Page 54 - 2023年第54卷第9期

４．１．３ 地下水库水头损失评估 水头损失过大将降低电站净水头，影响发电效率。对于常规抽水蓄能
电站，上、下水库均为地表水库，水域开敞，库区流速很小，仅关注进?出水口段的局部水头损失，忽
略库区的水头损失，其总水头损失即输水系统的水头损失。例如，发电水头为 ３００ｍ的抽水蓄能电站，
水头损失建议值为 １２～１５ｍ，即输水系统水头损失不宜超过设计水头的 ４％～５％ ［５０］ ，其中进?出水口水头
损失小于 １ｍ。但是，对于地下抽水蓄能电站，其地下水库由纵横交错的狭长巷道构成，库区水头损失
不可忽略，其水头损失包括沿程水头损失（由狭长巷道群引起）和局部水头损失（由进?出水口和巷道连接
部位引起），由于库区巷道群可能长达数千米且存在许多分流?汇流岔口和连接巷道，沿程水头损失和局
部水头损失数值均较大，但其具体范围与关键影响因素尚不清楚，需要进行定量计算与评估。
评估或量测水头损失时，一般认为常规抽水蓄能电站库区及进?出水口水体流动处于稳态，而地下
水库水体呈现显著的非稳态流动特征，利用稳态或拟稳态条件计算得到的水头损失与实测结果存在较
大偏差 ［５１］ 。地下水库内部诸多非稳态水力现象将导致额外的能量损失即附加水头损失，附加水头损失
与巷道尺寸、壁面性质、瞬时加速度、巷道涌浪等许多要素有关 ［５２］ ，其物理本质尚不清楚，计算方法
很不完善，目前相关公式仅针对实验室尺度的单管或简单管网系统 ［５３］ ，在时空尺度上是否适用于实际
的地下水库还需要进一步论证。
地下水库巷道狭长且纵横交错，具有运行过程中水位频繁变化、流道断面形式多样和流动边界不
规则等特点，有别于以往对明渠或管涵的研究。地下水库水头损失影响因素繁多，形成机制相对复
杂，包括水流条件、库区空间结构、巷道壁面性质。此外，地下水库空间封闭且与地表水库高差较
大，库内水温在运行过程中变化较大 ［５４］ ，水温变化对运动黏滞系数的影响不应忽略。为减小地下水库
工程设计阶段的水力计算误差，可基于流速、水位、巷道糙率、硐室断面形状及横截面积、水温等因
子，得到适用性强的地下水库水头损失系数计算公式或预测模型。进一步地，应考虑巷道岔口、连接
巷道等拓扑因素和巷道涌浪等非稳态流动因素，建立多元线性回归关系，并系统地对各因素作参数敏
感性分析 ［５５］ ，以期有效降低或控制地下水库水头损失，并在类比复杂输水隧洞管网系统基础上提出合
理的地下水库水头损失阈值，提高废弃矿井抽水蓄能电站的经济可行性。
４．２ 水气两相流相互影响规律 抽水蓄能电站地下水库往往埋深数百米，与外部大气连通性较差 ［５６］ 。
发电工况出流时，库内水位上升，巷道水面上部的空气如果不能及时排除，则会逐渐被压缩，气体压
力增大并作用于水体，导致其流速降低，巷道水体流态发生改变，水气相互作用不直接影响电站运
行，但会降低净发电水头，从而影响机组运行效率，发电量下降幅度可达 １２．５％ ［５４，５７］ 。抽水工况进流
时，库内水位下降，如果通气洞布置不合理，外界大气不能及时补充到库内进而形成负压，水体将无
法顺利流入进水口，机组无法以额定流量运行。地下水库内部水气两相的强相互作用还将导致流动阻
力增大，产生额外的能量损失。通气洞的排气?补气效果应当引起重视，采取必要且合理的通气洞布置
方案，避免形成高压气室或真空腔 ［５８］ ，危及机组运行稳定性和安全性。
地下水库布置通气洞需要考虑的控制因素有通气洞位置、数量、直径和夹角等。受限于模型比
尺、相似准则和复杂的边界条件，通过数值模拟手段研究库内水气两相流相互影响可能是一种较优选
择。数值模型便于修改研究对象的各项参数 ［５９］ ，并为预测地下抽水蓄能电站事故工况运行过程中潜在
的两相流动极端情况提供可能性。基于 ＶＯＦ方法进行全过程水气两相流瞬态模拟十分必要，但其计算
成本过高，需探索适用的数值计算方法 ［６０］ 。Ｍｅｎｅｎｄｅｚ等 ［３６］ 分别计算了两种通气洞布置方案（图 ３），
模型 Ａ在每条横向巷道末端布置直径 １ｍ的通气洞，横向巷道坡度 ２％；模型 Ｂ仅在中央巷道末端布
置直径 ４ｍ的通气洞，横向巷道水平。计算结果表明，模型 Ａ中通气洞附近气体速度与压强均大于模
型 Ｂ，模型 Ｂ中横向巷道内部两相流动较稳定。然而，该项研究中横向巷道长度仅 ２００ｍ，对于巷道
长度达数千米的大型地下水库而言，仅在中央巷道布置一个通气洞可能会导致横向巷道内气体流动不
畅，水气界面压强过大 ［６１］ 。
对于地下水库水气两相流相互影响问题，与正常运行工况相比，地下水库初次蓄水（开始时地下
水库内仅有空气）、机组启动和事故断电等水力瞬变过程是更极端的不利工况，需研究上述工况的水
气界面压强变化情况 ［３６］ 与可能出现的水锤效应 ［４０］ ，分析库内气体对水流的阻碍作用对机组运行性能

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