水工隧洞水力计算知识分享

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：
Q A 2gH o ⑴
式中Q――泄流量；
卩——流量系数；
A——隧洞出口断面面积；
g ---重力加速度。

2
H0H盂
式中H——出口孔口静水头；
2
亠一一隧洞进口上游行近流速水头。

2g
流量系数卩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：
1
1
i' 2 2 2
A A 2gl i A
A2 j A J C|2R| A i
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；
Z――局部水头损失系数；
A—与Z相应流速之断面面积；
L i、A i、R i、C i――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：
Q mB.,2gH3/2(4)
式中£——侧收缩系数；
m --- 流量系数；
B 堰顶宽度(m);
2
H o――包括行近流速水头丄的堰顶水头。

2g
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
z£g ；
段逐项累减各项水头损失，得各转换断面上的总水头
4）从各转换断面的总水头中减去相应的流速水头，得各转换断面上的测压管水头z卫，连接各测压管水头，即得隧洞沿程压坡线。

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 E
x
i b i f
式中△ x ——隧洞沿程分段长度;
△ E ――两相邻断面之比能差， △ E=E 2-E I ；
ib ——洞底坡度;
y ——断面水深。

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
2
A
2g l j A A j Cj 2R j A i if ――能线坡度, i f n 2V 2
'R 4/3 ；
E ――比能，E
aV 2
石； 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。