土 坝选择１３ 、１９ 挡水坝段、３Ｏ 溢流坝段、３２ 纵缝 不灌浆坝段和３３ 纵缝灌浆坝段作为重点监测坝 段，分别埋设了一定数量的温度计、压应力计、应变 计（组）、无应力计、钢筋计等差动电阻式温度及应力 应变观测仪器。 各观测仪器自埋设之日起即开始投入观测。 １９９５年以前，均采用ＳＢＱ一２型水工比例电桥进行 人工观测；１９９５年ＩＤＡ自动数据采集系统投入运行 后，大部分仪器采用自动化观测，少部分仪器仍进行 人工观测。 本文主要从定性分析和定量分析角度，对该混 凝土坝坝体压应力计进行了系统研究。 １坝体压应力计算 压应力计是一种能直接量测混凝土内压应力大 小的仪器，通常埋设在坝体压应力比较明确的部位。 该混凝土坝共埋设了４２支压应力计，分别位于１３ 挡水坝段（１４支）、１９ 挡水坝段（１２支）、３０ 溢流坝 段（４支）以及３２ 纵缝不灌浆坝段（６支）和３３ 纵 收稿日期：２００６—０３—２２；修订日期：２００６—０４一ｌ５ 作者简介：陈真林（１９６５一），男，湖北仙桃人，高级工程师，学士。 主要从事水利水电工程管理及招标工作；何金平（１９６４一），男，湖北 罗田人，副教授，博士，研究方向为大坝安全监测与评价。 缝灌浆坝段（６支）。作为代表，本文主要分析１９ 、 ３０ 坝段之压应力计实测资料。 在利用压应力计原始实测资料（电阻Ｒ和电阻 比Ｚ）计算相应的监测物理量（压应力）之前，先通过 绘制实测电阻比与测点温度Ｚ（ｔ）～ｔ和实测电阻 与测点温度Ｒ（ｔ）～ｔ过程线，进行原始实测资料的 可靠性初验；在计算出相应的物理量之后，再通过绘 制物理量的时程变化过程线，对明显的粗差进行剔 除；对不能直接判断是否为粗差的可疑测值，则结合 坝施工、运行等实际情况，对其作进一步分析判断。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 陈真林，等．某混凝土坝坝体压应力计监测资料分析 ３５ 总的来看，该大坝压应力计实测电阻比和电阻值及 其所反映的物理量基本上是合理的。 根据压应力计实测资料，可按下式计算坝体混 凝土压应力 （ｔ）＝．厂△Ｚ（ｔ）＋ｂＡＴ（ｔ）＝ｆ［Ｚ（ｔ）～Ｚ０ Ｊ＋ｂ ［Ｔ（ｔ）一Ｔ０］ （１） Ｔ（ｔ）＝ｏｔ［Ｒ（ｔ）一Ｒ ］Ｔ０：ａ［Ｒ０一Ｒ ］（２） 大压应力值一般发生在混凝土浇筑至坝顶时；对溢 流坝段，最大压应力值大多发生在运行期。 （３）运行期垂直正应力变化情况。运行期坝体 混凝土实测垂直正应力的变化情况与测点位置密切 相关。对于靠上游侧的测点，特别是坝踵附近的测 点，由于测点温度变化较小，因而垂直正应力主要受 水库水位变化的影响；对于靠下游面的测点，由于测 式中 （ｔ）为观测时刻ｔ压应力计实测资料计算出 点温度变化幅度一般较大，因而垂直正应力主要受 的坝体应力值（ ａ），“＋”表示实测应力为拉应力， “”表示实测应力为压应力；Ｔ（ｔ）为观测时刻ｔ压 应力计实测资料计算出的温度值（℃）；Ｚ（ｔ）和Ｒ （ｔ）分别为压应力计在观测时刻ｔ的实测电阻比（× ０．０１％）和电阻值（Ｑ）；Ｚ。和Ｒ。为压应力计的基准 电阻比（×０．０１％）和基准电阻值（Ｑ）；Ｔ。为压应力 计的基准温度（℃），由计算得出；Ｒ 为压应力计０ ℃时的电阻值（Ｑ），由出厂卡片或率定资料获得；厂 为各压应力计的最小读数（灵敏度）（ＭＰａ／ ０．