有压隧洞计算实例

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进口闸门段的断面为两个高2.8米，宽 1.75米的矩形断面，该段并设有检修隧洞的 平面闸门；洞身段断面直径ｄ=3.5米的圆形 断面，该段底坡i1=0.00417；进口闸门段与 洞身段之间用进口渐变段连接；出口闸门段 的断面为两个边长1.75米的正方形断面，并 设有控制隧洞流量的平面闸门；洞身段与出 口闸门段之间用出口渐变段连接；扩散段的 断面为矩形，底宽由4.7米增至12.7米，
设计 洪水位
av2/2g
总水头线 测管水头线
进口闸门 拦污栅
7.58
出口闸门 下游设计水位
i1=0.00417
d=3.5
i2=1/5
9.5
4.5
8.0
进口渐变段
236
洞身段
d=3.5
10
出口渐变段
4
8.0
扩 散
1.20
35.35
段 消力池段
喇叭段 进口闸门段
1.75 3.8
出口闸门段
1.75 12.7
采用 l 29.5米 。
或 Scr=cv(d)1/2 c为经验系数(0.55-0.73),取c=0.55;v为闸门断面的 水流流速;d为闸门空口高度,d=2.8米。则 Scr=0.55×108/(2×2.8×1.75)×(2.8)1/2=10.14(米)
有压隧洞的流量按下式计算：( H 0 H )
Q c 2 gH 0 0.759 6.13 2 9.8H 20.6 H 20.6 库水位 出口洞顶高程 20.6 库水位 97.29
c
1 1 0.5006 0.2387
0.759
则隧洞流量
Q c 2gH0 0.759 6.13 2 9.8 27.19 108.0 米3 秒
可见图4-1拟定的隧洞尺寸可以满足通
过设计流量的要求。
三、绘制库水位与隧洞流量关系曲线
保证隧洞为有压流的最小洞前水深为 1.5d=1.5×3.5=5.25米 则保证隧洞为有压流的最低库水位为 1.5d＋进口洞底高程=5.25＋96.0=101.25米
5.出口渐变段：出口渐变段断面由圆形变为矩形， 其局部阻力系数亦参考同类工程的试验资料，取
0.02
6.出口闸门槽：出口闸门槽亦为平面闸门槽， 0.10 。 隧洞各段的 0.00384(li/R3/4)(ω/ωi)2 及ζi (ω/ωi)2 值的计算成果列于表4-2。
由表 4-2得 Σ 0.00384(li/R3/4)(ω/ωi)2=0.5006 Σζi (ω/ωi)2 =0.2387
五、按设计流量进行隧洞出口消能计算
隧洞按下列数据进行消能计算：流量 Q 108米3 秒
下游水位为94.47米；隧洞出口断面水深；隧洞出
口断面流速水头 为95.54米；下游河底高程为90.87米。
av2 15.7米 ；隧洞出口底部高程 2g
（一）判别下游水跃形式 隧洞出口断面总水头
av2 T0 隧洞出口底部高程 下游河底高程 h 2gk 0.225 2.0 0.45米
hc c hk 2.86 2.0 5.72米
'' ''
水跃长度
l j 6.9 hc hc 6.95.72 0.45 36.4米
''


