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华北水利水电学院工程硕士学位论文 黄壁庄水库防渗墙应变监测技术研究 摘要 安全监测对保障工程安全运行起着至关重要的作用，本文对黄壁庄 水库副坝混凝土防渗墙的应变监测技术进行了研究。在缺少混凝土徐变 试验资料的情况下，通过借用其他工程资料并用灰浆率进行修正的解决 方法，较好地满足了监测资料分析的需要；对防渗墙实测应力进行了统 计模型演算，并求出水压、温度、时效各分量值及变化规律，揭示了防 渗墙在各种条件下的实际工作性态；根据所建立的数学模型，预测了防 渗墙在特殊库水位情况下的内部应力状况；将实测资料分析与有限元分 析计算相结合，分析了理论计算与实测资料的异同，为今后理论计算提 供参考；本课题对黄壁庄水库副坝防渗墙安全性态进行了评价，为正确 防洪调度、保证大坝安全运行提供了技术支持，为大坝的管理提供了科 学依据。 关键词：混凝土防渗墙，安全监测，应力应变，徐变，统计模型 华北水利水电学院工程硕士学位论文摘要 s t r a i nm o n i t o r i n g t e c h n i q u er e s e a r c ho n a n t i s e e l a g ew a i j o fh u a n g b i z i i i i a n gr e s e r v o i r s a f e t ym o n i t o r i n gp l a y si m p o r t a n tr o l e so ne n s u r i n gp r o j e c t so p e r a t i o n s e c u r i t y t h i sp a p e rg a v ear e s e a r c ho us t r a i nm o n i t o r i n gt e c h n i q u eo f c o n c r e t e a n t i - s e e p a g e w a l li n h u a n g b i z h u a n gs e c o n d a r yd a m l a c ko f c o n c r e t ee r e e p a g ee x p e r i m e n t a t i o nd a t ai ss o l v e dt h r o u g hr e f e r e n c i n gd a t ao f o t h e rs i m i l a rp r o j e c t sa n d c o r r e c t i n gl i m em o r t a rr a t e ，w h i c hs a t i s f i e d m o n i t o r i n gd a t aa n a l y s i s s t a t i s t i c a lm o d e lc a l c u l a t i o no fa n t i - s e e p a g ew a i l m e a s u r e ds t r e s s ，d e t e r m i n a t i o no fw a t e rp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，a n ds t r a i n a g i n ge t c ，a n dr u l e sd i s c o v e r e dt h er e a ls t a t u so fa n t i s e e p a g ew a l li nd i f f e r e n t c o n d i t i o n s t h ei n n e rs t r e s sd i s t r i b u t i o no fa n t i - s e e p a g ew a l li ns p e c i a lw a t e r l e v e li sp r e d i c t e db yt h i sm o d e l c o m b i n a t i o no fm e a s u r e dd a t aa n df i n i t e e l e m e n tc a l c u l a t i o nv a l u ea n da n a l y s i so ft h ed i f f e r e n c eb e t w e e nc o m p u t e d a n dm e a s u r e dr e s u l t sp r o v i d e dr e f e r e n c ef o rt h e o r e t i e a ic a l c u l a t i o n t h i s p r o j e c t e v a l u a t e st h e s a f e t y s t a t eo fc o n c r e t e a n t i s e e p a g e w a l lo f h u a n g b i z h u a n gs e c o n d a r yd a m ，w h i c hc a