三河口水利枢纽工程抽水、供水、发电系统水力计算研究

党　力　王　健

（陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安710001）

三河口水利枢纽工程抽水、供水、发电系统水力计算研究

党力王健

（陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安710001）

三河口水利枢纽工程抽水、供水、发电系统运行条件较为复杂，本文通过工程任务，对该系统各运行工况进行系统分析，选取合理的边界条件，对各种工况下的控制水位进行分析计算。

抽水；发电；供水；水力计算；尾水位

1　工程概况

陕西省内重要的南水北调跨流域调水工程引汉济渭工程的主要任务为：2025年向关中地区配水10亿m3，2030年向关中地区配水15亿m3。工程等别为Ⅰ等工程，工程规模为大（一）型，该跨流域调水工程主要由水源工程、调蓄水库和输水隧洞等三个单元工程组成，即黄金峡水库、三河口水库以及秦岭隧洞。其中，三河口水库作为引汉济渭调水工程系统中的的重要水源工程之一，具备较大的水量调节能力，是整个引汉济渭调水工程的核心项目，具有调蓄子午河径流量和汉江干流由黄金峡水利枢纽抽存水量向关中供水、生态放水、结合发电等综合利用功能。

该调水系统工程的运行方式为：在黄金峡水库供水流量不能满足关中用水量情况下，由三河口水库补充供水以满足关中需水量；当汉江干流不满足供水要求，黄金峡泵站不抽水，全部由三河口水库供水，以满足关中地区用水量；当汉江干流水量丰富，黄金峡水库供水流量大于关中地区用水要求时，由三河口泵站抽水，将多余的水量抽至三河口水库存蓄；在关中地区用水量与黄金峡水库供水流量相等时，黄金峡水库抽水直接送至关中地区。

表3-1　抽水工况运行条件

图2-1　抽水、供水发电系统示意图

表3-2　发电工况运行条件

表3-3　供水工况运行条件

图4-1　尾水位特征水位计算通过以下线路

图4-2　尾水位特征水位确定

2　抽水、供水、发电系统相关设计

该工程总库容为7.1亿m3，调节库容6.5亿m3。设计最大引水（送入秦岭输水隧洞）流量70m3/s，下游生态放水流量2.71m3/s；抽水流量为18m3/s，发电引水设计流量72.71m3/s，抽水采用2台可逆式机组，发电除采用2台常规水轮发电机组外，还与抽水共用2台可逆式机组。抽水发电系统总装机容量为60MW，可逆式机组24MW。

秦岭隧洞控制闸与三河口抽水发电系统的尾水池由254m连接洞衔接，该隧洞为无压平底隧洞，双向过流，连接洞底板高程为542.65m。根据工程任务，该输水隧洞的过流能力按该供水系统最大供水流量72.71m3/s设计，采用马蹄形断面型式，输水隧道设计断面为6.94m× 6.94m。黄三隧洞、秦岭隧洞和连接洞的三岔口布置三个工作闸门，闸底板高程542.65m，闸进口断面为城门洞型断面，闸孔宽7m。

表4-1　各工况下尾水池水位统计表

表5-1　各工况下尾水池水位计算与模型试验统计表

3　工况选择

根据该工程运行条件，三河口抽水、供水发电系统运行结合引汉济渭调水工程任务和运行方式，水力计算分抽水、供水、发电三个工况计算：

（1）抽水工况：Q黄三＞Q需水量，三河口电站双向机组启动抽水，将黄三洞来水抽至三河口水库存蓄；

（2）发电工况：黄金峡不抽水时，电站机组启动发电，受水区全部需水由三河口水库供水至秦岭隧洞；

（3）供水工况：黄金峡不抽水时，电站机组发电受阻，受水区全部需水由电站供水阀供水至秦岭隧洞；

4　计算方法及结果

4.1控制水位断面选取

通过对供水系统抽水、供水发电工况分析，各种工况下，尾水池尾水位确定均由秦岭隧洞进口控制闸闸后水位控制，采用明渠均匀流初步计算成果，秦岭隧洞最大过70m3/s时，水深约为5m，根据经验，一般明渠均匀流长输水隧洞距控制闸后10倍水深距离可认为是明渠均匀流，所以采用秦岭隧洞闸后50m断面处水位流量关系曲线作为不同计算工况下尾水池水位的控制条件。

4.2计算公式选取

通过对该工程抽水、供水、发电系统运行工况的分析，得到不同工况对应的计算方法。通过分析，不同工况下的尾水池水位的计算，均为明渠均匀流公式、堰流公式、水面线公式等组合计算。

