考虑淤沙影响的高拱坝水库水温数值分析

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1、水利学报2010年3月SHUILIXUEBAO第41卷第3期文章编号:0559-9350(2010)03-0348-08考虑淤沙影响的高拱坝水库水温数值分析12，322刘杏红，韩云童，常晓林，周伟(1.武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉430072;2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072;3.中南电力设计院，湖北武汉430071)摘要:本文考虑高拱坝水库淤沙的影响，采用热流耦合方法对水库立面二维水温数学模型进行数值分析，探讨高拱坝水库水温的分布规律。在此基础之上，分析了水

2、库水温分层的形成过程及原因，并重点探讨了淤沙对高拱坝水库水温以及运行期应力的影响，对比分析了水温的规范算法、实测值和本文数值计算方法之间的差别，并对规范的水库水温计算方法进行了评价。二滩水库的数值计算结果表明，在1060m高程以下，考虑淤沙的影响更接近实测的水温结果，而按照规范方法计算的水库水温边界条件，具有较大的安全裕度。关键词:高拱坝;水库水温;封拱温度;数值分析中图分类号:TV642.4文献标识码:A1研究背景工程实测资料表明，运行期水库的淤沙对水库水温的数值和分布有重要影响。洪水期含泥沙的高温

3、水流潜入库底，含沙的浑浊水流及淤沙比重大，流动性差，致使库底温度升高，导致实测的库底水温不同程度都较设计值高(见表1)。到目前为止，国内超过200m级的高拱坝仅有二滩处于运行阶段，二滩拱坝水库水温的实测资料(见图1)表明，坝体越高，库水越深，水库的泥沙淤积高程也就越高，淤沙对水库底部水温数值和分布的影响就越大。表1国内一些重要工程的库底水温设计值和实测值工程设计值/℃实测值/℃实测较设计高/℃刘家峡6.013.07.0龚嘴7.012.05.0紧水滩7.010.03.0二滩11.017.06.0水库水温

4、对拱坝运行期的拉应力影响较大，尤其是库底水温。以文献［1］研究成果为基础的水库水温估算方法被编入了《混凝土拱坝设计规范》(SD145—85)和《水工建筑物荷载设计规范》(DL5077—1997)中，对拱坝的边界温度场———坝前库水温度场的分布提供了相应的估算方法(后面简称“规范方法”)。该方法以国内外15座水库实测水温资料为基础，基于坝前正常水深在100m以内的水库实测水温资料统计分析提出的。对于坝前正常水深超过100m，尤其像二滩、小湾、溪洛渡和锦屏一级等超过200m的高拱坝坝前水温，采用规范推荐的

5、估算方法，由于其没有考虑高坝大库淤沙对水库水温的影响，收稿日期:2008-08-23基金项目:国家自然科学基金项目(50909078;50779047)作者简介:刘杏红(1979－)，女，湖北武汉人，讲师，博士，主要从事大体积混凝土结构数值模拟研究。E-mail:liuxhphd@163.com—348—其合理性值得商榷。目前，我国有一大批高拱坝正处于设计或施工阶段。因此，对考虑淤沙对水库水温影响的分析研究，不仅对二滩拱坝的安全运行起到监控作用，对其它在建和设计中的高拱坝也极具参考价值。图1二滩水库实

6、测水温分布关于水库水温数学模型的研究工作最早开始于美国，为了解决湖泊和水库的富营养化问题以及水［2－5］利水电工程带来的环境问题，一些学者开展了水库水温的研究工作，并取得了较多的成果。我国［6－7］20世纪90年代开始了水库水温数学模型的建立和应用。由于垂向一维水温模型忽略了水温在纵向上的变化，因此近年来国内很多学者在立面二维水库水温模型方面作了有益的探讨，建立了一些较为［8－12］成熟的立面二维水温模型算。本文在以往研究成果和相关资料的基础上，建立二滩水库的立面二维水温数学模型，重点考虑水库淤沙的影

7、响，采用热流耦合方法对水温数学模型进行数值计算，并利用二滩水库的实测资料以及库区水文地形资料，对计算结果进行验证。同时，对水库温度场的分布规律进行分析，探讨水库温度分层产生的原因及过程。利用得到的数值结果，计算拱坝运行期的应力，分析不同工况下实测值、规范计算值及数值计算值对坝体运行期应力的影响，并对规范规定的水库水温计算方法进行评价。2水库水温数值分析模型对于狭长型河道式深水库而言，回水长度大，宽度相对较窄，库区内的水温分布具有明显的垂向和纵向的二维分布，横向上的温度变化可以被忽略，此时横向平均的立面

8、二维水库水温数学模型能模拟纵向剖面上流体的推移过程及温度分层的形成和发展过程。有温度分层的水库中水体的流动属于湍浮力流，这种流动表现在垂向上由于温度差产生浮力，在浮力作用下出现密度低的温水上浮，密度大的冷水下潜及出水口分层流动等各种异于等密度流的特殊的流动形式，伴随这种流动，水库垂向出现水温分层形成、发展和消失，水库的流场分布与水库的温度结构具有强烈的相互作用，因此要准确模拟水库的温度场，首先要精确模拟浮力流流场和紊动扩散。水库水体的连续方程:(Bu