抽水蓄能電站水庫洪水調節計算方法研究

楊 樓 涂金陽

（中國三峽集團上海勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

抽水蓄能電站利用其發電功率調節靈活、調節速度快的特性，能夠有效平抑風電、光伏等新能源發電的波動特性，提高供電質量和電網運行的安全性，有效提高該地區新能源的消納能力，盡量減少棄風、棄光等現象的發生。隨著清潔能源大規模、高比例接入，迫切需要加快抽水蓄能電站建設，增強電力系統運行的靈活性、穩定性、安全性，提高清潔能源消納能力[1]。

抽水蓄能電站設計時，需要進行洪水調節計算，以確保洪水期電站的安全。進行上水庫調洪計算時，當水庫集水面積較小、未設置泄洪設施時，可按24h洪量置于正常蓄水位庫容之上計算洪水位[2]；當設置有泄洪設施時，應從正常蓄水位起調，進行洪水調節，確定洪水位。下水庫洪水調節計算需要考慮發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電流量過程進行滑動疊加，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果。本文以某抽水蓄能電站為例，研究其水庫洪水調節計算方法。

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，調節庫容為618.9萬m3。樞紐建筑物主要包括：混凝土面板堆石壩、上進∕出水口、環庫公路等。上水庫不設專門的泄洪建筑物，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，調節庫容為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∕出水口、庫岸公路等。

電站裝機容量為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《防洪標準》（GB 50201-2014）和《水電工程等級劃分及洪水標準》（NB∕T11012-2022），按其裝機容量確定該工程為重大工程。

按《防洪標準》（GB 50201-2014）可知，該工程為特大型發電工程，但水庫規模為中型水庫。按《水電工程等級劃分及洪水標準》（NB∕T11012-2022）的規定，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準按電站廠房的級別標準確定。

綜合上述規范相關規定，該工程上水庫和下水庫擋水、泄水建筑物、輸水發電建筑物（含進出水口）洪水標準：200年一遇設計（P=0.5%）；1000年一遇校核（P=0.1%）。

2 洪水調節計算基本資料

2.1 設計洪水過程線

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‰。設計洪水采用推理公式法計算，下水庫設計洪水過程線如圖1所示。

圖1 下水庫設計洪水過程線

2.2 庫容曲線

下水庫水位～面積～庫容關系曲線如圖2所示。

圖2 下水庫水位～面積～庫容曲線

2.3 泄洪設施

下水庫壩址以上集水面積8.03km2，200年一遇設計洪峰流量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流洞結合布置，位于大壩右岸山體內，環形堰進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墻、溢流堰、豎井、消能井、退水隧洞、擴散段、消力池等建筑物組成，總長662.5m。溢流堰采用環形實用堰，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計，泄流能力按《水工設計手冊》（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——計入行進流速的堰上水頭，m；

m——流量系數；

ε——側收縮系數，一般取0.9；

n——閘墩數；

δ——堰頂高程處閘墩厚度，m。

2.3.2 放水管

放水管主放水管進水洞段進口底板高程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，末端設置淹沒式錐形閥，按孔口淹沒出流計算，根據選定的進、出口高程、斷面形狀和尺寸、坡度、長度、計算在上、下游相應水位下的泄流流量。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；當自由出流時，hp=a；當淹沒出流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度的變化進行調節。因親蝦入池時水溫較低，攝食強度較弱，日投喂量約為親蝦體重的5%，后期隨著親蝦攝食強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，其計算公式為：

式中：

ω——出口面積，m2；

ξj——局部水頭損失系數，包括進水口水頭損失系數，漸變段水頭損失系數，閘門槽水頭損失系數和彎道水頭損失系數等；

ωj——與ξj相應流速之斷面面積；

Li、Ai、Ri、Ci——分別為洞段長度、面積、水力半徑、謝才系數。

2.4 泄洪能力

下水庫水位～泄流能力關系如圖3所示。

圖3 下水庫放水管+豎井泄洪洞泄流曲線圖

3 洪水調節計算方法

3.1 計算工況

下水庫洪水調節計算考慮2種工況

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

工況2：采用機組發電流量與下水庫洪水過程進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組發電庫容后對應的水位。放水管和豎井泄洪洞共同參與調洪。

由于洪水發生時間的不確定性，洪水與電站發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。當庫水位超過200年一遇設計洪水位時，機組停止發電。

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）洪水調節計算過程中，應保證水庫的發電用水量，避免造成不必要的超泄水量。

（3）入庫洪水應及時下泄，不宜侵占抽水蓄能電站發電庫容[4]。

4 洪水調節計算結果分析

根據下水庫設計洪水及泄洪建筑物的泄流能力，按上述調洪計算方法進行洪水調節計算，發電流量按電站4臺機滿發考慮，滿發流量253m3∕s。下水庫設計洪水調節計算結果如表1所示；下水庫校核洪水調節計算推薦結果如表2所示。

表1 下水庫設計洪水調節計算結果表

表2 下水庫校核洪水調節計算結果表

從計算結果來看，工況2設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節計算結果作為樞紐建筑物的設計依據，下水庫200年一遇設計洪水位為385.09m，1000年一遇校核洪水位為385.17m。最終設計應用的下水庫洪水調節計算結果如表3所示。

表3 下水庫洪水調節計算推薦結果表

5 結束語

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節的計算基本資料和方法進行了分析，對不同組合計算的調洪結果進行了分析比較，最后采用偏不利工況下機組發電流量與下水庫洪水過程進行滑動疊加組合計算的結果為推薦設計結果，可供類似工程參考。