黨　力　王　健

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院陜西西安710001）

三河口水利樞紐工程抽水、供水、發(fā)電系統(tǒng)水力計(jì)算研究

黨力王健

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院陜西西安710001）

三河口水利樞紐工程抽水、供水、發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行條件較為復(fù)雜，本文通過(guò)工程任務(wù)，對(duì)該系統(tǒng)各運(yùn)行工況進(jìn)行系統(tǒng)分析，選取合理的邊界條件，對(duì)各種工況下的控制水位進(jìn)行分析計(jì)算。

抽水；發(fā)電；供水；水力計(jì)算；尾水位

1　工程概況

陜西省內(nèi)重要的南水北調(diào)跨流域調(diào)水工程引漢濟(jì)渭工程的主要任務(wù)為：2025年向關(guān)中地區(qū)配水10億m3，2030年向關(guān)中地區(qū)配水15億m3。工程等別為Ⅰ等工程，工程規(guī)模為大（一）型，該跨流域調(diào)水工程主要由水源工程、調(diào)蓄水庫(kù)和輸水隧洞等三個(gè)單元工程組成，即黃金峽水庫(kù)、三河口水庫(kù)以及秦嶺隧洞。其中，三河口水庫(kù)作為引漢濟(jì)渭調(diào)水工程系統(tǒng)中的的重要水源工程之一，具備較大的水量調(diào)節(jié)能力，是整個(gè)引漢濟(jì)渭調(diào)水工程的核心項(xiàng)目，具有調(diào)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(guān)中供水、生態(tài)放水、結(jié)合發(fā)電等綜合利用功能。

該調(diào)水系統(tǒng)工程的運(yùn)行方式為：在黃金峽水庫(kù)供水流量不能滿足關(guān)中用水量情況下，由三河口水庫(kù)補(bǔ)充供水以滿足關(guān)中需水量；當(dāng)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(kù)供水，以滿足關(guān)中地區(qū)用水量；當(dāng)漢江干流水量豐富，黃金峽水庫(kù)供水流量大于關(guān)中地區(qū)用水要求時(shí)，由三河口泵站抽水，將多余的水量抽至三河口水庫(kù)存蓄；在關(guān)中地區(qū)用水量與黃金峽水庫(kù)供水流量相等時(shí)，黃金峽水庫(kù)抽水直接送至關(guān)中地區(qū)。

表3-1　抽水工況運(yùn)行條件

圖2-1　抽水、供水發(fā)電系統(tǒng)示意圖

表3-2　發(fā)電工況運(yùn)行條件

表3-3　供水工況運(yùn)行條件

圖4-1　尾水位特征水位計(jì)算通過(guò)以下線路

圖4-2　尾水位特征水位確定

2　抽水、供水、發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)

該工程總庫(kù)容為7.1億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容6.5億m3。設(shè)計(jì)最大引水（送入秦嶺輸水隧洞）流量70m3/s，下游生態(tài)放水流量2.71m3/s；抽水流量為18m3/s，發(fā)電引水設(shè)計(jì)流量72.71m3/s，抽水采用2臺(tái)可逆式機(jī)組，發(fā)電除采用2臺(tái)常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組外，還與抽水共用2臺(tái)可逆式機(jī)組。抽水發(fā)電系統(tǒng)總裝機(jī)容量為60MW，可逆式機(jī)組24MW。

秦嶺隧洞控制閘與三河口抽水發(fā)電系統(tǒng)的尾水池由254m連接洞銜接，該隧洞為無(wú)壓平底隧洞，雙向過(guò)流，連接洞底板高程為542.65m。根據(jù)工程任務(wù)，該輸水隧洞的過(guò)流能力按該供水系統(tǒng)最大供水流量72.71m3/s設(shè)計(jì)，采用馬蹄形斷面型式，輸水隧道設(shè)計(jì)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(gè)工作閘門(mén)，閘底板高程542.65m，閘進(jìn)口斷面為城門(mén)洞型斷面，閘孔寬7m。

表4-1　各工況下尾水池水位統(tǒng)計(jì)表

表5-1　各工況下尾水池水位計(jì)算與模型試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

3　工況選擇

根據(jù)該工程運(yùn)行條件，三河口抽水、供水發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)合引漢濟(jì)渭調(diào)水工程任務(wù)和運(yùn)行方式，水力計(jì)算分抽水、供水、發(fā)電三個(gè)工況計(jì)算：

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

（2）發(fā)電工況：黃金峽不抽水時(shí)，電站機(jī)組啟動(dòng)發(fā)電，受水區(qū)全部需水由三河口水庫(kù)供水至秦嶺隧洞；

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

4　計(jì)算方法及結(jié)果

4.1控制水位斷面選取

通過(guò)對(duì)供水系統(tǒng)抽水、供水發(fā)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(jìn)口控制閘閘后水位控制，采用明渠均勻流初步計(jì)算成果，秦嶺隧洞最大過(guò)70m3/s時(shí)，水深約為5m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般明渠均勻流長(zhǎng)輸水隧洞距控制閘后10倍水深距離可認(rèn)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(guān)系曲線作為不同計(jì)算工況下尾水池水位的控制條件。

4.2計(jì)算公式選取

通過(guò)對(duì)該工程抽水、供水、發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行工況的分析，得到不同工況對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法。通過(guò)分析，不同工況下的尾水池水位的計(jì)算，均為明渠均勻流公式、堰流公式、水面線公式等組合計(jì)算。

