抽水蓄能電站水庫洪水調(diào)節(jié)計算方法研究

楊 樓 涂金陽

（中國三峽集團(tuán)上海勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

抽水蓄能電站利用其發(fā)電功率調(diào)節(jié)靈活、調(diào)節(jié)速度快的特性，能夠有效平抑風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電的波動特性，提高供電質(zhì)量和電網(wǎng)運行的安全性，有效提高該地區(qū)新能源的消納能力，盡量減少棄風(fēng)、棄光等現(xiàn)象的發(fā)生。隨著清潔能源大規(guī)模、高比例接入，迫切需要加快抽水蓄能電站建設(shè)，增強(qiáng)電力系統(tǒng)運行的靈活性、穩(wěn)定性、安全性，提高清潔能源消納能力[1]。

抽水蓄能電站設(shè)計時，需要進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計算，以確保洪水期電站的安全。進(jìn)行上水庫調(diào)洪計算時，當(dāng)水庫集水面積較小、未設(shè)置泄洪設(shè)施時，可按24h洪量置于正常蓄水位庫容之上計算洪水位[2]；當(dāng)設(shè)置有泄洪設(shè)施時，應(yīng)從正常蓄水位起調(diào)，進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)，確定洪水位。下水庫洪水調(diào)節(jié)計算需要考慮發(fā)電流量與入庫洪水流量遭遇的情況，計算過程中宜將天然洪水與不同發(fā)電流量過程進(jìn)行滑動疊加，從而找出最不利的疊加過程[3]，計算出最不利組合的計算結(jié)果。本文以某抽水蓄能電站為例，研究其水庫洪水調(diào)節(jié)計算方法。

1 工程概況

某抽水蓄能電站上水庫通過開挖和填筑堆石壩圍庫而成。上水庫正常蓄水位為935.00m，死水位為905.00m，調(diào)節(jié)庫容為618.9萬m3。樞紐建筑物主要包括：混凝土面板堆石壩、上進(jìn)∕出水口、環(huán)庫公路等。上水庫不設(shè)專門的泄洪建筑物，允許洪水入庫，通過壩頂超高滿足上水庫防洪要求。下水庫為溝谷型水庫，正常蓄水位為383.00m，死水位為356.00m，調(diào)節(jié)庫容為617.4萬m3。樞紐建筑物主要包括：混凝土面板堆石壩、豎井式泄洪洞、放水管、下進(jìn)∕出水口、庫岸公路等。

電站裝機(jī)容量為1200MW，上水庫總庫容為672.9萬m3；下水庫總庫容為811.4 萬m3。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-2014）和《水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（NB∕T11012-2022），按其裝機(jī)容量確定該工程為重大工程。

按《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-2014）可知，該工程為特大型發(fā)電工程，但水庫規(guī)模為中型水庫。按《水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（NB∕T11012-2022）的規(guī)定，考慮到工程失事后對下游危害不大，擋水、泄水建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)按電站廠房的級別標(biāo)準(zhǔn)確定。

綜合上述規(guī)范相關(guān)規(guī)定，該工程上水庫和下水庫擋水、泄水建筑物、輸水發(fā)電建筑物（含進(jìn)出水口）洪水標(biāo)準(zhǔn)：200年一遇設(shè)計（P=0.5%）；1000年一遇校核（P=0.1%）。

2 洪水調(diào)節(jié)計算基本資料

2.1 設(shè)計洪水過程線

下水庫壩址處集水面積8.03km2，壩址以上河長5.0km，河道平均比降106‰。設(shè)計洪水采用推理公式法計算，下水庫設(shè)計洪水過程線如圖1所示。

圖1 下水庫設(shè)計洪水過程線

2.2 庫容曲線

下水庫水位～面積～庫容關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 下水庫水位～面積～庫容曲線

2.3 泄洪設(shè)施

下水庫壩址以上集水面積8.03km2，200年一遇設(shè)計洪峰流量187m3∕s，1000年一遇校核洪峰流量為240m3∕s，洪水具有源短流急、暴漲暴落的特點。本階段初步考慮下水庫泄水建筑物由豎井式泄洪洞和放水管組成。

2.3.1 豎井式泄洪洞

豎井式泄洪洞與施工期導(dǎo)流洞結(jié)合布置，位于大壩右岸山體內(nèi)，環(huán)形堰進(jìn)口距離大壩軸線上游約70m，自由溢流。豎井式泄洪洞由防渦導(dǎo)墻、溢流堰、豎井、消能井、退水隧洞、擴(kuò)散段、消力池等建筑物組成，總長662.5m。溢流堰采用環(huán)形實用堰，堰頂高程383.00m，同正常蓄水位，自由溢流。堰面曲線為1∕4 橢圓曲線，曲線方程為，堰頂直徑10m，溢流堰高5m。

