抽水蓄能電站地下水庫(kù)建設(shè)進(jìn)展及關(guān)鍵水力學(xué)問(wèn)題

高學(xué)平，袁澤雨

(天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

1 研究背景

“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)要求構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，但風(fēng)電和光伏等可再生能源具有強(qiáng)波動(dòng)性和隨機(jī)性[1]，需要建設(shè)配套的儲(chǔ)能設(shè)施以保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。諸多儲(chǔ)能系統(tǒng)中，抽水蓄能電站技術(shù)成熟可靠[3]、調(diào)控靈活安全[4]、經(jīng)濟(jì)高效[5]，是新型電力系統(tǒng)中最理想的規(guī)模儲(chǔ)能裝置。數(shù)十年來(lái)，全球抽水蓄能電站數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)[6]，部分地形條件良好的站點(diǎn)已位處生態(tài)功能區(qū)[7]，而環(huán)境保護(hù)的呼聲日益強(qiáng)烈[8]，常規(guī)抽水蓄能電站選址愈發(fā)困難[9]。

圍繞“向地球深部進(jìn)軍”戰(zhàn)略科技問(wèn)題[10]，抽水蓄能電站庫(kù)區(qū)布置不再局限于地表空間[11]。在煤炭去產(chǎn)能背景下，我國(guó)“十五”以來(lái)陸續(xù)關(guān)閉大批煤礦[12]。根據(jù)礦井規(guī)模與其巷道群可利用地下空間的比例系數(shù)[13]，估算我國(guó)廢棄煤礦地下空間達(dá)到200億m3。礦井關(guān)停或廢棄后，形成體量可觀(guān)、形態(tài)各異的地下巷道及硐室，如果不加以處理或再利用，將造成嚴(yán)重的水資源污染[14]和地質(zhì)災(zāi)害[15]。利用廢棄礦井建設(shè)地下水庫(kù)[16-17]，能夠降低土地占用率和生態(tài)環(huán)境破環(huán)，節(jié)省項(xiàng)目投資，縮短工程周期[18]，為抽水蓄能電站規(guī)劃提供了新的途徑。

廢棄礦井地下空間密封性高，立體結(jié)構(gòu)極不規(guī)則。因此，利用廢棄礦井地下空間建成的抽水蓄能電站地下水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中其水力特性將明顯不同于抽水蓄能電站地表水庫(kù)。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于利用廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能電站地下水庫(kù)的研究尚處于起步階段，一系列基礎(chǔ)科學(xué)難題和技術(shù)挑戰(zhàn)亟待解決，其中包括地下水庫(kù)關(guān)鍵水力學(xué)問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外抽水蓄能電站地下水庫(kù)設(shè)計(jì)案例進(jìn)行歸納分析，總結(jié)地下水庫(kù)建設(shè)進(jìn)展與研究現(xiàn)狀，凝練地下水庫(kù)關(guān)鍵水力學(xué)問(wèn)題，為探尋抽水蓄能電站地下水庫(kù)的合理可行建設(shè)方式提供指導(dǎo)。

2 抽水蓄能電站地下水庫(kù)的模式及特點(diǎn)

抽水蓄能電站的組成包括上水庫(kù)、下水庫(kù)、廠(chǎng)房和輸水系統(tǒng)。主要建筑物從上游開(kāi)始依次是：上水庫(kù)；進(jìn)(出)水口；引水道和調(diào)壓室；壓力隧洞；廠(chǎng)房；尾水隧洞和調(diào)壓室；出(進(jìn))水口；下水庫(kù)。如果壓力隧洞直接從上水庫(kù)取水，則引水道和調(diào)壓室可以省略；如果尾水隧洞較短，則尾水調(diào)壓室也可以省略。常規(guī)抽水蓄能電站上、下水庫(kù)均為地表水庫(kù)，這里將利用廢棄礦井地下空間修建的水庫(kù)稱(chēng)為地下水庫(kù)。為區(qū)別于常規(guī)抽水蓄能電站，將上水庫(kù)建在地面、下水庫(kù)建在地下的稱(chēng)為半地下式抽水蓄能電站；將上水庫(kù)和下水庫(kù)均建在地下的稱(chēng)為全地下式抽水蓄能電站。半地下式和全地下式抽水蓄能電站統(tǒng)稱(chēng)為地下抽水蓄能電站(Underground Pumped-Storage Hydropower，UPSH)。

Fessenden[19]于1917年最先申請(qǐng)了一個(gè)結(jié)合風(fēng)車(chē)的地下抽水蓄能裝置的專(zhuān)利，其主要由上水庫(kù)(位于地面)、下水庫(kù)(位于地下)、水輪機(jī)/水泵和風(fēng)車(chē)等設(shè)施組成，但此后數(shù)十年該創(chuàng)見(jiàn)性構(gòu)想并未實(shí)現(xiàn)。抽水蓄能電站地下水庫(kù)主要在廢棄礦井原有空間及構(gòu)筑物基礎(chǔ)上進(jìn)行改造或擴(kuò)建。半地下式抽水蓄能電站利用露天礦坑或塌陷區(qū)作為上水庫(kù)或人工開(kāi)挖上水庫(kù)，地下巷道群形成的儲(chǔ)水空間作為下水庫(kù)；全地下式抽水蓄能電站利用地下不同高程的硐室建設(shè)上、下水庫(kù)。地下抽水蓄能電站一般將豎井或斜井改建為引水道，通風(fēng)井改造為通氣洞，并將采空區(qū)擴(kuò)建為地下廠(chǎng)房。圖1為地下抽水蓄能電站兩種不同模式的樞紐布置示意圖。

圖1 地下抽水蓄能電站樞紐布置示意圖

相比抽水蓄能電站地表水庫(kù)，地下水庫(kù)主要有以下特點(diǎn)：(1)充分利用廢棄礦井，修復(fù)生態(tài)環(huán)境，緩解地面塌陷下沉，避免地下水串層污染；(2)地下水庫(kù)水面蒸發(fā)損失少，一般只需要進(jìn)行初次蓄水，后續(xù)可通過(guò)降雨或地下水補(bǔ)充水量；(3)硐室高程不一，高程差較大，可形成更高水頭，增加發(fā)電量；(4)圍巖應(yīng)力控制難度大[15]，支護(hù)加固成本較高；(5)空間結(jié)構(gòu)交錯(cuò)，巷道形狀多變，庫(kù)區(qū)水動(dòng)力特性復(fù)雜。