（1）秦嶺隧洞工作閘門(mén)閘后50m水位計(jì)算公式：

式中：Q——秦嶺隧洞流量（m3/s）；

B——臨界水深對(duì)應(yīng)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(guò)水?dāng)嗝鏉裰埽╩）；

i——設(shè)計(jì)縱比降，i=1/2500；

n——糙率，現(xiàn)澆混凝土襯砌，糙率采用0.014；

g——重力加速度，單位m/s2；

α——?jiǎng)幽苄Ｕ禂?shù)，取1.0；

ωk——臨界水深對(duì)應(yīng)的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，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(jì)算

計(jì)算公式采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265—2001）附錄A式A.0.2-1～A.0.2-2計(jì)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(méi)堰流的綜合流量系數(shù)；

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(jì)算公式

根據(jù)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(shí)求得ES2'=h2+α2v22/2g，若ES2=ES2'表示試算成功，說(shuō)明假定水深為實(shí)際水深。

式中：h——斷面水深（m）；A:過(guò)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(shù)；

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(jì)算方法

（1）抽水工況

根據(jù)抽水工況運(yùn)行條件分析，抽水工況可分兩種：1、受水區(qū)需水，Q黃三＞Q需水量，Q秦嶺＞Q連接洞，電站雙向機(jī)組啟動(dòng)抽水，將黃三洞來(lái)水抽至三河口水庫(kù)存蓄；2、受水區(qū)需要水，但Q黃三＞Q需水量，Q秦嶺＜Q連接洞，電站雙向機(jī)組啟動(dòng)抽水，將黃三洞多余來(lái)水量抽至三河口水庫(kù)存蓄。

①抽水工況1計(jì)算

根據(jù)初步判斷，當(dāng)Q秦嶺＞Q連接洞時(shí)，尾水池水位確定由Q秦嶺對(duì)應(yīng)的秦嶺隧洞控制閘閘前水位確定，尾水位特征水位計(jì)算通過(guò)以下線路如圖4-1所示。

②抽水工況2計(jì)算

根據(jù)初步判斷，當(dāng)Q秦嶺＜Q連接洞時(shí)，秦嶺隧洞控制閘下閘運(yùn)行，尾水池水位確定由Q連接洞對(duì)應(yīng)的連接洞水位確定，尾水位特征水位計(jì)算采用連接洞與尾水池?cái)嗝嫣幾杂沙隽骺紤]，即連接洞與尾水池?cái)嗝娉雠R界水深。

（2）發(fā)電工況

根據(jù)發(fā)電工況運(yùn)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(fā)電受阻條件下向受水區(qū)供水，尾水池水位確定線路與發(fā)電工況相同。

4.4計(jì)算結(jié)果

5　理論計(jì)算與水工模型實(shí)驗(yàn)對(duì)比

5.1計(jì)算成果與模型實(shí)驗(yàn)對(duì)比情況

在進(jìn)行以上計(jì)算的同時(shí)，委托相關(guān)實(shí)驗(yàn)單位進(jìn)行該工程抽水、供水、發(fā)電系統(tǒng)水工模型試驗(yàn)，模型以重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型比例尺為1:50。最終各工況下尾水池水位的確定根據(jù)計(jì)算與模型試驗(yàn)成果共同確定。

5.2計(jì)算成果與模型實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)論

（1）根據(jù)水工模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)的各工況的水位與設(shè)計(jì)理論計(jì)算值比對(duì)，數(shù)據(jù)基本吻合，說(shuō)明理論計(jì)算的方法基本上是合理的。

（2）水工模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)的連接洞與秦嶺隧洞控制閘的水位流量關(guān)系曲線與設(shè)計(jì)計(jì)算的趨勢(shì)吻合。并對(duì)秦嶺隧洞控制閘的運(yùn)行條件進(jìn)行了驗(yàn)證。但對(duì)于黃三隧洞來(lái)流較小，模型試驗(yàn)的分流比與理論計(jì)算值有一定偏差，分析原因，秦嶺隧洞進(jìn)口對(duì)水位反應(yīng)非常敏感，秦嶺隧洞閘前水位相差0.08m～0.2m都對(duì)分流比的比值有影響。所以在三岔口秦嶺隧洞工作閘門(mén)不調(diào)節(jié)流量的條件下，連接洞過(guò)流量與秦嶺隧洞過(guò)流量的分流比關(guān)系采用計(jì)算值。

6　結(jié)語(yǔ)

三河口水利樞紐抽水、供水發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)復(fù)雜，運(yùn)行工況的邊界條件較多，但是通過(guò)對(duì)理論計(jì)算進(jìn)行總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，該計(jì)算運(yùn)用的理論和計(jì)算公式均為常規(guī)的堰流公式、明渠均勻流公式和水面線計(jì)算等。對(duì)于該運(yùn)行工況復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行水力計(jì)算，實(shí)際上是將多種常規(guī)公式進(jìn)行組合，聯(lián)合計(jì)算的成果。所以在進(jìn)行此類計(jì)算的過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行工況進(jìn)行重點(diǎn)分析，掌握對(duì)應(yīng)工況下的邊界條件，對(duì)計(jì)算成果的合理性尤為重要。陜西水利

（責(zé)任編輯：暢妮）

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