抽水蓄能电站水库洪水调节计算方法研究

杨 楼 涂金阳

（中国三峡集团上海勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

抽水蓄能电站利用其发电功率调节灵活、调节速度快的特性，能够有效平抑风电、光伏等新能源发电的波动特性，提高供电质量和电网运行的安全性，有效提高该地区新能源的消纳能力，尽量减少弃风、弃光等现象的发生。随着清洁能源大规模、高比例接入，迫切需要加快抽水蓄能电站建设，增强电力系统运行的灵活性、稳定性、安全性，提高清洁能源消纳能力[1]。

抽水蓄能电站设计时，需要进行洪水调节计算，以确保洪水期电站的安全。进行上水库调洪计算时，当水库集水面积较小、未设置泄洪设施时，可按24h洪量置于正常蓄水位库容之上计算洪水位[2]；当设置有泄洪设施时，应从正常蓄水位起调，进行洪水调节，确定洪水位。下水库洪水调节计算需要考虑发电流量与入库洪水流量遭遇的情况，计算过程中宜将天然洪水与不同发电流量过程进行滑动叠加，从而找出最不利的叠加过程[3]，计算出最不利组合的计算结果。本文以某抽水蓄能电站为例，研究其水库洪水调节计算方法。

1 工程概况

某抽水蓄能电站上水库通过开挖和填筑堆石坝围库而成。上水库正常蓄水位为935.00m，死水位为905.00m，调节库容为618.9万m3。枢纽建筑物主要包括：混凝土面板堆石坝、上进∕出水口、环库公路等。上水库不设专门的泄洪建筑物，允许洪水入库，通过坝顶超高满足上水库防洪要求。下水库为沟谷型水库，正常蓄水位为383.00m，死水位为356.00m，调节库容为617.4万m3。枢纽建筑物主要包括：混凝土面板堆石坝、竖井式泄洪洞、放水管、下进∕出水口、库岸公路等。

电站装机容量为1200MW，上水库总库容为672.9万m3；下水库总库容为811.4 万m3。根据《防洪标准》（GB 50201-2014）和《水电工程等级划分及洪水标准》（NB∕T11012-2022），按其装机容量确定该工程为重大工程。

按《防洪标准》（GB 50201-2014）可知，该工程为特大型发电工程，但水库规模为中型水库。按《水电工程等级划分及洪水标准》（NB∕T11012-2022）的规定，考虑到工程失事后对下游危害不大，挡水、泄水建筑物的洪水标准按电站厂房的级别标准确定。

综合上述规范相关规定，该工程上水库和下水库挡水、泄水建筑物、输水发电建筑物（含进出水口）洪水标准：200年一遇设计（P=0.5%）；1000年一遇校核（P=0.1%）。

2 洪水调节计算基本资料

2.1 设计洪水过程线

下水库坝址处集水面积8.03km2，坝址以上河长5.0km，河道平均比降106‰。设计洪水采用推理公式法计算，下水库设计洪水过程线如图1所示。

图1 下水库设计洪水过程线

2.2 库容曲线

下水库水位～面积～库容关系曲线如图2所示。

图2 下水库水位～面积～库容曲线

2.3 泄洪设施

下水库坝址以上集水面积8.03km2，200年一遇设计洪峰流量187m3∕s，1000年一遇校核洪峰流量为240m3∕s，洪水具有源短流急、暴涨暴落的特点。本阶段初步考虑下水库泄水建筑物由竖井式泄洪洞和放水管组成。

2.3.1 竖井式泄洪洞

竖井式泄洪洞与施工期导流洞结合布置，位于大坝右岸山体内，环形堰进口距离大坝轴线上游约70m，自由溢流。竖井式泄洪洞由防涡导墙、溢流堰、竖井、消能井、退水隧洞、扩散段、消力池等建筑物组成，总长662.5m。溢流堰采用环形实用堰，堰顶高程383.00m，同正常蓄水位，自由溢流。堰面曲线为1∕4 椭圆曲线，曲线方程为，堰顶直径10m，溢流堰高5m。

