（水利工程专业论文）混凝土坝应力应变观测资料分析及软件研制.pdf

a u t h o r ss i g n a t u r e ： i i i ll l ii l li lli ii i iiiil y 1713 6 7 9 一 o b u p e r v i s o r 7 ss n g n a t u r e ： t h e s i sr e v i e w e rl ： ( 姓名! 驱鳌! 墼僮，王回) t h e s i sr e v i e w e r2 ： t h e s i sr e v i e w e r3 ： t h e s i sr e v i e w e r4 t h e s i sr e v i e w e r5 ： c h a i r ： ( 姓名3 驱鏊) 望僮) ( c o m m i r e eo fo r a ld e f e n c e ) c o m r n i t t e e m a n1 ： c o m m i t t e e m a n2 ： c o m m i t t e e m a n3 ： c o m m i t t e e m a n4 c o m m i t t e e m a n5 ： d a t eo fo r a ld e f e n c e ： 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘茔或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：电话： 摘要 大坝从种类上分有土石坝、混凝土重力坝、混凝土拱坝等，然而每一种坝由 于监测项目和监测目的的不同，采集的数据种类也不尽相同，因此数据分析模型 也不尽相同。虽然大坝观测资料分析技术层出不穷，但是目前我们很难找到一个 具体的分析某一类型的大坝监测数据的专用软件。因此，本文将在总结现有大坝 观测资料分析方法，尤其是混凝土坝应力应变观测资料分析方法的基础上，研制 一套应力应变观测资料分析软件。 应力应变观测是研究工程工作状态以及估计工程安全状况的重要方法之一。 但由于混凝土不仅有自由体积变形，而且在长期应力作用下，还产生徐变变形， 所以不能直接用弹性应力应变关系计算混凝土的实际应力，必须研究混凝土自由 体积变形和徐变变形对应力的影响。本文的工作内容如下： 混凝土的变形及应力分析 混凝土内一点的总应变包含两个部分：一部分是外力和内部约束力引起的应 变称为应力应变；另一部分是自由体积变形引起的应变，称非应力应变。计算应 力所用的应变应为从总应变中减去非应力应变，才是产生应力的应变。 自由体积变形是不受外力作用的混凝土，其体积将由于温度和湿度的变化以 及水泥的水化作用而不断地变化而产生的变形，它包括三部分，即混凝土自生体 积变形，混凝土温度变形以及混凝土湿度变形。这种变形可以由无应力计测量出 来。 应力应变观测及资料的误差处理 观测值除含有测读误差和量测设施的系统性误差外，不可避免地还含有外界 因素引起的波动。后者往往大于测读误差，并难以预知和控制。这种波动有时包 括某些次要因素扰动变化的影响。如果直接引用上述个别测值作为分析依据，可 能会掩盖或歪曲数据的实际变化规律。由于这类波动对观测序列而言一般表现为 随机性或伪随机性，在将测值提供应用之前可通过合适的误差处理方法予以削 弱，使处理后测值比较符合观测序列的整体规律。本文采用统计检验法和五点应 变平衡法对观测数据误差进行处理。 实际应力计算方法研究 混凝土的实际应力是应力一应交观测的最终成果，用以研究混凝土坝的应力 分布，评价大坝的安全性和经济性。经过误差检验和修正的应交观测资料计算成 单轴应变后就可以计算混凝土单向实际正应力。由于考虑徐变影响的方式不同， 计算方法不同，本文主要采用变形法、应力松弛法进行实际应力计算。 基于经验模态分解的混凝土自由体积变形提取 混凝土内的实际应力是根据单轴应变增量逐步累加求得，而单轴应变又是根 据实测总应变扣除自由体积变形而得到。在实际工程中，总应变是根据应变计或 应变计组测得，而自由体积变形则是根据无应力计测得。由于施工的原因，以及 大坝运行过程中的多种不确定性因素的存在，无应力计测值和应变计组测值很难 同时出现。本文采取经验模态分解方法从应变计总应变中提取出混凝土自由体积 变形，从而解决了在缺少无应力计测值情况下常规分析方法无法计算的问题。 