则池长
l l0 0.8l j 0 0.8 36.4 29.1米
2 9.8 0.0142 l R4/3 l 0.00384 4 / 3 R
取 1 。于是得
1 li 2 2 1 0.00384 4 / 3 ( ) i ( ) i i R
c
ω为管道出口断面面积;
ωi、λi、ξi、di、li分别为任意管道的断面面积、沿程阻力 系数、局部阻力系数、管径、管长。
在库水位为101.25米以上设一系列库水位， 计算一系列相应的流量Q，计算成果列于表4-3 的数据绘制库水位与隧洞关系曲线于图4-2。
库水位(米)
0
20
40
60 隧洞流量Q(米3/秒) 图 17.12
80
100
120
位 置 拦污栅 进 口 进口闸门段 进口渐变段 洞身段 出口渐变段 出口闸门段 ∑
95.54 90.87 1.75 15.7 22.12米
扩散段末端单宽流量 q 108 8.5 米 2 秒
12.7
临界水深
hk 3
aq 2 1.1 8.5 2 3 2.0米 g 9.8
T0 22.12 0 11.06 hk 2.0
近似按实用堰上闸孔出流的情况由表10.1查得斜 坡扩散段的流速系数 0.90 。按 0及 值由附 '' 录图解Ⅵ查得 c 2.78，则
3.8
1.75
图 4-1
1.75
单位：米
先确定隧洞各局部阻力系数：
1.拦污栅：栅条横断面为矩形，宽度b=1厘米，高度 l=5厘米，又栅条间净距s=5厘米，则
按 及 值4.1由表 查得拦污栅倾角 90 时的局部阻力系 数 90 0.364 。因本隧洞拦污栅倾角 67 23' ， 其局部阻力系数
d 池深 d h hk 0.90 2.0 1.8米 k
采用 d 1.8米 。
池底高程 90.87 1.8 89.07米
（三）求消力池长度
T0 d 22.12 1.8 0 11.96 hk 2.0
'
0' 及 按
值由附录图解Ⅵ查得 c
0.225 c 2.86 ，
前段为8米水平段，后段为底坡i2=0.2的斜 坡段；消力池断面为矩形，底宽为12.7米； 各段长度及高程见图4-1。隧洞洞身用钢筋 混凝土衬砌，糙率ｎ=0.014。水库设计洪 水位为124.48米，相应的隧洞设计流量 Q=108米3/秒，相应于设计流量的下游水位 为94.47米。
当隧洞闸门全开，要求： • 1.核算库水位为设计洪水位时，隧洞能否通 过相应的设计流量； • 2.绘制库水位与隧洞流量关系曲线； • 3.当隧洞通过设计流量时，绘制隧洞的总水 头线和测管水头线； • 4.按设计流量进行隧洞出口的消能计算。
（米） 0.06 0.61 0.61 0.57
0.31 1.57 3.73
四、绘制通过设计流量时的隧洞总水头线和测管水头线
按隧洞通过设计流量计算各段的流速水头和水头 损失，其中沿程总水头损失 l i vi2 h fi 0.00384 4 3 Ri 2 g
局部水头损失
h ji i
v 2g
因隧洞上游为水库，则隧洞总水头H0≈H＝27.19；隧 洞流量系数按下式计算：
c
1
i
li 2 ( ) i ( ) 2 d i i i
因 则

8g C2
C
1 16 R n
d 4R
l 8g l 8g 1 2 gn2l 2 43 1 1 3 4R d C d R R n2

l 5 b 1 1, 0.2 s 5 s 5
b s
l s
ζ=ζ90°sinα=0.364×sin67°23′
=0.336
2.进口：进口为喇叭形，由表4.1查得 0.10
3.进口闸门槽：对于平面闸门门槽，由表4.1取 0.10 4.进口渐变段：进口渐变段断面由矩形变为圆形， 其局部阻力系数尚无法确定，先参数其它同类 0.09 工程的试验资料，取
二、核算库水位为设计洪水位时，隧洞能否通过 相应的设计流量
因下游水位为94.47米，低于隧洞出口底部高 程95.54米，隧洞水流为自由水流。
有压隧洞自由出流的流量按下式计算： Q=μcω（2gH0）1/2 隧洞水头H=水库设计洪水位－出口洞顶高程 =124.48 －（95.54+1.75）=27.19米 因隧洞上游为水库，故v0≈0，则隧洞总水头 H0≈H=27.19米
（米） 57.60 9.80 9.80 9.62 9.62 6.13 6.13
（米/秒） 1.87 11.00 11.00 11.20 11.20 17.60 17.60
（米） 0.18 6.17 6.17 6.39 6.39 15.70 15.70 0.0461 1.0830 0.0349
（米） 0.336 0.100 0.24 0.100 0.090 6.81 0.020 0.72 7.77 0.100
2 i
计算成果列于表4-4.按下式核算计算成果：
av2 H h fi h ji 15.70 7.77 3.73 2g
27.20米
计算的H与通过设计流量时的水头H=27.19米
甚为接近，说明计算成果正确。按表17.15的数据 绘出隧洞总水头线与测管水头线于图17.11.
§4 有压隧洞水力计算实例
一、资料及任务 某水库的有压泄洪隧洞，由进口喇叭段、 进口闸门段、进口渐变段、洞身段、出口渐 变段、出口闸门段、扩散段和消力池段所组 成，如图4-1所示。 初步拟定隧洞各部分尺寸如下： 隧洞进 口为两个高7.58米、宽3.8米的矩形断面，进 口断面与水平面的夹角;进口处设有拦污栅， 栅条横断面为矩形 （宽度 ｂ=1厘米， 高度 ｌ=5厘米），栅条间净距ｓ=5厘米；
hc c hk 2.78 2.0 5.57米
'' ''
下游水深
''
t 94.47 90.87 3.60米
因 hc t，下游发生远离水跃，应做消能工。现拟 做消力池。
（二）求消力池深度 d t 3.6 1.8 hk 2.0
t 按 0 ，h 及 k