三河口水利樞紐工程抽水、供水、發電系統水力計算研究

黨　力　王　健

（陜西省水利電力勘測設計研究院陜西西安710001）

三河口水利樞紐工程抽水、供水、發電系統水力計算研究

黨力王健

（陜西省水利電力勘測設計研究院陜西西安710001）

三河口水利樞紐工程抽水、供水、發電系統運行條件較為復雜，本文通過工程任務，對該系統各運行工況進行系統分析，選取合理的邊界條件，對各種工況下的控制水位進行分析計算。

抽水；發電；供水；水力計算；尾水位

1　工程概況

陜西省內重要的南水北調跨流域調水工程引漢濟渭工程的主要任務為：2025年向關中地區配水10億m3，2030年向關中地區配水15億m3。工程等別為Ⅰ等工程，工程規模為大（一）型，該跨流域調水工程主要由水源工程、調蓄水庫和輸水隧洞等三個單元工程組成，即黃金峽水庫、三河口水庫以及秦嶺隧洞。其中，三河口水庫作為引漢濟渭調水工程系統中的的重要水源工程之一，具備較大的水量調節能力，是整個引漢濟渭調水工程的核心項目，具有調蓄子午河徑流量和漢江干流由黃金峽水利樞紐抽存水量向關中供水、生態放水、結合發電等綜合利用功能。

該調水系統工程的運行方式為：在黃金峽水庫供水流量不能滿足關中用水量情況下，由三河口水庫補充供水以滿足關中需水量；當漢江干流不滿足供水要求，黃金峽泵站不抽水，全部由三河口水庫供水，以滿足關中地區用水量；當漢江干流水量豐富，黃金峽水庫供水流量大于關中地區用水要求時，由三河口泵站抽水，將多余的水量抽至三河口水庫存蓄；在關中地區用水量與黃金峽水庫供水流量相等時，黃金峽水庫抽水直接送至關中地區。

表3-1　抽水工況運行條件

圖2-1　抽水、供水發電系統示意圖

表3-2　發電工況運行條件

表3-3　供水工況運行條件

圖4-1　尾水位特征水位計算通過以下線路

圖4-2　尾水位特征水位確定

2　抽水、供水、發電系統相關設計

該工程總庫容為7.1億m3，調節庫容6.5億m3。設計最大引水（送入秦嶺輸水隧洞）流量70m3/s，下游生態放水流量2.71m3/s；抽水流量為18m3/s，發電引水設計流量72.71m3/s，抽水采用2臺可逆式機組，發電除采用2臺常規水輪發電機組外，還與抽水共用2臺可逆式機組。抽水發電系統總裝機容量為60MW，可逆式機組24MW。

秦嶺隧洞控制閘與三河口抽水發電系統的尾水池由254m連接洞銜接，該隧洞為無壓平底隧洞，雙向過流，連接洞底板高程為542.65m。根據工程任務，該輸水隧洞的過流能力按該供水系統最大供水流量72.71m3/s設計，采用馬蹄形斷面型式，輸水隧道設計斷面為6.94m× 6.94m。黃三隧洞、秦嶺隧洞和連接洞的三岔口布置三個工作閘門，閘底板高程542.65m，閘進口斷面為城門洞型斷面，閘孔寬7m。

表4-1　各工況下尾水池水位統計表

表5-1　各工況下尾水池水位計算與模型試驗統計表

3　工況選擇

根據該工程運行條件，三河口抽水、供水發電系統運行結合引漢濟渭調水工程任務和運行方式，水力計算分抽水、供水、發電三個工況計算：

（1）抽水工況：Q黃三＞Q需水量，三河口電站雙向機組啟動抽水，將黃三洞來水抽至三河口水庫存蓄；

（2）發電工況：黃金峽不抽水時，電站機組啟動發電，受水區全部需水由三河口水庫供水至秦嶺隧洞；

（3）供水工況：黃金峽不抽水時，電站機組發電受阻，受水區全部需水由電站供水閥供水至秦嶺隧洞；

4　計算方法及結果

4.1控制水位斷面選取

通過對供水系統抽水、供水發電工況分析，各種工況下，尾水池尾水位確定均由秦嶺隧洞進口控制閘閘后水位控制，采用明渠均勻流初步計算成果，秦嶺隧洞最大過70m3/s時，水深約為5m，根據經驗，一般明渠均勻流長輸水隧洞距控制閘后10倍水深距離可認為是明渠均勻流，所以采用秦嶺隧洞閘后50m斷面處水位流量關系曲線作為不同計算工況下尾水池水位的控制條件。

4.2計算公式選取

通過對該工程抽水、供水、發電系統運行工況的分析，得到不同工況對應的計算方法。通過分析，不同工況下的尾水池水位的計算，均為明渠均勻流公式、堰流公式、水面線公式等組合計算。