０１％）；ｂ为各压应力计的温度修正系数（温度补 偿系数）（ＭＰａ／℃）；ａ为各压应力计的温度常数 （℃／Ｑ），厂、ｂ和口均由出厂卡片或率定资料获得。 ２坝体压应力计观测资料的定性分析 绘制了该混凝土坝１９ 和３０ 坝段各压应力计 实测应力变化过程线，统计了各压应力计实测压应 力特征值。其中，图１为ｌ９ 坝段Ｃ１５和Ｃ２４代表 性压应力计实测垂直正应力变化过程线。Ｃ１５、Ｃ２４ 均位于距坝基５ ｍ的水平截面上，Ｃ１５靠近上游， Ｃ２４靠近下游。 崔 图１ １９ 坝段Ｃ１５、Ｃ２４压应力计实测应力变化过程线 分析表明坝体压应力表现出如下特点： （１）测点垂直正应力变化过程。仪器埋设初期， 坝体实测垂直正应力较小；由于坝体混凝土浇筑高 程的上升，垂直正应力略有增加；但随着水泥水化热 的影响，坝体温度上升，因而测点垂直正应力有所减 小；ｎｋ化热基本完成后，随着坝体混凝土浇筑高程的 不断增加，垂直正应力主要受混凝土自重的影响，压 应力也随之不断增大；１９９３年３月下闸蓄水后，受 水荷载的影响，测点混凝土垂直正应力有所减小； １９９５年以后，库水位基本稳定变化，此时坝体垂直 正应力也趋于平稳变化。 （２）测点垂直正应力变化特征。坝体各压应力 计实测坝体最大垂直正应力一般不大，绝大多数测 点最大压应力值＜２ ＭＰａ，远小于混凝土的抗压强 度，且与测点所在高程基本相适应。对挡水坝段，最 温度变化的影响。 （４）垂直正应力分布情况。绘制１９ 坝段一 １４．００ ｍ高程水平断面上Ｃ１５、Ｃ１７、Ｃ２４和Ｃ２６共４ 支压应力计实测多年平均压应力、施工期高低温季 节实测压应力、运行期高低温季节实测压应力分布 图可知，无论是多年平均压应力还是单次实测压应 力，无论是高温季节还是低温季节，该断面压应力分 布状况均表现出相似的规律性，即坝体下游侧压应 力高于坝体上游侧压应力。但断面中部混凝土压应 力小于坝体上、下游侧混凝土压应力，这可能是由于 坝体中部温度变化幅度很小的缘故。 （５）关于压应力计的拉应力问题。除１９ 坝段 Ｃ１５压应力计无实测拉应力外，其于各压应力计均 反映出较小的拉应力，且主要发生在仪器埋设初期。 压应力计的结构特点决定了它只能用于观测压应 力，而不能用于观测拉应力。但不少工程均发现压 应力计观测到拉应力的现象。这主要是由于：①在 混凝土浇筑初期，混凝土的弹性模量比假定的弹性 模量小得多，使实际的ｂ值比仪器出厂卡片上的ｂ 值大，因此在浇筑初期的升温阶段，计算出的应力值 可能出现拉应力；②压应力计的埋设质量要求较高， 一旦埋设质量得不到保证，也有可能使得压应力计 计算出的应力值呈现出拉应力状况。 ３ １９ 坝段压应力计统计模型分析 ３．１统计模型的建立 监测统计模型是指根据数理统计分析方法所建 立起来的定量描述大坝监测物理量与各影响因素之 间关系的数学方程。已有的坝工知识和经验表明， 影响大坝坝体应力的因素主要有：自重、水压、温度 和时效等。当坝体混凝土浇筑工作已全部完成时， 自重已不再变化，对坝体应力变化基本无影响。因 此，坝体混凝土压应力统计模型的构造形式可表示为 （ｔ）＝ Ｈ（ｔ）＋ Ｔ（ｔ）＋ 口（ｔ） （３） 式中 为ｔ时刻的压应力回归值； 为ｔ时刻压应 力的水压分量； 为ｔ时刻压应力的温度分量； 为ｔ时刻压应力的时效分量。 