（1）秦岭隧洞工作闸门闸后50m水位计算公式：

式中：Q——秦岭隧洞流量（m3/s）；

B——临界水深对应的水面宽度，（m）；

hs——秦岭隧洞控制闸闸后水深，（m）；

R——水力半径，R=B×hs/x，x为过水断面湿周（m）；

i——设计纵比降，i=1/2500；

n——糙率，现浇混凝土衬砌，糙率采用0.014；

g——重力加速度，单位m/s2；

α——动能校正系数，取1.0；

ωk——临界水深对应的过水断面面积，单位m2；

hk——临界水深，单位m。

（2）不同工况下闸前水深和尾水池水位均采用堰流公式计算

计算公式采用《水闸设计规范》（SL265—2001）附录A式A.0.2-1～A.0.2-2计算。

式中：Q——秦岭隧洞流量（m3/s）；

B0——闸孔总净宽（m），B0=7.0m；

μ0——淹没堰流的综合流量系数；

hs——秦岭隧洞控制闸闸后水深，（m）；

H0——闸前水深，（m）；

g——重力加速度，单位m/s2。

（3）连接洞水面线计算公式

根据堰流公式求得闸前水深H，为始断面水深，求得ES1=h1+α1v12/2g，假定另一断面水深h2，求得两断面间水力坡度J，ES2= ES1+△L×（i-j），同时求得ES2'=h2+α2v22/2g，若ES2=ES2'表示试算成功，说明假定水深为实际水深。

式中：h——断面水深（m）；A:过水面积（m2）；

χ——湿周（m）；V:断面流速（m/s）；

n——糙率0.014；R：水力半径；

J——两断面间平均水力坡度；C：谢才系数；

I——隧洞坡度；△L：两断面间距离

ES——断面比能（m）；△E:两断面间比能差

4.3计算方法

（1）抽水工况

根据抽水工况运行条件分析，抽水工况可分两种：1、受水区需水，Q黄三＞Q需水量，Q秦岭＞Q连接洞，电站双向机组启动抽水，将黄三洞来水抽至三河口水库存蓄；2、受水区需要水，但Q黄三＞Q需水量，Q秦岭＜Q连接洞，电站双向机组启动抽水，将黄三洞多余来水量抽至三河口水库存蓄。

①抽水工况1计算

根据初步判断，当Q秦岭＞Q连接洞时，尾水池水位确定由Q秦岭对应的秦岭隧洞控制闸闸前水位确定，尾水位特征水位计算通过以下线路如图4-1所示。

②抽水工况2计算

根据初步判断，当Q秦岭＜Q连接洞时，秦岭隧洞控制闸下闸运行，尾水池水位确定由Q连接洞对应的连接洞水位确定，尾水位特征水位计算采用连接洞与尾水池断面处自由出流考虑，即连接洞与尾水池断面出临界水深。

（2）发电工况

根据发电工况运行条件分析，Q黄三=0m3/s，Q秦岭=Q连接洞，尾水位特征水位确定如图4-2所示。

（3）供水工况

供水工况为电站发电受阻条件下向受水区供水，尾水池水位确定线路与发电工况相同。

4.4计算结果

5　理论计算与水工模型实验对比

5.1计算成果与模型实验对比情况

在进行以上计算的同时，委托相关实验单位进行该工程抽水、供水、发电系统水工模型试验，模型以重力相似准则设计模型比例尺为1:50。最终各工况下尾水池水位的确定根据计算与模型试验成果共同确定。

5.2计算成果与模型实验对比结论

（1）根据水工模型试验实测的各工况的水位与设计理论计算值比对，数据基本吻合，说明理论计算的方法基本上是合理的。

（2）水工模型试验实测的连接洞与秦岭隧洞控制闸的水位流量关系曲线与设计计算的趋势吻合。并对秦岭隧洞控制闸的运行条件进行了验证。但对于黄三隧洞来流较小，模型试验的分流比与理论计算值有一定偏差，分析原因，秦岭隧洞进口对水位反应非常敏感，秦岭隧洞闸前水位相差0.08m～0.2m都对分流比的比值有影响。所以在三岔口秦岭隧洞工作闸门不调节流量的条件下，连接洞过流量与秦岭隧洞过流量的分流比关系采用计算值。

6　结语

三河口水利枢纽抽水、供水发电系统运行相对复杂，运行工况的边界条件较多，但是通过对理论计算进行总结后发现，该计算运用的理论和计算公式均为常规的堰流公式、明渠均匀流公式和水面线计算等。对于该运行工况复杂的系统进行水力计算，实际上是将多种常规公式进行组合，联合计算的成果。所以在进行此类计算的过程中，对系统的运行工况进行重点分析，掌握对应工况下的边界条件，对计算成果的合理性尤为重要。陕西水利

（责任编辑：畅妮）

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