有压隧洞计算实例

§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；•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，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。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因隧洞上游为水库，故v0≈0，则隧洞总水头H0≈H=27.19米因隧洞上游为水库，则隧洞总水头H0≈H＝27.19；隧洞流量系数按下式计算：22)()(1iiiiiicdl3423122241188RlgnRRngdlCgdl28Cg611RnCRd4因则3/43/4200384.0014.08.92RlRl取。于是得1223/4)()(00384.011iiiicRl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。1.751.753.8d=3.51.751.751.2012.7单位：米图4-1设计洪水位7.58拦污栅4.58.09.52361048.035.35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消力池段i1=0.00417d=3.5出口闸门i2=1/5下游设计水位进口闸门av2/2g测管水头线总水头线3.81.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时的局部阻力系数。因本隧洞拦污栅倾角，其局部阻力系数2.051,155sbslsbsl90364.090'2367先确定隧洞各局部阻力系数：ζ=ζ90°sinα=0.364×sin67°23′=0.3362.进口：进口为喇叭形，由表4.1查得3.进口闸门槽：对于平面闸门门槽，由表4.1取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，先参数其它同类工程的试验资料，取10.009.010.0由表4-2得Σ0.00384(li/R3/4)(ω/ωi)2=0.5006Σζi(ω/ωi)2=0.238702.010.0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6.出口闸门槽：出口闸门槽亦为平面闸门槽，。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。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。759.02387.05006.011c秒米300.10819.278.9213.6759.02gHQc则隧洞流量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米或Scr=cv(d)1/2c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：()HH029.976.206.206.208.9213.6759.020库水位出口洞顶高程库水位HHgHQc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。020406080100120隧洞流量Q(米3/秒)库水位(米)图17.12位置（米）（米/秒）（米）（米）（米）拦污栅57.601.870.180.3360.06进口9.8011.006.170.1000.61进口闸门段9.8011.006.170.03490.240.1000.61进口渐变段9.6211.206.390.0900.57洞身段9.6211.206.391.08306.81出口渐变段6.1317.6015.700.0200.31出口闸门段6.1317.6015.700.04610.720.1001.57∑7.773.73四、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局部水头损失计算成果列于表4-4.按下式核算计算成果：gvRlhiiifi200384.0234gvhiiji2273.377.770.1522jifihhgavH米20.27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17.11.五、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；隧洞出口底部高程为95.54米；下游河底高程为90.87米。秒米3108Q米7.1522gav（一）判别下游水跃形式隧洞出口断面总水头扩散段末端单宽流量临界水深gavhT220下游河底高程隧洞出口底部高程米12.227.1575.187.9054.95秒米25.87.12108q米0.28.95.81.13232gaqhk06.110.212.2200khT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。按及值由附录图解Ⅵ查得，则下游水深因，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90.0078.2''c米57.50.278.2''''kcchh米60.387.9047.94tthc''d8.10.26.3kht按，及值由附录图解Ⅵ查得，则池深采用。（三）求消力池长度按及值由附录图解Ⅵ查得，，则0kht90.0khd米8.10.290.0kkhhdd米8.1d米池底高程07.898.187.9096.110.28.112.220'0khdT'0225.0c86.2''c米45.00.2225.0kcchh水跃长度则池长采用。米72.50.286.2''''kcchh米4.3645.072.59.69.6''ccjhhl米1.294.368.008.00jlll米5.29l