嚴(yán)寒地區(qū)壩前水溫計算修正

謝震生，張喜武，韓 韜，張繼軍

（1.阜新市凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧阜新 123000；2.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春 130021；3.松遼水利委員會，吉林長春 130021）

0 引言

大壩運(yùn)行期溫度邊界條件的確定對大壩運(yùn)行期的溫度應(yīng)力影響明顯,大壩上游壩面的溫度邊界條件直接受水庫水溫的影響。水庫水溫的變化是一個非常復(fù)雜的過程,水庫水溫受河道來水溫度、氣溫、太陽輻射、云量、風(fēng)速、異重流、壩前淤積情況、電站引水、樞紐布置、重建工程老壩豁口拆除深度和范圍、電站運(yùn)行方式等多種因素的影響。

以豐滿水電站重建工程為例,通過分析水電站實測溫度邊界條件與規(guī)范規(guī)定壩前水溫公式計算結(jié)果差異的原因,提出了荷載規(guī)范壩前水溫計算公式在嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)適用局限性，并根據(jù)豐滿水電站壩前實測水溫，對荷載規(guī)范中壩前水溫計算公式進(jìn)行修正，通過修正前、后的計算壩前水溫過程線與實測壩前水溫過程線進(jìn)行對照，說明規(guī)范公式在嚴(yán)寒地區(qū)適用局限性及修正公式的合理性。

1 工程概況

豐滿水電站為一等大（1）型工程，是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、工農(nóng)業(yè)及城市供水、航運(yùn)、養(yǎng)殖和旅游等綜合效益的水電站①。豐滿水電站全面治理（重建）工程位于吉林省境內(nèi)第二松花江干流上，上游距白山水電站210 km，下游距吉林市16 km,距離哈爾濱市609 km。重建工程大壩壩址位于原大壩下游120 m，采用碾壓混凝土重力壩壩型。水庫正常蓄水位263.50 m，死水位242.00 m，進(jìn)水口底板高程222.0 m，校核洪水位268.50 m，總庫容103.77億m3，年徑流量136億m3。新建壩后式廠房,安裝6臺單機(jī)容量為200 MW的水輪發(fā)電機(jī)組。碾壓混凝土重力壩，壩頂高程269.50 m，最大壩高94.50 m，壩頂總長1 068.00 m，由左、右岸擋水壩段、河床溢流壩段、河床偏右的廠房壩段組成。

2 水文氣象條件

據(jù)吉林氣象站資料統(tǒng)計，該地區(qū)多年平均氣溫為4.9℃，極端最高氣溫為37.0℃，極端最低氣溫為-42.5℃。多年平均降水量為674.2 mm，降水量在年內(nèi)分配極不均勻，6—9月降水量占全年降水量的74%。多年平均最大風(fēng)速18.6 m/s，多年平均凍土深度1.64 m，最大凍土深度1.90 m。

豐滿水庫各月平均水溫垂直分布統(tǒng)計成果，見表1。

3 豐滿水電站壩前（老壩）水溫

3.1 壩前水溫規(guī)范公式計算值與實測水溫對照

壩前水溫計算采用DL5077-1997《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》中附錄H中公式進(jìn)行計算，豐滿水電站月平均氣溫過程線，見圖1，計算壩前水溫過程線與實測水溫過程線對照，見圖2—8。

表1 豐滿水庫各月平均水溫垂直分布統(tǒng)計成果表

圖1 豐滿水電站月平均氣溫過程線

圖2 水深0 m過程線對照

圖3 水深10 m過程線對照

圖4 水深20 m過程線對照

圖5 水深30 m過程線對照

圖6 水深40 m過程線對照

圖7 水深50 m過程線對照

3.2 修正規(guī)范公式計算豐滿水電站壩前（老壩）水溫

從計算結(jié)果可知，規(guī)范公式在水深30 m以內(nèi)，每年4月以后，12月份之前，計算結(jié)果與實測數(shù)值規(guī)律性相對較好，在水深30 m以下，規(guī)范公式計算結(jié)果與實測水溫過程線差異較大。規(guī)范公式計算結(jié)果主要存在問題：

