（豐滿發(fā)電廠，吉林省吉林市 132108）

1 工程概況

豐滿大壩重建工程以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、城市及工業(yè)供水、生態(tài)環(huán)境保護、水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游等綜合利用，供電范圍為東北電網(wǎng)，在系統(tǒng)中擔負調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用等任務。水庫正常蓄水位263.50m，汛限水位260.50m，死水位242.00m，校核洪水位268.50m，水庫總庫容103.77億m3。

樞紐工程主要由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪系統(tǒng)、泄洪兼導流洞、壩后式引水發(fā)電系統(tǒng)、原三期電站組成。新建大壩壩軸線位于原豐滿大壩壩軸線下游120m。

新建大壩由左岸擋水壩段、溢流壩段、廠房壩段及右岸擋水壩段組成，共分56個壩段，壩頂高程269.50m，最大壩高94.50m，壩頂全長1068m。溢流壩段布置于主河床，其上布置9孔開敞式溢流堰。廠房壩段布置于主河床偏右岸，布置6孔壩式發(fā)電引水進水口。6臺水輪發(fā)電機組布置于右岸壩后廠房內(nèi)。

新建大壩于2014年9月開始基礎開挖，截至2016年7月底，重建工程各壩段澆筑高程見表1。

表1 各壩段澆筑高程表Tab.1 The elevation table of each dam section

大壩安全監(jiān)測施工安裝工程現(xiàn)已開展的監(jiān)測項目主要有大壩應力應變監(jiān)測及溫度監(jiān)測、大壩裂縫監(jiān)測、大壩滲流監(jiān)測、發(fā)電廠房及開關站監(jiān)測、引水壩段壓力鋼管監(jiān)測、消力池部位監(jiān)測、老壩F67斷層錨索監(jiān)測等7個監(jiān)測項目。安全監(jiān)測完成形象面貌如下：

（1）廠房2號、4號機組中心線揚壓力監(jiān)測6支滲壓計安裝完成。

（2）大壩基礎揚壓力監(jiān)測15支滲壓計安裝完成。

（3）大壩基礎裂縫變化監(jiān)測18支測縫計、4支裂縫計安裝完成。

（4）大壩基巖變形8套多點位移計安裝完成。

（5）大壩基礎溫度監(jiān)測4套（20支）基巖溫度計安裝完成。

（6）大壩應變應變及溫度監(jiān)測7套五向應變計組、2套三向應變計組、9套無應力計安裝完成、溫度計12支安裝完成。

（7）大壩接觸灌漿縱縫監(jiān)測35支測縫計安裝完成。

（8）大壩橫縫監(jiān)測8支測縫計安裝完成。

（9）壩體滲透壓力監(jiān)測6支滲壓計安裝完成。

（10）引水壩段壓力鋼管8支鋼板計、8支鋼筋計、8支測縫計安裝完成。

（11）消力池基礎7支測縫計安裝完成。

（12）新增大壩裂縫監(jiān)測2支裂縫計安裝完成。

（13）新增大壩溢流壩段反弧段1支。

本文只針對新壩施工期應力應變項目進行監(jiān)測資料分析。

2 施工期應力應變監(jiān)測資料分析

2.1 基巖和混凝土溫度

在9、19、23、32號4個壩段的基巖和混凝土內(nèi)埋設溫度計監(jiān)測基巖和混凝土溫度，目前9號壩段已埋設5支，19、23、32號各埋設7支總計26支?；鶐r溫度計深度在建基面以下8～16m之間，目前已埋設的混凝土溫度計一般在建基面以上4～11m之間。

各溫度計從2015年9月～2016年6月陸續(xù)埋設完成開始觀測，本次分析觀測成果截至2016年7月25日。埋設初期測次較密，后期為每周觀測1次，滿足設計要求的頻次。監(jiān)測儀器埋設部位、高程等見表2。

繪制基巖和混凝土溫度計測值過程線見圖1。

繪制基巖至混凝土溫度測值沿高程分布圖見圖2。

從分布圖可以明顯看出，基巖內(nèi)溫度計隨高程降低溫度也降低，這反映了基巖沿深度范圍內(nèi)的溫度分布，該分布符合一般認識。從過程線看出，基巖深處溫度變化幅度較平緩，靠近建基面溫度變化幅度稍大一些，靠近建基面溫度變化較大。

從過程線和分布圖還可以看出，當前各壩段混凝土內(nèi)溫度由于受氣溫影響明顯高于基巖內(nèi)溫度。

表2 溫度計埋設部位、高程表Tab.2 Iocation of thermometer and elevation table

圖1 9、23、32號壩段基巖和混凝土溫度計測值過程線Fig.1 9#、23#、32# Dam section bedrock and concrete thermometer measurement process line