关键词：混凝土坝，误差处理，应力应变，经验模态 a b s t r a c t t h ed a mi sc l a s s i f i e di n t oe a r t ha n dr o c k - f i l ld a r n ，c o n c r e t eg r a v i t yd a m ， c o n c r e t ea r c hd a m ，a n ds oo n d u et ot h ed i f f e r e n c eo fm o n i t o r i n gp r o j e c t sa n d m o n i t o r i n gp u r p o s e s ，t h ek i n do ft h ec o l l e c t e dd a t ai sd i s t i n g u i s h i n gf o re a c hk i n do f t h ed a m a sar e s u l t ，t h em o d e l su s e dt oa n a l y s i st h ed a t aa r ed i f f e r e n t u pt on o w , t h o u g h e n u m e r a t e m a n ya n a l y t i c a l m e t h o d so nt h eo b s e r v a t i o nd a t ac a nb e e n u m e r a t e d ，t h es o f t w a r es p e c i a l i z e di ns o m ek i n do ft h ed a mc a nn o ts t i l lb ef o u n d s o ，i nt h i sp a p e r , a f t e rs u m m a r i z i n gt h ee x i s t i n gm e t h o d s ，e s p e c i a l l yo nt h ec o n c r e t e d a m s ，as e to fs o f t w a r es p e c i a l i z e di no b s e r v a t i o nd a t ao ft h ec o n c r e t ed a m si s p r o d u c e d 砀es t r e s ss t r a i no b s e r v a t i o ni sa ni m p o r t a n tm e t h o du s e dt os t u d yt h ew o r k i n g o r d e ra n de v a l u a t et h es a f ec o n d i t i o no ft h ee n g i n e e r i n g a st h ee x i s t e n c eo ft h ef r e e v o l u m ed e f o r m a t i o na n dt h et i m ed e f o r m a t i o n ，t h ea c t u a lc o n c r e t es t r e s sc a nn o tb e g o tf r o me l a s t i cs t r e s s s t r a i nm o d e ld i r e c t l y w em u s ts t u d yt h a tt h ef r e ev o l u m e d e f o r m a t i o na n dt h et i m ed e f o r m a t i o ni n f l u e n c eo nt h es t r e s s s ot h ef o l l o w i n ga r e w h a tw eh a v ed o n e 1th eco n c r e t ede f o r m a t i o na n dst r e s sa n a l y s i s 功et o t a ls t r a i no fs o m ep o i n ti nc o n c r e t ei n c l u d e st w op a r t s ：o n ep a r ti sc a l l e d t h es t r e s ss t r a i np r o d u c e db ye x t e r n a ll o a d sa n di n t e r n a ls a n c t i o n ；t h eo t h e ri sc a l l e d t h en o n s t r e s ss t r a i np r o d u c e db yt h ef r e ev o l u m ed e f o r m a t i o n w ec a l lg e tt h es t r e s s s t r a i nt h r o u g hs u b t r a c t i n gt h en o n s t r e s ss t r a i nf r o mt h et o t a ls t r a i n 。 