np r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o rd a m o p e r a t i o ns e c u r i t ya n ds c i e n t i f i cb a s ef o rd a mm a n a g e m e n t k e yw o r d s ：c o n c r e t ea n t i - s e e p a g ew a l l ，s a f e t ym o n i t o r i n g , s t r e s sa n d s t r a i n ，c r e e p a g e ，s t a t i s t i c a lm o d e l 华北水利水电学院工程硕士学位论文 符号说明 符号说明 应变( 1 0 r 6 ) 电阻( o ) 仪器零上温度系数( c o ) ，由厂家给出 电阻比 应变计的最小读数( 1 0 - 6 0 0 1 ) 由厂家给出 埋设点的温度( ) ： 应变计的温度修正系数，x 0 - c ，由厂家给出 应力( m p a ) 弹性模量( m p a ) 龄期( 天) 灰浆率( ) f r 4 z 厂 r 6 盯 e r 町 竺韭查型查皇堂堕三垦堡主兰垡丝苎苎兰塞堕兰塑笪兰堕 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等 违反学术道德、学术规范的侵权行为。文中除已经标注应用的内容外， 本学位论文中不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得华北水利水电学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的 材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确 的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者：王永亮 2 0 0 7 年5 月8 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。 特授权华北水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入 有关数据库提供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、 汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文原件或 复印件和电子文档。( 涉密的学位论文在解密后应遵守此规定) 。 学位论文作者：王永亮 2 0 0 7 年5 月8 日 华北水利水电学院工程硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 大坝安全监测概述 建国以来，我国共修建近9 万座水库大坝，其中土石坝占9 0 以上。这些水利 工程在防洪、发电、供水和旅游开发等方面发挥了重要作用，取得了重大的社会 效益和经济效益，是国民经济的基础产业和基础设施。 由于水文、地质、施工质量、材料老化、运行管理等多方面原因，部分大坝 存在安全问题，影响着这些工程效益的发挥，甚至威胁下游人民的生命财产安全 这在国内外都有着深刻的教训。如1 9 5 9 年法国的马尔巴塞坝( m a l p a s s e t ) 、1 9 6 3 年意大利的瓦依昂拱坝( y a j o n t ) 以及1 9 7 5 年我国的板桥、石漫滩等大坝失事都造 成了严重危害。据1 9 8 0 年底的统计数据，我国各类水库的破坏次数共2 9 7 6 次，破 坏率为水库总数的3 4 ，而破坏的坝型中又以土石坝所占比例最高，达9 8 3 。 为保障工程的安全运行，必须对大坝进行安全监测。一系列大坝失事事件， 引起了各国政府对大坝安全监测工作的高度重视，相继建立和加强了大坝安全管 理机构，颁布了相应法令法规，大坝原型观测的作用由原先主要为设计、施工、 科研等技术服务一跃发展成为监测大坝的安全运行。 诞生于半个世纪以前的大坝安全监测是一门年轻学科，它目前已发展成为融 合多门学科、自成体系的一门新的综合性学科。国外开展大坝监测早于国内，意 大利的大坝监测，自2 0 世纪7 0 年代以来一直处于国际领先地位。意大利在2 0 世纪 7 0 年代以前主要注意建造新坝，2 0 世纪7 0 年代以后更注重对已建坝的监测和维 护。它要求每座坝在施工初期就安装仪器；观测应贯穿于整个旅工期；坝建成后 第一次蓄水时，进行高频次的监测；运行期大坝主要观测项目都具有必不可少的 数据自动化采集和远程传送系统；对监测成果的解释主要靠数学模型。 我国f 1 2 0 世纪5 0 年代开始进行大坝安全监测工作，但受当时技术条件和认识 的限制，发展较为缓慢进入2 0 世纪7 0 年代，特别是8 0 年代以来，随着现代科学 技术的迅猛发展和国家的重视，大坝安全监测技术有了长足的进步。不仅成立了 专门的管理机构，建立了有关法律法规，而且还投入了大量的人力物力，开发研 制了多种类型的监测仪器，使我国大坝安全监测技术的总体水平有了质的飞跃。 