水压分量的构成一般取为水位或水深的幂多项 式，即 Ｈ（ｔ）＝ｂｏ＋ ｂｉ／Ｔ（ｔ） （４） 式中ｂ０为常数；ｂ 为回归系数，由回归分析确定；Ｈ 维普资讯 http://www.cqvip.com 黑龙江水专学报 第３３卷 （ｔ）为ｔ时刻的坝前水位或水深；ｎ为水压因子个 数，一般取ｎ＝３～４。 温度因子一般可采用坝体实测温度、水平断面 平均温度及温度梯度、外界气温等形式。水口大坝 坝体虽埋设了一定数量的温度计，但从建模的角度 而言，温度测点的布置和数量尚难以满足要求。因 此，在此采用压应力计观测日前期若干天气温的平 均值作为温度因子，其温度分量因子的构成形式为 ｍ １１（ｔ）＝Ｃｏ＋ ｃｉＺ，一 （ｔ） （５） 式中Ｃｏ为常数；ｃ 为回归系数，由回归分析确定； （ｔ）为第ｉ个温度因子，为观测日前期ｓ～ｅ天 式中ｔ＝（观测日序号一基准日序号）／３６５。ｄ。为 常数；ｄ，为回归系数；由回归分析确定；Ｐ为所选择 的时效因子个数。取Ｐ＝１～５。 取１９ 坝段一１４．００１ＴＩ高程断面的ｃ１５（距坝轴 线２ ｍ）、Ｃ１７（距坝轴线２３ ｍ）、Ｃ２４（距坝轴线 ４５ ｍ）、Ｃ２６（距坝轴线６６ ｍ）压应力计和约１４．００ １ＴＩ 高程的Ｃ２７（距坝轴线２ ｍ）、Ｃ２９（距坝轴线３０ ｍ）压 应力计作为代表性测点建立统计模型。考虑到１９ 坝段于１９９２年９月即已浇筑至坝顶，因此取建立坝 体压应力统计模型的测点建模时段为１９９３年１月一 ２００２年８月（即不考虑自重对应力的影响）。水压 因子取为Ｈ、Ｈ 、Ｈ 、Ｈ ，Ｈ＝Ｈ 一Ｈ。，Ｈ为观测 日的水库坝前水深；温度因子取为Ｔ。一。、Ｔ。 、 ＴＩ∞、Ｔ。一∞、Ｔ。一９０，时效因子取为式（６）所示的５ 种形式。 气温平均值，下标“ｓ～ｅ”的含义为观测日前期第ｓ 天至观测日前期第ｅ天气温平均值；ｍ为温度因子 个数。 时效分量是一种随时间推移而朝某一方向发展 的不可逆分量，其成因比较复杂，其变化一般与时间 呈曲线关系，在建立统计模型时，可根据具体情况预 置一个或多个时效因子参与回归分析。时效因子一 般可以采用如下５种形式来表示，即 ＪＩ＝ｌｏｇ（ｔ＋１），Ｊ２＝ｔ／（ｔ＋１），Ｊ３＝，Ｊ４＝ｔ ，Ｊ５ ：．ｔ－０．５ （６） 户 取显著性水平ａ＝０．０５，引、剔因子的Ｆ统计 量限值为Ｆ＝３．５０，通过一轮或数轮逐步回归分析 计算，建立上述测点压应力统计模型。各统计模型 建模结果见表１。模型分析见表２。表中水压分量变 幅和温度分量变幅分别为拟合段相应分量最大值与 最小值之差，时效分量则为拟合段末时效分量与段 首时效分量之差值。 （ｔ）＝ｄｏ＋ ：ｄ Ｊ （ｔ） （７） 表１ １９ 坝段部分代表性压应力计统计模型构成表 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 ３．２压应力计统计模型分析 陈真林，等．某混凝土坝坝体压应力计监测资料分析 一３７ 。目前监测混凝土坝应力的主要手段是应变计 根据所建立的统计模型，对该混凝土重力坝 组，通过在坝体内埋设单向或多向（３向、５向、７向 及９向）应变计组，观测各向应变计的应变，然后按 照一定的数学方法（有效弹模法、变形法和松弛系数 法）来计算得到该点的应力（垂直正应力、径向应力、 切向应力以及主应力）。这种利用应变计（组）间接 １９ 坝段运行期压应力状况分析如下： （１）１９ 坝段各代表性测点压应力计统计模型 的复相关系数Ｒ一般较大，在０．９７７～０．７９５之间； 剩余标准差Ｓ一般较小，在０．０５０～０．４０４ ＭＰａ之 间。