淺析小型水電站引水系統優化設計

摘要：隨著我國社會經濟的不斷發展進步，小型水電站產業也得到了快速的發展。本文主要以廣東省某小型水電站的引水系統的例子來對其設計進行簡要的分析。此水電站是位于梯級工程的下游電站，因此要想保證小型水電站的運行效率能夠符合設計的要求，就必須與其引水建筑物的特點相適應。另外，還需要對小型水電站的引水系統進行優化，例如對取水樞紐等部分進行優化設計可以保證其引水系統的整體運行能夠符合設計要求，同時還有效降低了工程的施工難度和安全隱患。

關鍵詞：小型水電站；引水系統；優化設計

一、引言

隨著社會經濟的不斷發展進步，各種水利水電工程項目也進一步得到了快速的發展，引水系統是小型水電站中十分重要的組成部分，通常是由進水口、引水管道、壓力管道、尾水出口和尾水隧洞等幾個部分組成，對引水系統進行優化設計可以有效降低施工的工程量，同時還可以在工程建設過程中得到更大的經濟收益。目前，我國設計行業通常會使用一些新工藝、新材料等來對引水系統的進水口、尾水出口等部分進行合理優化，使小型水電站在最大程度上實現經濟效益和社會效益。

二、工程概況

廣東省某小型水電站工程是以引水式水電站作為整個水電站的主要存在形式。施工過程中需要完成的任務有引水隧洞、調壓井、壓力管道和升壓站等部分的施工，此小型水電站工程符合中水頭徑流引水式電站的特點。其中，此小型水電站最初設計的引水流量為16.95m3/s，尾水部分的設計流量為14.78m3/s。這個小型水電站的裝機總容量是22MW，每年運行時間約為4746h。

三、小型水電站引水系統進行優化設計的必要性

其實，梯級水電站與上級水電站以及次級水電站在電力方面都具有十分緊密的聯系，同時水力方面也是在設計梯級水電站時十分關鍵的因素。所以，該小型水電站在進行引水系統優化設計的過程中，相關設計人員應該全面考慮電離平衡、水量平衡和尾水銜接等多方面因素對引水系統的影響。此項目中的水電站在設計之初都設置了一條具有調壓室的隧洞，因此在對引水系統進行優化設計時還要注意此系統中缺少一個無壓過渡段來對隧洞起到穩定作用。此外，由于上下2級水電站的具體運行方式是不完全相同的，因此實現水力的順利過渡也是一項十分繁雜的任務。

此小型水電站的運行流量主要是由上級水電站提供的，因此這兩所水電站無論哪一所負荷發生變化都會對兩者產生不小的影響。如果上級水電站在運行過程中突然解除所有負荷，都會直接造成小型水電站的發電引用流量大幅度下降，最有效的解決辦法就是馬上停止所有的運行的機組以免其受到不利的影響。如果小型水電站中的導葉或者調速系統由于引用流量急速下降而發生故障，因此必須及時采取有效措施如關閉閥門等盡快將所有設備全部停機，這有這樣才能有效防止小型水電站的壓力隧洞由于進水口進入空氣而對系統產生的不利影響。因此應該在滿足上下游兩端的水電站的順利連接以及小型水電站順利運行的條件下，可以通過對無壓隧洞進行優化設計等方式來實現兩級水電站的良好過渡，這樣也可以有效防止該小型水電站在運行時由于引水隧洞漏氣等問題而造成的事故等問題。

四、小型水電站引水系統的優化設計方案

4.1、對首部樞紐進行優化設計

此水電站的上一級水電站通過有壓引水箱涵來把尾水引流到取水口處的工作原理。最初設計的引水箱涵位于地下的室暗內，同時這也是處理尾水的主要結構形式。引水箱涵是由長為32m、寬為7.3m、高為3.6m的鋼筋混凝土制作而成的，并以2孔的形式來布置，單孔的寬為2.4m、高為2.5m。該小型水電站的引水箱涵通常設置在沉沙池的下游部位。在進行具體的施工時通常采用將砂卵石碾壓分層的辦法來保證其密實程度，引水箱涵的底部也要設置一條合理的盲溝起到排水的作用。過水表層通過澆筑埋石混凝土來確保其整體性能可以滿足運行要求。