大坝安全监测资料分析是一门边缘的综合学科，国外在5 0 年代以前主要是对 华北水利水电学院工程硕士学位论文 第一章绪论 测值的描述和解释。1 9 5 5 年意大利的法那林( f a n e l i ) 和葡萄牙的罗卡( r o c h a ) 等，率先用统计回归定量分析了大坝的变形监测资料。从这以后，葡萄牙、意大 利、奥地利、前苏联等国的学者相继对观测值的定量分析进行了研究。7 0 年代以 前，我国对监测资料的分析属于定性分析。7 0 年代末期在河海大学陈久宇教授的 带领下，我国也开始了运用数理统计方法对监测资料进行定量分析。针对单测点 测值建立的三大数学模型( 统计模型、确定性模型和混合模型) 近2 0 年来已得到了 广泛的应用“1 目。 1 2 混凝土防渗墙安全监测概况 混凝土防渗墙是适用于土石坝和深覆盖层地基的有效防渗措施，防渗墙技术 起源于欧洲，1 9 5 0 年前后开始在意大利和法国等国应用，我国的防渗墙建设开始 于2 0 世纪5 0 年代末期。1 9 9 8 年统计，我国建成的深度超过4 0 m 的防渗墙有4 4 道， 总面积超过5 4 万m 2 。 我国的混凝土防渗墙原型观测是从密云水库防渗墙开始的。据不完全统计， 全国有2 0 多座防渗墙埋设了观测仪器，进行了原型观测。 混凝土防渗墙其墙体的特性决定在安全监测方面有其独特的要求和规律。在 防渗墙技术应用初期，对其工作性态的认识曾不够清楚，通过工程实践中的观测 才逐步加深了解。例如碧口土坝的混凝土防渗墙观测资料表明，两侧填土沉降对 防渗墙产生很大的摩擦力，是设计中不可忽视的因素；通过龙羊峡堆石坝围堰的 观测成果，了解到围堰中的混凝土防渗墙存在较大的预压应力和初始弯矩，设计 中为了使心墙适应较大变位而设置的“水平铰”没有起多大作用，防渗墙的工作 性态接近弹性地基上的长梁。 从以上的一些实例，可以了解到观测系统的几种作用，在施工期，观测资料 为工程的施工提供有用的信息；在初次蓄水及蓄水之后的运行中，观测成果就成 为检验设计施工质量和判断工程安全程度的依据；从长期观测资料的计算分析和 进一步的研究中，可以获得改进设计和施工方法的反馈信息。 防渗墙原型观测的项目主要有墙体的变形、应变、土压力、渗透压力等，使 用的观测仪器主要有应变计、测斜仪、土压力计、渗压计等。观测仪器从结构原 理上主要分差动电阻式和钢弦式两种。 在应力应变观测方面，混凝土坝一般布置4 5 5 1 应变计组，同时每一应变计 2 华北水利水电学院工程硕士学位论文 第一章绪论 组旁布设一支无应力计；而混凝土防渗墙一般在墙体上下游分别布设单向应变 计，无应力计布设较少观测仪器布设的不同，造成在观测资料误差处理、应力 计算上需要采取不同的方法“”。 1 7 1 1 3 选题背景 黄壁庄水库是一座以防洪为主，融灌溉、发电、城市供水、工业供水、环境 供水于一体的控制性大( i ) 型水利枢纽。下游保护对象及范围包括： 1 ) 城镇及重要工、矿区：2 1 个市县及华北油田、大港油田； 2 ) 人口数量：1 0 0 0 万人； 3 ) 耕地面积：1 2 4 5 万亩： 4 ) 铁路：石德铁路、石太铁路、京广铁路、京九铁路； 5 ) 公路：京深高速公路、津保高速公路、1 0 7 国道。 黄壁庄水库于1 9 6 8 年1 0 月主体工程基本完成。“9 6 8 ”洪水后，为解决水库 的病险状况，从1 9 9 8 年1 0 月份开始对水库进行以副坝防渗墙、新增非常溢洪道为 主的除险加固。 作为地下隐蔽工程的防渗墙，其实际工作性态关系到水库运行的安危，其作 用极为重要。为此，在防渗墙内部埋设有大量的观测仪器，用以监测防渗墙的运 行情况。 内部应力观测反映了在外荷载的作用下防渗墙工作性态的变化情况，对防渗 墙早期的异常变化可做出较迅速的反映，为我们监测防渗墙的运行状念提供了可 靠的数据。同时应力观测资料还可以对设计及施工技术进行反馈，对今后的设计 和施工技术的改进提供参考多年安全监测的经验表明，应力应变观测较位移观 测更易发现工程异常的先兆，可较早她找出局部范围的结构性变化的原因和部 位，故进行应力应变观测资料的分析研究是十分必要的。 资料分析是安全监测的一个重要环节。近年来国内许多科研机构都开展了安 全监测方面的研究，并取得了显著的成绩，与国际先进水平的差距日益缩小限 于我国进行安全监测的混凝土防渗墙数量较少，在混凝土防渗墙安全监测方面的 研究相对比较薄弱，同时由于基础的复杂性，各个混凝土防渗墙具有不同的特点， 要充分了解其独特的工作运行性态，及时监测大坝的安全运行，最直接和可靠的 方法就是对防渗墙的第一手观测资料进行分析研究。 3 华北水利水电学院工程硕士学位论文第一章绪论 1 4 主要研究内容 本文以黄壁庄水库副坝防渗墙建设期的大量内部观测资料为基础，通过计算 分析墙体实际应力，评价施工期防渗墙的安全状况，并综合分析了外界因素对防 渗墙工作性态的影响，在研究的基础上，建立统计型数学模型，为今后大坝的运 行及管理提供科学依据。主要研究内容有： 1 ) 对应变计观测值进行可靠性检查。 2 ) 校核各仪器基准值时间的合理性和基准数值的可靠性。 3 ) 根据选定的基准时间和基准值计算无应力计应变，并采用最小二乘法用 无应力计应变和温度的相关关系反演求取混凝土温度膨胀系数。 