因此可以初步认为所建立的统计模型是合理 的，能反映出１９ 坝段坝体压应力计实测压应力的 变化规律。 地监测混凝土坝应力的方法，由于计算假设较多，计 算过程影响因素较广，因而计算出的混凝土应力的 准确性也有限。压应力计作为一种可以直接观测到 混凝土垂直正应力的监测仪器，在混凝土坝应力监 （２）各统计模型的剩余标准差Ｓ占拟合时段内 各测点实测值变幅的比例为３．９％～９．６％，表明 坝体大部分压应力计的观测精度较好。 （３）由表１～表２可知，影响１９＃坝段坝体各测 点压应力的主要因素是坝前水压和坝体温度（由外 测中具有不可替代的地位。 通过对该混凝土坝坝体压应力计实测资料分析 可见：该混凝土坝压应力计实测数据较为可靠，观测 精度较好，基本上能反映出坝体测点部位混凝土压 应力状况；测点部位混凝土垂直正应力主要表现为 界气温来反映）的变化。靠上游坝踵附近的Ｃ１５测 点压应力水压因子回归系数均为正，表明库水位上 升，坝体压应力减小；坝体中部和靠坝下游部位的测 点压应力水压因子回归系数均为负，表明库水位上 升，坝体压应力增大；各测点统计模型构成中均有温 度因子Ｔ。一３０、Ｔ。一∞或Ｔｌ一９。入选，且占主导地位， 表明外界气温对坝体压应力的影响具有明显的滞后 压应力，最大压应力一般不大；实测压应力变化规律 和分布规律符合混凝土重力坝的～般物理力学规 律；统计模型表明混凝土实测压应力主要受水压和 温度的影响，时效分量一般较小。从实测压应力的 角度来看，该大坝运行性态是正常的，结构是安全 的。 效应；从温度因子回归系数来看，除坝基面附近靠下 游坝趾的Ｃ２６测点为负、坝基面附近靠上游坝踵的 通过对该大坝压应力计实测资料分析还体会 到：压应力计是一种直接量测混凝土内压应力大小 的仪器，其结构特点决定了它只能用于观测压应力， 而不能用于观测拉应力，因此设计时宜确保压应力 计埋设在坝体压应力比较明确的部位；压应力计的 埋设过程是一项技术要求较高的工作，要保证埋设 后能观测到符合实际的混凝土压应力状态，埋设质 量至关重要；压应力计可直接观测混凝土坝的压应 力，概念明确，计算简单，精度较好。因此在设计时 Ｃ１５测点正负相近外，其余４个测点的温度回归系 数为正或以正为主。温度回归系数为负，表明外界 气温升高，测点部位坝体压应力增大；温度回归系数 为正，表明外界气温升高，测点部位坝体压应力降 低。各测点温度因子回归符号的不同，主要是由于 测点部位混凝土温度对外界气温的滞后程度不同以 及统计模型对其滞后现象的反映程度不同。 （４）从统计模型对各分量的分解来看，除位于靠 上游坝踵附近的Ｃ１５测点压应力水压分量大于温 应充分认识压应力计这一优势，通过合理布置压应 力计，获得坝体压应力，在运行期通过及时对分析压 度分量外，其余５个测点均为温度分量大于水压分 量，表明温度变化是影响运行期重力坝坝体压应力 变化的最主要因素。各测点压应力均存在一定的时 效分量，但所占比重不大，且已趋于稳定。 ４结语 应力计监测资料，来充分利用其信息，确保大坝安 全 应力监测是混凝土坝安全监测的重要内容之 参考文献： ［１］李珍照．大坝安全监测［Ｍ］．北京：中国电力出版社，１９９７． ［２］储海宁．混凝土坝内部观测技术［Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９８９ ［３］ＳＤＪ ３３６—８９，混凝土大坝安全监测技术规范［ｓ］．