3 抽水蓄能電站地下水庫(kù)建設(shè)進(jìn)展

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球廢棄礦井?dāng)?shù)量已超過(guò)100萬(wàn)座[20]。中國(guó)作為采礦大國(guó)，煤礦數(shù)量居世界首位，到2030年，我國(guó)廢棄礦井?dāng)?shù)量將達(dá)到1.5萬(wàn)座[21]。根據(jù)謝和平院士團(tuán)隊(duì)[22]預(yù)測(cè)，利用現(xiàn)有廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能電站的年發(fā)電量達(dá)7.25×106MW·h，相當(dāng)于2019年全社會(huì)用電總量(7.23×106MW·h[23])。如何合理開(kāi)發(fā)利用廢棄礦井地下空間資源，成為當(dāng)今能源環(huán)保領(lǐng)域熱點(diǎn)議題[20]。為推動(dòng)綠色經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)外將廢棄礦井與抽水蓄能電站相結(jié)合的研究與實(shí)踐隨之興起，礦產(chǎn)資源豐富和深部巖體開(kāi)采基礎(chǔ)理論成熟的國(guó)家相繼進(jìn)行了許多工程案例設(shè)計(jì)與相關(guān)科學(xué)探索。

1960年代末，美國(guó)開(kāi)始進(jìn)行地下抽水蓄能電站的基礎(chǔ)性研究[16]。1975年，新澤西州多佛鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)的霍普山(Mount Hope)半地下式抽水蓄能電站[24]，為世界上第一座擬建的地下抽水蓄能電站，其上水庫(kù)為霍普湖以西約540 m的臺(tái)地上開(kāi)挖而成的面積為22.3 km2的蓄水池，下水庫(kù)利用地下約760 m深的新倫納德廢棄鐵礦洞，廠(chǎng)房位于地下900 m，擬通過(guò)霍普山湖和廢棄礦坑水完成初次蓄水，此后依靠降雨補(bǔ)充蒸發(fā)損失。1980年前后，俄亥俄州開(kāi)始規(guī)劃建設(shè)位于諾頓城的薩米特(Summit)半地下式抽水蓄能電站[25]，其上水庫(kù)為多蘿西湖西側(cè)約2 km處開(kāi)挖的面積約15 km2的蓄水池；下水庫(kù)利用已于1976年關(guān)閉的廢棄石灰?guī)r礦井，硐室寬9.8 m，高5.2～14 m不等，僅需對(duì)靠近地下廠(chǎng)房的巷道進(jìn)行局部開(kāi)挖以改善水流條件；石灰?guī)r滲透性低，可以保證庫(kù)區(qū)水體封閉循環(huán)流動(dòng)；蒸發(fā)損失通過(guò)城市供水管路補(bǔ)充，年均補(bǔ)水量140萬(wàn)m3。Mount Hope電站和Summit電站均在1980年代完成可行性研究，并于1990年左右取得美國(guó)聯(lián)邦能源管理委員會(huì)的施工許可證，原定于1993年左右開(kāi)工，但時(shí)值美國(guó)電力市場(chǎng)化改革，兩個(gè)電站均未能動(dòng)工建設(shè)。2007年，霍普山電站開(kāi)發(fā)公司將電站裝機(jī)容量重新設(shè)計(jì)為1000 MW[22]。2014年10月16日，新薩米特(New Summit)地下抽水蓄能電站重新啟動(dòng)初步可行性研究。

新加坡土地面積少且地勢(shì)平坦，難以修建常規(guī)抽水蓄能電站，因此在1996年提出建設(shè)地下抽水蓄能電站的構(gòu)想[26]。該構(gòu)想利用位于Bukit Timah地區(qū)的廢棄采石場(chǎng)修建上水庫(kù)，在花崗巖層中開(kāi)挖下水庫(kù)和地下廠(chǎng)房，裝機(jī)容量370 MW，有效水頭約500 m，庫(kù)容270萬(wàn)m3。經(jīng)核算，其投資成本約800 US$/kW，與同規(guī)模燃油電廠(chǎng)相當(dāng)。

日本可再生能源基金會(huì)于1997至2002年完成了《地下抽水蓄能發(fā)電技術(shù)調(diào)查報(bào)告》，對(duì)淡水和海水兩類(lèi)地下抽水蓄能電站進(jìn)行可行性論證，并論證了高水頭(800 m以上)情況下，地下抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)性可能優(yōu)于常規(guī)抽水蓄能電站[27]。

2005年，為保障莫斯科市供電需求，俄羅斯計(jì)劃修建一座地下抽水蓄能電站，具體設(shè)計(jì)方案如下[28]：上水庫(kù)位于地面，下水庫(kù)為埋深800～1300 m的大型硐室，上、下水庫(kù)通過(guò)直徑12.5 m、長(zhǎng)度約16 km的隧洞連接，預(yù)計(jì)庫(kù)容200萬(wàn)m3～330萬(wàn)m3，裝機(jī)容量1000 MW，廠(chǎng)房位于地下1300 m，電站投資預(yù)算約700 US$/kW，與常規(guī)抽水蓄能電站持平。

隨著理論的完善和技術(shù)的進(jìn)步，地下抽水蓄能電站由設(shè)計(jì)構(gòu)想走向工程實(shí)踐。2006年11月，奧地利在Nassfeld地區(qū)建造的世界上首個(gè)半地下式抽水蓄能電站投入運(yùn)營(yíng)[29]。電站上水庫(kù)及原有下水庫(kù)均為天然湖泊；計(jì)劃擴(kuò)建下水庫(kù)以增加發(fā)電量，通過(guò)原有下水庫(kù)連接人工開(kāi)挖地下隧道群，隧道群斷面為橢圓形，尺寸7.5 m×14.6 m(寬×高)，總長(zhǎng)1.95 km，建成后下水庫(kù)庫(kù)容增加16萬(wàn)m3[30]。2012年，維也納Pablo Spitzer能源公司計(jì)劃在Molln地區(qū)建設(shè)一座地下抽水蓄能電站以?xún)?chǔ)存Bernegger發(fā)電廠(chǎng)多余電量，擬于Pfaffenboden采石場(chǎng)山體內(nèi)部建造四條直徑16m的隧道作為電站上水庫(kù)[22]。

