云 磊

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐830000）

1 概述

某水利枢纽工程位于新疆北疆，是一项以供水为主的大型水利枢纽工程。枢纽水库总库容24.19亿m3，调节库容19.18亿m3，水库正常蓄水位739 m，死水位680 m。电站装机容量140 MW，年发电量5.19亿kW·h，主坝采用全断面碾压混凝土重力坝，最大坝高121.50 m，副坝最大坝高14.00 m。某水利枢纽规模为Ⅰ等大（1）型工程，发电引水洞及电站地面厂房布置在右岸。

该工程于2006年9月开工建设，2007年4月大坝开始埋设安全监测仪器，2008年9月25日导流洞下闸蓄水，2011年主体工程竣工。

为了监测大坝施工和运行期的应力应变变化规律，分别在29#溢流坝段和35#挡水坝段各布置了6套五向应变计组及相应的无应力计，对应力应变监测资料进行整理分析，总结出该RCC大坝应力状况初步分析结果。

2 无应力计分析

混凝土自生体积变形对混凝土的应力及结构物的工作状态有重要影响，当结构物受到约束时，收缩型自生体积变化将引起混凝土相当的拉应力，甚至造成裂缝，反之，微膨胀型自生体积变形将产生压应力，可以提高混凝土的允许拉应力，甚至可以简化施工措施。从现有资料来看，坝体内埋设的12支无应力计从2007年或2008年埋设至2015年10月底，数据完整，连续性较好，对其进行线性回归分析，以确定混凝土的热膨胀系数和体积变形，见表1及图1。

经分析，大部分部位三级配混凝土温度线膨胀系数均大于二级配混凝土，三级配混凝土温度线膨胀系数在7.298 /℃～12.475 /℃之间，均值为10.044 /℃，二级配混凝土温度线膨胀系数在7.303 /℃～9.407 /℃之间，均值为8.605 /℃，各测点复相关系数较高，拟合效果较好，且从计算成果来看，无应力计埋设质量较高，温度线膨胀系数反映了大坝实际情况。

表1 RCC大坝无应力计分析成果表

图1 无应立计N2-5测点应变-温度时间序列过程线

分析结果表明，目前自生体积变化已基本呈收敛状态，无应力计的测值受温度变化影响明显，呈正相关关系变化，温度升高，测值增大，即应变值有膨胀的趋势；反之，温度降低，则测值减小，即应变值有收缩的趋势。使用同标号、同品种水泥制成的混凝土其自生体积变化类型也存在不同的情况，即便自生体积变化类型、规律一致，其变形量也存在较大差异。

3 坝体实际应力分析

从现有资料来看，坝体内埋设的12组五向应变计组大部分数据连续性较好，但部分测点存在数据缺失和个别传感器损坏的情况。对缺失数据较多的测点，按插值方式补充数据，并进行应力转换；对个别损坏测点，通过空间第一应力不变量原理对其进行了处理，量值偏大且不符合实际规律的测点，其计算成果仅供参考。

3.1 坝踵区应力状态

29#溢流坝段坝踵部位埋设应变计组S2-1，其附近布置裂缝计K2-4、K2-5，且在混凝土与基岩接触面布置多点位移计M2-1，以达到监测变化情况相互验证的效果。

图2表明，坝踵部位应力测值稳定连续，具有很好的规律性，自监测仪器施工安装埋设后，坝踵处一直处于受压状态，随着水库运行库水位的逐步升高，更趋向于受压稳定状态，进而说明坝踵混凝土应力条件良好。

另一方面，四点位移计M2-1监测数据结果分析显示，坝踵部位混凝土与基岩接触面呈闭合状态，其绝对位移变化幅度微小，当前变化量在-7.84 mm左右，且在该部位混凝土与基岩接触面竖直方向埋深3 m，13 m处，基岩依旧呈闭合状态，绝对变化量在-1.27 mm，-0.89 mm左右；在应变计埋设部位附近布置的裂缝计K2-4、K2-5测值自2010年施工期后稳定在-0.14 mm、0.48 mm，无任何变化趋势。

以上情况表明，坝踵部位与基岩胶结良好，该处混凝土处于受压状态，有利于坝体稳定，亦和坝踵区应该存在应力状态相吻合。

图2 29#坝段坝踵处混凝土应力时间序列过程线

3.2 坝趾区应力状态

在29#溢流坝段坝趾部位埋设应变计组S2-4，且在混凝土与基岩接触面布置多点位移计M2-2。

自监测仪器施工安装埋设后，坝趾处一直处于受拉状态，前期库水位低，坝趾处混凝土拉应力大，随水库运行库水位的逐步升高，拉应力减小，目前最大拉应力为0.45 MPa，进而说明库水位升高有利于坝趾处混凝土拉应力降低。

