XX引水隧洞水力计算1
水工隧洞
y
8.2.3b
第八章 水工隧洞
§8.2 水工隧洞的布置和线路选择 三、多用途隧洞的位置
㈢泄洪洞与发电洞合一布置
z⑵布置形式 9①主洞(干洞)泄洪、支洞(岔洞)发电：洞内流态好，岔尖附近负压较小，发 电支洞回流强度弱、范围小，但泄洪时发电洞有效水头降低，出力减小。 9②支洞(岔洞)泄洪、主洞(干洞)发电：相反
禁忌：明满流交替，因易引起振动、空蚀；影响泄流能力。 z(3)按衬砌方式分：不衬砌隧洞，喷锚、混凝土衬砌或钢筋混凝土衬砌等。 z(4)按流速大小分：高速隧洞（>16m/s）,低速隧洞(<16m/s)
j1
8.1.2 §8.1 概述
第八章 水工隧洞
二、水工隧洞的工作特点
㈠水力特点
一般表现为深泄水孔 z①泄水能力与H的1/2成正比，超泄能力较表孔弱。 z②进口位置低，能预泄。 z③承受的水头较高，流速大，易引起空化、空蚀。 z④水流脉动会引起闸门等振动。 z⑤出口单宽流量大，能量集中会造成下游冲刷。
㈣洞身尺寸的其他要求
z还应考虑到施工和检查维修等方面的需要 z非圆形断面不小于1.5m×1.8m(高) z圆形断面内径不小于1.8m
j2
8.4.3a
第八章 水工隧洞
§8.4 洞身段
三、洞身衬砌
㈠衬砌的功用
z①阻止围岩变形的发展，保证围岩稳定。 z②承受围岩压力、内水压力及其它荷载。 z③防止渗漏。 z④保护岩石免受水流、空气、温度、干湿变化等的冲蚀破坏作用。 z⑤减小隧洞的表面糙率等。
否作用有岩石压力。
y
8.3.1d
第八章 水工隧洞
§8.3 进口段
一、进水口的形式和计算要点
㈤斜坡式进水口
z布置：在较为完整的岩坡上进行平整开挖、护砌而成的一种进水口，闸门和拦 污栅的轨道直接安装在斜坡护砌上(Fig8-2b)。
水力计算书
水力计算书水力学是研究液体流动规律、动力学和能量转换的学科，而水力计算是水力学研究的基础。
在水资源利用、水电站工程、城市供水、排水等领域，水力计算都发挥着重要的作用。
本文将从水力学基本公式、计算方法和应用实例等方面，探讨水力计算的相关内容。
1.水力学基本公式在水力计算中，最基础的是水力学的基本公式。
经典的水力学基本公式包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
其中，质量守恒方程描述了物质在流动过程中的守恒特性，即入口质量等于出口质量。
动量守恒方程描述了流体动量在流动过程中的守恒特性，即入口动量等于出口动量。
能量守恒方程描述了能量在流动过程中的守恒特性，即入口能量等于出口能量。
这些基本公式为水力计算提供了理论基础，也为数值模拟和实验验证提供了准确的标准。
2.水力计算方法在实际工程中，我们需要根据具体情况，采用不同的水力计算方法。
常用的水力计算方法有试算法、推导法、模拟法和实验法等。
试算法是根据已有的数值或经验关系，结合基本公式，进行计算预测。
推导法是根据基本公式，根据物理图像和数学模型推导解析解。
模拟法是通过计算机数值模拟，模拟真实的流动过程，得到结果。
实验法是通过实验室模型或原型进行实验，得到流体力学参数。
这些方法有各自的优缺点和适用范围，选择合适的方法，能够提高水力计算的准确度和可靠性。
3.应用实例水力计算广泛应用于水力工程和城市供水、排水等领域。
以水电站工程为例，水力计算是水轮机型式选择、水头、流量和发电量等的计算基础。
在多级水电站的设计中，需要进行水头和水量的分配和调整，保证水轮机在不同负荷下的最大效率和整个电站的最大效益。
在城市供水领域，水力计算可用于预测城市供水管网的水压和流量变化，指导供水压力的调节和管网的规划建设。
在城市排水领域，水力计算可用于评估城市排水系统的水流速度和压力，指导排水管网的建设和排水管理。
综上所述，水力计算是水力学研究和应用的重要部分。
水力学基本公式、计算方法和应用实例，为水力计算提供了理论依据和实践指导，促进了水力学理论的发展和水力工程的进步。
3 引水灌溉工程水利计算
§3 引水灌溉工程水利计算在山丘区，灌溉工程系统要比平原地区的灌溉工程系统复杂得多，图中有一骨干水库，及南干渠和北干渠两条干渠，这些都属骨干工程；除骨干工程外，还有两座小型水库、三个高塘、两个低塘、一个河坝，还有三处坡面截流工程。
象这样的灌溉工程系统比单一的灌溉工程水利计算要复杂得多。
下面我们介绍这种灌溉系统的水利计算方法。
水利计算时首先要灌溉工程的可供水量。