4 ) 根据求取的混凝土温度膨胀系数，推算混凝土自生体积变形，分析其变 化规律。 5 ) 编制混凝土实测应力计算程序，计算各测点温度、各测点应力等。 6 ) 根据计算得到的应力数值，建立统计型数学模型，求出水压、温度、时 效各分量值及变化规律，预测在特殊水位下防渗墙内部应力。 7 ) 将实际观测数值与有限元理论计算值进行对比分析，以期对工程设计与 实际应用进行指导。 4 华北水利水电学院工程硕士学位论文第二章混凝土应变监测原理 第二章混凝土应变监测原理 2 1 主要观测仪器及其工作原理 观测混凝土应力是个十分复杂的技术难题，迄今为止还没有研制出能直接观 测混凝土拉、压应力的实用而有效的仪器。混凝土应力应变的观测，主要是利用 应变计观测混凝土应交，再通过力学计算，求得混凝土应力分布 常用的应变计有埋入式应变计、无应力式应变计和表面应变计从工作原理 上分，主要有差动电阻式、钢弦式、差动电感式、差动电容式和电阻应变片式等。 国内多采用差动电阻式应变计。配合埋设无应力应变计，进行混凝土应力应变观 测唧。黄壁庄水库副坝防渗墙采用的就是差动电阻式应交计，本文以下内容就针 对差动电阻式应变计进行研究m 。 ( 一) 差动电阻式应变计 差动电阻式传感器由美国加州大学卡尔逊教授研制，我国南京电力自动化设 备厂从上世纪5 0 年代开始研制生产，并应用于大量的水利水电工程中。针对该 类仪器内阻低、仪器电阻变差对测值的影响等难题，国内工程技术人员创造了五 芯测量原理，形成和完善了一整套抗潮能力高、温度误差小的五芯差动电阻式测 量系统，并开发了一些耐高压和大量程的仪器。 差动电阻式应变计主要由电阻传感器部件、外壳和引出电缆三部分组成，见 图2 - 1 。电阻传感器件由两组差动电阻钢丝、高频绝缘瓷子和两根方铁杆组成。 钢丝经过预拉，张紧固定在支杆上。当仪器受外力而变形时，一根钢丝被拉伸， 其电阻增加，另一根钢丝收缩，其电阻减少，测量两根钢丝电阻的比值变化就可 以求得仪器的变形量。 1234 气f 70 j l 一上接座；2 一渡纹；3 一十性! ；4 一女 杆；5 一自势瓷子；6 一咀钢丝； 7 一接线座；8 密目星；9 一接座套；1 0 一橡口目；l l 一压目；l e 三一m 自缆 图2 - 1 差动电阻式应变计结构示意图 f i g u r e2 - 1t h es t y l eo fd i f f e r e n t i a lr e s i s t a n c es t r a i ng a u g e ss t r u c t u r e 5 华北水利水电学院工程硕士学位论文 第二章混凝土应变监测原理 当仪器温度不变而轴向发生应变量为p 的变形时，电阻比变化z 与 具有 如下线性关系： -faz(2-1) 式中，应变计的最小读数，1 0 6 0 0 1 ，由厂家给出。 当应变量不变而温度增j j l i a t 时，电阻比变化z ，表现为仪器存在应变量 p ，这个应变量仅仅由温度造成，在计算实际应变量时，必须扣除。 e - 拙一而( 2 - 2 ) 式中b 应变计的温度修正系数，1 0 ，由厂家给出。 埋设在混凝土内的应变计，通常受变形和温度双重作用，其应变计算公式为： 8。-faz+b出(2-3) 式中r 。应变计实测的总应变量( 1 0 6 ) 。 仪器内部总电阻足与仪器温度t 有如下关系： 当6 0 f o 时，t - 口( r r ：) 当o f 2 5 3 2 时，t a f t ( r r ：) 式中卜埋设点的温度( ) ； 母一仪器总电阻值( 风胡l + r 2 ) ( q ) ； 凰器计算冰点电阻( q ) ，由厂家给出； a 仪器零上温度系数( o ) ，由厂家给出； a 仪器零下温度系数( 3 2 o ) ，由厂家给出。 由上述可知测出应变计的电阻值风和电阻比z 即可算出混凝土的应变量。 ( - - ) 无应力应变计 混凝土由于温度、湿度以及水泥水 化作用等原因产生“自由体积变形”， 实测混凝土自由体积变形的仪器称为 无应力应变计，简称“无应力计”。用 锥形双层套筒，使埋设在内套筒中的应 变计，不受筒外混凝土荷载变形的影 响，而筒口又和外部混凝土连成一体， 使筒内与筒外保持相同的温度和湿度， 结构型式见例图2 2 。这样内筒混凝土产 6 图2 2 无应力应交计结构型式示意图 f i g u r e2 - 2n os t r e s sg a u g e ss t r u c t u r e 华北水利水电学院工程硕士学位论文 第二章混凝土应变监测原理 生的变形，只是由于温度、湿度和自身原因引起的，而非应力作用的结果。内筒 测得的应变即为自由体积变形造成的非应力应变，或称自由应变。口。 2 2 应变计埋设及观测简述 我国防渗墙仪器埋设通常采用吊索法、挂布法、推顶法、套管法、钻孔法和 钢构架法等。应变计的埋设方法常采用吊索法和钢构架法。 监测仪器安装埋设测得初始状态数据，确定基准值之后，仪器便进入正常的 工作状态，开始观测运行。应变计的计算为相对计算，每个仪器必须有一个基准 值。基准值是仪器安装埋设后开始工作前的观测值。基准值确定的恰当与否直接 影响到以后资料分析的正确性，因此基准值的确定必须考虑仪器安装埋设的位 置、所测介质的特性、仪器的性能及环境因素等。 