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摘要：某小型水电站作为首位直接连接梯级工程中的下游电站，为了确保该小型水电站的整体运行效率可以满足设计要求，需要结合该水电站工程的引水建筑物特点，及整个小型水电站的运行方式对引水系统进行优化设计，通过对取水枢纽与饮水隧洞的优化设计来确保其引水系统运行状态可以满足其运行要求，同时也对降低该小型水电站工程施工难度与运行风险有着重要作用。本文对某小型水电站引水系统的优化设计进行简要分析。
关键词：小型水电站；引水系统；优化设计；策略
1、前言
现代社会经济的高速发展加大了对各类水利水电工程项目的需求，作为小型水电站最为重要的引水系统，其一般是由进水口、引水管道、调压室、压力管道、尾水出口以及尾水隧洞等多个结构组成，对其进行优化设计可以帮助施工单位有效降低工程量，帮助施工单位在小型水库水电站工程建设中可以获取更多工程收益。现阶段设计单位一般会采用新工艺、新材料对进水口、引水隧洞等部位进行优化，在很多工程实践中都取得了十分显著的成绩，确保引水系统优化设计后不仅可以提高小型水电站的整体运行效率，同时也对充分发挥小型水电站的发电效益与社会效益有着重要作用。
2、工程概况
某小型水电站工程位于阿坝州黑水县小黑水河下游，其作为小黑水河梯级开发工程的次一级水电站，整个小型水电站工程的开发模式以引水式水电站为主要形式，工程施工阶段需要依次完成首部枢纽、引水隧洞、调压井、压力管道、厂房以及升压站等构筑物的施工，所以该小型水电站工程在本质上属于典型的中水头径流引水式电站。该小型水电站在设计过程中的引水流量为16.90m3/s，其中首部底格栅栏坝的引水流量设计标准为2.11m3/s，将其与上游水电站尾水设计流量14.76 m3/s，共同作为该小型水电站的设计引水流量，所以该小型水电站工程的装机容量为21MW，小型水电站每年需要运行近4745h，同时该小型水电站工程开发中不具备其他综合利用的要求。
3、对小型水电站引水系统进行优化设计的必要性
首尾直接连接的长隧洞梯级水电站最大的特点在于可以节省次一级电站首部枢纽建筑的规模，所以该小型水电站工程在实际开发展具有良好的经济价值与应用前景，是水利水电工程领域中一种较为先进的流域开发方式，可以作为未来水利水电工程建设的成功案例进行参考。由于该小型水电站工程需要引用上级电站的发电尾水，上级发电站的发电尾水为14.76 m3/s则基本可以达到其设计引用流量的87%左右，如果在该小型水电站设计阶段可以将这一部分尾水直接引入引水隧洞，由于这一部分尾水的清洁度较高则不需要设置底格栅栏坝引水廊道和沉砂池，这对降低该小型水电站首部的工程量与成本投入有着重要作用。
本文认为梯级水电站中上一级水电站与次一级水电站不仅存在电力联系，水力联系也是梯级水电站设计过程中不能忽略的一个主要因素，虽然电网负荷的平衡、机组躲避振动区、机组出力限制等方面会对其产生约束，同时也要满足防洪、灌溉、航运、生活及工业用水等多个社会方面的需求。因此，该小型水电站引水系统优化设计过程中，设计人员应充分考虑电离平衡、水量平衡、区间径流以及尾水衔接等多项问题，该梯级流域中上下2级水电站在设计中均设置了带有调压室的长隧洞，所以在引水系统优化设计中要充分考虑其缺少一个稳定的无压过渡段，再加上优化设计中由于要涉及到上下2级水电站不同的运行方式，所以要实现水力过渡这一过程是一个相对复杂的内容。
该小型水电站在运行过程中由于其引用流量的87%都是来自上级水电站，所以两所水电站的负荷变化容易对彼此之间产生影响，上级水电站在正常运行中如果突然丢弃全部负荷，则会导致该小型水电站在运行中的发电引用流量随之不断降低，这会导致该小型水电站需要通过立即关闭全部机组来避免其受到影响。如果导叶或调速系统在该种情况下发生故障，则要立即采取关系碟阀的措施来及时完成停机处理，才能避免该小型水电站的压力隧洞进水口不会因进气对系统产生影响，所以在充分考虑上下游两级水电站平顺连接和该小型水电站调节性能的要求，本文认为应该采用无压隧洞的优化设计方案来做为两级水电站的过渡段，避免该小型水电站在联合运行过程中因引水隧洞进气或水压过大而发生一些安全事故。