圖2 9號壩段基巖和混凝土溫度計測值分布圖（建基面高程185m）Fig.2 9# Dam section bedrock and concrete thermometer Distribution（Built base elevation 185m）

（1）基巖溫度。

9號壩段基巖溫度在7.1～15.7℃之間，當前溫度10.7～11.9℃；23號壩段基巖溫度在9.0～17.6℃之間，當前溫度13.1～17.2℃；32號壩段基巖埋設以來溫度在7.2～14.4℃之間變化，當前溫度12.1～13.5℃；19號壩段基巖溫度在9.2～15.0℃之間，當前溫度10.2～12.3℃。

除23號壩段基巖當前溫度稍高在13.1～17.2℃之間以外，其他3個壩段溫度基本在10.2～13.5℃之間，溫度較為接近。

（2）混凝土溫度。

9號壩段混凝土溫度在9.7～21.0℃之間，當前溫度13.6～17.7℃；23號壩段混凝土溫度在11.7～26.4℃之間，當前溫度10.2～12.3℃；32號壩段混凝土溫度在9.7～24.6℃之間變化，當前溫度21.8～23.4℃；19號壩段混凝土溫度在22.5～26.9℃之間，當前溫度26.6～26.9℃。

實測混凝土內(nèi)的最高溫度介于17.8～26.9℃，目前19、23號壩段最高溫度26.9、26.1℃，超過了混凝土容許最高溫度23～24℃，需要根據(jù)溫控結(jié)果進一步分析及采取相應措施。

綜上所述，各壩段基巖和混凝土溫度空間分布符合規(guī)律，基巖溫度目前穩(wěn)定在10.0～13.5℃之間，23號壩段基巖溫度稍高在13.1～17.2℃之間。實測混凝土內(nèi)的最高溫度介于17.8～26.9℃，目前19、23號壩段最高溫度26.9、26.1℃，需要根據(jù)溫控結(jié)果進一步分析及控制。

2.2 混凝土應力應變分析

目前大壩混凝土內(nèi)部共埋設了無應力計10支，五向應變計組8組，三向應變計組2組，布置在5個壩段，每組應變計組均對應布置一支無應力計。應變計（組）與無應力計的對應關系以及儀器的具體埋設位置、埋設方式、埋設時間和基準值取值時間見表3。

表3 各向應變計組及對應無應力計埋設情況表Tab.3 The table of each strain gauge group and corresponding non-stress meter

為了解大壩內(nèi)部已埋應力應變監(jiān)測儀器的工作情況，初步掌握大壩混凝土應力應變變化情況，對所有已埋設的無應力計、應變計組的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了初步分析，分析時段截至2016年7月25日。本階段應力應變分析主要目的在于以下兩個方面：一是對已經(jīng)埋設的各類儀器的工作狀態(tài)及質(zhì)量進行認識及判斷發(fā)現(xiàn)可能存在的問題；二是通過已埋儀器的監(jiān)測資料分析來認識掌握施工初期應力應變狀態(tài)。其中，混凝土應力應變分析的主要工作包括：無應力計分析、彈模及徐變試驗資料處理、單支應變計分析、應變計組不平衡量檢查和平差、單軸應變換算、徐變應力計算、剪應力計算、主應力及其方向計算。正應力以拉為正，壓為負。由于條件和時間所限本次僅對無應力計進行模型分析，對應變計組進行不平衡量檢查等檢查分析。

2.2.1 無應力計分析

對9、19、23、32號壩段183～189m高程已埋設無應力計進行分析。無應力計測得混凝土的自由體積變形（或稱無應力應變），包括溫度變形、自生體積變形和濕度變形3部分。對無應力計監(jiān)測資料進行分析的主要目的有二：一是了解壩體混凝土溫度變形的實際線膨脹系數(shù)以及自生體積變化規(guī)律；二是利用無應力計分析得到的線膨脹系數(shù)和自生體積變形來計算工作應變計（組）的徐變應力。

計算工作應變計（組）的徐變應力時需要從實測應變中扣除無應力應變的部分，簡單的做法是直接用應變計組實測應變減去對應的無應力計應變，但這樣做有3個不足：一是無應力計單次測值本身存在測量誤差，直接相減會引起誤差傳遞；二是對應無應力計測點溫度與應變計組的平均溫度可能不一致；三是無應力計觀測時間與應變計組可能不一致。結(jié)果會導致應變計組應力應變誤差擴大，影響計算結(jié)果的準確性。而采用無應力計回歸方程來計算對應的無應力應變可以消除這些影響，提高計算精度。

目前可供分析的無應力計共8支。圖繪制了無應力計溫度及應變測值過程線。無應力計測值的影響因素相對而言比較簡單。當溫度測值平穩(wěn)變化而應變測值發(fā)生較大幅度的突變時，很可能由于觀測時存在系統(tǒng)誤差，例如9N2、23N1都存在這種現(xiàn)象。

