水工隧洞水力计算

水工隧洞水力计算
水工隧洞水力计算的内容，一般有：泄流能力计算、水头损失计算、绘制压坡线（有压流）、
水面线的计算（无压流）。

1、泄流能力水工隧洞泄流能力计算，分有压流和无压流两种情
况。

实际工程中，多半是根据用途先拟定隧洞设置高程及洞身断面和孔口尺寸，然后通过计
算校核其泄流量。

若不满足要求，再修改断面或变更高程，重新计算流量，如此反复计算比
较，直至满意为止。

（1）有压流的泄流能力有压流的泄流能力按公式（1）计算：02gHAQµ=
(1) 式中Q——泄流量；μ——流量系数；
A——隧洞出口断面面积；g——重力加速度。

gHH2200υ+= 式中
H——出口孔口静水头；g220υ——隧洞进口上游行近流速水头。

流量系数μ随出流
条件不同而略有差异，自由出流和淹没出流分别按公式（2）和公式（3）计算：∑∑
+ +=222211ijijjjAARCglAAζµ
(2) ∑∑
+ + =2222221iIIiJjAARCglAAAAζµ
(3) 式中A——隧洞出口断面面积；A2——隧洞出口下游渠道过水断面面积；
ζj——局部水头损失系数；Aj——与ζj相应流速之断面面积；Li、Ai、Ri、Ci——某均匀洞
段之长度、面积、水力半径和谢才系数。

上述泄流能力计算公工适用于有压泄水隧洞，对
发电的有压引水隧洞，其过流能力决定于机组设计流量，即流量为已知，要求确定洞径。

（2）
无压流的泄流能力无压泄水隧洞的洞身底坡常大于临界坡度，洞内水流呈急流状态，其泄
流能力不受洞长影响，而受进口控制，若进口为深孔有压短管，仍可按公式(2)和公式(3)计
算，而忽略其沿程水头损失（根号中的最后一项）。

表孔堰流进口的斜井式无压隧洞，其泄
流能力由堰流公式计算：2/302HgmBQε= (4) 式中ε——侧收缩
系数；m——流量系数；B——堰顶宽度（m）；H0——包括行近流速水头g220υ的堰顶
水头。

流量系数和侧收缩系数与堰型有关。

为保证曲线堰面与斜井底板有准确的切点，使
过水表面平整，建议采用WES标准剖面堰型，其曲线方程和有关计算参数可参见武汉水利
电力学院编的《水力计算手册》。

隧洞的水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失，其计
算方法可参见武汉水利电力学院编的《水力计算手册》。

2、绘制压坡线连接隧洞沿程测压
管水头，即得有压隧洞的压坡线。

设计时应根据隧洞可能的支运行条件绘制最高和最低压坡
线。

前者供确定隧洞各段的最大设计内水压力，后者用以检验洞内会否出现负压力。

绘制压
坡线的步骤如下：1）根据水流连续方程计算隧洞沿程各不同断面的流速；2）逐段计算沿
程水头损失和各项局部水头损失；3）从隧洞出口断面底板高程为基准的隧洞进口总水头中，
自上而下沿程逐段逐项累减各项水头损失，得各转换断面上的总水头
++gVpz22γ；4）从各转换断面的总水头中减去相应的流速水头，得各转
+γpz，连接各测压管水头，即得隧洞沿程压坡线。

换断面上的测压管水头
以隧洞进口上游最低运行水位为准算出的压坡线，若出现低于隧洞洞顶高程者，说明该段洞
身将发生负压，通常情况下，不允许隧洞在负压上运行。

降低隧洞高程，加大隧洞洞径，收
缩隧洞出口断面尺寸，以及改善出口体型，均可提高洞身压力，达到消除负压之目的。

3、
水面线的计算明流隧洞的过水断面多为矩形，计算水面线较为简便的方法是直接分段求和
法。

对两相邻过水断面建立能量方程式可得fbiiEx−∆=∆ (5) 式
中△x——隧洞沿程分段长度；△E——两相邻断面之比能差，△E=E2-E1；
ib——洞底坡度；if——能线坡度，3/422RVnif=；E——比能，gaVyE22+=；y
——断面水深。

一般情况下，隧洞宽度、坡度和过流量均为已知，通过水面线类型分析，
先确定起始断面水深，然后按公式（5），列表计算隧洞沿程各断面水深。