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        庫水溫分布計(jì)算與分析

        2020-12-14 10:26:08任涵璐陳星宇徐成
        水利技術(shù)監(jiān)督 2020年6期
        關(guān)鍵詞:壩段水深水溫

        田 野,任涵璐,陳星宇,徐成

        (1.中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222;2.海河水利委員會(huì)科技咨詢中心,天津 300170;3.溧陽市水利局,江蘇 溧陽 213300;4.湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院,湖南 長沙 410000)

        1 研究背景

        水庫的庫水溫是混凝土重力壩及拱壩重要的溫度邊界條件,也是混凝土大壩在施工過程中溫度應(yīng)力分析和混凝土拱壩運(yùn)行期溫控荷載計(jì)算的一個(gè)重要影響因素[1- 2]。在混凝土大壩運(yùn)行期間,水庫的庫水溫將直接影響穩(wěn)定及準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場的分布,特別是對于壩基強(qiáng)約束區(qū)域,水庫的庫底水溫度將直接影響大壩的基礎(chǔ)溫差和溫控計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),從而影響混凝土大壩的溫控防裂設(shè)計(jì)[3- 5]。

        目前我國水利工程設(shè)計(jì)中預(yù)測大壩庫水溫度分布的方法主要有:經(jīng)驗(yàn)公式和類比方法。

        (1)經(jīng)驗(yàn)公式法 。經(jīng)驗(yàn)公式法是基于大量水庫水溫實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,總結(jié)出估算水庫垂直向庫水溫分布的經(jīng)驗(yàn)公式。我們國家估算水庫垂直向水溫分布的經(jīng)驗(yàn)公式種類繁多,其中應(yīng)用較為廣泛的是東勘院方法(收錄于《水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范》)和朱伯芳方法(收錄于《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》)。經(jīng)驗(yàn)公式法具有簡單實(shí)用和參數(shù)少的優(yōu)點(diǎn),但是該方法是基于實(shí)測的水溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,并沒有考慮庫水溫分布形成的熱力學(xué)特性,同時(shí)統(tǒng)計(jì)的水庫樣本空間有限,不能真實(shí)地反映所有水庫的垂直向水溫分布規(guī)律,所以經(jīng)驗(yàn)公式法具有一定的局限性。朱伯芳方法[6]是水利工程中計(jì)算庫水溫廣為應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)公式法,該法是在多年統(tǒng)計(jì)分析實(shí)測庫水溫的基礎(chǔ)上,總結(jié)出的一套較為完善的估算水庫水溫度年內(nèi)變化、年均溫度、年變幅以及相位差的庫水溫計(jì)算公式。

        (2)類比方法。類比方法是類比建庫條件相似及地理位置相近的已建水庫,通過分析整理已建水庫的多年實(shí)測水庫水溫資料,來預(yù)測新建水庫水溫分布情況。但是,水庫水溫分布情況受水文氣象條件、水庫成庫形狀以及水庫運(yùn)行條件等因素影響較大,所以滿足上述條件且達(dá)到相對可類比的2座水庫較為難找。

        2 基本資料

        2.1 SK水庫水溫實(shí)測資料

        2.1.1SK水庫水簡介

        SK水庫位于新疆布爾津地區(qū)與QBT水庫氣溫和水溫條件近似,SK水庫多年平均徑流量為44.19億m3,多年平均流量為140m3/s,總庫容為2.22億m3,為不完全年調(diào)節(jié)水庫。壩頂高程649.00m,最大壩高94.00m,正常蓄水位646.00m,死水位620.00m。圖1為SK水庫上游立視圖。

        SK水庫大壩在典型壩段(6#、9#、13#壩段)上游面布置37支溫度計(jì)(差阻式傳感器)監(jiān)測庫水溫。埋設(shè)方法是:混凝土澆筑前,在距離上游模板6cm位置固定豎直方向的鋼筋,將溫度計(jì)用土工布扎帶與鋼筋捆綁在一起,混凝土澆筑過程中在溫度計(jì)附近1m范圍內(nèi)人工搗實(shí)。37支溫度計(jì)布置情況見表1。

        表1 溫度計(jì)布置情況

        表2 氣溫資料 單位:℃

        2.1.3水庫溫度分析

        整理6#、9#、13#壩段2015年1—12月的水溫與水深的關(guān)系曲線,如圖1所示。由圖1分析可知,9#壩段與6#和13#壩段的實(shí)測數(shù)據(jù)偏差較大, 9#壩段實(shí)測數(shù)據(jù)在620~640m(死水位620m,正常蓄水位646m)之間出現(xiàn)較大正(負(fù))溫度,且在該段的溫度是氣溫不是水溫(水溫應(yīng)大于0℃);13#壩段實(shí)測數(shù)據(jù)均在620m(死水位)以下,且與9#壩段實(shí)測數(shù)據(jù)吻合較好,因此選擇6#壩段實(shí)測數(shù)據(jù)作為公式率定參數(shù)的依據(jù)。圖2—3分別為6#壩段1—12月水溫與水深關(guān)系曲線圖和6#壩段水溫與時(shí)間關(guān)系曲線圖。