一、小型水利工程供水量计算（一）塘堰供水量估算指塘堰全年能供作物灌溉的总水量。
1、复蓄次数法年内堰塘能重复蓄满的次数（即年供水量/塘堰有效容积），用N表示。
一般平水年（P=50%）N=2.0中等干旱年（P=75%）N=1.5大旱年（P=90%）N=1.0塘堰供水量W=NV （万m3）式中V——塘堰有效容积（万m3）。
2 抗旱天数法塘堰实际能达到的抗旱天数也能反映塘堰的供水能力大小。
因此W=etA （万m3）式中e——作物耗水强度（m3/d/亩）；t——抗旱天数；A——灌溉面积（万亩）。
3、径流系数法利用径流系数和降水资料估算塘堰供水量。
W=0.1αPFη式中α——年径流系数，可查水文手册，一般为0.2-0.6；P——年降水量（mm）；F——集水面积（km）；η——塘堰蓄水系数，考虑蒸发、渗漏、弃水等，取值0.5~0.7。
（二）小型河坝供水量估算山丘区小型河道上的有坝取水称为小型河坝。
利用径流系数和降水资料估算塘堰供水量。
W=0.1αPFη式中α——径流系数；P——降水量（mm）；F——集水面积（km）；η——径流利用率。
（三）小型水库可供水量的估算１、来水量估算（1）有降水资料和径流系数地区先选设计代表年，查取设计代表年各月降水量。
W=0.1αP月F式中α、Ｐ月、Ｆ含义同上。
径流系数的取值可参考下表：南方地区月径流系数α表月份7~3月4~6月降雨量(mm) 30以下30以上50以下50~100 100~200 200~500山区0.15 0.20~0.30 0.30 0.30~0.45 0.45~0.65 0.65~0.85深丘0.10 0.15~0.25 0.25 0.25~0.40 0.40~0.63 0.63~0.82浅丘0.05 0.10~0.20 0.20 0.20~0.35 0.35~0.60 0.60~0.78（2）无资料地区查水文手册或水文图集，得多年平均的径深。
大伙房水库水利枢纽及输水工程隧洞导流及水力计算
大伙房水库水利枢纽及输水工程隧洞导流及水力计算
田原
【期刊名称】《水利科技与经济》
【年(卷),期】2015(000)005
【摘要】长距离管道输水是一种常见输水形式，其输水的水头损失主要为沿程水头损失。
由于水资源的日益缺乏，越来越多的城市已经不得不进行远距离的水源输配。
介绍了大伙房水库水利枢纽及输水工程概况，分析了其隧洞导流施工与水力计算。
【总页数】2页(P28-29)
【作者】田原
【作者单位】辽宁省水利水电科学研究院，沈阳 110003
【正文语种】中文
【中图分类】TV214
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水工隧洞的布置荷载计算与支护设计PPT课件
2. 结构特点（洞身处于地下）
隧洞为地下结构，洞室开挖引起应力重分布，可能导致 围岩变形甚至崩塌，为此，常需设置临时支护和永久性 衬砌，以承受围岩压力。 隧洞可能承受较大的内水压力和外水压力，要求有足够 的围岩厚度和必要的衬砌。 须做好地质勘探工作，尽量避开不利的工程地质、水文 地质地段。
3. 施工特点
二、水工地下洞室的工作特点
1. 水力特点（进口位于水下）
⑴ 泄水隧洞大多数是深式进口，Q∝H1/2，超泄能力不如表 孔；但进口位置低，可以提前预泄。
⑵ 承受水头H高，P较大，闸门需启闭力大，止水要求严格。 ⑶ 流速v较大，易引起空化、空蚀，脉动会引起闸门振动。 ⑷ 出口单宽流量q较大，需采取适当的消能防冲设施。
➢ 进口要力求水流顺畅，否则会减小泄流能力，引起不利的流态 或间歇性漩涡。
➢ 出口水流应能与下游河道平顺衔接，并与其它建筑物保持一定 距离，以防冲刷和影响枢纽正常运行。
（3）隧洞应有一定的埋藏深度和围岩厚度（包括洞顶覆盖 厚度和傍山隧洞靠边坡一侧的岩体厚度）。它涉及成洞条 件，围岩稳定性，结构计算边界条件和工程造价等。
转弯要求:
➢ 弯道两端的直线段长度S≥5B（5D）。 ➢ 无压隧洞：低流速v＜ 20m/s时，转弯半径R≮5B（5D），转
角＜60o；高流速时，转弯半径及转角最好通过试验确定。 ➢ 有压隧洞：低流速v＜20m/s时，R≮3B（3D），转角＜60o；
高流速时，水流流态特别不利，应力求采取直线布置。
进、出口要求:
水工隧洞虽然任务不同，工作条件不同，但设计方法基 本相同。为此，本章重点讲述泄水隧洞的布置、结构型 式、构造和衬砌计算方法等。
8.2 水工隧洞的布置
