二滩导流隧洞水力学计算简介
施工水力学与导流工程
施工水力学与导流工程前言在河流在修建水工建筑物，由此而引起河道水流的变化，在施工期间往往与通航、筏运、渔业、供水，灌溉会或水电站运转等水利资源的综合利用的要求发生矛盾。
显然，水利水电工程整个施工过程中的水流控制,概括说就是要采取导、截、拦、蓄、泄等施工措施来解决施工和水流蓄泄之间的矛盾,避免水流对水工建筑物的不利影响，把河水流量全部或部分地导向下游或拦蓄起来,以保证工程在干地上施工和施工工期不影响或尽可能少影响水利资源的综合利用。
本文就是简单总结施工过程中水流控制的常用方法。
简单介绍了施工导流的基本方法，施工过程中水流的控制。
例如，分段围堰法导流和全段围堰法导流；导流建筑物的布置和水力计算等等。
其中，有些方法介绍的比较详细，并有相关的例题加以论述，有些方法和理论只是作简单的介绍。
一施工导流的基本方法1 分段围堰法分段围堰法亦称分期围堰法，就是用围堰将水工建筑物分段围护起来进行施工的方法。
所谓分段，就是从空间上用围堰将建筑物分成若干施工段进行施工.所谓分期，就是从时间上将导流分为若干时期.分段围堰法导流一般适用于河床宽、流量大、施工期较长的工程中，尤其是通航河流或冰凌严重的河流上。
这种导流方法的导流费用较低,所以国内一些大、中型水利水电工程采用较广。
例如,我国新安江、三门峡、丹江口等枢纽施工中，都采用过这种导流方法。
这种导流方法，前期可以由束窄的河道导流；后期可利用事先修建好的泄水道导流，其类型如下。
㈠底孔导流底孔导流时，应事先在混凝土坝体内修好临时底孔或永久底孔，然后让全部或部分导流流量通过底孔宣泄到下游，保证工程继续施工。
如临时底孔,则在工程接近完工或需要蓄水时要加以封堵。
这种导流方法在分段分期修建混凝土坝时用的比较普遍。
采用临时底孔时，底孔的尺寸、数目和布置,要通过相应的水力学计算决定.其中底孔的尺寸在很大程度上取决于导流的任务（过水、过木、过船、过鱼），水工建筑物的结构特点和封堵用闸门设备的类型。
水利工程施工——导流
缺口、梳齿泄流侧收缩系数ε曲线
台形堰（土石过水围堰通常属于这种类型。）
• 据日本车间试验，提出三种流态 (自由出流、过渡 流态、淹没出流) 的出流公式为：
Q mp B 2g H
3 2
mp——台形堰流量系数，见表（6） σp——过渡流淹没系数，见表（6） φp——淹没出流的流量系数，见表（6）
弧形堰形状系数η
河槽形状 宽河槽 窄河槽 Α
15
0.71 0.83
30
0.35 0.48
45
0.20 0.28
60
0.11 0.13
75
0.04 0.04
90
0 0
• 河床上修建水工建筑物，将改变天然的水 水流衔接与消能 ——底流消能 流特性。为了消减集中下泄水流造成的严 重冲刷，应处理好水流衔接和消能。
表（1）分期导流的流态界限
宽顶堰 L/H=2.5～20 自由出流 HS<1.25HK HS<0.8H0 淹没出流 HS≥1.25HK HS≥0.8H0 缓流 I<IK H0>HK 明渠流 L/H>20 急流 I>IK k0<hk
H0——上游水头
h0——正常水深
hk——临界水深
• (1)对于淹没堰流，通过束窄河床的泄水流量Q近 似按下式计算：
≈
≈
0
0
0.29+0.32H/P1
0.28+0.37H/P1
0.45
0.25
1.090
1.032
0.200
0.124
0.8
0.8
2.6
2.6
侧堰（侧堰的轴线与水流方向平行）
• 分期围堰的纵向围堰缺口过水属于此种类型，直 角分水的侧堰泄水流量公式为：
导流水力计算补充资料
导流水力学计算补充资料导流水力学计算目的: 拟定泄水建筑物尺寸;确定围堰高程及高度;为计算导流方案工程量提供依据。
分为四类介绍:分段围堰法前期之束窄河床导流水力计算、导流后期之底孔与缺口导流水力计算、隧洞导流水力计算、明渠导流水力计算。
