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：
02gH A Q μ= (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。

g H H 220
0υ+=
式中 H -—出口孔口静水头；
g
220υ——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：
∑∑⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛+=
222211i j i j j j A A R C gl A A ζμ (2） ∑∑⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=
2222221i I I i J j A A R C gl A A A A ζμ (3）
式中 A ——隧洞出口断面面积;
A 2——隧洞出口下游渠道过水断面面积；
ζj ——局部水头损失系数；
A j ——与ζj 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(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：
2/30
2H g mB Q ε= （4） 式中 ε——侧收缩系数；
m ——流量系数；
B ——堰顶宽度（m ）;
H 0——包括行近流速水头g
220υ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⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛++g V p z 22γ； 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⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+γp z ，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
f
b i i E x -∆=∆ (5) 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 1;
i b —-洞底坡度;
i f ——能线坡度，3/42
2R V n i f =;
E ——比能， g
aV y E 22
+=； 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。