在測值正常情況下，混凝土終凝后無應力計的應變與溫度之間會表現(xiàn)出明顯的線性相關關系，其斜率為混凝土的線膨脹系數(shù)。圖4為代表性測點應變與溫度相關圖，從中可以看出，9N1存在明顯的相關關系，其他測點應變和溫度由于測時較短及測量誤差等原因相關關系尚不明顯，需要進一步觀測和分析。

從大量的無應力計測值分析經(jīng)驗來看，無應力計一般都會較好地統(tǒng)計模型分析結(jié)果。通過統(tǒng)計模型分析，可以了解混凝土無應力應變的變化規(guī)律，即混凝土實際線膨脹系數(shù)以及自生體積變形趨勢性變化的類型；并且，當無應力計與對應的工作應變計（組）溫度條件不相同時，利用回歸方程來計算無應力應變。

圖4 9號壩段無應力計9N1應變和溫度相關圖Fig.4 9# Dam section No stress gauge 9N1 strain and temperature correlation chart

無應力計的實測無應力應變主要受測點溫度、自生體積及濕度變化的影響，模型方程形式一般如下：

式中：T——無應力計測點溫度；

t—— 測時距分析起始日期的時間長度，天；

a0，a1，a2，a3，a4——回歸系數(shù) ；

k=-0.01。

利用逐步回歸求解上述方程，所得a1為對混凝土線膨脹系數(shù)的估計值，時間函數(shù)的組合部分簡稱為時效分量，包括了自生體積變形及濕度變形的變化部分。

對無應力計進行統(tǒng)計模型分析，典型測點無應力計（9N1）可建立起有效的統(tǒng)計模型，模型時段2015年10月18日～2016年7月25日，模型結(jié)果過程線見圖5。模型方程如下：

圖3 9號壩段無應力計溫度和應變測值過程線Fig.3 9# Dam section bedrock No stress gauge temperature and strain measurement process line

模型復相關系數(shù)0.952，剩余標準差14.76με，線脹系數(shù)估計值即為11.476με/℃。一般認為當剩余標準差為3～6με（相當于1～2個電阻比）時，模型結(jié)果效果較好。由于本次分析時大部分測點數(shù)據(jù)序列太短，本模型結(jié)果僅供分析作參考。

圖5 無應力計9N1回歸分析結(jié)果過程線（R=9522，S=14.755）Fig.5 No stress gauge regression analysis of the results of the process line

從上述分析結(jié)果來看，混凝土線膨脹系數(shù)的估計值在11.98με/℃左右，由于目前未見到試驗資料，不能進一步對比分析。按經(jīng)驗估計此值偏大，估計與模型計算共線性有關。總體來看，目前的無應力計測值還不能完全反映出混凝土無應力應變情況，進一步的認識還有待于后期的觀測及分析。

2.2.2 應變計組分析

目前在9、19、23、32號壩段183～189m高程已埋設五向應變計7組，三向應變計2組。

繪制各壩段應變計組應變和溫度過程線見圖6。從各應變計組的測值過程線中可以看到，9S1應變計組2、3號儀器出現(xiàn)了較大變幅（300με）的測值跳動，初步判斷為觀測誤差引起的。除該組應變計組之外，一般單支儀器的應變測值變化在-100～100με之間，除19S1有超過30℃的溫度之外，其他單支儀器的溫度測值均在26℃以下。

圖6 應變計組9S1溫度和應變過程線Fig.6 Strain gauge temperature and strain line

在進行應變計組的徐變應力計算之前，要求應變計組要滿足“點溫度” “點應力”條件。是否滿足“點溫度”及 “點應力”條件是檢查應變計組測值是否可靠的兩個重要步驟，以下簡要介紹兩種條件的檢查結(jié)果。

（1）“點溫度”條件檢查。

“點溫度”條件是指同一組內(nèi)各支儀器的溫度測值應在一定范圍內(nèi)基本一致，沒有溫度梯度?？紤]到測量偶然誤差問題，一般根據(jù)應變計溫度的測量精度作為檢查標準，即同一測次多支儀器溫度差應控制在0.8～1.0℃之內(nèi)。從各應變計組溫度測值過程線中可以看到，同組中各支儀器溫度測值有較大差別，同一測次、不同儀器的最大差值為10℃，因此可以認為部分應變計組早期測值不能滿足“點溫度”條件。需要說明的是，多支應變計組表現(xiàn)為隨時間變化，各支儀器溫差減小的現(xiàn)象，觀測結(jié)果是否反映了實際情況尚需進一步研究。