德國(guó)礦業(yè)發(fā)達(dá)，每年淘汰大批礦井，許多企業(yè)與機(jī)構(gòu)開(kāi)展了以廢棄礦井作為地下水庫(kù)的抽水蓄能電站設(shè)計(jì)研究。2011年，Niedersachsen州能源研究所計(jì)劃利用Upper Harz地區(qū)的Grund廢棄金礦巷道建設(shè)全地下式抽水蓄能電站[31]，該礦區(qū)地質(zhì)穩(wěn)定，巷道最深處761 m，斷面直徑約3.5 m，不同巷道間設(shè)有連通巷道。2016年12月，Ruhr集團(tuán)與Duisburg-Essen大學(xué)達(dá)成聯(lián)合開(kāi)發(fā)協(xié)議，擬將Nordrhein-Westfalen州臨關(guān)閉的Prosper-Haniel煤礦建設(shè)為一座半地下式抽水蓄能電站[32]，煤礦廢棄巷道深達(dá)1200 m，長(zhǎng)約26.7 km。Prosper-Haniel電站和Grund電站原定于2018年左右開(kāi)建，但效益評(píng)估表明兩座電站均未達(dá)到最低資本回報(bào)率，目前德國(guó)諸多地下抽水蓄能電站項(xiàng)目推進(jìn)有待電力市場(chǎng)環(huán)境進(jìn)一步改善[33]。

2016年，比利時(shí)Martelange廢棄板巖礦區(qū)計(jì)劃改建為一座抽水蓄能電站地下水庫(kù)[34]。礦井巷道群埋深較淺(110～150 m)，斷面尺寸15 m×45 m(寬×高)。水庫(kù)由九條主巷道連接形成，庫(kù)容40萬(wàn)m3，地下水位接近硐室頂部，尚在研究地下水與圍巖作用過(guò)程。

2017年，南非Johannesburg市計(jì)劃利用Fast West Rand地區(qū)的一座廢棄深井金礦建造大型全地下式抽水蓄能電站，并已從地質(zhì)構(gòu)造、庫(kù)區(qū)水源、工程布置、經(jīng)濟(jì)效益、法規(guī)政策、社會(huì)評(píng)價(jià)等方面開(kāi)展詳細(xì)的可行性分析[35]。作為世界上最深的金礦，其巷道群分布于地下500～4000 m，擬采用級(jí)聯(lián)式抽水蓄能布置，兩級(jí)電站水頭分別為1200和1500 m，建成后將是世界上水頭最高的抽水蓄能電站。

西班牙Asturian中央盆地大部分礦山于2018年底關(guān)閉，擬改造為一座半地下式抽水蓄能電站[36]，主巷道深500～600 m，水平間隔80～100 m，斷面面積約30 m2，可利用長(zhǎng)度約 6 km，初次蓄水及蒸發(fā)損失補(bǔ)充水源為礦井涌水，無(wú)需額外建設(shè)引水渠道。

結(jié)合國(guó)外探索經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮我國(guó)廢棄礦井的空間分布特征，謝和平等[22]、顧大釗[37]和袁亮[38]相繼提出，可將廢棄礦井遺留的巨大地下空間改造為儲(chǔ)水用地下水庫(kù)或抽水蓄能電站地下水庫(kù)。針對(duì)西北地區(qū)因煤炭開(kāi)發(fā)導(dǎo)致的水資源嚴(yán)重短缺問(wèn)題，原神華集團(tuán)于2010年在神東礦區(qū)大柳塔煤礦建成了首座分布式地下水庫(kù)，截至2022年已建成35座，最大儲(chǔ)水量約3100萬(wàn)m3，是世界上僅有的煤礦地下水庫(kù)群[39]，為地下水庫(kù)建設(shè)提供了有益探索。江蘇省在全國(guó)率先提出“礦地融合”開(kāi)發(fā)模式，2020年11月，華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院編制《綜合利用地下坑道建設(shè)抽水蓄能電站研究報(bào)告》，擬利用句容市石碭山銅礦廢棄露天采石宕口擴(kuò)建上水庫(kù)，并將地下巷道群改建為下水庫(kù)，電站裝機(jī)容量1200 MW，庫(kù)容約700萬(wàn)m3。2021年9月，天津大學(xué)水力學(xué)研究所采用水氣兩相流數(shù)值模擬方法，對(duì)抽水蓄能電站地下水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程水力特性進(jìn)行了全面研究(《江蘇句容石碭山銅礦抽水蓄能電站下水庫(kù)布置方案水力學(xué)數(shù)值模擬研究》，2021)。2022年，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)對(duì)淮北岱河廢棄煤礦改建的抽水蓄能電站地下水庫(kù)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)及優(yōu)化，分析了簡(jiǎn)單地下水庫(kù)巷道內(nèi)部?jī)上嗔魈匦訹40]。2022年2月25日，國(guó)內(nèi)首個(gè)結(jié)合地下抽水蓄能發(fā)電技術(shù)的多能互補(bǔ)能源綜合體項(xiàng)目在山東省淄博市正式開(kāi)工，該工程計(jì)劃利用淄川廢棄礦區(qū)礦井建設(shè)總裝機(jī)容量為2200 MW的抽水蓄能電站群。目前，我國(guó)已分別在云南省[41]和黃河流域九省區(qū)[42]開(kāi)展地下抽水蓄能電站建設(shè)潛力評(píng)估，一系列調(diào)研與規(guī)劃預(yù)示著我國(guó)地下抽水蓄能電站工程應(yīng)用與發(fā)展的可觀(guān)前景。

表1列出了部分典型地下抽水蓄能電站關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，受礦洞拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、圍巖應(yīng)力分布和水文地質(zhì)條件等因素影響，不同廢棄礦井建設(shè)地下抽水蓄能電站的限制因素各異，缺乏普適性設(shè)計(jì)方案。

表1 部分地下抽水蓄能電站關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)