4.2、對引水隧洞進行優化設計

在對此小型水電站的引水系統進行優化設計時應該注重對引水隧道的局部進行適當的調整，可以把最初設計的馬蹄型引水隧洞改為城門洞的形式，這樣可以有效降低隧洞的壓力。另外，還應該將無壓隧洞的規模調整為底寬為3.2m、直墻為3.5m、最大凈高為4.40m，同時保證整個隧洞的底板高程保持在2292.9m的范圍內。在修砌隧洞時應該采用混凝土或者鋼筋混凝土等材料作為隧洞的襯砌，同時對圍巖進行加固以確保隧洞的安全性和穩定性，另外還可以通過使用錨桿或者灌漿的辦法來保證引水隧洞的強度等要求。在對小型水電站進行優化設計的過程中應該注重將無壓隧洞與有壓隧洞進行平穩的連接，這樣可以有效防止小型水電站在正常運行過程中由于上一級水電站突然失去負荷而導致無壓隧洞發生封頂的事故，通常的做法是在有壓隧洞和無壓隧洞的連接處設置一個溢洪道，實現泄洪的同時保證小型水電站的正常運行。

4.3、對泄水隧洞進行優化設計

為了避免小型水電站在運行過程中不發生無壓隧洞封頂的事故，就需要需將施工支洞設計成泄水隧洞，在設計泄洪隧洞時需要注意應該向著與引水隧道垂直的方向施工，這樣的布置有利于把下泄出來的超出的水量排放出去，使其全部流入到主河里去，這樣可以有效防止因為水量過多而對小型水電站的正常運行產生十分不利的影響。在設計溢流側堰與泄水隧洞時需要注意很多問題，例如要以機組在全部丟棄負荷的情況下的泄流量作為衡量標準。在設計泄水隧洞時可以適當調整洞室的寬度，這樣可以有效降低施工難度。由于溢流側堰只要在小型水電站放棄全部荷時發揮泄流作用即可，因此在設計過程中通常采用薄壁的形式作為溢流堰的主要結構，并注意應該保證堰頂的高程超出正常水位的0.15m為宜。除此之外，還應該對泄水隧道的結構進行優化。一般情況下，可以采用設計一個城門洞的形狀來保證水電站的正常運行，城門洞通常設計為底部寬度1.6m、縱坡斜度為8.3%，這樣可以對小型水電站的正常運行起到一個保障的作用。

五、小型水電站引水系統優化設計結果分析

在對本文所述的小型水電站的引水系統進行系統的優化設計之后，將引水系統的柵欄壩的底部寬度改為6.2m，沉沙池的寬度改成了7.6m，平均工作水深改成了5.4m。通過將小型水電站的引水系統進行合理的的優化設計之后，不僅極大的減少了工程施工單位對小型水電站的施工工程量，與此同時，相關技術人員通過準確的計算之后可以明確保證，當在小型水電站中優化設計一個合理的無壓隧洞之后，就算上一級的水電站突然全部放棄所有負荷之后也可以保證有壓隧洞不會在短時間內進入氣體。相關人員完全可以利用這一段時間來對小型水電站上一級水電站發生事故后的一系列應急處理。

六、結束語

總而言之，引水系統是小型水電站中十分重要的組成部分，因此，對引水系統進行合理性的優化設計可以有效降低施工的工程量，同時還可以在工程建設過程中得到更大的經濟收益。因此，必須確保我國小型水電站的發展，這將對我國的整體發展以及相關產業的發展壯大都具有十分重要的促進作用。

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