圖8 水深60 m過程線對照

1）規(guī)范計算值與實測過程線初始相位存在差異；

2）規(guī)范公式計算結(jié)果在水下低溫季節(jié)存在負(fù)溫；

3）水深30 m以下，壩前水溫計算值與實測值差異較大。

從計算結(jié)果可知規(guī)范公式對于嚴(yán)寒地區(qū)適用性存在局限性，嚴(yán)寒地區(qū)擬建工程采用規(guī)范公式計算壩前水溫不妥。

庫水溫的分布受地區(qū)氣候條件、水庫形狀、容積、深度、調(diào)節(jié)性能、運(yùn)行方式、水庫來水、來沙情況等眾多因素的影響,一個籠統(tǒng)的計算公式難以適用于各種類型的水庫②。豐滿水電站由于屬老壩重建，工程運(yùn)行年限較長，相應(yīng)壩前水溫觀測資料較全，序列較長，為工程重建提供了重要的數(shù)據(jù)資料，但在其它嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)擬建工程中一般沒有相同條件，故需根據(jù)規(guī)范規(guī)定公式計算，此時按規(guī)范規(guī)定公式計算，水下低溫季節(jié)計算結(jié)果必將帶來較大計算誤差。故擬建嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)水庫壩前水溫計算需根據(jù)相鄰區(qū)域、邊界條件相似的水庫實測壩前水溫過程線進(jìn)行規(guī)范公式修正，即使對規(guī)范公式進(jìn)行修正使用，還需考慮工程實際情況和特點。

由于規(guī)范公式在低溫季節(jié)水深30 m以下計算結(jié)果偏低，且符合正弦函數(shù)規(guī)律，故在變溫層水下30 m范圍內(nèi)，1，2，3，11，12月份；水深30 m以下，1，2，3，4，5，6，7，12月份壩前水溫計算公式修正，見（1），其他月份不同水深壩前水溫計算公式，仍采用原規(guī)范計算公式，式中參數(shù)見DL5077-1997《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》中附錄H。

規(guī)范公式、修正公式及壩前實測水溫過程線及修正公式與規(guī)范公式與實測水溫計算誤差對照，見圖2-8。

從計算結(jié)果可知修正公式計算壩前水溫過程線與實測壩前水溫過程線吻合度更高，避免了水下出現(xiàn)負(fù)溫的問題，修正公式計算誤差較規(guī)范公式計算誤差大幅減小，壩前水溫計算精度明顯提高。尤其水深超過30 m時，低溫月份，規(guī)范公式計算誤差，最大誤差達(dá)到4.79℃，修正公式誤差隨水深分布比較均勻，最大誤差值基本小于2.0℃，修正公式計算誤差較規(guī)范公式計算誤差降低約60%，修正公式計算結(jié)果與實測溫度過程吻合度更高。

4 總結(jié)

由于現(xiàn)行DL5077-1997《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于壩前水溫嚴(yán)寒地區(qū)計算結(jié)果與實測壩體上游水溫差異較大，所以在嚴(yán)寒地區(qū)擬建工程，壩前水溫估算過程中需對規(guī)范規(guī)定壩前水溫計算公式進(jìn)行修正，采用文中所述修正方法計算壩前水溫與實測水溫更接近，較規(guī)范規(guī)定公式計算誤差降低60%，計算精度提高幅度較大。

［1］路振剛，張正平，范永思，王景彤，盧兆輝.豐滿大壩全面治理方案選擇研究［J］.水力發(fā)電，2010，36（1）.

［2］岳耀真，趙在望.水庫壩前水溫統(tǒng)計分析［J］.水利水電技術(shù)，1997（3）.

［3］《豐滿水電站重建工程環(huán)評工作關(guān)鍵技術(shù)研究與創(chuàng)新》［J］.趙再興、魏浪、常理.水利水電技術(shù)第卷2013，44（8）.