目前，抽水蓄能電站地下水庫(kù)建設(shè)基本停留在設(shè)計(jì)構(gòu)想階段，相關(guān)科學(xué)問(wèn)題探索盡管基于實(shí)際廢棄礦井開(kāi)展，但往往采用較為理想化的地下水庫(kù)概念模型，未完全考慮庫(kù)區(qū)實(shí)際空間分布和進(jìn)/出水口型式，忽略地下水庫(kù)細(xì)部結(jié)構(gòu)對(duì)電站運(yùn)行的影響。國(guó)內(nèi)外鮮有系統(tǒng)且完整的同類(lèi)工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，缺乏抽水蓄能電站地下水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中水力特性理論分析、精細(xì)模擬與試驗(yàn)研究，存在諸多有待解決的水力學(xué)挑戰(zhàn)和難題。

4 抽水蓄能電站地下水庫(kù)關(guān)鍵水力學(xué)問(wèn)題

常規(guī)抽水蓄能電站上、下水庫(kù)均建在地面，無(wú)論是人工開(kāi)挖的上水庫(kù)，還是利用天然河道的下水庫(kù)，其庫(kù)區(qū)均為開(kāi)敞水域。地下抽水蓄能電站的地下水庫(kù)，無(wú)論是半地下式抽水蓄能電站的下水庫(kù)，還是全地下式抽水蓄能電站的上水庫(kù)和下水庫(kù)，均利用廢棄礦井的地下巷道、硐室或采空區(qū)等廢棄空間建設(shè)地下水庫(kù)。抽水蓄能電站地下水庫(kù)由狹長(zhǎng)密閉、縱橫交貫的地下空間構(gòu)成。地下抽水蓄能電站建成運(yùn)行時(shí)其地下水庫(kù)的水力特性完全不同于常規(guī)抽水蓄能電站地表水庫(kù)的水力特性。針對(duì)抽水蓄能電站地下水庫(kù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與建設(shè)現(xiàn)狀，初步凝練三大關(guān)鍵水力學(xué)問(wèn)題，分別為：非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)特性、水氣兩相流相互影響規(guī)律和水力特性與庫(kù)區(qū)形態(tài)響應(yīng)關(guān)系。

為敘述方便，下面以地下抽水蓄能電站下水庫(kù)為例進(jìn)行論述。對(duì)于下水庫(kù)，尾水隧洞—出(進(jìn))水口—下水庫(kù)依次連接，發(fā)電工況時(shí)為出水口，隧洞水體經(jīng)出水口流出進(jìn)入巷道，水位上升，稱(chēng)為出流；抽水工況時(shí)為進(jìn)水口，巷道內(nèi)水體進(jìn)入進(jìn)水口，水位下降，稱(chēng)為進(jìn)流。

4.1 非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)特性常規(guī)抽水蓄能電站地表水庫(kù)水面開(kāi)闊，運(yùn)行過(guò)程中水位升降平緩，流態(tài)穩(wěn)定，對(duì)于庫(kù)區(qū)及進(jìn)/出水口水力學(xué)特性研究，一般針對(duì)特定水位(死水位和正常蓄水位)視其為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)進(jìn)行研究，包括進(jìn)/出水口水頭損失大小、孔口流量分配均勻程度、攔污柵斷面流速分布均勻程度、進(jìn)水口吸氣漩渦、連接明渠和庫(kù)區(qū)流速分布及流態(tài)等。抽水蓄能電站地下水庫(kù)由廢棄巷道構(gòu)成，庫(kù)區(qū)巷道狹長(zhǎng)交錯(cuò)，雖然發(fā)電工況或抽水工況的流量恒定不變，但庫(kù)區(qū)在死水位上升至正常蓄水位或正常蓄水位下降至死水位過(guò)程中，狹長(zhǎng)巷道水位上升或下降明顯，水面波動(dòng)較大，表現(xiàn)為典型的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，包括巷道涌浪傳播與反射、水位上升時(shí)涌水形成明滿(mǎn)流交替、水位下降時(shí)水體發(fā)生拉空斷流、進(jìn)水口吸氣漩渦和地下水庫(kù)水頭損失增大等。

4.1.1 巷道涌浪傳播與反射 地下水庫(kù)庫(kù)區(qū)巷道狹長(zhǎng)，縱橫交錯(cuò)。出流時(shí)，水面自死水位開(kāi)始上升，水流受巷道壁面限制無(wú)法自由擴(kuò)散，出水口上方水面高于巷道水面，在巷道流動(dòng)形成涌浪；水體流至巷道盡頭遇到巷道壁面時(shí)，將形成反射波，反射波又與來(lái)流相遇再次形成涌浪。同時(shí)，巷道縱橫交錯(cuò)，涌浪沿狹長(zhǎng)巷道自由水面?zhèn)鞑?，并在巷道末端壁面形成多個(gè)方向的反射波后流向各連接巷道，循環(huán)碰撞直至消散?？v橫交錯(cuò)的巷道涌浪特征不同于開(kāi)闊水域的風(fēng)涌浪或滑坡涌浪。當(dāng)水位接近正常蓄水位時(shí)，如果巷道洞頂余幅過(guò)小，涌浪過(guò)大，可能發(fā)生明滿(mǎn)流交替。進(jìn)流時(shí)，水面自正常蓄水位開(kāi)始下降，水面下降過(guò)程中，狹長(zhǎng)巷道水面形成坡降，縱橫交錯(cuò)巷道的水面高低不等，巷道間水位差可能導(dǎo)致波浪傳播；當(dāng)水位接近死水位時(shí)，因巷道狹長(zhǎng)，水深逐漸減小，水體可能出現(xiàn)拉空斷流。機(jī)組啟動(dòng)和事故斷電均是抽水蓄能電站常見(jiàn)的水力瞬變過(guò)程，其對(duì)于地下水庫(kù)涌浪問(wèn)題可能是最不利工況。死水位抽水工況，機(jī)組啟動(dòng)后短時(shí)間內(nèi)進(jìn)/出水口附近水位將突然下降，容易出現(xiàn)拉空斷流；正常蓄水位抽水工況，機(jī)組斷電將致使導(dǎo)葉拒動(dòng)，水體由出流變?yōu)檫M(jìn)流，進(jìn)/出水口附近水位將突然壅高，容易出現(xiàn)明滿(mǎn)流交替。上述水力現(xiàn)象的發(fā)生，均可能影響電站運(yùn)行效率和運(yùn)行安全。