t h ef r e ev o l u m ed e f o r m a t i o ni n c l u d e st h r e ep a r t s ，s u c ha ss e l f - g r o w nv o l u m e d e f o r m a t i o n t e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o na n dh u m i d i t yd e f o r m a t i o n n ef r e ev o l u m e d e f o r m a t i o nc a nb em e a s u r eb yn o n s t r e s sg a g e 2st r e s sst a i n0b s e r v a t i o na n de r r o rre d u c t i o n n l eo b s e r v a t i o nd a t ai n c l u d e st h ef l u c t u a t e p r o d u c e db y e x t e r n a lf a c t o r i n e v i t a b l yb e s i d e sm e a s u r e m e n te r r o ra n ds y s t e me r r o r t h el a t t e ri su s u a l l yg r e a t e r t h a nt h ef o r m e r , a n di sd i f f i c u l tt op r e d i c ta n dc o n t r 0 1 i ft h ef l u c t u a t ei su s e dt o a n a l y s i s ，t h et r u ec h a n g i n gl a wc a nn o tb eg o t b e f o r et h e ya r eu s e d ，t h e ym u s tb e r e d u c e d i nt h i sp a p e r , s t a t i s t i c a lv e r i f i c a t i o nm e t h o da n d5p o i n t ss t r a i nb a l a n c e a b l e m e t h o da r eu s e dt or e d u c et h ee r r o r 3s t u d yo n ca l c u l a t i o nm e t h o do fac t u a lst r e s s 1 1 1 ep u r p o s eo ft h es t r e s ss t a i no b s e r v a t i o ni st os t u d yt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no f t h ed a m a f t e re r r o rr e d u c t i o n ，t h es t r a i no b s e r v a t i o n a ld a t ac a l lb eu s e dt og e tt h e u n i a x i a ls t r a i nw h i c hw ec a ng e tt h ea c t u a ls t r e s st h r o u g hw i t ht h eh e l po fs o m e m e t h o d s ，s u c ha sd e f o r m a t i o nm e t h o da n dr e l a x a t i o nc o e f f i c i e n tm e t h o di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：c o n c r e t ed a m ，e r r o rr e d u c t i o n ，s t r e s ss t r a i n 目录 第一章概论1 1 1 研究意义1 1 2 国内外大坝观测资料分析发展现状2 1 3 本文的工作内容5 第二章混凝土的变形7 2 1 混凝土的自生体积变形7 2 2 混凝土的干湿变形7 2 3 混凝土的自由温度变形一8 2 4 混凝土的弹性变形和徐变8 第三章混凝土实际应力计算1 3 3 1 混凝土体内的应力状态1 3 3 2 混凝土体内的应变状态1 6 3 3 混凝土的弹性应力应变关系1 9 3 4 混凝土实际应力计算方法2 1 3 4 1 有效弹模法2 3 3 4 2 叠加法2 3 第四章观测资料误差检验和处理2 6 4 1 观测系统的误差分析2 6 4 2 单支仪器观测资料的检验和处理2 6 4 2 1 对比检验法2 7 4 2 2 统计检验法2 9 4 3 基准值的选择2 9 4 4 应变计组的误差检验和处理3 0 第五章基于e m 3 