石门拱坝混凝土自生体积变形分析

　　1概述石门水利枢纽工程位于陕西省汉中褒河下游，在峡谷出口处上游1.8km，距汉中市约18km.枢纽工程由混凝土双曲拱坝、河床电站、河东、河西引水灌溉渠首、反调节池等建筑物构成，是一座以灌R为主、结合发电的综合利用的大型水利工程。

　　石门拱坝是一座变圆心、变半径的混凝土拱坝，坝篼88m，弧长260m，坝顶宽5.0m，大底宽27.3m，采用6个中孔泄洪，孔口尺寸为7x8m.为监视石门拱坝的运行性态，在拱坝监测系统中布置了相当数量的坝体内部监测仪器，包括应变计、钢筋计、测缝计、温度计等。由于混凝土材料的特殊性，内部监测仪器的实测资料分析较之变形、渗流等监测资料的分析要复杂，其中尤以应变计（组）的计算分析为繁难。

　　众所周知，在混凝土坝原体监测中，为了获得由外力产生的变形，必须扣除应变计实测变形中的非应力变形部分。这可由埋设在应变计附近的无应力计测值中取得。因此，在应力应变监测设计中必须布置一定数量的无应力计。配合石门拱坝坝体应力应变监测，在一些相应的应变计组旁边布置了共计19支无应力计，具体位置参见。

　　2无应力计分析埋设无应力计的目的，在于量测在无约束状况下的混凝土变形特性，以便在应变计资料中，确定由外力产生的应力应变。此外，研究无应力计变形中自生体积变形的规律对于揭示大坝混凝土自生体积变形特性对坝体结构应力的调整作用具有很大的实用价值。通过对原体监测资料的分析研究发现，初期具有一定微膨胀、且后期保持稳定的自生体积变形的混凝土能使坝体产生一定的预压作用，对坝体混凝土施工温度应力可能发生的不利拉应力有明显的改善作用。因此，研究混凝土自生体积变形不仅可为分析施工期坝体混凝土结构性态提供必要的依据，而且也为研制、选择坝工建设中有利的混凝土材料提供宝贵的资料。

　　2.1混凝土自生体积变形的概念无应力计所测得的是不受外力（如水压力、自重等）作用的自由体积变形。关于混凝土自由体积变形的含义，通常认为是由自由温度变形和混凝土自生体积变形组成。至于混凝土自生体积变形，则有不同说法，如在定义时称它是“在自由状态下的混凝土除了由温度变化而引起体积变化以外的体积变化”，“它是由化学及物理两种原因所造成的”。则定义为“自生体积变化是由于混凝土内部的化学反应而引起的”。事实上，影响混凝土自生体积变化的因素很复杂，仅混凝土的纯化学反应至少会引起三种体积变形，即水浞水化所的闶相体积增大、水化时液相体积的减少和可能的混凝土硷骨料反应产生的体积膨胀。其中液扣体积的变化尤为复杂，混凝土中的自由水有一部分进人晶体成为结合水；有的进人晶体的层状结构或孔隙之间成为层间水；有些水与硅酸盐水化成为胶凝体，它吸附的一部分水称为胶凝水；还有一部分剩余的、保留在毛细孔隙中的纯液相水。这部分毛细管水容易同外界进行交换，所谓的混凝土湿度变化主要就是指这部分水的变化。

　　2.2基准时间的确定对于内部监测仪器而言，基准值的确定很重要。按照内观仪器的工作特点，无论是无应力计还是应变计，均应将其和混凝土开始共同变形的时刻作为观测值的零点。提供了内部监测仪器基准时间选择的方法，即以混凝土终凝时间作为基准点。参照该文采用混凝土得到一定热能就会终凝这一观点确定混凝土的终凝时间，其所需总内能取为209KW4，有表达t为起始时间，tA则作为终凝时间，2.3无应力计资料分析方法由上述混凝土自生体积变形构成的机理即可看出，混凝土自生体积变形的规律是与构成混凝土的水泥、骨料的成分及水泥水化过程的条件和环境有关，同时还和混凝土周围的环境等多种因素有关。此外，无应力计实测数据中还可能包含有因仪器埋设部位、埋设方法等因素而产生的附加变形。因此，无应力计自生体积变形的形态和规律不可能是一致的，即使是在同一座大坝，不同部位的混凝土自生体积变形也可能变化较大，有时甚至出现变形性态相反的情况0为便于简化分析，在一般情况下，将无应力计所测得的应变分为由自由温度变形oAT、自生体积变形G（t）和观测误差8.如果仪器埋设不当，仪器工作不自由，则可能存在不应出现的应力应变e1；再则，如果仪器埋设在温度梯度较大的部位时，还可能存在由于温度变形引起的测值失其句。