為研究巷道涌浪對(duì)地下水庫(kù)流動(dòng)穩(wěn)定性的影響，Pummer等[43]分別建立了兩種簡(jiǎn)單且規(guī)則的單巷道與多巷道地下水庫(kù)物理模型，模型的巷道數(shù)量、長(zhǎng)度、斷面面積、坡度及糙率均可小幅度調(diào)節(jié)。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，巷道涌浪存在三種波前形態(tài)：波狀涌浪(Undular Bore)、帶二次波的波狀涌浪和破碎涌浪(Breaking Bore)。由于巷道涌浪流動(dòng)特征尚不明晰，Pummer等[43]還建立了一個(gè)結(jié)合物理模型試驗(yàn)和基于OpenFOAM三維數(shù)值模擬的混合模型，研究結(jié)果表明，巷道涌浪在巷道連接部位、軸線(xiàn)方向變化處及末端壁面存在顯著的變形與反射過(guò)程，主要分為三種類(lèi)型：部分反射、馬赫反射和全反射。涌浪反射形成的波高被嚴(yán)重低估，馬赫反射在地下水庫(kù)內(nèi)部延伸范圍較廣。

巷道涌浪可能對(duì)地下水庫(kù)運(yùn)行穩(wěn)定及安全產(chǎn)生影響，其主要流動(dòng)參數(shù)包括波高、波速、周期和衰減系數(shù)，但目前尚未在地下水庫(kù)設(shè)計(jì)階段考慮這些因素。對(duì)于常規(guī)水電站，泄洪消能會(huì)引起尾水洞水位的擾動(dòng)，其對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的影響是客觀(guān)存在的，設(shè)置調(diào)壓室可以將尾水波動(dòng)對(duì)機(jī)組的影響控制在電站與電網(wǎng)的可接受范圍內(nèi)[44]。巷道涌浪會(huì)引起地下水庫(kù)水位波動(dòng)，其流動(dòng)特性與尾水波動(dòng)存在相似性，可能對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響。一方面，需要研究涌浪傳播與衰減過(guò)程，避免涌浪與地下水庫(kù)調(diào)壓室水位波動(dòng)頻率相同而發(fā)生共振；另一方面，在確定涌浪波高與周期基礎(chǔ)上，定量分析不同工況下涌浪對(duì)機(jī)組出力、機(jī)組過(guò)流量、機(jī)組工作水頭等的影響幅度。常規(guī)抽水蓄能電站地表水庫(kù)開(kāi)敞空闊，水體在庫(kù)區(qū)流動(dòng)平穩(wěn)，因此主要以進(jìn)/出水口流速分布不均勻系數(shù)與和流量分配不均勻程度為衡量雙向水流均衡過(guò)渡的控制標(biāo)準(zhǔn)；而對(duì)于抽水蓄能電站地下水庫(kù)，需要在優(yōu)化進(jìn)/出水口體型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析水體沿庫(kù)區(qū)巷道流動(dòng)時(shí)相關(guān)水力指標(biāo)是否滿(mǎn)足要求，充分考慮事故工況下的涌浪問(wèn)題，提出巷道涌浪波高及波速閾值和防止巷道涌浪過(guò)高的合理建議，提出避免水體出現(xiàn)拉空斷流的臨界水深和防止水位上升時(shí)涌水形成明滿(mǎn)流交替的巷道洞頂余幅閾值等。目前，洞頂余幅閾值通常依據(jù)高速泄洪系統(tǒng)的研究成果，泄洪洞內(nèi)流速通常超過(guò)20 m/s，洞頂余幅閾值宜為洞室斷面面積的15%～25%[45]；而地下水庫(kù)庫(kù)區(qū)水體流速較低，由涌浪控制的臨界水深和洞頂余幅閾值研究可能需要通過(guò)試驗(yàn)確定。

4.1.2 進(jìn)水口吸氣漩渦 抽水蓄能電站地下水庫(kù)要求在有限地下空間內(nèi)盡可能擴(kuò)大調(diào)節(jié)庫(kù)容，當(dāng)下水庫(kù)接近死水位時(shí)其進(jìn)水口的淹沒(méi)深度往往較小，抽水工況進(jìn)流時(shí)，進(jìn)水口前緣容易產(chǎn)生危害性較大的吸氣漩渦，這種情況是必須避免的。吸氣漩渦的影響因素可分為邊界條件和水力條件兩大類(lèi)，其中邊界條件包括進(jìn)水口前緣地形、進(jìn)水口淹沒(méi)深度、進(jìn)水口體型等，水力條件包括庫(kù)區(qū)行進(jìn)流速、進(jìn)流流量、環(huán)流強(qiáng)度等。

常規(guī)抽水蓄能電站庫(kù)區(qū)一般為天然河道或人工開(kāi)挖庫(kù)盆，水域開(kāi)闊，進(jìn)流時(shí)各向均勻來(lái)流。地下抽水蓄能電站進(jìn)水口往往與單巷道或多巷道銜接，水流主要沿狹長(zhǎng)巷道軸線(xiàn)方向進(jìn)入進(jìn)水口。一方面，由于巷道斷面與進(jìn)水口屬同一尺度，巷道邊壁距進(jìn)水口較近，可能會(huì)抑制吸氣漩渦產(chǎn)生[46]；另一方面，對(duì)于多巷道型地下水庫(kù)，多股水流在進(jìn)水口上方互相沖撞，其速度及流向均發(fā)生劇烈變化，由于邊界限制，水流僅來(lái)自有限幾個(gè)方向，近壁區(qū)水體經(jīng)主流的拖曳作用流入進(jìn)水口后難以及時(shí)補(bǔ)充，容易提前誘發(fā)吸氣漩渦。抽水蓄能電站地下水庫(kù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和流動(dòng)特性均與常規(guī)抽水蓄能電站差異較大，進(jìn)水口附近水體呈現(xiàn)更強(qiáng)烈的非穩(wěn)態(tài)特征，需要針對(duì)性研究地下水庫(kù)吸氣漩渦演變機(jī)制。