一、分段围堰法之前期导流的水力计算要求:束窄河床流速校核;确定上、下游围堰的高程及长度;确定纵向围堰的高程及长度。
1、上游水位计算(上游水位壅高计算,其中下游水位按实测水位流量关系确定)绘出束窄河床导流水位计算简图如下:图中z为上下游水位差,m;v0为上游围堰前(原河床)水流的行近流速,m/s;vc为束窄河床段水流收缩断面处的流速,m/s。
(1)计算公式[教材公式(1-3)]上述计算简图中,可近似假定hc =hd,按能量方程:式中,河床束窄断面处流vc为:(公式1-4)QD为导流设计流量,m3/s、设上游围堰前水位壅高后,河床过水面积为Au:则v0为而Au与河床地形与z有关、Au=f(Hu)=f(z)(2)试算法求z:已知:导流设计流量QD;河床水位-面积曲线H-A(或图上得量H对应的A值);下游水位-流量关系曲线hd-Q;K及其它系数。
计算步骤:step1:由QD ,K求vc,校核vc就是否小于允许流速[vc],并选定各种系数值;step2:设z=zs ,求hu,=hd+zs。
并查得Au;step3:求v0=QD/Au;step4:将vc 与v代入公式(1-3),求出z;step5:比较判定 |z-zs|<e ,若不满足,回到step2;e为计算控制精度,可取0.01m,计算至满足精度要求为止、2、围堰剖面设计围堰剖面设计包括:堰顶高程计算、堰顶宽度拟定、上、下游边坡拟定、围堰绘横剖面图,并进行上、下游围堰及纵向围堰布置设计。
完成习题时应查阅参照类似工程围堰设计与布置资料。
二、分段围堰法之后期导流的水力计算(底孔、缺口水力计算)在导流水力学计算中,常遇到两个及以上泄水建筑物联合泄流问题。
水利工程施工——导流
Q Ac 2g(H 0 hs)
(1)
或写成：
Z
vc2
2 2g
v02 2s 2g(H0 hs)
Ac——过流断面面积; v0、vc——分别为行近 流速和收缩断面流速; H0——上游水头; H——上游水深; hs——下游水深; b——矩形河槽宽度; Z——上下游水位差。
2.20
1.70
2.00
2.50
2.10
2.50
3.00
2.40
2.80
3.50
2.80
3.30
4.00
3.00
3.70
4.50
3.50
4.00
5.00
3.80
4.50
5.50
4.00
5.00
6.00
表（4）岩石及加固工程的平均抗冲流速 m/s
项目
平均水深 0.4 1.0 2.0 ≥
砾岩、泥灰岩、泥质板岩、 页岩
①指新鲜未风化的岩石。
2 、坝体缺口、过水围堰水力学计算
• 坝体缺口泄流见图
宽顶堰
• 当堰顶长度L和水头H的关系在2.5H<L≤20H时，按 宽顶堰公式计算，如自由出流时 (堰顶的下游水深 hs<1.25hk或hs <0.8H0)，泄水流量按下式 计算：
3
Q mB
2
g
H
2
0
B——堰孔过水宽度； H0——缺口底槛以上的上游水头； ε——侧收缩系数； m——流量系数。
h0——上游围堰转角处(x/L=0) 水深; bi——沿纵向围堰不同部位的相对自 由水面降差，见下表; H——上游水深。
表（3）ai与bi试验值
表（3）松散体河床平均允许抗冲流速 m/s
输水涵管(隧洞)水力计算书
求得:Q=6.456m3/s
2. 水库设计水位 234.15m 时相应的泄流能力：
234.15 219.4 0.082605Q2 0.189292Q2 0.049564Q2
求得:Q=6.774m3/s
3．水库校核水位 235.0m 时相应的泄流能力：
235.0 219.4 0.082605Q2 0.189292Q2 0.049564Q2
n
数C
喇叭 段
2
1.5
闸首
矩形 1
1
段
闸井 段
3.6
1
渐变 段
1
1
管身 段
90
1
Σ 97.6
1.766 1.000 1.000 0.890 0.786
0.375 0.014 60.656 0.25 0.014 56.693 0.25 0.014 56.693 0.25 0.014 56.693 0.25 0.014 56.693