混凝土应变观测可以根据各种参量预计的和已经发生的变化速率确定和调 整观测频率。一般是在仪器安装埋设后立即进行一次观测，之后每隔4 小时观测 一次至混凝土终凝；混凝土冷却阶段每天观测一次；混凝土浇筑一个月以后至工 程竣工，一般观测周期保持在一周；投入长期运行以后，第一次蓄水期后的头5 年1 次旬一1 次月，之后1 次月一1 次季“”。 2 3 应变观测数据误差处理“卅嘲 正常的观测系统采集的观测数据存在的误差主要是随机误差，影响较小，易 于消除。不正常的观测系统除了随机误差之外，还存在系统误差，系统误差的影 响可能使观测成果无法解释，甚至导致错误的判断，对大坝安全产生不利的后果。 对于已经积累了很长时问的的大量观测资料进行整理计算时，首先需要对这 些资料进行检验，采取一定的方法检查观测资料的可靠性，尽可能的将一些误差 很大的资料剔除出来或加以修正，经过检验和误差处理的观测资料才能用以计算 观测成果。 混凝土防渗墙内应变计采用单支埋设，仪器的误差检验一般采用两种方法； 一种是依据观测物理量的一般规律和仪器测值的特性进行对比分析，称之为对比 分析法。一种是用统计理论进行检验，称之为统计检验法。 ( 一) 对比分析法 本方法适用于分析系统误差。无应力计埋设后，电阻比和温度测值是一个渐 7 华北水利水电学院工程硕士学位论文 第二章混凝土应变监测原理 变的过程，二者的发展趋势是反向的。在分析系统误差时，首先分析无应力计是 否存在系统误差，将电阻值计算成温度，绘制电阻比和温度的过程线，先检查温 度过程线是否合理，然后对比检查电阻比过程线是否合理。分析完无应力计是否 存在系统误差后，再分析相邻位置埋设的应变计观测资料。 ( 二) 统计检验法 本方法适用于分析随机误差。一种简单实用的方法是检验测值的跳动值： d j - 2 y ，一( ) ，j “+ y 卜i ) ( 2 - 4 ) 式中功一仪器测值，j = 2 、3 、，n - 1 。 由甩个测值可得栉2 个而，当雄足够大时可按一定的概率如“3 0 ”法进行 检验，舍弃异常值。 去除观测资料的粗大误差后，可采用三点修匀或五点修匀方法加以修匀，使 曲线平滑，以进一步消除随机误差。 2 4 应力计算叫矧 混凝土内部的总应变f 。包括非应力因素产生的自由应变p d 和应力引起的 应变r ，可用下式表示： ee。一eo(2-5) 式中r 应力引起的应变量( 1 0 - 6 ) ； ，。一应变计实测的总应变量( 1 矿) ； 8 旷一无应力计实测的自由应变量( 1 0 - 6 ) 。 混凝土在长期荷载持续作用下不是弹性材料，而是一种具有徐变特性的材 料。混凝土在长期荷载持续作用下，其变形会不断增长，这种随加荷时间持续而 增长的变形称为徐变变形。混凝土在应力作用下的总变形包含两部分，一部分是 加荷的瞬间立刻发生的弹性变形，一部分是持续加荷后发生的徐变变形。由应变 量计算应力值时应考虑混凝土的徐变变形。 从应变资料计算实际应力的方法一般有三种：1 ) 有效弹模法，计算简单， 不适于施工期。2 ) 叠加法，按计算过程不同叠加法又分为变形法和松弛系数法， 其实质是一样的，而且都必须具备徐变实验资料，叠加法是常采用的计算方法。 3 ) 流动率法，需要的试验资料较少。下面介绍松弛系数法的计算过程。 如果混凝土在内外力作用下，产生一定的应变后，使其应变保持不变，由于 8 华北水利水电学院工程硕士学位论文 第二章混凝土应变监测原理 混凝土的徐变性能，应力将随时间逐渐降低，这种现象称为应力松弛。可表示为： 盯( f ) c ，撂，( f ，f o ) ( 2 - - 6 ) 式中 口广一初始应力，在扭7 0 时开始作用于混凝土体； 弓以r o 卜松弛系数，由徐变曲线算得的松弛曲线的纵坐标。 在通过徐变试验求得松弛系数后，混凝土内的实际应力按下式计算： + l 以- 荟a 啦瓴) 巧亿一) ( 2 - 7 ) 式中 口，一第开时段混凝土的实际应力； 8 广一第i 时段单轴应变的增量； 联r 沪一第i 时段的瞬时弹性模量； 局( f 。l ，r 沪一第i 时段的松弛曲线上在r 州时刻的数值 9 华北水利水电学院工程硕士学位论文第三章黄壁庄水库副坝防渗墙应变监测方法 第三章黄壁庄水库副坝防渗墙应变监测方法 3 1 工程概况“” 黄壁庄水库位于河北省石家庄市i 毗3 0 k m 鹿泉市黄壁庄镇，是海河流域子牙河 水系滹沱河中下游重要的控制性大( i ) 型水利枢纽，总库容1 2 1 亿血3 。水库任务 以防洪为主，兼顾城市供水、灌溉、发电等。 黄壁庄水库于1 9 5 8 年1 0 月正工，经过扩建、加固等于1 9 6 8 年1 0 月主体工程基 本完成。枢纽建筑物主要由主坝、副坝、电站重力坝、正常溢洪道、新增非常溢 洪道、非常溢洪道等组成。主坝为水中填土均质坝，坝顶长1 7 5 7 6 3 m ，最大坝高 3 0 7 m ；副坝亦为水中填土均质坝( 部分坝体为碾压式均质坝) ，坝顶长6 9 0 7 3 m ， 最大坝高1 9 2 m ；重力坝为常态混凝土坝，内含输水洞和发电洞，坝顶长1 3 6 5 m ， 最大坝高2 8 1 1 1 ；正常溢洪道为岸边开敞式实用堰，堰顶高程1 1 3 o o m ，净宽9 6 m ， 分8 孔布置，泄洪底孔2 孔；非常溢洪道为岸边胸墙式宽顶堰，堰项高程1 0 8 o o m ， 堰顶净宽8 5 8 m ，分1 l 孔布置；新增非常溢洪道为5 孔胸墙式宽顶堰，堰顶高程 1 0 8 o o m ，净宽6 0 m ；灵正渠涵管为主坝内圆型埋管，管径1 4 5 m 。 