的混凝土自由体积变形值分离3 3 5 1 经验模态分解方法3 3 5 2 大坝应变经验模态分解3 4 5 3 小结3 9 第六章程序设计及应用举例4 1 6 1 应变计算模块4 l 6 1 1 应变转换4 l 6 1 2 单轴应变计算4 3 6 2 误差处理模块4 5 6 2 1 统计检验法4 5 6 2 2 五向点应变平衡4 5 6 3 应力计算模块4 7 6 3 1 变形法应力计算4 7 6 3 2 松弛系数法应力计算4 8 6 3 3 平面主应力计算4 9 6 3 4 图形处理5 0 6 4 实例应用5 0 6 4 1 工程概况5 0 6 4 2 坝基地质概况5 0 6 4 3 大坝应力应变监测系统布置情况5 1 6 4 4 监测量符号规定5 l 6 4 5 应变计运行状况5 1 6 4 6 应变计观测资料分析5 2 6 4 7 混凝土应力计算成果5 6 第七章结论与展望6 4 7 1 结论6 4 7 1 1 混凝土应力应变分析及应力计算6 4 7 1 2 基于经验模态分解的混凝土自由体积变形提取6 4 7 2 展望6 4 主要参考文献：6 6 硕士期间论文及成果7 0 致谢7 1 混凝土坝应力应变观测资料分析研究及软件研制第一章概论 1 1 研究意义 第一章概论 ( 1 ) 大坝安全管理的重要性 我国水库大坝安全管理和社会经济发展紧密相连，大坝安全管理大致经历了 三个发展阶段，第一阶段是从新中国成立到1 9 7 8 年改革开放，该阶段以粗放管 理为特点；第二阶段是从改革开放到2 0 世纪9 0 年代末，该阶段以法规制度建设 不断完善为特点；第三阶段是从新世纪开始，以水利工程管理体制改革和病险水 库除险加固为特征，大坝安全管理从计划经济逐步向市场经济转化【1 1 。随着社会 经济不断发展，单位面积土地上的财产净值日益增多，以及政府对公共安全问题 日益重视，大坝安全管理工作的重要性也与日俱增。 然而，水库大坝数量多、规模大以及建设条件复杂等因素，给我国大坝安全 管理工作带来了相当大的困难。我国已建8 7 万多座水库大坝【l 】，随着水利资源 的深入开发，选建坝址的地质条件越来越复杂，再加上近几年来新建大坝的规模 又不断向高、大方向发展( 如二滩、百色、小浪底和三峡等水库大坝) 。这些因 素的存在，使得对大坝的监控成为大坝运行过程中的重中之重。 ( 2 ) 大坝系统的复杂性 大坝作为一个系统，复杂性是其重要的基本特征。这种复杂性主要表现在： 大坝工作性态受外界因素( 如气象、水文等) 影响较大，气温的变化将导致混 凝土坝内温度荷载的变化，降雨量的变化将导致库水位的变化，以及气候条件的 作用将导致坝体材料力学性能的变化；大坝是一个开放的系统，这种开放性将 导致系统演化的复杂性。大坝系统演化一方面表现为从一种相对平衡状态向另一 种相对平衡状态转移，另一方面表现为系统功能、结构和目的变化。在系统演化 过程中，坝体和坝基性态的变化( 如坝体开裂、坝体材料老化等) 以及大坝工况 的改变( 如空库、灌浆加固等) 都会使系统工作性态从一种状态向另一种状态转 移，这种转移往往使系统表现出时变特性；大坝空间结构具有复杂性，这是因 为构成大坝坝基的天然岩体，在漫长的地质年代里，曾经受过复杂的地质构造运 动和风化、侵蚀等作用，不仅每一座坝下的岩体性质各不相同，就是一座坝下不 同部位的岩体状态也互有差异。 ( 3 ) 本项目的研究意义 为了加强水库的安全管理，保障水库的安全运行。水利部在1 9 9 5 年颁发了 水库大坝安全鉴定办法，对于坝高在1 5 m 以上或库容在1 0 0 万m 3 以上的水 库大坝，在建成运行后，应在初次蓄水后2 - - 5 年进行一次安全鉴定，运行期间 的大坝，原则上每隔6 - - 1 0 年进行一次安全鉴定。通常我们用结构力学法或有限 混凝土坝应力应变观测资料分析研究及软件研制 第一章概论 单元法计算分析大坝的应力状况，由于坝体内温度场、边界条件异常复杂及材料 参数取值( 尤其是各向异性材料) 相当困难，计算的结果实际上比较理想化，并 不能真正反映坝体的实际工作应力状态。因此一般在许多大中型水库混凝土坝 ( 浆砌石坝) 及土坝的重要混凝土构件中均埋设有大量的应力应变观测仪器进行 监控。通过对应变观测资料的分析、解析、提炼和概括，可以掌握坝的运行状态、 保证大坝安全运用，也可以检验设计成果、监察施工质量和认识坝的各种物理量 变化规律。 本项目的主要研究工作的目的是建立一套明确的分析方法和分析模型，使观 测资料分析成果更能反映工程的实际情况，揭示工程实际存在的问题，为水库大 坝安全鉴定提供更加可靠的分析依据。 1 2 国内外大坝观测资料分析发展现状 2 0 世纪5 0 年代以来，国内外在观测数据分析工作方面得到了长足发展，具 体可归纳为如下几个方面： 观测数据误差处理 大坝原始观测数据既隐含着大坝实际状态的信息，又带有观测过程中所不可 避免的测量误差。按性质分，其可以分为系统误差、随机误差和粗差三大类。