另外，四点位移计M2-2监测数据结果分析显示，坝趾部位混凝土与基岩接触面位移计测值在-1.50 mm左右一定小幅度内变化。

以上情况表明，坝趾部位与基岩胶结良好，该处混凝土处于受压状态，亦和坝趾区应该存在应力状态相吻合。

3.3 坝基及坝体应力状态

根据对各部位实测应力值分析，可以归纳出坝基及坝体混凝土应力大致有以下规律：

1）各测点应力测值数据连续，具有较强规律，在埋设初期受混凝土水化热温升影响应力变化较大，施工期主要受混凝土浇筑和外界气温影响，开始蓄水后，水位变化对其有一定影响，但仍旧受温度变化的影响较明显。

2）温度变化对坝体应力的影响显著，高程越高，越靠近下游面，应力受温度变化影响越大，即当坝温度升高时压应力增加或拉应力减小；坝体温度降低时则相反，压应力减小或拉应力增加；高程越低，越在库水位以下，受外界气温影响越小，应力变化幅度越小。

3）库水位变化对坝体应力变化有一定影响，但比温度影响略小，近坝踵部位的应力受库水位变化影响尤为明显。库水位变化对坝体不同部位不同方向的应力有不同影响。

①在顺水流方向主要表现为对近坝踵部位应力影响显著：水位升高，产生拉应力减小或压应力增加的趋势；水位降低，产生拉应力增加或压应力减小的趋势。

②在竖直向主要表现为：水位升高，近坝踵部位、靠近上游面以及坝体内部略靠上游的竖直向应力有拉应力增加或压应力减小的趋势，近坝趾部位的竖直向应力有拉应力减小或压应力增加的趋势；水位降低，近坝踵部位、靠近上游面以及坝体内部略靠上游的竖直向应力有拉应力减小或压应力增加的趋势，近坝趾部位的竖直向应力有拉应力增加或压应力减小的趋势。

③左右岸方向：靠近上游面的测点略有相关性，随着水位升高产生拉应力增加或压应力减小的趋势；随着水位降低产生拉应力减小或压应力增加的趋势。

④剪应力：库水位变化对各测点剪应力影响非常显著，随着水位升高产生受力方向为顺时针旋转指向XZ方向；随着水位降低产生受力方向为逆时针旋转指向ZX方向。

⑤当前混凝土各向拉应力最大值为1.79 MPa（35#坝段坝体内部顺水流方向），压应力最大值为-3.52 MPa（29#坝段坝踵处竖直向），剪应力最大值为1.05 MPa（29#坝段坝趾处），见表2，各向量值均较小，未达到混凝土承受能力。

表2 当前各部位应力情况统计表 单位：MPa

3.4 特征值统计分析

1）极值分析：每年6月份～10月份产生坝体拉应力极值，在每年12月份～次年3月份出现坝体压应力极值，极值规律与温度有较好相关性。因混凝土温度变化滞后于气温变化3～6个月，导致夏季温度高的季节产生拉应力极值，而冬季温度低的季节产生压应力极值。不同部位滞后时间有所区别，坝体内部及基础部位滞后时间较长且受影响较小，坝体上部和与大气相近部位滞后时间较短且影响较大。

2）年均值分析：大部分部位混凝土各向应力年均值在施工期（2007年～2009年）呈较明显的变化趋势，蓄水后，坝踵处顺水流方向逐年有压应力微弱增加的趋势，其他部位各向应力基本呈缓慢变化趋势。

3）年变幅分析：大部分部位混凝土各向应力年变幅在施工期（2007年～2009年）变化较大，蓄水后基本呈逐年减小趋势。坝踵部位顺水流方向和左右岸方向受2010年和2013年两次较大的水位抬升影响年变幅略有反应（增大），其他部位年变幅均呈逐年减小趋势或有微弱变化。

4 结论

通过对该RCC坝坝体应力监测资料分析，初步了解该坝自施工期至目前的应力状态，简要概括如下：

1）温度变化对坝体应力的影响显著。初期受混凝土水化热温升影响，混凝土应力变化较大；稳定后库水位变化对坝体应力变化有一定影响，但没有温度变化对坝体应力的影响显著。

2）坝踵部位混凝土产生压应力，随着库水位升高，受压趋势明显，该部位混凝土应力条件良好；坝趾部位混凝土产生应力，随水库运行库水位的逐步升高，拉应力减小，目前最大拉应力为0.45 MPa；坝基及坝体混凝土应力量值基本均在合理范围内，变化趋势符合正常规律。

经过多年运行，该RCC坝应力状态良好，为整体工程安全状态评价及后续工程运行提供有力技术支持和保证。