        2.2 氣溫資料

        根據(jù)QBT水庫壩址所在地當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料,當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶜鉁丶s2.8℃;年內(nèi)氣溫以7、8月為最高,分別為20.0℃、18.3℃。壩區(qū)氣溫資料見表2。

        3 計(jì)算過程

        3.1 計(jì)算公式

        跟據(jù)朱伯芳方法(《水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范》),并采用類比方法(SK水庫實(shí)測資料)進(jìn)行參數(shù)率定,其中QBT水庫為多年調(diào)節(jié)水庫,多年月平均水溫、多年年平均水溫和多年平均水溫年變幅,按以下方法計(jì)算。

        3.1.1多年月平均水溫

        多年月平均水溫Tω(y,τ)是水深y和時(shí)間τ的函數(shù),按下式進(jìn)行計(jì)算:

        Tω(y,τ)=Tωm(y)+Aω(y)cosω[τ-τ0-ε(y)]

        (1)

        式中,y—水深,m;Tω(y,τ)—深度y處在時(shí)間τ的多年月平均水溫,℃;Tωm(y)—水深y處的多年年平均水溫,℃;Aω(y)—水深y處的多年水庫平均水溫的年變幅值,℃;ε(y)—水深y處的水溫滯后,即對于氣溫的相位差,月;y0—多年調(diào)節(jié)水庫的變化溫度層深,m,一般y0=50 ~ 60m,本工程取y0=60m。

        (2)

        3.1.2多年年平均水溫

        有關(guān)昆蟲 GST的研究主要集中在對農(nóng)藥的抗性和代謝解毒機(jī)制方面,對食物源有毒物質(zhì)代謝機(jī)制方面的研究報(bào)道相對較少(李亞紅,2014)。本研究旨在克隆薇甘菊頸盲蝽GST基因,研究其在不同部位的表達(dá)差異,為進(jìn)一步解析微甘菊頸盲蝽與宿主植物相互作用機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

        對于Hn≥y0的多年調(diào)節(jié)水庫,多年年平均水溫按下式計(jì)算:

        (3)

        式中,Hn—水庫壩前正常水深,m;y0—多年調(diào)節(jié)水庫的變化溫度層深,一般y0=50~60m,本工程取y0=60m。

        圖1 2015年1—12月水溫與水深關(guān)系曲線

        圖2 6#壩段1—12月水溫與水深關(guān)系曲線

        圖3 6#壩段水溫與時(shí)間關(guān)系曲線

        C1—依據(jù)上一節(jié)實(shí)測數(shù)據(jù)擬合參數(shù),按下式計(jì)算:

        C1=7.77+0.75Tam

        (4)

        式中,Tam—壩址多年年平均氣溫,℃。

        3.1.3多年平均水溫年變幅Aω(y)

        水庫多年平均水溫年變幅Aω(y)按下式計(jì)算:

        (5)

        式中,C2—依據(jù)上一節(jié)實(shí)測數(shù)據(jù)擬合參數(shù),按下式計(jì)算:

        C2=0.778Aa+2.94

        (6)

        (7)

        式中,Aa—壩址多年平均氣溫年變幅,℃,按下式計(jì)算:

        (8)

        3.2 計(jì)算結(jié)果分析

        根據(jù)上一節(jié)的計(jì)算公式,對QBT水庫12月份不同深度庫水溫進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表3。圖4—5分別為QBT水庫1—12月水溫與水深關(guān)系曲線圖和QBT水庫水溫與時(shí)間關(guān)系曲線圖。從計(jì)算結(jié)果可以看出,計(jì)算得出QBT水庫水溫分布與SK水庫水溫分布趨勢上基本吻合的,雖然仍需進(jìn)一步論證,但已可用于QBT拱壩穩(wěn)定溫度場的計(jì)算。

        圖4 QBT水庫1—12月水溫與水深關(guān)系曲線

        圖5 QBT水庫水溫與時(shí)間關(guān)系曲線

        表3 各月份不同庫水深度水庫水溫

        4 結(jié)論

        (1)SK水庫9#、6#和13#壩段的實(shí)測數(shù)據(jù)偏差較大,9#壩段實(shí)測數(shù)據(jù)在死水位到正常蓄水位之間出現(xiàn)較大正(負(fù))溫度,13#壩段實(shí)測數(shù)據(jù)均在死水位,不具有代表性,因此選取6#壩段實(shí)測數(shù)據(jù)作為公式率定參數(shù)的依據(jù)。

        (2)采用類比方法+經(jīng)驗(yàn)公式方法(朱伯芳方法),以QBT水庫附近已運(yùn)行SK水庫水溫實(shí)測資料為依據(jù),對朱伯芳方法的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行參數(shù)率定。從計(jì)算結(jié)果可以看出,計(jì)算得出QBT水庫水溫分布與SK水庫水溫分布趨勢上基本吻合,可用于QBT水庫拱壩穩(wěn)定溫度場的計(jì)算。

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