（1）秦嶺隧洞工作閘門閘后50m水位計算公式：

式中：Q——秦嶺隧洞流量（m3/s）；

B——臨界水深對應的水面寬度，（m）；

hs——秦嶺隧洞控制閘閘后水深，（m）；

R——水力半徑，R=B×hs/x，x為過水斷面濕周（m）；

i——設計縱比降，i=1/2500；

n——糙率，現澆混凝土襯砌，糙率采用0.014；

g——重力加速度，單位m/s2；

α——動能校正系數，取1.0；

ωk——臨界水深對應的過水斷面面積，單位m2；

hk——臨界水深，單位m。

（2）不同工況下閘前水深和尾水池水位均采用堰流公式計算

計算公式采用《水閘設計規范》（SL265—2001）附錄A式A.0.2-1～A.0.2-2計算。

式中：Q——秦嶺隧洞流量（m3/s）；

B0——閘孔總凈寬（m），B0=7.0m；

μ0——淹沒堰流的綜合流量系數；

hs——秦嶺隧洞控制閘閘后水深，（m）；

H0——閘前水深，（m）；

g——重力加速度，單位m/s2。

（3）連接洞水面線計算公式

根據堰流公式求得閘前水深H，為始斷面水深，求得ES1=h1+α1v12/2g，假定另一斷面水深h2，求得兩斷面間水力坡度J，ES2= ES1+△L×（i-j），同時求得ES2'=h2+α2v22/2g，若ES2=ES2'表示試算成功，說明假定水深為實際水深。

式中：h——斷面水深（m）；A:過水面積（m2）；

χ——濕周（m）；V:斷面流速（m/s）；

n——糙率0.014；R：水力半徑；

J——兩斷面間平均水力坡度；C：謝才系數；

I——隧洞坡度；△L：兩斷面間距離

ES——斷面比能（m）；△E:兩斷面間比能差

4.3計算方法

（1）抽水工況

根據抽水工況運行條件分析，抽水工況可分兩種：1、受水區需水，Q黃三＞Q需水量，Q秦嶺＞Q連接洞，電站雙向機組啟動抽水，將黃三洞來水抽至三河口水庫存蓄；2、受水區需要水，但Q黃三＞Q需水量，Q秦嶺＜Q連接洞，電站雙向機組啟動抽水，將黃三洞多余來水量抽至三河口水庫存蓄。

①抽水工況1計算

根據初步判斷，當Q秦嶺＞Q連接洞時，尾水池水位確定由Q秦嶺對應的秦嶺隧洞控制閘閘前水位確定，尾水位特征水位計算通過以下線路如圖4-1所示。

②抽水工況2計算

根據初步判斷，當Q秦嶺＜Q連接洞時，秦嶺隧洞控制閘下閘運行，尾水池水位確定由Q連接洞對應的連接洞水位確定，尾水位特征水位計算采用連接洞與尾水池斷面處自由出流考慮，即連接洞與尾水池斷面出臨界水深。

（2）發電工況

根據發電工況運行條件分析，Q黃三=0m3/s，Q秦嶺=Q連接洞，尾水位特征水位確定如圖4-2所示。

（3）供水工況

供水工況為電站發電受阻條件下向受水區供水，尾水池水位確定線路與發電工況相同。

4.4計算結果

5　理論計算與水工模型實驗對比

5.1計算成果與模型實驗對比情況

在進行以上計算的同時，委托相關實驗單位進行該工程抽水、供水、發電系統水工模型試驗，模型以重力相似準則設計模型比例尺為1:50。最終各工況下尾水池水位的確定根據計算與模型試驗成果共同確定。

5.2計算成果與模型實驗對比結論

（1）根據水工模型試驗實測的各工況的水位與設計理論計算值比對，數據基本吻合，說明理論計算的方法基本上是合理的。

（2）水工模型試驗實測的連接洞與秦嶺隧洞控制閘的水位流量關系曲線與設計計算的趨勢吻合。并對秦嶺隧洞控制閘的運行條件進行了驗證。但對于黃三隧洞來流較小，模型試驗的分流比與理論計算值有一定偏差，分析原因，秦嶺隧洞進口對水位反應非常敏感，秦嶺隧洞閘前水位相差0.08m～0.2m都對分流比的比值有影響。所以在三岔口秦嶺隧洞工作閘門不調節流量的條件下，連接洞過流量與秦嶺隧洞過流量的分流比關系采用計算值。

6　結語

三河口水利樞紐抽水、供水發電系統運行相對復雜，運行工況的邊界條件較多，但是通過對理論計算進行總結后發現，該計算運用的理論和計算公式均為常規的堰流公式、明渠均勻流公式和水面線計算等。對于該運行工況復雜的系統進行水力計算，實際上是將多種常規公式進行組合，聯合計算的成果。所以在進行此類計算的過程中，對系統的運行工況進行重點分析，掌握對應工況下的邊界條件，對計算成果的合理性尤為重要。陜西水利

（責任編輯：暢妮）

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