粗 差显著地偏离实际值，对数据分析结果影响很大，严重的时候将影响到模型参数 的估计，进而影响到模型的拟合结果和外推预报性能。 在早期，技术人员对粗差的剔除主要依赖于过程线经验分析。目前已产生了 许多方法，其中大部分是统计检验法。如黄卫兰等假设观测物理量随时间缓慢变 化，通过检验每个值的跳动特征与平均值之间的关系来判别离群值【2 】；丛培江将 监测效应量与环境量看作随机序列，通过检验监测效应量与环境量概率分布，在 给定概率水平下确定监测效应量的异常值【3 1 ；赵志仁提出“连”检验法来判断测 值是否出现趋势性故障信号【4 】。 近几年来，人们将小波分析引入到大坝安全监测异常值识别和处理中。将实 际观测到的一组大坝观测数据作为通常意义下的时序信号，并对其进行小波变换 分析。具体方法有模极大值法降噪【5 7 】、小波阈值法降噪2 1 和平移不变量小波法 降噪i l3 j 等。其中在大坝安全观测数据分析中，常用的是小波阈值法降噪，以及 根据噪声和有用信号的小波变换系数模极大值在不同分解尺度上的传播特点，利 用模极大值的传播规律来区别噪声和有用信号。小波分析处理异常值的方法与传 统方法相比，其建立的预测模型精度高于传统方法，有广阔的应用前景。 观测数据的正分析 影响大坝状态的多种内外因素综合在起，观测值是其集中反应。为了分解 影响因素，找出主要因素以及各因素的影响程度，必须对测值做分解和剖析。 一2 一 混凝土坝应力应变观测资料分析研究及软件研制第一章概论 从分析方法上看，上世纪5 0 年代以前的观测数据研究与分析主要是对测值 的定性描述和解释。1 9 5 6 年，意大利的d t o i l i l l i 首次将影响大坝位移的因素分 解成水压、温度和时效三部分，其中水压分量和温度分量用三次多项式表示；1 9 5 8 年葡萄牙的r o c h a 等以函数来表示水位因子，并且采用大坝横断面各层平均温度 和温度梯度作为温度因子；1 9 7 7 年意大利的f a n e l i 等将有限元理论计算值与实 测数据有机的结合起来，提出了混凝土大坝变形的确定性模型和混合模型，以监 控大坝的安全状况【1 4 1 。国内从1 9 7 4 年开始，河海大学陈久字教授等率先应用统 计回归分析原型观测数据l l 射，自此，数学模型被引入到大坝观测数据分析中来。 2 0 世纪8 0 年代中期，吴中如等从徐变理论出发推导了坝项时效位移表达式，用 周期函数模拟温度、水压等周期荷载，并用最d - 乘法进行参数估计。在此基础 上，他还提出了裂缝开合度统计模型的建立和分析方法、坝顶水平位移的时间序 列分析方法以及连拱坝位移确定性模型的原理和方法，并在实际工程中得到了成 功应用。近2 0 年来，随着非线性数学、系统理论以及信息技术的发展，新的理 论和方法纷纷被引入到大坝安全观测数据分析中来，并取得了一定的成果【1 5 硎， 如贝叶斯理论、时间序列模型、模糊数学、灰色理论、神经网络、k a l m a n 滤波 法、遗传算法、粒子群算法、混沌理论等等。除此之外，一些学者还充分考虑到 测点测值与测点所处的空间位置的关系，将测点变形观测值扩展到整个坝体空间 上进行分析【2 阳。 ：大坝安全综合评判与决策 大坝安全评价就是在考虑大坝运行期间，分析影响大坝安全的各种因素，从 而对大坝安全作出的综合评判。这些影响大坝安全的因素可以分为定性的和定量 的两种。判断某大坝工程是否安全，从定性上分析往往是根据大坝结构特性和大 坝安全监测设置特点，将大坝安全监测项目( 仪器监测和巡视检查) 联系起来综 合考虑。从定量上分析则是考虑大坝监测是以单点为主的，首先对单点监测数据 进行分析，确定该点处的大坝安全状态：然后再综合考虑其他点的运行情况，最 终对大坝性态作出评判。 单测点的变形监控指标往往受到坝型、坝高、坝体材料、运行时间和运行环 境等多类因素的影响。目前一般通过物理方法或者观测资料分析法，并结合专家 经验来确定。由于物理方法【1 4 , 4 9 】( 如结构分析法和极限状态法等) 需要参数多， 而且这些参数均难以得到，目前较多的是应用观测数据分析法【5 0 5 1 】( 如置信区间 法、小概率法等) 来确定。 大坝安全综合评价是一个多指标和多层次的分析方法，由于问题的复杂性和 多样性，不同的大坝具有不同的特点，各种影响因素的重要性也不尽相同，大坝 安全综合评价相对较困难。再加上现有的评价方法( 如多级灰关联评估、模糊综 合评判等) 诸多参数需人为设置，其评价结果受评价者主观因素的影响很大。 观测数据与大坝结构性态的反分析 混凝土坝应力应变观测资料分析研究及软件研制第一章概论 反分析是将正分析的基础上，通过相应的理论分析，将计算结果和原型观测 数据进行比照，借以反求大坝和地基的材料参数以及某些结构特性等。吴中如等 人提出利用原型观测数据，由统计模型结合确定性模型的有限元成果，反演坝体 材料参数( 如混凝土弹性模量、温度线膨胀系数以及坝体混凝土的断裂韧度等) 3 2 - 3 4 。