　　总之，可以将总应变写为：在这里，混凝土自生体积变形G（t）是包括了上面所述的水泥在水化和硬化过程中所引起的全部体积变化。

　　无应力计有多种分析方法，此处采用线性回归方法来确定混凝土的热膨胀系数a和自生体积变形G（t），从而求出非应力应变aAT+G（t）。

　　在（1）略去+，则总应变可写为：采用实测无应力计度AT作为因子，建立统计模型其中t以天为单位，基准时间时为零点，用X13在丨971.111987.12间的676个样本点作逐步回归，得复相关系数为0.9874，标准差9.237，佳回归方程为：U）无应力计X13自生体积变形但从（b）中可以看出，S（t）具有明显的周期性。如前所述，对于自生体积来说这是不可能的。既然自由温度变形已由oAT提取，则S（t）的年周期变化表明在e⑴中有El或（和）存在。

　　为讨论残差S（t）中存在周期性的原因，用式分别对S（t）和X13的温度值作回归分析，结果见表1，即S（t）较TX13有84的提前。

　　表1瀛度回归结果仪器复相关系数R标准差s系数Cl相位角3 X13位于V570篼程，距下游坝面约lm.由于温度梯度较大，存在引起S（t）有周期性变化的两种可能：一是由于埋设不当，无应力计筒的作用部份损失，使无应力计部分地和坝体混凝土成为一体，从而受到约束，产生应力应变；另一种可能是由于无应力计竖向安放，在温度梯度的作用下，筒内混凝土发生类似于悬臂梁的弯曲，引起无应力计弯曲而使测值失真。

　　若是由于埋设不当，则无应力计相当于一支应变计。考虑Y与之位置相同的应变计S103，由温度梯度引起的应力应变应与之相同。用正弦函数拟合由于温度梯度引起的应变。由表1可知，无论是相位、还是幅值，和X13的S（t）均不一致。

　　如果是第二种可能，则由于X13很靠近下游面，亦可以从相位上加以判断。

　　如所示，由于混凝土块ABCD处于无约束状态，其温度位移：就A、B两点来说，由于x方向为温度梯度方向，其变形自即这种弯曲在时间上应和温度梯度一致。

　　写出X方向的温度分布为：则比较（11）式和（9）式可知，由于弯曲产生的应变计失真相对于自由温度应变的相位差应为然不同，设AB变形到AB，从而使无应力计发生弯曲，由于（7）式可得所以，可以认为X13的8中的周期性响应是两种因索的共同作用。

　　无论是那一种厣因，均不能认为是自生体积作用。即在8（中的周期性响应应予扣除。

　　由于认为S（t）为观测误差，故只用A⑴代替A（+8（t）作为自生体积变形，具体见（a）。

　　无应力计扣用期性因索后的残差过程线8（t）3灌凝土自生体积变形规律按照上节讨论的方法，采用A（或A（t）作为自生体积变形，对石门拱坝各支无应力计的测值作逐步回归，其结果列于表2，各测点混凝土的自生体积变形曲线绘于中。表3则列出了石门拱坝混凝土材料、配比及其自生体积变形的牿征信息。

　　表2无应力计分解缑果一览表仪器热膨胀系数（10-51/）田5石门拱坝灌土自生休积变形G（l>从计算结果来看，石门坝体混凝土的膨胀系数在：到11.2xl-5l/t；：间。平均约为9.47xlO5l/t，由于热膨胀系数和混凝土组成材料、环境等因素有关，存在差别是正常的。

