严寒地区坝前水温计算修正

谢震生，张喜武，韩 韬，张继军

（1.阜新市凌河保护区管理局，辽宁阜新 123000；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021；3.松辽水利委员会，吉林长春 130021）

0 引言

大坝运行期温度边界条件的确定对大坝运行期的温度应力影响明显,大坝上游坝面的温度边界条件直接受水库水温的影响。水库水温的变化是一个非常复杂的过程,水库水温受河道来水温度、气温、太阳辐射、云量、风速、异重流、坝前淤积情况、电站引水、枢纽布置、重建工程老坝豁口拆除深度和范围、电站运行方式等多种因素的影响。

以丰满水电站重建工程为例,通过分析水电站实测温度边界条件与规范规定坝前水温公式计算结果差异的原因,提出了荷载规范坝前水温计算公式在严寒、寒冷地区适用局限性，并根据丰满水电站坝前实测水温，对荷载规范中坝前水温计算公式进行修正，通过修正前、后的计算坝前水温过程线与实测坝前水温过程线进行对照，说明规范公式在严寒地区适用局限性及修正公式的合理性。

1 工程概况

丰满水电站为一等大（1）型工程，是一座以发电为主，兼有防洪、灌溉、工农业及城市供水、航运、养殖和旅游等综合效益的水电站①。丰满水电站全面治理（重建）工程位于吉林省境内第二松花江干流上，上游距白山水电站210 km，下游距吉林市16 km,距离哈尔滨市609 km。重建工程大坝坝址位于原大坝下游120 m，采用碾压混凝土重力坝坝型。水库正常蓄水位263.50 m，死水位242.00 m，进水口底板高程222.0 m，校核洪水位268.50 m，总库容103.77亿m3，年径流量136亿m3。新建坝后式厂房,安装6台单机容量为200 MW的水轮发电机组。碾压混凝土重力坝，坝顶高程269.50 m，最大坝高94.50 m，坝顶总长1 068.00 m，由左、右岸挡水坝段、河床溢流坝段、河床偏右的厂房坝段组成。

2 水文气象条件

据吉林气象站资料统计，该地区多年平均气温为4.9℃，极端最高气温为37.0℃，极端最低气温为-42.5℃。多年平均降水量为674.2 mm，降水量在年内分配极不均匀，6—9月降水量占全年降水量的74%。多年平均最大风速18.6 m/s，多年平均冻土深度1.64 m，最大冻土深度1.90 m。

丰满水库各月平均水温垂直分布统计成果，见表1。

3 丰满水电站坝前（老坝）水温

3.1 坝前水温规范公式计算值与实测水温对照

坝前水温计算采用DL5077-1997《水工建筑物荷载设计规范》中附录H中公式进行计算，丰满水电站月平均气温过程线，见图1，计算坝前水温过程线与实测水温过程线对照，见图2—8。

表1 丰满水库各月平均水温垂直分布统计成果表

图1 丰满水电站月平均气温过程线

图2 水深0 m过程线对照

图3 水深10 m过程线对照

图4 水深20 m过程线对照

图5 水深30 m过程线对照

图6 水深40 m过程线对照

图7 水深50 m过程线对照

3.2 修正规范公式计算丰满水电站坝前（老坝）水温

从计算结果可知，规范公式在水深30 m以内，每年4月以后，12月份之前，计算结果与实测数值规律性相对较好，在水深30 m以下，规范公式计算结果与实测水温过程线差异较大。规范公式计算结果主要存在问题：

图8 水深60 m过程线对照

1）规范计算值与实测过程线初始相位存在差异；

2）规范公式计算结果在水下低温季节存在负温；

3）水深30 m以下，坝前水温计算值与实测值差异较大。

从计算结果可知规范公式对于严寒地区适用性存在局限性，严寒地区拟建工程采用规范公式计算坝前水温不妥。

库水温的分布受地区气候条件、水库形状、容积、深度、调节性能、运行方式、水库来水、来沙情况等众多因素的影响,一个笼统的计算公式难以适用于各种类型的水库②。丰满水电站由于属老坝重建，工程运行年限较长，相应坝前水温观测资料较全，序列较长，为工程重建提供了重要的数据资料，但在其它严寒、寒冷地区拟建工程中一般没有相同条件，故需根据规范规定公式计算，此时按规范规定公式计算，水下低温季节计算结果必将带来较大计算误差。故拟建严寒、寒冷地区水库坝前水温计算需根据相邻区域、边界条件相似的水库实测坝前水温过程线进行规范公式修正，即使对规范公式进行修正使用，还需考虑工程实际情况和特点。

由于规范公式在低温季节水深30 m以下计算结果偏低，且符合正弦函数规律，故在变温层水下30 m范围内，1，2，3，11，12月份；水深30 m以下，1，2，3，4，5，6，7，12月份坝前水温计算公式修正，见（1），其他月份不同水深坝前水温计算公式，仍采用原规范计算公式，式中参数见DL5077-1997《水工建筑物荷载设计规范》中附录H。

规范公式、修正公式及坝前实测水温过程线及修正公式与规范公式与实测水温计算误差对照，见图2-8。

从计算结果可知修正公式计算坝前水温过程线与实测坝前水温过程线吻合度更高，避免了水下出现负温的问题，修正公式计算误差较规范公式计算误差大幅减小，坝前水温计算精度明显提高。尤其水深超过30 m时，低温月份，规范公式计算误差，最大误差达到4.79℃，修正公式误差随水深分布比较均匀，最大误差值基本小于2.0℃，修正公式计算误差较规范公式计算误差降低约60%，修正公式计算结果与实测温度过程吻合度更高。

4 总结

由于现行DL5077-1997《水工建筑物荷载设计规范》中关于坝前水温严寒地区计算结果与实测坝体上游水温差异较大，所以在严寒地区拟建工程，坝前水温估算过程中需对规范规定坝前水温计算公式进行修正，采用文中所述修正方法计算坝前水温与实测水温更接近，较规范规定公式计算误差降低60%，计算精度提高幅度较大。

［1］路振刚，张正平，范永思，王景彤，卢兆辉.丰满大坝全面治理方案选择研究［J］.水力发电，2010，36（1）.

［2］岳耀真，赵在望.水库坝前水温统计分析［J］.水利水电技术，1997（3）.

［3］《丰满水电站重建工程环评工作关键技术研究与创新》［J］.赵再兴、魏浪、常理.水利水电技术第卷2013，44（8）.