顾冲时等利用弹性理论结合原型观测数据分析结果，导出了湿胀应力的理 论计算公式，并由此提出了大坝的应力控制指标【3 5 确】。近2 0 年来，大坝坝体位 移反分析方法已经从弹性问题发展到弹塑性和粘弹性以及粘弹塑性问题的位移 反分析【3 7 训】。不仅如此，一些新的方法也被引入进来4 2 。4 8 1 ，如遗传算法、神经网 络、最大熵原理等等。 大坝监测自动化发展趋势 大坝监测自动化的发展，与监测仪器的发展和信息技术的发展是分不开的。 从国外经验来看，不论发达国家，还是不够发达的国家，都趋向于采用技术性能 优越的自动化监测系统或集中遥测半自动化系统。目前大坝监测自动化可分为如 下三种方式： 1 数据采集和整理自动化。即从采集器到计算机( 或微处理机) 实行数据的检 查、显示、保存的自动化。瑞士、法国、西班牙等国大都采用这种方式。 2 资料分析自动化。即将人工测读的数据整理成表后，用计算机分析系统实 现数据保存、检查、绘图、制表、建模分析和反馈的自动化。葡萄牙等国采用这 一方式。 3 全过程自动化。即综合完成数据自动化采集、整理以及数据的自动化分析， 实现实时在线监控。这种方式在意大利、美国和日本等已经实现。其中意大利在 大坝安全监测自动化方面进行了深入研究，研制成功多种数据遥测采集仪器，并 利用计算机实现数据处理和保存。数据自动化采集系统在上世纪7 0 年代中期开 始在大坝上实际应用，8 0 年代初期在原来系统基础上编制了一套大坝安全信息 采集数据管理软件( m i d a s 系统) ，将全国各处的大坝监测数据集中到意大利结 构和模型研究所( i s m e s ) 进行处理分析。至19 8 6 年，该研究所集中管理了意大 利约1 0 0 座大坝数据，这些坝的监测数据有些是离线输入的，有些是在线输入的。 我国在监测仪器和数据自动化分析方面也有较大的发展，有一些监测仪器的 技术性能已达到国际同类产品的先进水平，自动化监测系统也已大量应用于实际 工程。1 9 7 9 至1 9 8 5 年间，龚咀和葛洲坝分别安装了一套内部观测仪器的自动化 监测系统，使用差动式电阻仪器自动检测，并取得了大量经验。1 9 8 8 年在东江 拱坝安装了新的大坝监测数据采集和处理系统，大坝内部观测仪器的自动化检测 投入了实际运行。随着自动化技术和信息技术以及计算机技术的发展，许多大中 型水库都已经安装了观测数据自动采集系统和分析系统，为水库大坝安全管理提 供了有力的技术支持。 大坝从种类上分有混凝土重力坝、混凝土拱坝、土石坝、面板堆石坝等，每 、 混凝土坝应力应变观测资料分析研究及软件研制第一章概论 一种坝由于本身工作性态的不同，采集的数据种类不尽相同，对应的数据分析模 型也不尽相同。虽然大坝观测资料分析技术层出不穷，但是目前我们很难找到一 个具体的分析某一类型的大坝监测数据的专用软件。因此，本文将在总结现有大 坝观测资料分析方法，尤其是混凝土坝应力应变观测资料分析方法的基础上，研 制一套应力应变观测资料分析软件。 1 3 本文的工作内容 大量的工程实践表明，通过大坝应力应变观测研究可以有效评估工程安全状 况，同时其反馈的信息还可以对施工、设计以及运行等起到了一定的指导作用。 但由于混凝土不仅有自生体积变形，而且在长期应力作用下还将产生徐变变形从 而导致应力松弛，所以不能直接用弹性应力应变关系计算混凝土的实际应力，必 须研究混凝土自生体积变形和徐变变形对其内部应力的影响。同时，由于应力应 变计的稳定性和耐久性问题，使观测资料的精度和可靠性受到影响，一个观测仪 器所采集的原型观测数据往往在某段时间内缺失或者失真。 鉴于以上原因，人们对应力应变观测成果的可靠性产生怀疑，在实际工程中 虽埋设大量应力应变观测仪器，但也不做详细分析。而从另外一种方面认为大坝 的变形不仅比较直观且便于自动化，强调以变形观测值作为控制安全的主要依 据。但是坝体的设计从来都是由应力指标来控制的，仅仅依靠变形量大小来判断 坝体应力状态是否异常还有不足之处。 从力学分析可知，因坝基沉降或者温度变形造成的坝体转动，大多数情况下 并不引起坝体应力。对于拱坝和重力坝只有受约束部分的变形才能形成压力。里 石门拱坝资料分析结果表明，虽然拱坝的非线性温差引起的温度应力相当大，但 是这一部分应力并没有引起拱坝整体温度变形。因此，通过拱坝变形观测还无法 估计坝体应力。 由于混凝土坝变形受温度影响较大，为防止裂缝产生，在施工时常常将混凝 土坝分成若干块。但在蓄水后，由于种种原因使大坝分缝张开或者在坝体内部产 生裂缝，坝体刚度产生变化，坝体变形也相应收到影响，从而也导致坝体应力传 递方式变化并引起坝内应力重新分布。例如纵缝张开后，上游坝块的应力可能恶 化，这些应力状态的变化是很难从坝体位移测值进行简单估计的。另外，若基岩 中存在裂隙、软弱夹层和断层较多，在水库蓄水初期，大坝实测变形可能大于设 计变形值，而且实测变形中随时间增长的不可逆部分，一直到裂隙和可压缩层趋 于稳定以后，才不再发展1 1 4 j 。 