在近4 0 年的运行中，水库在防洪灌溉、供水发电等方面发挥了巨大的作用， 在“6 3 8 ”和“9 6 8 ”特大洪水中，发挥了蓄洪、消减洪峰及错峰作用。但由于 工程本身存在的诸多隐患，水库多年来一直处于带病运行状态，在汛期不得不限 制水位运行，不但严重限制了水库效益的发挥，而且还威胁着下游石家庄市、天 津市、华北油田以及京广，京九铁路的安全。 为解决水库的病险状况，1 9 9 9 年3 月黄壁庄水库除险加固工程正式开工，主 要工程包括副坝垂直防渗墙、高喷墙、新增非常溢洪道等。2 0 0 3 年底主体工程完 工。加固后，水库防洪标准为5 0 0 5 - - 遇洪水设计，1 0 0 0 0 年一遇洪水校核，水库 总库容1 2 1 亿m 3 ，死水位1 1 1 5 m ，起调水位1 1 4 m ，汛限水位1 1 4 m ，正常蓄水位 1 2 0 m ，设计洪水位1 2 5 8 4 m ，校核洪水位1 2 8 m 。 3 2 副坝防渗墙施工概况 副坝防渗墙划分5 个标段实旅，设计总成墙混凝土量2 6 4 5 万m 3 。其处理范围 为左起桩号0 + 1 2 0 5 0 m ，右至桩号5 + 7 0 0 o o m ，总长度5 4 4 3 m ( 桩号0 + 1 3 0 5 0 m 0 + 2 6 7 o o m 段为电站重力坝，未做防渗墙) 。另外对6 + 5 5 0 0 0 m 6 + 7 5 0 o o m 段砂砾 石透镜体进行了旋喷处理。其中桩号0 + 1 2 0 5 0 m 0 + 1 3 0 5 0 m 段和0 + 2 6 7 0 0 n i 华北水利水电学i 完工程硕士学位论文第三章黄壁庄水库副坝防渗墙应变监溯方法 0 + 8 4 0 0 0 m 段为高压旋喷防渗墙，旋喷墙总长度5 8 3 m 。桩号0 + 8 4 0 0 0 m 5 + 7 0 0 0 0 m 段为混凝土防渗墙，混凝土防渗墙长度4 8 6 0 m 。 混凝土垂直防渗墙采用板槽式搭接型，防渗墙轴线位于坝轴线上游2 9 m 处， 即防浪墙位置防护长度为左起桩号0 + 8 4 0 0 0 m ，右至桩号5 + 7 0 0 0 0 m ，长度为 4 8 6 0 m 。防渗墙顶高程为1 2 5 5 0 m ，墙底高程为：全风化基岩，墙底嵌入岩层2 0 m ； 强风化基岩，墙底嵌入岩层1 5 m ：弱风化基岩，墙底嵌入岩层1 0 m 。在设计入岩 深度内遇到未穿透的溶洞时，打穿溶洞后入岩0 5 m ；在设计入岩深度内遇到未穿 透的断层破碎带时，入断层破碎带3 0 m 。墙高在6 0 m 左右混凝土防渗墙厚8 0 c m ， 墙体材料采用普通混凝土 防渗墙造孔采用钻劈法、钻抓法或二者相结合，泥浆护壁。清孔换浆采用抽 筒法或泵吸法进行。 墙体材料采用普通混凝土，要求2 8 天龄期的力学指标为抗压强度1 0 m p a ， 抗渗等级s 8 ，弹性模量1 7 5 g p a ，弹强比小于1 7 5 0 根据设计对混凝士性能的 要求，采用的施工配合比见表3 1 表3 - 1 副坝混凝土防渗墙施工配合比 水胶粉煤膨润 编号水 水泥砂小石中石d h 6d m 4 e备注 比 灰 土 2 ( ) 0 0 - 3 1 2 p 1 3 1 0 6 52 5 43 6 61 66 6 75 黯3 9 33 0 8 前使用 y 1 1 00 6 42 3 0 42 5 58 02 56 4 4 5 舳3 8 61 8 3 3 防渗墙安全监测系统布置 副坝桩号0 + 8 4 0 5 + 7 0 0 段为混凝土防渗墙，防渗墙轴线位于副坝轴线上游 2 9 m 处。 为监测防渗墙在运行过程中的应力应变的变化情况，初设时沿防渗墙选择五 个观测断面进行观测，五个观测断面分别为1 + 7 5 7 6 、2 + 3 7 4 5 、3 + 1 2 1 8 5 、4 + 4 8 2 7 、 5 + 3 5 2 2 ；2 0 0 3 年在塌坝段增加了一个观测断面4 + 0 8 6 5 。每个观测断面按不同高 程布置五匕组应变计( 每组两支，对称分布于上下游，应变计与墙面的距离均 为0 1 m ) 、三一四组土压力计和三支无应力计。 应变计和土压力计均按预埋方式埋设，即先将仪表安装固定后再浇筑混凝 土。仪器平面布置图见图3 - 1 ，典型断面测点布置见图3 2 。 华北水利水电学院工程硕士学位论文 第三章黄壁庄水库副坝防渗墙应变监测方法 匝嘲怡旧塔孱鼷r递磐鲣邃州繇赠群蔼一_匝 华北水利水电学院工程硕士学位论文第三章黄壁庄水库副坝防渗墙应变监测方法 2 一 亚1 2 ! 苎 s s 4 - 1 0 s x 4 - 1 0 卫! 呈至：9留 显1 2 皇! q n 4 - 6 回填恢复坝体土 口1 1 5 0 原埂体土 l 原坝体土 s s 4 - 9 s x 4 9 亚噬5 、亚! ! 15 留 n p 层v 砂 t s 4 - 6 it x 4 6 显! q 15 莲嗵 【】婴8 皿丛， 卵石层_ 石 皿缈s s 4 7 一 t x 4 - 1 5 显7 5 5 s x 4 n 4 - 4冒。