位差；
2 —动能修正系数；取2 1.0 ；
v —管道内断面平均流速 m / s， v Q ；
A
g —重力加速度 m / s2 ，hf
l 2 d 2g
hj
—局部损失， hj
2 2g
—管路中局部水头损失系数；
沿程阻 力系数
λ 0.021
0.024
0.024 0.024 0.024
沿程水头损失 hf
0.000464665 Q2
0.001244522 Q2
0.004480281 Q2 0.001571168 Q2 0.18153186 Q2 0.189292496 Q2
根据表 2-1 计算，总沿程损失 hf 0.189292Q2 2.2 沿程水头损失计算
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。
2H0H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：11i' 2 2 2A A 2gl i AA2 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);2H 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》。
二滩水电站泄洪隧洞设计_周鸿汉
水电站设计D H P S第15卷第2期1999年6月二滩水电站泄洪隧洞设计周鸿汉,王 平(成都勘测设计研究院,四川成都,610072)摘 要:简要介绍了二滩水电站两条泄洪隧洞的布置、选型、结构设计,以及在高流速水流条件下所采取的减免蚀措施和防雾化措施。
关键词:泄洪洞;隧洞设计;结构计算;掺气设施;二滩水电站中图法分类号:TV 651 3 文献标识码:B 文章编号:1003-9805(1999)02-0042-051 前 言二滩水电站位于水量丰沛的雅砻江下游河段,主要建筑物有:高240m 的混凝土双曲拱坝、左岸地下厂房、引水和尾水系统、过木机道及右岸两条泄洪隧洞。
二滩坝址处的多年平均流量1670m 3/s,常年洪水流量7000~8000m 3/s,千年一遇洪水流量20600m 3/s,五千年一遇洪水流量23900m 3/s 。
泄洪隧洞按千年一遇洪水设计,五千年一遇洪水校核,相应的上游库水位分别为1200 00m 和1203 5m 。
二滩水电站的地形、地质条件和主要建筑物的布置如图1所示。
二滩水电站泄洪功率大、泄洪频繁、河道狭窄、河床抗冲能力较低,故采取分散消能的图1 二滩水电站的地形、地质条件和主要建筑物布置示意1 拱坝;2 表孔;3 泄洪洞;4 水垫塘;5 二道坝;6 泄洪洞落水区;7 过木洞;8 变压器洞;9 调压井;10 尾水洞;11 导流洞;12 进厂交通洞;13 厂房42布置原则,共布置了坝身表孔、中孔和右岸泄洪隧洞三套泄洪设施。
这三套泄洪设施的泄洪流量分配大致相等,每套设施与电站机组过流相组合均能宣泄常年洪水。
右岸泄洪隧洞的设计泄流量为2 3700m3/s。
2 布置设计2.1 洞线选择由于在左岸已布置了引水发电系统和过木机道,而右岸坝前有二滩沟,有利于泄洪隧洞进水口的布置,且电站尾水下游至三滩沟一带无主要建筑物,该河段可作为泄洪隧洞挑射水流的消能区。
为使枢纽总体布置更加协调,经综合技术经济比较后,将两条泄洪隧洞平行布置于右岸,两条隧洞中心间距40m (见图1)。
导流隧洞的水力计算步骤
导流隧洞的水力计算步骤
1、根据枢纽工程规模、效益和在国民经济中的重要性查出工程等级及临时建筑物级别来选定洪水标准→查水文资料（导流设计洪水标准）导流设计流量。
2、根据导流设计流量，查水位流量关系曲线，设下游水位H下。
3、初选洞型及衬砌方式，设出V允，假设隧洞的断面积，先取3个。
4、按工式估算出上下游水位差。
算出上游围堰工程量，经经济比较，选定隧洞断面积，型式。
5、选定隧洞的进出口型式，坡度，衬砌方式。