對(duì)于寬闊水域，進(jìn)水口吸氣漩渦流動(dòng)機(jī)理至今尚未徹底闡明?，F(xiàn)有研究表明，進(jìn)水口自身體型對(duì)吸氣漩渦的發(fā)展過(guò)程影響有限[47]，控制進(jìn)水口吸氣漩渦形成的水力指標(biāo)主要為臨界淹沒(méi)深度Sc或相對(duì)淹沒(méi)深度S/d(S為進(jìn)/出水口中心線(xiàn)以上淹沒(méi)深度、d為孔口高度)、弗勞德數(shù)Fr、雷諾數(shù)Re和韋伯?dāng)?shù)We。地下抽水蓄能電站進(jìn)水口與多條狹長(zhǎng)巷道相接，需要對(duì)適用于常規(guī)抽水蓄能電站進(jìn)水口的相關(guān)水力指標(biāo)判別閾值進(jìn)行修正，并應(yīng)在推導(dǎo)過(guò)程中加入地下水庫(kù)特有的吸氣漩渦影響因素，如巷道寬度B(或巷道寬度B/壓力隧洞直徑D)、巷道數(shù)量n及巷道軸線(xiàn)與進(jìn)/出水口中心線(xiàn)水平夾角θ等。

基于吸氣漩渦演變機(jī)制，針對(duì)實(shí)際地下水庫(kù)工程，需要提出相應(yīng)的消渦措施。對(duì)于常規(guī)抽水蓄能電站，常見(jiàn)消渦裝置包括側(cè)式進(jìn)/出水口的防渦梁和井式進(jìn)/出水口的蓋板。目前尚未提出地下抽水蓄能電站進(jìn)/出水口通用體型，但可以預(yù)期，受地下空間限制，需對(duì)常規(guī)進(jìn)/出水口體型進(jìn)行一定程度簡(jiǎn)化，圖2為地下抽水蓄能電站進(jìn)/出水口的兩種設(shè)計(jì)體型。從圖中看出，進(jìn)/出水口體型簡(jiǎn)化后，因巷道狹窄，常規(guī)消渦措施將難以布置，即使布置防渦梁或蓋板也可能惡化進(jìn)/出水口附近狹小空間流態(tài)。因此，適用于地下抽水蓄能電站進(jìn)/出水口且簡(jiǎn)易有效的新型消渦措施有待進(jìn)一步探索。

圖2 地下抽水蓄能電站進(jìn)/出水口型式

應(yīng)當(dāng)注意的是，Pummer等[43]僅對(duì)地下水庫(kù)巷道(群)建立了物理模型，受比尺限制，未考慮調(diào)壓室和通氣洞等，模型不能完全反映庫(kù)區(qū)水體真實(shí)流態(tài)。另外，在研究巷道涌浪與吸氣漩渦等非穩(wěn)態(tài)水力現(xiàn)象時(shí)，涉及表面張力相似和糙率相似[48]，模型試驗(yàn)可能存在難以克服的比尺效應(yīng)，需要結(jié)合依照原型尺寸建立的三維數(shù)值模型[43，49]，精細(xì)捕捉水氣界面變化，確定合理的運(yùn)行水位，科學(xué)反映地下水庫(kù)水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

4.1.3 地下水庫(kù)水頭損失評(píng)估 水頭損失過(guò)大將降低電站凈水頭，影響發(fā)電效率。對(duì)于常規(guī)抽水蓄能電站，上、下水庫(kù)均為地表水庫(kù)，水域開(kāi)敞，庫(kù)區(qū)流速很小，僅關(guān)注進(jìn)/出水口段的局部水頭損失，忽略庫(kù)區(qū)的水頭損失，其總水頭損失即輸水系統(tǒng)的水頭損失。例如，發(fā)電水頭為300 m的抽水蓄能電站，水頭損失建議值為12～15 m，即輸水系統(tǒng)水頭損失不宜超過(guò)設(shè)計(jì)水頭的4%～5%[50]，其中進(jìn)/出水口水頭損失小于1 m。但是，對(duì)于地下抽水蓄能電站，其地下水庫(kù)由縱橫交錯(cuò)的狹長(zhǎng)巷道構(gòu)成，庫(kù)區(qū)水頭損失不可忽略，其水頭損失包括沿程水頭損失(由狹長(zhǎng)巷道群引起)和局部水頭損失(由進(jìn)/出水口和巷道連接部位引起)，由于庫(kù)區(qū)巷道群可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米且存在許多分流/匯流岔口和連接巷道，沿程水頭損失和局部水頭損失數(shù)值均較大，但其具體范圍與關(guān)鍵影響因素尚不清楚，需要進(jìn)行定量計(jì)算與評(píng)估。

評(píng)估或量測(cè)水頭損失時(shí)，一般認(rèn)為常規(guī)抽水蓄能電站庫(kù)區(qū)及進(jìn)/出水口水體流動(dòng)處于穩(wěn)態(tài)，而地下水庫(kù)水體呈現(xiàn)顯著的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)特征，利用穩(wěn)態(tài)或擬穩(wěn)態(tài)條件計(jì)算得到的水頭損失與實(shí)測(cè)結(jié)果存在較大偏差[51]。地下水庫(kù)內(nèi)部諸多非穩(wěn)態(tài)水力現(xiàn)象將導(dǎo)致額外的能量損失即附加水頭損失，附加水頭損失與巷道尺寸、壁面性質(zhì)、瞬時(shí)加速度、巷道涌浪等許多要素有關(guān)[52]，其物理本質(zhì)尚不清楚，計(jì)算方法很不完善，目前相關(guān)公式僅針對(duì)實(shí)驗(yàn)室尺度的單管或簡(jiǎn)單管網(wǎng)系統(tǒng)[53]，在時(shí)空尺度上是否適用于實(shí)際的地下水庫(kù)還需要進(jìn)一步論證。

地下水庫(kù)巷道狹長(zhǎng)且縱橫交錯(cuò)，具有運(yùn)行過(guò)程中水位頻繁變化、流道斷面形式多樣和流動(dòng)邊界不規(guī)則等特點(diǎn)，有別于以往對(duì)明渠或管涵的研究。地下水庫(kù)水頭損失影響因素繁多，形成機(jī)制相對(duì)復(fù)雜，包括水流條件、庫(kù)區(qū)空間結(jié)構(gòu)、巷道壁面性質(zhì)。此外，地下水庫(kù)空間封閉且與地表水庫(kù)高差較大，庫(kù)內(nèi)水溫在運(yùn)行過(guò)程中變化較大[54]，水溫變化對(duì)運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)的影響不應(yīng)忽略。為減小地下水庫(kù)工程設(shè)計(jì)階段的水力計(jì)算誤差，可基于流速、水位、巷道糙率、硐室斷面形狀及橫截面積、水溫等因子，得到適用性強(qiáng)的地下水庫(kù)水頭損失系數(shù)計(jì)算公式或預(yù)測(cè)模型。進(jìn)一步地，應(yīng)考慮巷道岔口、連接巷道等拓?fù)湟蛩睾拖锏烙坷说确欠€(wěn)態(tài)流動(dòng)因素，建立多元線(xiàn)性回歸關(guān)系，并系統(tǒng)地對(duì)各因素作參數(shù)敏感性分析[55]，以期有效降低或控制地下水庫(kù)水頭損失，并在類(lèi)比復(fù)雜輸水隧洞管網(wǎng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上提出合理的地下水庫(kù)水頭損失閾值，提高廢棄礦井抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)可行性。