一7 溯 一 红土卵石层 显幽滁： 【】 s x 4 6 亚! q 15 。t x 4 4 红土卵 可、 层 层 石层 图3 - 2 桩号4 + 0 8 6 7 防渗墙应变监测布置图 f i g u r e3 - 2t h es t r a i nm o n i t o r i n gl a y o u to f 4 + 0 8 6 7 3 3 仪器埋设 黄壁庄防渗墙应变监测选用南京电力自动化设备总厂生产的差动电阻式仪 器，应变计型号为d i 2 5 b ，测量范围：压缩2 0 0 0 1 0 r 6 ，拉伸2 0 0 x 1 0 r 6 ；无应 力计型号为d i - i o ，测量范围：压缩1 2 0 0 x1 0 r 6 ，拉伸6 0 0 x1 0 r 6 ；电缆线为南洋 电缆厂生产的y s z w 水工观测电缆。埋设的每支仪器在出厂时均进行了出厂检 验，在仪器安装埋设之前，按规范要求对每支仪器的各项技术指标进行检验。 土建标段内的监测仪器安装埋设，由葛洲坝集团基础工程有限公司、中国水 利水电基础工程局、河北省水利水电工程局等相应标段的土建施工单位负责；设 计增加的塌坑部位监测仪器安装，委托长江水利委员会长江水利科学院负责完 成。 混凝土防渗墙施工工序是先开挖浇筑槽，槽内采用泥浆固壁和平压，混凝土 浇筑从槽底部开始，连续浇筑，泥浆逐渐被顶出，在混凝土浇筑过程中槽内始终 华北水利水电学院工程硕士学位论文第三章黄壁庄水库副坝防渗墙应变监测方法 保持满槽的泥浆，这样给混凝土应变计、无应力计及土压计安装定位及埋设增加 了困难，与一般混凝土结构中仪器安装埋设有较大区别。针对现场情况，在混凝 土浇筑之前，采用沉块和钢支架相结合的办法，预先将仪器安装固定在泥浆里( 土 压计承压面贴紧两侧槽壁、应变计距槽壁l o o m m ) ，然后随混凝土浇筑埋入防渗 墙内，这样保证了监测仪器定位精度，但存在混凝土无应力计与应变计无法同期 浇入混凝土内、由于受泥浆影响致使混凝土与应变计之间可能存在粘结不密实等 问题，给观测和应力计算带来误差。 3 4 施工期观测 在仪器下设完毕后即将所有仪器测量一次，在埋设完毕后2 4 小时内，每4 小时观测1 次，在浇筑过程中，每当混凝土面上升到每个仪器布设高程时，就对 其进行一次测量；此后每天观测3 次，直到混凝土达到最高水化热温升时为止； 之后每天观测1 次，持续1 0 天；此后每月观测6 次。 1 4 华北水利水电学院工程硕士学位论文第四章黄壁庄水库副坝防渗墙应变监测分析 第四章黄壁庄水库副坝防渗墙应变监测分析 4 1 无应力计观测资料整理分析 4 1 1 误差处理 首先检验温度过程线是否合理，然后对比查看对应的电阻比过程线是否合 理，运用对比分析法对观测资料进行误差检验和修正。坝体内部混凝土温度变化 应是一个渐变的过程，在相邻几个测次的观测中不应发生电阻值跳动，因此对于 过程线上发生突变的单个测值应加以剔除。当相邻两个测次之间温度测值发生1 以上台阶性变化时，认为是由于观测原因造成的系统误差，对其电阻测值进行 了误差修正。例如a 1 + 7 5 7 6 、a 2 + 3 6 7 0 和a 3 + 1 2 1 8 5 断面所有应交计和无应力 计的电阻测值在2 0 0 2 年1 0 月2 5b 2 0 0 4 年3 月2 3 日发生台阶性抬升，a 4 + 0 8 6 5 断面所有应变计和无应力计的电阻测值在2 0 0 3 年9 月2 0 日2 0 0 4 年3 月2 5 日 发生台阶性抬升，其电阻值均比前后测值偏大0 4 0 ，折算成温度相当于升温1 8 左右，见图4 1 。分析认为是由于观测的原因导致的系统误差，相应四个断面 a 1 + 7 6 5 6 、a 2 + 3 6 7 0 、a 3 + 1 1 6 9 5 、a 4 + 0 9 5 2 埋设的土压力计电阻测值在相应时 间内也发生了电阻测值偏大0 4 q 的情况，这更能表明是由于观测原因造成的系 统误差。对此进行了电阻测值整体减0 4 0 的修正 嚣 。錾 暑8 1 7 9 7 7 8 7 2 0 0 0 年2 月2 0 0 0 年l o 月2 0 0 1 年7 月2 0 0 2 年4 月2 0 0 3 年1 月2 0 0 3 年1 0 月2 0 0 4 年7 月 图4 - ia 2 + 3 7 4 5 断面电阻测值台阶性变化 f i g u r e4 - 1t h er e s i s t a n c ev a l u eo ft h e a 2 + 3 7 4 5s e c t i o nc h a n g el e v e l 在1 8 支无应力计中，大部分仪器温度测值正常，整体上表现为埋设初期快 速降温，后期底部仪器平稳降温、顶部仪器随气温周期性波动。有7 支仪器的电 阻比测值不太正常，其测值跳动频繁或有台阶性跳动，见图铊图“。 华北水利水电学院工程硕士学位论文第四章黄壁庄水库副坝防渗墙应变监测分析 4 1 2 基准值确定 确定基准值的依据有三条：1 ) 一般基准值选在浇筑入仓2 4 小时之后，混凝 土与应变计开始共同工作的时间来作为基准时间；2 ) 当温度和电阻比过程线已 呈相反趋势变化时，表明仪器已开始工作；3 ) 观测值的变化已经比较平滑且有 规律。