由以上分析可知，坝体变形性态和应力状态都是大坝安全监控的主要项目， 两者之间是相辅相成的。所谓综合分析大坝的工作状态，解释和掌握其变化规律， 就是要合理分析各种物理量的变化规律和发展趋势，从而对大坝的工作性态作出 混凝土坝应力应变观测资料分析研究及软件研制第章概论 正确的评价。 本文将从以下几个方面来研究混凝土中的应力应变状态。 混凝土的变形及应力分析( 混凝土的变形型式及特点) 混凝土内一点的总应变包含两个部分：部分是外力和内部约束力引起的应 变称为应力应变；一部分是自由体积变形引起的应变，称非应力应变。计算应力 所用的应变应为从总应交中减去非应力应变，才是产生应力的应变。 自由体积变形是不受外力作用的混凝土，其体积将由于温度和湿度的变化以 及水泥的水化作用而不断地变化而产生的变形，它包括三部分，即混凝土自生体 积变形，混凝土温度变形以及混凝土湿度变形。这种变形可以由无应力计测量出 来。 应力应变观测及资料的误差处理 观测资料的分析，不仅要找出原始观测数据本身隐含的大坝实际状态的信 息，还要确定观测数据的可靠性以及去除观测误差及外界偶然因素随机作用造成 的干扰。 由量测系统采集的各种效应量实测数据是建筑物及其基础在原因量作用下 取得的，反应了建筑物及其基础岩体的性状变化。尽管在量测系统设计和布置时 力求完善周到，但是，在目前的技术条件下，实测数据难免存在差错和误差。为 了对建筑物及其基础作出正确的安全度评价提供可以信赖的依据，必须对原始测 值进行处理并作可靠性检验。 观测值除含有测读误差和量测设施的系统性误差外，不可避免地还含有外界 因素引起的波动。后者往往大于测读误差，并难以预知和控制。这种波动有时包 括荷载和运动工况变化的影响。如果直接引用上述个别测值作为分析依据，可能 会掩盖或歪曲数据的实际变化规律。由于这类波动对观测序列而言一般表现为随 机性，在将测值提供应用之前可通过合适的误差处理方法予以削弱，使处理后测 值比较符合观测序列的整体规律。 实际应力计算方法研究 混凝土的实际应力是应力一应变观测的最终成果，用以研究混凝土坝的应力 分布，评价大坝的安全性和经济性。经过误差检验和修正的应变观测资料计算成 单轴应变后就可以计算混凝土单向实际正应力。由于考虑徐变影响的方式不同， 计算方法也可以分为变形法、应力松弛法等。 混凝土坝应力应变观测资料分析研究及软件研制第二章混凝士的变形 第二章混凝土的变形 混凝土内点的总应变包含两个部分：一部分是外力和内部约束力引起的应 变称为应力应变；一部分是自由体积变形引起的应变，称非应力应变或自由体积 变形。自由体积变形是不受外力作用的混凝土，其体积将由于温度和湿度的变化 以及水泥的水化作用不断地变化而产生的变形，它包括混凝土自生体积变形，混 凝土干缩变形以及混凝土自由温度变形。 2 1 混凝土的自生体积变形 在恒温、绝湿条件下，由胶凝材料的水化作用所引起的混凝土的体积变形称 为自生体积变形。它主要取决于水泥品种、水泥用量及掺用混合材料的种类。 用普通硅酸盐水泥或纯大坝水泥拌制的混凝土的自生体积变形都是收缩，而 用矿渣水泥拌制的混凝土自生体积变形早期为膨胀，一般来说，硅酸盐大坝水泥 混凝土的自生体积变形( 收缩) 随着粉煤灰掺量的增加而明显减小。 混凝土自生体积变形一般在( 2 0 - - 1 0 0 ) x1 0 由范围内，约相当于2 1 0 的 温度变化。近年来随着膨胀水泥混凝土的研究和发展，人们逐渐认识到如能调节 水泥的矿物成分，使混凝土产生膨胀性的自生体积变形，将有可能改善混凝土的 抗裂性能。能产生膨胀性自生体积变形的只有以下几种类型的水泥：钙矾石型 ( c s a ) 、氧化钙型( c a o ) 和氧化镁型( m g o ) 。 膨胀性自生体积变形对混凝土结构在降温过程中的拉应力能产生一定的补 偿作用。由于自生体积变形在宏观上是均匀的，所以对于由内外温差引起的温度 应力是没有补偿作用的，只对由外部约束作用而产生的温度应力具有一定的补偿 作用。 2 2 混凝土的千湿变形 混凝土失去水分时会产生收缩，而吸入水分时又产生膨胀。这种由湿度变化 而引起的体积变形就是干湿变形。混凝土内部的温度状态取决于它的导湿性能和 环境温度。 混凝土内水分扩散和温度传播的规律相似，水分扩散方程与热传导方程在数 学形式上完全样，都是抛物线型偏微分方程。但混凝土的水分扩散系数比导温 系数要小1 2 0 0 - - 1 6 0 0 倍，因此，混凝土的干燥过程比其降温冷却过程要慢1 2 0 0 1 6 0 0 倍。 大体积混凝土的干燥实际上只限于很浅的表面。般暴露在5 0 相对湿度空 混凝土坝应力应变观测资料分析研究及软件研制第二章混凝土的变形 气中的大体积混凝土的干燥深度达到7 c r n 需时一个月，而达到7 0 c m 需时近1 0 年。因此，对于整个大体积而言，干缩是不重要的，水工大体积混凝土内部的湿 度通常是不变的。但表面的干缩会引起表面裂缝，并可能成为进一步发展成大裂 缝的起点。 