竖井式泄洪洞按堰流控制设计，泄流能力按《水工设计手册》（泄水与过坝建筑物）中公式计算：

式中：

Q——流量，m3∕s；

R0——溢流堰顶半径，m；

H0——计入行进流速的堰上水头，m；

m——流量系数；

ε——侧收缩系数，一般取0.9；

n——闸墩数；

δ——堰顶高程处闸墩厚度，m。

2.3.2 放水管

放水管主放水管进水洞段进口底板高程343.00m，放水管钢管直径为2.0m，厚度10mm，总长度641.5m，出口中心高程为307.00m。

放水管在泄洪过程中为有压流，末端设置淹没式锥形阀，按孔口淹没出流计算，根据选定的进、出口高程、断面形状和尺寸、坡度、长度、计算在上、下游相应水位下的泄流流量。流量公式为：

式中：

ω——出口面积，m2；

H——库水位至出口底板高度，m；

hp——隧洞出口断面水流的平均单位势能（hp=0.5a+p∕γ；当自由出流时，hp=a；当淹没出流hp=hs，m；

a——隧洞出口断面高度，m；

本次繁育选择饵料为鲜活的沙蚕。投喂量随亲虾摄食强度的变化进行调节。因亲虾入池时水温较低，摄食强度较弱，日投喂量约为亲虾体重的5%，后期随着亲虾摄食强度的增加逐渐将日投饵量提高到15%左右。本次繁育投喂情况为晚间投饵1次。

hs——隧洞出口断面底板起算的下游水深，m；

μ——流量系数，其计算公式为：

式中：

ω——出口面积，m2；

ξj——局部水头损失系数，包括进水口水头损失系数，渐变段水头损失系数，闸门槽水头损失系数和弯道水头损失系数等；

ωj——与ξj相应流速之断面面积；

Li、Ai、Ri、Ci——分别为洞段长度、面积、水力半径、谢才系数。

2.4 泄洪能力

下水库水位～泄流能力关系如图3所示。

图3 下水库放水管+竖井泄洪洞泄流曲线图

3 洪水调节计算方法

3.1 计算工况

下水库洪水调节计算考虑2种工况

工况1：下水库正常蓄水位383m起调，下水库入库洪水过程不考虑发电或抽水流量叠加，入库洪水通过放水管和竖井泄洪洞泄洪；

工况2：采用机组发电流量与下水库洪水过程进行滑动叠加组合计算，起始水位采用正常蓄水位库容扣除剩余机组发电库容后对应的水位。放水管和竖井泄洪洞共同参与调洪。

由于洪水发生时间的不确定性，洪水与电站发电流量的叠加会有多种组合，采用水量平衡原理对以上两种工况分别计算，取两者较高值作为坝前最高洪水位。当库水位超过200年一遇设计洪水位时，机组停止发电。

3.2 计算要求

（1）为避免人造洪水，总下泄流量不大于已出现的天然洪峰；最大洪峰过后，总下泄流量不大于最大天然洪峰[3]。

（2）洪水调节计算过程中，应保证水库的发电用水量，避免造成不必要的超泄水量。

（3）入库洪水应及时下泄，不宜侵占抽水蓄能电站发电库容[4]。

4 洪水调节计算结果分析

根据下水库设计洪水及泄洪建筑物的泄流能力，按上述调洪计算方法进行洪水调节计算，发电流量按电站4台机满发考虑，满发流量253m3∕s。下水库设计洪水调节计算结果如表1所示；下水库校核洪水调节计算推荐结果如表2所示。

表1 下水库设计洪水调节计算结果表

表2 下水库校核洪水调节计算结果表

从计算结果来看，工况2设计和校核洪水位均高于工况1，从安全角度考虑，采用对下水库防洪安全偏不利工况的洪水调节计算结果作为枢纽建筑物的设计依据，下水库200年一遇设计洪水位为385.09m，1000年一遇校核洪水位为385.17m。最终设计应用的下水库洪水调节计算结果如表3所示。

表3 下水库洪水调节计算推荐结果表

5 结束语

本文以某抽水蓄能工程实际情况为例，对该抽水蓄能电站下水库洪水调节的计算基本资料和方法进行了分析，对不同组合计算的调洪结果进行了分析比较，最后采用偏不利工况下机组发电流量与下水库洪水过程进行滑动叠加组合计算的结果为推荐设计结果，可供类似工程参考。