豎井式泄洪洞按堰流控制設(shè)計，泄流能力按《水工設(shè)計手冊》（泄水與過壩建筑物）中公式計算：

式中：

Q——流量，m3∕s；

R0——溢流堰頂半徑，m；

H0——計入行進(jìn)流速的堰上水頭，m；

m——流量系數(shù)；

ε——側(cè)收縮系數(shù)，一般取0.9；

n——閘墩數(shù)；

δ——堰頂高程處閘墩厚度，m。

2.3.2 放水管

放水管主放水管進(jìn)水洞段進(jìn)口底板高程343.00m，放水管鋼管直徑為2.0m，厚度10mm，總長度641.5m，出口中心高程為307.00m。

放水管在泄洪過程中為有壓流，末端設(shè)置淹沒式錐形閥，按孔口淹沒出流計算，根據(jù)選定的進(jìn)、出口高程、斷面形狀和尺寸、坡度、長度、計算在上、下游相應(yīng)水位下的泄流流量。流量公式為：

式中：

ω——出口面積，m2；

H——庫水位至出口底板高度，m；

hp——隧洞出口斷面水流的平均單位勢能（hp=0.5a+p∕γ；當(dāng)自由出流時，hp=a；當(dāng)淹沒出流hp=hs，m；

a——隧洞出口斷面高度，m；

本次繁育選擇餌料為鮮活的沙蠶。投喂量隨親蝦攝食強(qiáng)度的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。因親蝦入池時水溫較低，攝食強(qiáng)度較弱，日投喂量約為親蝦體重的5%，后期隨著親蝦攝食強(qiáng)度的增加逐漸將日投餌量提高到15%左右。本次繁育投喂情況為晚間投餌1次。

hs——隧洞出口斷面底板起算的下游水深，m；

μ——流量系數(shù)，其計算公式為：

式中：

ω——出口面積，m2；

ξj——局部水頭損失系數(shù)，包括進(jìn)水口水頭損失系數(shù)，漸變段水頭損失系數(shù)，閘門槽水頭損失系數(shù)和彎道水頭損失系數(shù)等；

ωj——與ξj相應(yīng)流速之?dāng)嗝婷娣e；

Li、Ai、Ri、Ci——分別為洞段長度、面積、水力半徑、謝才系數(shù)。

2.4 泄洪能力

下水庫水位～泄流能力關(guān)系如圖3所示。

圖3 下水庫放水管+豎井泄洪洞泄流曲線圖

3 洪水調(diào)節(jié)計算方法

3.1 計算工況

下水庫洪水調(diào)節(jié)計算考慮2種工況

工況1：下水庫正常蓄水位383m起調(diào)，下水庫入庫洪水過程不考慮發(fā)電或抽水流量疊加，入庫洪水通過放水管和豎井泄洪洞泄洪；

工況2：采用機(jī)組發(fā)電流量與下水庫洪水過程進(jìn)行滑動疊加組合計算，起始水位采用正常蓄水位庫容扣除剩余機(jī)組發(fā)電庫容后對應(yīng)的水位。放水管和豎井泄洪洞共同參與調(diào)洪。

由于洪水發(fā)生時間的不確定性，洪水與電站發(fā)電流量的疊加會有多種組合，采用水量平衡原理對以上兩種工況分別計算，取兩者較高值作為壩前最高洪水位。當(dāng)庫水位超過200年一遇設(shè)計洪水位時，機(jī)組停止發(fā)電。

3.2 計算要求

（1）為避免人造洪水，總下泄流量不大于已出現(xiàn)的天然洪峰；最大洪峰過后，總下泄流量不大于最大天然洪峰[3]。

（2）洪水調(diào)節(jié)計算過程中，應(yīng)保證水庫的發(fā)電用水量，避免造成不必要的超泄水量。

（3）入庫洪水應(yīng)及時下泄，不宜侵占抽水蓄能電站發(fā)電庫容[4]。

4 洪水調(diào)節(jié)計算結(jié)果分析

根據(jù)下水庫設(shè)計洪水及泄洪建筑物的泄流能力，按上述調(diào)洪計算方法進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計算，發(fā)電流量按電站4臺機(jī)滿發(fā)考慮，滿發(fā)流量253m3∕s。下水庫設(shè)計洪水調(diào)節(jié)計算結(jié)果如表1所示；下水庫校核洪水調(diào)節(jié)計算推薦結(jié)果如表2所示。

表1 下水庫設(shè)計洪水調(diào)節(jié)計算結(jié)果表

表2 下水庫校核洪水調(diào)節(jié)計算結(jié)果表

從計算結(jié)果來看，工況2設(shè)計和校核洪水位均高于工況1，從安全角度考慮，采用對下水庫防洪安全偏不利工況的洪水調(diào)節(jié)計算結(jié)果作為樞紐建筑物的設(shè)計依據(jù)，下水庫200年一遇設(shè)計洪水位為385.09m，1000年一遇校核洪水位為385.17m。最終設(shè)計應(yīng)用的下水庫洪水調(diào)節(jié)計算結(jié)果如表3所示。

表3 下水庫洪水調(diào)節(jié)計算推薦結(jié)果表

5 結(jié)束語

本文以某抽水蓄能工程實際情況為例，對該抽水蓄能電站下水庫洪水調(diào)節(jié)的計算基本資料和方法進(jìn)行了分析，對不同組合計算的調(diào)洪結(jié)果進(jìn)行了分析比較，最后采用偏不利工況下機(jī)組發(fā)電流量與下水庫洪水過程進(jìn)行滑動疊加組合計算的結(jié)果為推薦設(shè)計結(jié)果，可供類似工程參考。