（2）“點應力”條件檢查。

應變計組按平面或空間計算應力，需滿足“應變不變”條件，具體到豐滿大壩來說，同一平面內(nèi)的4支應變計應變應平衡，按設計編號表述，應滿足S_2+S_3=S_4+S_5，由于測量誤差，導致上面等式兩端存在不平衡量，但該不平衡量ΔS=S_2+S_3-S_4-S_5應在一定范圍內(nèi)，一般采用4～8個電阻比或者相當?shù)膽冎颠M行控制。已埋設的五向應變計組不平衡量檢查結(jié)果過程線見圖7。對所有8組應變計組，進行應變計組計算條件檢查，部分應變計組早期存在一定不平衡量超界的情況，但具體原因有所不同，例如9S1不平衡量值應該由于2、3號儀器存在系統(tǒng)誤差引起的，在后期計算和分析時應進行相應處理。

檢查結(jié)果總體來看部分應變計組早期測值存在未滿足“點溫度”“點應力”條件的情況，在其他工程中也曾存在類似觀測結(jié)果，對于本工程來說需要對此現(xiàn)象進一步查明原因，并在實際計算分析時進行相應的處理。

圖7 應變計組9S1不平衡量檢查Fig.7 Strain gauge group unbalance check

3 總結(jié)及建議

（1）通過目前無應力計統(tǒng)計模型分析，混凝土線膨脹系數(shù)估計值為11.4με/℃左右。部分無應力計測值與溫度相關關系不明顯，初步分析除施工和觀測等因素以外，與觀測時段較短也有一定關系。

（2）本次對應變計組分析主要為計算條件檢查，發(fā)現(xiàn)部分應變計組早期測值不滿足“點溫度” “點應力”條件，應變計觀測精度有待進一步提高。從量值上看，應變計溫度測值僅18S1出現(xiàn)過超過30℃情況，一般均低于26℃，與溫度計觀測結(jié)果基本一致。各應變計組單支儀器應變值一般在-100～100με之間，反映出施工期大壩受力基本屬于正常。

（3）后期應進一步關注無應力計測值與溫度相關關系，及時進行應變計組“點溫度” “點應力”條件檢查，保證為后期資料分析提供可靠數(shù)據(jù)。

（4）混凝土及基巖溫度監(jiān)測，各壩段基巖目前一般穩(wěn)定在10.0～13.5℃之間，23號壩段基巖當前溫度稍高。混凝土最高溫度介于17.8～26.9℃，目前19、23號壩段最高溫度分別為26.9、26.1℃，超過設計允許最高溫度，需要加強觀測，并結(jié)合溫控結(jié)果進一步分析及控制。

（5）混凝土應力應變監(jiān)測，無應力計統(tǒng)計模型計算結(jié)果表明混凝土線膨脹系數(shù)估計值為11.4με/℃左右，應變計溫度測值一般均低于26℃，與溫度計觀測結(jié)果基本一致。各應變計組單支儀器應變值一般在-100～100με之間，反映出施工期大壩受力基本屬于正常。

（6）已完成監(jiān)測項目實施符合規(guī)范要求，儀器完好率較高。已埋入儀器監(jiān)測資料連續(xù)、完整，大部分監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)基本可靠。

（7）建議關注各環(huán)節(jié)監(jiān)測實施，及時進行數(shù)據(jù)檢查，保證數(shù)據(jù)觀測精度及數(shù)據(jù)可靠性。對出現(xiàn)異常變化的測點及時記錄并反饋，并分析異常原因。

[1] 吳中如.水工建筑物安全監(jiān)控理論及應用[M].北京：高等教育出版社，2003.WU Zhongru. Hydraulic structure safety monitoring theory and application[M].Beijing ：Higher Education Press，2003.

[2] 張峰.新疆某工程發(fā)電引水系統(tǒng)運行性態(tài)分析評價[J].大壩與安全，2016（3）.ZHANG Feng. One project in xinjiang power generation water diversion system operation condition analysis and evaluation[J].Dam and Safety，2016（3）.

[3] 儲海寧.混凝土壩內(nèi)部觀測技術[M].北京：水利電力出版社，1989.CHU Haining. Inside the concrete dam observation technology[M]. Beijing ：Water Resources and Electric Power Press，1989.

[4] 李珍照，大壩安全監(jiān)測[M].北京：水利電力出版社，1997.LI Zhenzhao. Dam safety monitoring[M]. Beijing ：Water Resources and Electric Power Press，1997.

[5] 二灘水電開發(fā)有限責任公司.巖土工程安全監(jiān)測手冊[M].北京：水利電力出版社，2008.Ertan Hydropower Development Co. Ltd. Geotechnical engineering safety monitoring manual[M]. Beijing ：Water Resources and Electric Power Press，2008.