6、用试算的方式计算出上游壅水位与下泄流量关系曲线设出设计导流量所对应的上游壅水位，截流设计流量上游壅水位。
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输水涵管(隧洞)水力计算书
沿程阻 力系数
λ 0.021
0.024
0.024 0.024 0.024
沿程水头损失 hf
0.000464665 Q2
0.001244522 Q2
0.004480281 Q2 0.001571168 Q2 0.18153186 Q2 0.18929292Q2 2.2 沿程水头损失计算
l —管长 m ；
d —管径 m ；
8g
—沿程阻力系数， ＝ C 2 ；
C
1
1
R6
C —谢才系数， n ；
n —糙率，混凝土管取 n ＝0.014；
R —水力半径 m 。
2.过流能力计算
计算校核、设计、正常三个工况的过流能力。水库校核水位 235.0m， 设计水位 234.15m，正常水位 232.8m，由于缺少资料，下游水位均按 219.4m 计算，为淹没出流。输水涵管简图见图 2-1。
输水涵管（隧洞）过流能力计算书
1、计算条件
1.1、计算采用的规程规范及主要文件资料 （1）《水工隧洞设计规范》SL279-2002； （2）《水工隧洞和调压室》（水利电力出版社，潘家铮主编）； （3）《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000）
1.2、计算依据及采用的公式
1.2.1 工程等别、建筑物级别及洪水标准
2.1 沿程水头损失计算 2.1.1 各参数取值 涵管为混凝土涵管取糙率 n＝0.014； 喇叭段估计 d＝1.5m
2.1.2 沿程水头损失计算
沿程损失
hf
l 2 d 2g
l d
Q2 2gA2
表 2-1 沿程水头损失计算表
长度
断面面 水力半 糙率 谢才系
导流水力计算补充资料
导流水力学计算补充资料导流水力学计算目的: 拟定泄水建筑物尺寸；确定围堰高程及高度；为计算导流方案工程量提供依据。
分为四类介绍：分段围堰法前期之束窄河床导流水力计算、导流后期之底孔与缺口导流水力计算、隧洞导流水力计算、明渠导流水力计算。
一、分段围堰法之前期导流的水力计算要求:束窄河床流速校核；确定上、下游围堰的高程及长度；确定纵向围堰的高程及长度。
1.上游水位计算(上游水位壅高计算,其中下游水位按实测水位流量关系确定)绘出束窄河床导流水位计算简图如下：图中z为上下游水位差，m；v0为上游围堰前(原河床)水流的行近流速,m/s；vc为束窄河床段水流收缩断面处的流速,m/s。
(1)计算公式[教材公式(1-3)]上述计算简图中，可近似假定hc =hd，按能量方程：式中,河床束窄断面处流vc为：(公式1-4)QD为导流设计流量,m3/s.设上游围堰前水位壅高后,河床过水面积为Au:则v0为而Au与河床地形与z有关.Au=f(Hu)=f(z)(2)试算法求z：已知:导流设计流量QD;河床水位-面积曲线H-A(或图上得量H对应的A值)；下游水位-流量关系曲线hd-Q；K及其它系数。
计算步骤:step1:由QD ,K求vc,校核vc是否小于允许流速[vc]，并选定各种系数值；step2:设z=zs ,求hu,=hd+zs。
并查得Au；step3:求v0=QD/Au；step4:将vc 和v代入公式(1-3),求出z；step5:比较判定 |z-zs|<e ,若不满足，回到step2；e为计算控制精度,可取0.01m，计算至满足精度要求为止.2.围堰剖面设计围堰剖面设计包括：堰顶高程计算、堰顶宽度拟定、上、下游边坡拟定、围堰绘横剖面图，并进行上、下游围堰及纵向围堰布置设计。
完成习题时应查阅参照类似工程围堰设计和布置资料。
二、分段围堰法之后期导流的水力计算(底孔、缺口水力计算)在导流水力学计算中，常遇到两个及以上泄水建筑物联合泄流问题。