4.2 水氣兩相流相互影響規(guī)律抽水蓄能電站地下水庫(kù)往往埋深數(shù)百米，與外部大氣連通性較差[56]。發(fā)電工況出流時(shí)，庫(kù)內(nèi)水位上升，巷道水面上部的空氣如果不能及時(shí)排除，則會(huì)逐漸被壓縮，氣體壓力增大并作用于水體，導(dǎo)致其流速降低，巷道水體流態(tài)發(fā)生改變，水氣相互作用不直接影響電站運(yùn)行，但會(huì)降低凈發(fā)電水頭，從而影響機(jī)組運(yùn)行效率，發(fā)電量下降幅度可達(dá)12.5%[54，57]。抽水工況進(jìn)流時(shí)，庫(kù)內(nèi)水位下降，如果通氣洞布置不合理，外界大氣不能及時(shí)補(bǔ)充到庫(kù)內(nèi)進(jìn)而形成負(fù)壓，水體將無(wú)法順利流入進(jìn)水口，機(jī)組無(wú)法以額定流量運(yùn)行。地下水庫(kù)內(nèi)部水氣兩相的強(qiáng)相互作用還將導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大，產(chǎn)生額外的能量損失。通氣洞的排氣/補(bǔ)氣效果應(yīng)當(dāng)引起重視，采取必要且合理的通氣洞布置方案，避免形成高壓氣室或真空腔[58]，危及機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。

地下水庫(kù)布置通氣洞需要考慮的控制因素有通氣洞位置、數(shù)量、直徑和夾角等。受限于模型比尺、相似準(zhǔn)則和復(fù)雜的邊界條件，通過(guò)數(shù)值模擬手段研究庫(kù)內(nèi)水氣兩相流相互影響可能是一種較優(yōu)選擇。數(shù)值模型便于修改研究對(duì)象的各項(xiàng)參數(shù)[59]，并為預(yù)測(cè)地下抽水蓄能電站事故工況運(yùn)行過(guò)程中潛在的兩相流動(dòng)極端情況提供可能性?；赩OF方法進(jìn)行全過(guò)程水氣兩相流瞬態(tài)模擬十分必要，但其計(jì)算成本過(guò)高，需探索適用的數(shù)值計(jì)算方法[60]。Menendez等[36]分別計(jì)算了兩種通氣洞布置方案(圖3)，模型A在每條橫向巷道末端布置直徑1 m的通氣洞，橫向巷道坡度2%；模型B僅在中央巷道末端布置直徑4 m的通氣洞，橫向巷道水平。計(jì)算結(jié)果表明，模型A中通氣洞附近氣體速度與壓強(qiáng)均大于模型B，模型B中橫向巷道內(nèi)部?jī)上嗔鲃?dòng)較穩(wěn)定。然而，該項(xiàng)研究中橫向巷道長(zhǎng)度僅200 m，對(duì)于巷道長(zhǎng)度達(dá)數(shù)千米的大型地下水庫(kù)而言，僅在中央巷道布置一個(gè)通氣洞可能會(huì)導(dǎo)致橫向巷道內(nèi)氣體流動(dòng)不暢，水氣界面壓強(qiáng)過(guò)大[61]。

圖3 地下水庫(kù)通氣洞布置方案

對(duì)于地下水庫(kù)水氣兩相流相互影響問(wèn)題，與正常運(yùn)行工況相比，地下水庫(kù)初次蓄水(開(kāi)始時(shí)地下水庫(kù)內(nèi)僅有空氣)、機(jī)組啟動(dòng)和事故斷電等水力瞬變過(guò)程是更極端的不利工況，需研究上述工況的水氣界面壓強(qiáng)變化情況[36]與可能出現(xiàn)的水錘效應(yīng)[40]，分析庫(kù)內(nèi)氣體對(duì)水流的阻礙作用對(duì)機(jī)組運(yùn)行性能的影響程度。同時(shí)，應(yīng)關(guān)注通氣洞與巷道連接處氣體速度與壓強(qiáng)，該位置硐室截面突變，可能導(dǎo)致通氣洞內(nèi)部氣體流動(dòng)不穩(wěn)定。

在設(shè)計(jì)階段給出合理的通氣洞布置方案是一個(gè)難點(diǎn)，目前關(guān)于通氣洞合理流速的研究多集中于地下廠(chǎng)房、采礦區(qū)及住宅區(qū)等通風(fēng)安全領(lǐng)域[60]或高速泄洪系統(tǒng)的摻氣減蝕問(wèn)題[62]，以上研究方向與地下水庫(kù)通風(fēng)問(wèn)題的關(guān)注點(diǎn)和流動(dòng)特性均有較大不同，因此，亟需提出一個(gè)合理的通氣洞風(fēng)速閾值或相關(guān)判別準(zhǔn)則為地下抽水蓄能電站通氣洞布置提供指導(dǎo)，保障電站機(jī)組正常運(yùn)行。

4.3 水力特性與庫(kù)區(qū)形態(tài)響應(yīng)關(guān)系地下水庫(kù)由巷道群構(gòu)成，受礦脈位置和開(kāi)挖穩(wěn)定性限制，其空間形態(tài)相對(duì)復(fù)雜。從工程投資經(jīng)濟(jì)性和礦區(qū)生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)的角度考量，地下水庫(kù)的基本建設(shè)原則是盡量利用廢棄礦井原有的地下空間，進(jìn)行低程度的二次開(kāi)挖和加固。