4、小型水电站引水系统的优化设计方案
4.1首部枢纽的优化设计
该小型水电站上级水电站尾水池后利用有压引水箱涵将尾水引入到左岸取水口处，引水箱涵在设计阶段以地下室暗涵的方式作为主要结构形式，其设计标准为长32m、宽7.1m、高3.4m的钢筋混凝土地下室暗涵，并通过分为2孔的方式进行布置，单孔的设计标准为宽2.3m、高2.4m。钢筋混凝土引水箱涵主要布置于沉沙池下游干砌石海漫段，在施工过程中要采用砂卵石对其进行分层碾压确保其密实度，底部需要通过合理设置盲沟排水来满足其运行要求，过水表层通过浇筑埋石混凝土来确保其整体性能可以满足运行要求。弼石沟来水需要经过沉沙池后才能进入到左岸取水口，这样便可以与上级水电站尾水会合后流入到该小型水电站的引水隧洞，如图1所示。
图1，该小型水电站首部枢纽平面布置的优化方案
4.2引水隧洞的优化设计
该小型水电站引水系统优化设计过程中需要对引水隧道的局部构造形式进行调整，将引水隧洞结构形式由原设计方案的马蹄形有压隧洞调整为城门洞形的无压隧洞，同时也要将城门洞形无压隧洞的设计标准调整为底宽3.1m、直墙高3.4m、最大净高4.41m，并且要将整个隧洞的进口底板高程控制在2292.8m，隧洞在施工过程中需要采用混凝土或钢筋混凝土衬砌，并要通过加固围岩来确保其整体稳定性，利用锚杆与固结灌浆来确保整个引水隧洞的结构强度可以满足运行要求。本文在优化设计中充分考虑到无压与有压隧洞之间连接的平顺，避免小型水电站运行中因上级水电站丢失负荷而出现无压隧洞封顶的事件，则要在有压隧洞与无压隧洞结合处通过设置侧堰溢流建筑物和溢洪道，并要通過将施工支洞改为泄洪洞来满足其整体运行要求。 4.3泄水隧洞的优化设计
为了满足该小型水电站运行需求则要将施工支洞改为泄水隧洞，泄洪隧洞在设计过程中要以垂直引水隧道方向进行布置，这样便可以溢流下泄的多余水量通过其排放到冲沟，然后汇入到主河中避免其对该小型水电站的整体运行状况产生影响。溢流侧堰与泄水隧洞在设计过程中要按照机组全甩负荷工况下的泄流量为标准，为了在设计过程中可以对洞室横向宽度进行适当的调整，进一步降低整个洞室在开挖施工中的施工难度，并要充分考虑侧堰只需要在小型水电站甩负荷时发挥泄流作用，所以在优化设计阶段采用薄壁堰作为主要的结构形式，将堰顶高程要控制在高出正常水位近0.1m左右，这样才能满足该小型水电站甩负荷时的整体运行要求。同时也要对与溢流堰后泄水陡槽相连接的泄水隧道形式进行优化设计，本文认为其可以采用城门洞形来满足整个系统运行要求，其设计标准为底宽1.7m、纵坡8.2%，这样便可以确保其泄流量达到16.88 m3/s时泄洪隧洞的水深可以控制在1.174m左右，完全可以满足整个小型水电站引水系统的运行性能要求。
5、小型水电站引水系统优化设计结果分析
该小型水电站在优化设计中将有压隧洞前设置底坡为12.4%的无压过渡段，则可以作为上下两级水电站在运行过程中的无压引水与有压引水的连接过渡，其设计标准为长101.34m、底坡12.4%、前81.34m，其后20m部位则要作为一个平段，断面尺寸在设计过程中要与有压隧洞的断面尺寸保持高度一致。该小型水电站引水系统经过优化设计后，其底部栅栏坝的底宽优化为6.0m，沉沙池的净宽也优化为7.5m，其平均工作水深也优化为5m。进过对该小型水电站引水系统的整体优化设计，有效降低了施工单位在该小型水电站施工过程中的首部整体工程量，同时技术人员经过计算可以确定该小型水电站在采用无压隧洞后，上级水电站丢弃负荷后可以确保其有压隧洞在12min以内不会进入空气，这一段的时间完全可以做为该小型水电站在上级水电站故障后的应急事故处理时间，与原方案相比该优化后的方案设计不仅可以有效降低工程量，同时也对加强该小型水电站的管理与机组运行效率有着重要作用。
6、结语
综上所述，首尾直连的小型引水式水电站具有施工难度小、成本低、经济效益好等众多优点，所以该种水电站开发模式势必会被广泛运用到水利水电工程领域，本文结合某小型水电站对其引水系统的优化设计方案进行阐述，可供类似工程项目进行参考与借鉴。
参考文献