以此确定无应力计的基准值，各仪器的基准值见表4 - 1 。 表4 1 无应力计基准日期 观测断面 a 1 + 7 5 7 6 a 2 + 3 7 4 5 a 3 + 1 2 1 8 5 a 4 + 4 8 2 7a 5 + 3 5 2 2a 4 + 0 8 6 5 浇筑日期 2 l ，o o 9 - 3 02 0 0 0 - 4 2 82 0 0 1 4 2 8 2 0 0 0 6 - 3 2 0 ( x ) - 4 - 2 5 2 0 ( o 6 - 1 2 基准日期 2 0 0 0 - 1 0 1 2 0 0 0 - 4 - 2 92 0 0 1 - 5 6 2 0 0 0 - 6 - 4 2 0 0 0 喇一2 7珈3 6 - 1 4 华北水利水电学院工程硕士学位论文第四章黄壁庄水库副坝防渗墙应变监测分析 4 1 3 温度膨胀系数计算分析 在原型观测中，无应力计是用来测量除外力作用以外的由于混凝土物理、化 学因素以及温度、湿度变化引起的变形。由无应力计得到的应变为自由体积变形， 用f o 表示，其表达式为： f o - g o ) + o a t + f ， ( 3 一1 ) 式中f ( 疗由混凝土物理、化学因素引起的自生变形( x 1 0 - 6 ) ； 口t - - 温度变化引起得变形( x 1 矿) ； f - 湿度变化引起的变形( 1 旷) 。 混凝土浇筑后，自生体积变形g ( 力及温度变化都很大，经过一段时间后， f ( 力的发展趋于平缓，温度开始下降，一般认为r 变化不大，在降温时段认为 以力+ f “o ，利用上面公式可计算混凝土温度膨胀系数口。将无应力计应变测 值和温度测值绘制成过程线，在这一曲线上取降温段的短时间间隔的应变变化 f 。和相应的温度乃则温度膨胀系数可按下式计算： 口= f0 a t( 3 - 2 ) 式中p 无应力计的自由应变在降温阶段的变化值( l 旷) ； ，同一时段的温度变化值。 根据室内混凝土试验资料得知混凝土的温度膨胀系数和水泥品种、骨料、水 泥用量有关，而混凝土龄期及常温下温度变化对a 的影响并不大，因此，取上述 混凝土降温段的无应力计观测资料求得的口可以作为全部观测时段的温度膨胀 系数使用。 由于没有进行徐变试验，缺少温度膨胀系数的试验值，而由观测资料推算的 温度膨胀系数值是否合理，是需要认真分析的。经过对1 8 支无应力计的试算后 可知，所选取的时段对计算的口值影响很大，同是在降温段，前后错几个测值或 增减几个测值对口值都能产生一定的影响。经试算并分析后，决定依照以下原则 选取时段：1 ) 选在降温段；2 ) 尽量选在初期温度升到最高后，降温较迅速的时 段。3 ) 使得相同桩号以及同类型的混凝土的自生体积变形尽量接近。 按上述方法计算得到6 个断面的1 8 支无应力计的温度膨胀系数，其变化范 围为4 9 2 1 2 6 2 ，在一般混凝土的温度膨胀系数范围内，同一桩号的三个温度膨 胀系数基本相同。结果见表4 2 。 1 7 华北水利水电学院工程硕士学位论文 第四章黄壁庄水库副坝防渗墙应变监测分析 表4 2 温度膨胀率统计 t a b l e4 - 2t h es t a t i s t i c so ft h et e m p e r a t u r ee x p a n d a b l er a t e 观测断面观测仪器 温度观测断面 观测仪器 温度 桩号编号膨胀率桩号编号膨胀率 n 1 1 9 7 1 n 4 - 1 8 2 7 峨订飘矗 n l - 21 1 1 9 a 4 + 4 8 2 7 n 4 29 7 7 n 1 - 39 7 9 n 4 - 3 5 2 5 n 2 - 17 1 5n 5 14 9 2 a 2 + 3 7 4 5 n 2 - 21 0 0 r 7 a 5 + 3 5 2 2 n 5 2 5 7 0 n 2 - 38 1 1 n 5 _ 3 5 0 4 n 3 11 1 7 4n “9 7 0 a 3 + 1 2 1 嬲 n 3 21 0 3 8 a 4 + 0 8 6 5 n 4 - 5 9 n 3 - 3 1 2 6 2n 4 - 6 8 3 0 4 1 4 自生体积变形计算分析 根据求出的温度膨胀系数及自由体积变形公式，算出自生体积变形和p ， 即g ( 幻+ = s 。一口t o 由于r 较小，因此p 可以认为忽略，由此即可得 到全部自生体积变形o ( t ) 。 在1 8 支无应力计中，有1 5 支仪器推算的自生体积变形为膨胀性，其中有6 支仪器推算的自生体积变形初期膨胀然后收缩；a 3 + 1 2 1 8 5 断面3 支仪器推算的 自生体积变形为收缩性。见图4 _ 5 图4 1 0 。 1 8 华北水利水电学院工程硕士学位论文 第四章黄壁庄水库副坝防渗墙应变监测分析 4 2 应变计原始观测资料整理分析 4 2 1 误差处理 多数应变计的温度和电阻比的关系曲线呈负相关关系，总体状况较好。 华北水利水电学院工程硕士学位论文第四章黄壁庄水库副坝防渗墙应变监测分析 与无应力计的误差处理方法相同，首先检验温度过程线是否合理，然后对比 查看对应的电阻比过程线是否合理，运用对比分析法对观测资料进行误差检验