2 3 混凝土的自由温度变形 在无约束条件下，单纯由温度变化r 引起的变形称为自由温度变形，其值如 下： 铲旷铲口乃旷扩驴o( 2 1 ) 其中瓣为热膨胀系数。由于膨胀系数碇直接影响温度应力数值的，因此对于 混凝土温度应力而言，它是一个重要的参数。 混凝土是由水泥浆和骨料两种材料组成，因此混凝土的热膨胀系数取决于两 种材料的含量和它们各自的热膨胀系数。水泥浆的热膨胀系数大约介于1 1 1 0 q 2 0 x1 0 4 c 之间，高于骨料的热膨胀系数。 2 4 混凝土的弹性变形和徐变 理想弹性体在单向受力条件下，其应力6 和应变之间服从虎克定律： o = - e e ( 2 2 ) 式中助弹性模量。按照上式，当应力保持不变时，应变也保持不变，但实际情 况并非如此。试验资料表明，当应力保持不变时，混凝土的应变将随着时间而有 所增加，这种现象称为混凝土的徐变。 实际上，在单向受力条件下，混凝土试件在时间t 的总应变文f ) 可表示为： ( f ) = ，( f ) + ，( d 十，( d + 占1 ( f ) + 庐( 力( 2 3 ) 式中：，( f ) 为应力引起的瞬时应变，在应力和强度之比不超过0 5 时，它是线弹性 的； ，为混凝土徐变应变，与应力值、加荷龄期及荷载持续时间有关； ( 0 为混凝土干缩应变，它是混凝土中水分损失所引起的变形； 占( o 为温度变化引起的变形； 萨( d 为混凝土的自生体积变形。 在式( 3 ) 所表示的总应变中，矿( 0 和( f ) 是由应力引起的；，( d 、；。和声( 力与应力 无关。 有的文献把和， 加在一起称为总徐变，因此d ( o 称为干缩徐变， 称为基本徐变。在大体积混凝土内部水分是不变的，没有干缩徐变，因此，大体 积混凝土的徐变即为基本徐变。 混凝土坝应力应变观测资料分析研究及软件研制第二章混凝土的变形 设在龄期耐加载，混凝土受到单向应力0 ( z ) 的作用，在加载的瞬间，产生 弹性应变矿( 力如下 矿( 力= d ( z ) 段力( 2 4 ) 式中：及力为龄期耐混凝土的瞬时弹性模量，简称弹性模量。 在应力保持不变的条件下，如果混凝土是理想弹性体，应变也将保持不变。 实际上，混凝土并不是理想弹性体，在常应力作用下，随着时间的延长，应变将 不断增加，这一部分随着时间而增加的应变称为徐变，或称为蠕变。实验资料表 明，当应力不超过强度的一半时，徐变与应力之间保持线性关系，徐变( f ) 可按 下式计算 矿( f ) = 0 ( o c ( t ，力( 2 5 ) 式中c ( t ，z ) 是在单位应力作用下产生的徐变，称为徐变度，其量纲为m p a - 1 。因 此，在龄期耐加载，至0 时间t 时总应变是弹性应变( 力与徐变( f ) 之和，即 砸) = ，( 力+ ， - - o ( 0 e ( 刁l + 文力c 以力= 0 ( 0 j ( t ，t )( 2 - 6 ) j ( t ，d = 1 顾力+ c q , 力( 2 7 ) 式中j ( t ，t ) 称为徐变柔量，其量纲为m p a 1 。在开始受力的瞬时忙力，徐变为零， 所以，c ( 刁= 0 ，j o ，垆1 点( 1 2 l 。 混凝土的弹性模量以力和徐变度c ( t , 0 都与龄期有关，如果在不同龄期加载， 例如在户孙孙玑时加载，就可以得到一族应变曲线。 混凝土的徐变柔量j ( t ， ) 也可以表示为 j ( t ，t ) = ( 1 + 巾( t ，t ) ) 及力( 2 8 ) 其中( t ，d = 以力c o ，力 巾( t ，d 称为徐变系数。 徐变柔量的倒数称为持续弹性模量，或有效弹性模量，记为f ( t ，西 f ( t ，0 = 1 j ( t ，z ) = e ( 0 ( 1 + 0 ( t ，c ) ) = 及0 0 + 耳力c ( t ，力) ( 2 9 ) 由上式可得徐变系数巾( t ，d 与持续弹性模量的关系 耷( t ，0 = f _ ( 0 e ( t ，0 - 1( 2 1 0 ) 若应力是变化的，那么在时间t - - - 呵发生的应力增量d 6 ( t ) 所引起的应变为 d 6 0 ) j ( t ，d 。根据叠加原来，设非应力变形为夕 ，从痂到f ，经历整个应力历史a ( f ) 后到时间f 的应变d 幻可计算如下 a t ) 一e u ( o - - a ( 石o ) j ( t ，葡) + ，r ) d a ( r ) ：a ( r o ) j ( t ，咖 ，r ) 譬d r ( 2 1 1 ) 2 5 混凝土的应力松弛 为 设在龄期t 时，混凝土受到强迫应变反磅，在加载的瞬时，产生的弹性应力 混凝坝应力应变观测资料分析研究及软件研制第二章混凝土的变形 o ( 力= 耳z ) 文力 ( 2 1 2 ) 设在f f 时应变相保持为常量，如果混凝土是理想弹性体，应力o ( 0 也将 保持为常量。实际上，在受到强迫变形后，混凝土中