[1]刘永智.甘再水电站PH1引水发电系统设计方案的优化调整[J].西北水电.2011（2）
[2]宋寅.知木林水电站首部枢纽设计方案优化探讨[J].西北水电.2012（1）
[3]顾永明.积石峡水电站进水口变形规律分析[J].西北水電.2014（1）
关键词：小型水电站；引水系统；优化设计；策略
1、前言
现代社会经济的高速发展加大了对各类水利水电工程项目的需求，作为小型水电站最为重要的引水系统，其一般是由进水口、引水管道、调压室、压力管道、尾水出口以及尾水隧洞等多个结构组成，对其进行优化设计可以帮助施工单位有效降低工程量，帮助施工单位在小型水库水电站工程建设中可以获取更多工程收益。现阶段设计单位一般会采用新工艺、新材料对进水口、引水隧洞等部位进行优化，在很多工程实践中都取得了十分显著的成绩，确保引水系统优化设计后不仅可以提高小型水电站的整体运行效率，同时也对充分发挥小型水电站的发电效益与社会效益有着重要作用。
2、工程概况
某小型水电站工程位于阿坝州黑水县小黑水河下游，其作为小黑水河梯级开发工程的次一级水电站，整个小型水电站工程的开发模式以引水式水电站为主要形式，工程施工阶段需要依次完成首部枢纽、引水隧洞、调压井、压力管道、厂房以及升压站等构筑物的施工，所以该小型水电站工程在本质上属于典型的中水头径流引水式电站。该小型水电站在设计过程中的引水流量为16.90m3/s，其中首部底格栅栏坝的引水流量设计标准为2.11m3/s，将其与上游水电站尾水设计流量14.76 m3/s，共同作为该小型水电站的设计引水流量，所以该小型水电站工程的装机容量为21MW，小型水电站每年需要运行近4745h，同时该小型水电站工程开发中不具备其他综合利用的要求。
3、对小型水电站引水系统进行优化设计的必要性
首尾直接连接的长隧洞梯级水电站最大的特点在于可以节省次一级电站首部枢纽建筑的规模，所以该小型水电站工程在实际开发展具有良好的经济价值与应用前景，是水利水电工程领域中一种较为先进的流域开发方式，可以作为未来水利水电工程建设的成功案例进行参考。由于该小型水电站工程需要引用上级电站的发电尾水，上级发电站的发电尾水为14.76 m3/s则基本可以达到其设计引用流量的87%左右，如果在该小型水电站设计阶段可以将这一部分尾水直接引入引水隧洞，由于这一部分尾水的清洁度较高则不需要设置底格栅栏坝引水廊道和沉砂池，这对降低该小型水电站首部的工程量与成本投入有着重要作用。
本文认为梯级水电站中上一级水电站与次一级水电站不仅存在电力联系，水力联系也是梯级水电站设计过程中不能忽略的一个主要因素，虽然电网负荷的平衡、机组躲避振动区、机组出力限制等方面会对其产生约束，同时也要满足防洪、灌溉、航运、生活及工业用水等多个社会方面的需求。因此，该小型水电站引水系统优化设计过程中，设计人员应充分考虑电离平衡、水量平衡、区间径流以及尾水衔接等多项问题，该梯级流域中上下2级水电站在设计中均设置了带有调压室的长隧洞，所以在引水系统优化设计中要充分考虑其缺少一个稳定的无压过渡段，再加上优化设计中由于要涉及到上下2级水电站不同的运行方式，所以要实现水力过渡这一过程是一个相对复杂的内容。
该小型水电站在运行过程中由于其引用流量的87%都是来自上级水电站，所以两所水电站的负荷变化容易对彼此之间产生影响，上级水电站在正常运行中如果突然丢弃全部负荷，则会导致该小型水电站在运行中的发电引用流量随之不断降低，这会导致该小型水电站需要通过立即关闭全部机组来避免其受到影响。如果导叶或调速系统在该种情况下发生故障，则要立即采取关系碟阀的措施来及时完成停机处理，才能避免该小型水电站的压力隧洞进水口不会因进气对系统产生影响，所以在充分考虑上下游两级水电站平顺连接和该小型水电站调节性能的要求，本文认为应该采用无压隧洞的优化设计方案来做为两级水电站的过渡段，避免该小型水电站在联合运行过程中因引水隧洞进气或水压过大而发生一些安全事故。
4、小型水电站引水系统的优化设计方案
4.1首部枢纽的优化设计