　　表明，坝体混凝土的自生体积变形除X18以外均为膨胀型，而且大多数（除X2以外）均已稳定，X2自生体积变形的发展是因为其位置的原因，它埋设在8坝段的V537篼程中部。X3虽然位置和X2相似，但混凝土特性不同。实际上，X2所在混凝土的抗压强度为330kg/Cm2，而X3所在的混凝土则为289kg/Cm2.X18的混凝土自生体积变形为收缩型，估计是因为水泥存放过久（由500降为400使用）所致。

　　表3石门拱坝灌凝土材料与自生休积变形仪器编号埋设高程部位水泥品种水泥标号水泥用量（kg/m3）水灰比混凝土标号自生体积变形变形特性1变形量（岬）拱冠中部跃县硅酸盐先缩后胀左拱中部跃县硅酸盐膨胀右拱上游跃县硅酸盐右拱下游跃县硅酸盐膨胀拱冠上游跃县硅酸盐拱冠中部跃县硅黢盐拱冠下游跃县硅酸盐膨胀左拱上游跃县硅酸盐左拱中部跃县硅酸盐蟛胀左拱下游跃县硅酸盐膨胀拱冠上游跃县硅酸盐膨胀拱冠下游跃县硅酸盐膨胀右拱上游跃县硅酸盐右拱下游跃县硅酸盐拱冠上游天山矿渣先缩后胀拱冠下游天山矿液先缩后胀拱冠上游跃县硅酸盐降为收缩拱冠下游跃县硅酸盐降为由表3可以看出，石门拱坝至少采用了硅酸盐和矿渣这样两种不同性质的水泥和生产厂家，但它们的自生体积变形却都呈膨胀特性。一个很自然地推断就是，产生这种膨胀型自生体积变形的主要原因是当地的混凝土骨料具有较大的活性，水泥混凝土中的碱-骨料反应导致了混凝土体积的持续微膨胀。它的膨胀量甚至能抵消掉矿渣水泥初期产生的较大收缩，后期仍能达到一定的微膨胀量。它启示我们在混凝土大坝工程的水泥和沙石骨料场选择时，进行混凝土自生体积试验，可能找到能产生具有一定量的微膨胀自生体积变形的材料，则对改善大体积混凝土工程的施工应力状态和建筑物的运行性态都将带来好处。

　　由表中还可看出，水泥标号高比标号低的活性含量高，以其拌制的混凝土的自生体积变形也比水泥标号低的混凝土要大。但是，高标号水泥若放置时间过长，其活性将大幅度降低，以致其与骨料进行的碱-骨料反应所产生的混凝土自生体积膨胀甚微。如位于V610高程的无应力计X18，其混凝土自生体积一直为收缩变形。此外，从表中也可看出，处于同一部位、同一种混凝土材料的自生体积变形其特性相近，且其自生体积变形的数值也较接近。如位于V570高程拱冠上、下游部位的无应力计X12、X13属于同一种配比的混凝土，其自生体积变形的特性几乎完全一致。

　　4小结混凝土自生体积变形是混凝土在凝结、硬化过程中自身产生的一种体积变形，其变形性态除与组成混凝土的水泥、沙石等材料的特性有关外，还受到其周围环境的影响，其变形性状差异很大。从埋设在混凝土中的无应力计实测资料中分解出自生体积变形时可能包含有通常表现为周期性变化的附加变形，在分析时应予以剔除。石门拱坝混凝土的两种水泥中，硅酸盐水泥在水泥水化、硬化过程中有可能产生膨胀性的体积变形，但其矿渔水泥则是收缩型的。然而石门拱坝的混凝土自生体积变形基本上是呈膨胀型的，它表明石门拱坝的混凝土沙石料含有较高的活性，水泥与骨料发生的硷-骨料反应，产生了持续的体积增长。即使是矿渣水泥混凝土，其后期的自生体积变形仍然是膨胀型的。在工程建设中，有意识地选择能产生具有微膨胀性自生体积变形的混凝土材料，对于改善施工期混凝土结构的应力状况、降低工程造价、提高工程质量将带来显著的效果。