顧大釗[37]構(gòu)建的儲(chǔ)水用地下水庫(kù)理論框架和技術(shù)體系指出，巷道(群)建設(shè)及優(yōu)化是地下水庫(kù)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，包括同層水庫(kù)間巷道優(yōu)化設(shè)計(jì)和上下層水庫(kù)通道建設(shè)技術(shù)。地下水庫(kù)庫(kù)區(qū)形態(tài)涉及空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、巷道連接方式、斷面型式等。朱超斌等[63]基于空間句法建立拓?fù)淠Ｐ蛢?yōu)化地下水庫(kù)的通達(dá)性與蓄能能力，空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的在于提高大尺度空間的整體連通性以基本保證庫(kù)內(nèi)水流平順，一般不單獨(dú)考慮局部流態(tài)及非穩(wěn)態(tài)水力特性。對(duì)于存在多個(gè)進(jìn)/出水口且巷道群分布范圍廣的地下水庫(kù)，主巷道通過(guò)若干連接巷道相連，連接巷道可以有效控制巷道涌浪。但是，連接巷道導(dǎo)致庫(kù)區(qū)出現(xiàn)許多雙通型及三通型岔口，岔口處水流混亂，可能出現(xiàn)環(huán)流甚至漩渦，影響發(fā)電水頭[57]，多岔口的相互影響也有待深入研究。地下水庫(kù)巷道斷面型式不同，局部水力特性差異較大，未完全充滿(mǎn)水體的巷道內(nèi)部會(huì)形成二次流[64]，影響水體流動(dòng)穩(wěn)定性；斷面型式既影響巷道輸水能力[65]，也影響相鄰巷道間的水位差。Vasileios等[66]通過(guò)改變巷道糙率和橫截面積，證明巷道橫截面積與水位差之間有密切關(guān)系，且當(dāng)橫截面積大于某一臨界值后，相鄰巷道水位差與橫截面積無(wú)關(guān)。現(xiàn)有研究主要從地質(zhì)結(jié)構(gòu)或社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面優(yōu)化地下水庫(kù)空間，缺乏反映庫(kù)內(nèi)水氣流動(dòng)特征的指標(biāo)，無(wú)法對(duì)充水后地下水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行綜合評(píng)估。后續(xù)研究可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，將巷道涌浪高度、吸氣漩渦臨界淹沒(méi)水深和通氣洞風(fēng)速等為約束條件納入庫(kù)區(qū)形態(tài)優(yōu)化體系中，全面分析庫(kù)區(qū)形態(tài)的不確定性對(duì)水力特性的影響。

地下水庫(kù)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)特征制約巷道水體流動(dòng)，而水循環(huán)過(guò)程又影響圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及水沙運(yùn)動(dòng)過(guò)程[43，67]，庫(kù)內(nèi)水力特性與庫(kù)區(qū)形態(tài)密切相關(guān)。庫(kù)區(qū)形態(tài)應(yīng)當(dāng)在廢棄礦井已有空間上進(jìn)行優(yōu)化，需研究庫(kù)區(qū)原有形狀、改進(jìn)形狀與理想對(duì)稱(chēng)形狀下水力特性的變化規(guī)律，建立水力特性與庫(kù)區(qū)形態(tài)響應(yīng)關(guān)系，形成地下水庫(kù)空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。

5 結(jié)論

目前，抽水蓄能電站地下水庫(kù)的設(shè)計(jì)與建造在我國(guó)乃至全世界范圍仍處在摸索階段，相關(guān)理論與技術(shù)尚未成熟，本文從抽水蓄能電站地下水庫(kù)的模式及特點(diǎn)出發(fā)，總結(jié)了地下水庫(kù)建設(shè)進(jìn)展，提出了地下水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中的關(guān)鍵水力學(xué)問(wèn)題，得到以下結(jié)論：

(1)利用廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能電站地下水庫(kù)，有利于廢棄礦井生態(tài)修復(fù)，具有廣闊的前景，但由于地下空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，庫(kù)區(qū)水動(dòng)力特性有待深入研究。

(2)利用廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能電站地下水庫(kù)的研究剛剛起步，不少?lài)?guó)家已開(kāi)展一系列廢棄礦井現(xiàn)狀調(diào)查和修建地下水庫(kù)的潛力評(píng)估，但鮮見(jiàn)付諸實(shí)施的具體工程案例，缺乏實(shí)際抽水蓄能電站地下水庫(kù)的設(shè)計(jì)與建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。

(3)利用廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能電站地下水庫(kù)，應(yīng)盡量利用廢棄礦井原有的地下空間，進(jìn)行低程度的二次開(kāi)挖和加固。因地下水庫(kù)巷道狹長(zhǎng)且為密閉空間，電站運(yùn)行過(guò)程將面臨復(fù)雜的水力學(xué)問(wèn)題，巷道縱橫交錯(cuò)越復(fù)雜，其水力學(xué)問(wèn)題越突出。庫(kù)內(nèi)水體流動(dòng)呈現(xiàn)顯著的非穩(wěn)態(tài)特征，可能出現(xiàn)巷道涌浪、進(jìn)水口吸氣漩渦和附加水頭損失等問(wèn)題。為降低運(yùn)行過(guò)程中水氣兩相流相互作用對(duì)電站運(yùn)行影響程度，需要提出合理的通氣洞布置方案。水力特性與庫(kù)區(qū)形態(tài)之間相互影響，庫(kù)區(qū)形態(tài)制約水體流動(dòng)，應(yīng)建立水力特性與庫(kù)區(qū)形態(tài)響應(yīng)關(guān)系，優(yōu)化地下水庫(kù)空間結(jié)構(gòu)。

(4)抽水蓄能電站地下水庫(kù)是一個(gè)多相多物理場(chǎng)耦合作用的龐大系統(tǒng)，包括圍巖、庫(kù)內(nèi)水體及地下水與空氣的相互作用，涉及圍巖應(yīng)力場(chǎng)、水氣兩相流場(chǎng)、滲流場(chǎng)、熱力場(chǎng)等及其耦合作用下的長(zhǎng)期效應(yīng)。建議后續(xù)研究在充分研究水力學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，積極開(kāi)展上述相關(guān)領(lǐng)域的研究，為抽水蓄能電站地下水庫(kù)安全建設(shè)提供科學(xué)指導(dǎo)與有力保障。