该小型水电站上级水电站尾水池后利用有压引水箱涵将尾水引入到左岸取水口处，引水箱涵在设计阶段以地下室暗涵的方式作为主要结构形式，其设计标准为长32m、宽7.1m、高3.4m的钢筋混凝土地下室暗涵，并通过分为2孔的方式进行布置，单孔的设计标准为宽2.3m、高2.4m。钢筋混凝土引水箱涵主要布置于沉沙池下游干砌石海漫段，在施工过程中要采用砂卵石对其进行分层碾压确保其密实度，底部需要通过合理设置盲沟排水来满足其运行要求，过水表层通过浇筑埋石混凝土来确保其整体性能可以满足运行要求。弼石沟来水需要经过沉沙池后才能进入到左岸取水口，这样便可以与上级水电站尾水会合后流入到该小型水电站的引水隧洞，如图1所示。
图1，该小型水电站首部枢纽平面布置的优化方案
4.2引水隧洞的优化设计
该小型水电站引水系统优化设计过程中需要对引水隧道的局部构造形式进行调整，将引水隧洞结构形式由原设计方案的马蹄形有压隧洞调整为城门洞形的无压隧洞，同时也要将城门洞形无压隧洞的设计标准调整为底宽3.1m、直墙高3.4m、最大净高4.41m，并且要将整个隧洞的进口底板高程控制在2292.8m，隧洞在施工过程中需要采用混凝土或钢筋混凝土衬砌，并要通过加固围岩来确保其整体稳定性，利用锚杆与固结灌浆来确保整个引水隧洞的结构强度可以满足运行要求。本文在优化设计中充分考虑到无压与有压隧洞之间连接的平顺，避免小型水电站运行中因上级水电站丢失负荷而出现无压隧洞封顶的事件，则要在有压隧洞与无压隧洞结合处通过设置侧堰溢流建筑物和溢洪道，并要通過将施工支洞改为泄洪洞来满足其整体运行要求。 4.3泄水隧洞的优化设计
为了满足该小型水电站运行需求则要将施工支洞改为泄水隧洞，泄洪隧洞在设计过程中要以垂直引水隧道方向进行布置，这样便可以溢流下泄的多余水量通过其排放到冲沟，然后汇入到主河中避免其对该小型水电站的整体运行状况产生影响。溢流侧堰与泄水隧洞在设计过程中要按照机组全甩负荷工况下的泄流量为标准，为了在设计过程中可以对洞室横向宽度进行适当的调整，进一步降低整个洞室在开挖施工中的施工难度，并要充分考虑侧堰只需要在小型水电站甩负荷时发挥泄流作用，所以在优化设计阶段采用薄壁堰作为主要的结构形式，将堰顶高程要控制在高出正常水位近0.1m左右，这样才能满足该小型水电站甩负荷时的整体运行要求。同时也要对与溢流堰后泄水陡槽相连接的泄水隧道形式进行优化设计，本文认为其可以采用城门洞形来满足整个系统运行要求，其设计标准为底宽1.7m、纵坡8.2%，这样便可以确保其泄流量达到16.88 m3/s时泄洪隧洞的水深可以控制在1.174m左右，完全可以满足整个小型水电站引水系统的运行性能要求。
5、小型水电站引水系统优化设计结果分析
该小型水电站在优化设计中将有压隧洞前设置底坡为12.4%的无压过渡段，则可以作为上下两级水电站在运行过程中的无压引水与有压引水的连接过渡，其设计标准为长101.34m、底坡12.4%、前81.34m，其后20m部位则要作为一个平段，断面尺寸在设计过程中要与有压隧洞的断面尺寸保持高度一致。该小型水电站引水系统经过优化设计后，其底部栅栏坝的底宽优化为6.0m，沉沙池的净宽也优化为7.5m，其平均工作水深也优化为5m。进过对该小型水电站引水系统的整体优化设计，有效降低了施工单位在该小型水电站施工过程中的首部整体工程量，同时技术人员经过计算可以确定该小型水电站在采用无压隧洞后，上级水电站丢弃负荷后可以确保其有压隧洞在12min以内不会进入空气，这一段的时间完全可以做为该小型水电站在上级水电站故障后的应急事故处理时间，与原方案相比该优化后的方案设计不仅可以有效降低工程量，同时也对加强该小型水电站的管理与机组运行效率有着重要作用。
6、结语
综上所述，首尾直连的小型引水式水电站具有施工难度小、成本低、经济效益好等众多优点，所以该种水电站开发模式势必会被广泛运用到水利水电工程领域，本文结合某小型水电站对其引水系统的优化设计方案进行阐述，可供类似工程项目进行参考与借鉴。
参考文献
[1]刘永智.甘再水电站PH1引水发电系统设计方案的优化调整[J].西北水电.2011（2）
[2]宋寅.知木林水电站首部枢纽设计方案优化探讨[J].西北水电.2012（1）
[3]顾永明.积石峡水电站进水口变形规律分析[J].西北水電.2014（1）