一、隧洞布置
1.总体布置
水电站引水隧洞的调压室设计探讨
水电站引水隧洞的调压室设计探讨本文重点介绍了调压室的作用及设置条件、布置形式和基本结构类型，调压室水位波动的稳定问题和调压室的水力计算条件。
标签：调压室稳定问题水力计算1 调压室的功用、要求1.1 调压室的功用（1）反射水击波。
基本上避免了（或减小）压力管道传来的水击波进入压力引水道。
（2）减小水击压力（压力管道及厂房过水部分）。
缩短了压力管道的长度（3）改善机组在负荷变化时的运行条件。
1.2 调压室的基本要求根据其功用，调压室应满足以下基本要求：（1）调压室尽量靠近厂房，以缩短压力管道的长度。
（2）调压室应有自由水表面和足够的底面积，以保证水击波的充分反射；（3）调压室的工作必须是稳定的。
在负荷变化时，引水道及调压室水体的波动应该迅速衰减，达到新的稳定状态；（4）正常运行时，水流经过调压室底部造成的水头损失要小。
为此调压室底部和压力管道连接处应具有较小的断面积。
（5）结构安全可靠，施工简单方便，造价经济合理。
2 调压室的工作原理引水道—调压室系统中的水位波动现象与压力管道中产生的水击波动性质有很大的差别。
调压室的水位波动主要是由于水体的往复运动引起，其特点是振幅小、变化慢、周期长。
而管道水击过程是水击波的传播，振幅大、变化快，往往在很短时间内即消失，而前者往往长达几十秒到几百秒甚至更长。
3 调压室的类型（1）简单圆筒式调压室特点：断面尺寸形状不变，结构简单，反射水击波效果好。
但水位波动振幅较大，衰减较慢，因而调压室的容积较大；在正常运行时，引水系统与调压室连接处水力损失较大。
适用：低水头小流量的水电站。
（2）阻抗式调压室将圆筒式调压室的底部，用较小断面的短管或用较小孔口的隔板与隧洞及压力管道连接起来，这种孔口或隔板相当于局部阻力，即为阻抗式调压室。
特点：进出调压室的水流在阻抗孔口处消耗了一部分能量，可以有效地减小水位波动的振幅，加快了衰减速度，因而所需调压室的体积小于圆筒式。
正常运行时水头损失小。
水工隧洞的布置荷载计算与支护设计PPT课件
一洞多用原则：应根据枢纽任务，尽量设计为多用途隧
洞，以降低工程造价。
（2）按流态分类
① 有压隧洞：按管流计算。 ② 无压隧洞：按明渠流计算。 ➢引水发电隧洞一般是有压洞；灌溉输水隧洞常为无压洞； ➢同一条隧洞可以设计成前段有压、后段无压。 ➢在同一洞段，应避免时而有压时而无压的明满流交替流 态，其危害：a）易引起振动、空蚀；b）影响泄流能力。 ➢究竟选用有压或是无压隧洞，应根据工程任务、地形地 质及水头等条件，通过技术经济比较选定。
最小围岩厚度要求：
➢ 有压隧洞洞身段：围岩厚度＞3D。最小围岩厚度应满足不发 生渗流失稳和水力劈裂的要求。工程经验：对于坚硬完整岩体， 加衬砌隧洞的最小围岩厚度T≮0.4H（H为内水压力水头）；如 不加衬砌或采用锚喷衬砌时， T≮ 1.0H。
➢ 进、出口段：一般顶部岩体厚度≮1B（1D）。
（4）隧洞的纵坡，应根据用途、运行要求、上下游衔接、 施工、检修等因素综合比较分析后确定。
水工隧洞的布置、荷 载计算与支护设计
1 概述 2 水工隧洞的布置 3 水工隧洞进口段 4 水工隧洞洞身段 5 水工隧洞出口段及消能设施 6 高流速泄水隧洞的水流脉动压力与空蚀 7 水工地下洞室的围岩稳定性 8 水工隧洞衬砌的荷载及荷载组合 9 水工隧洞的衬砌计算与支护设计
2. 类型
（1）按功用分类
3．其它任务隧洞的合一布置
灌溉与发电隧洞合一布置。发电后的尾水用于灌溉。其 主要问题是用水上的矛盾。 泄洪与排沙隧洞合一。排沙洞进口高程往往较低，施工 期还可结合导流，导流完成后改建成泄洪排沙洞。但对 于高水头情况，在设计中需要认真研究高速含沙水流的 冲蚀、磨损及消能问题。
水工有压隧洞出口断面压强及输水能力的计算
≈0) 时 , Z0 = Z +
2 α ν 0 0 ,m ; 其它符号意义同前 。 2g
4 算 例
某水利枢纽的有压泄水隧洞纵剖面布置如图 2 所示 ,由喇叭口 、 进口渐变段 、 洞身段 、 出口渐变段及 出口收缩段组成 。喇叭进口为 6 m × 6 m 的方形断 面 ,末端为 4 m × 4 m 的方形断面 , 长度 6 m ,后接长 度为 8 m 的渐变段 。洞身段是混凝土衬砌的圆形断 面 ,直径 d = 4. 0 m , 糙率 n = 0. 014 , 长度 60 m 。圆 变方的渐变段长 10 m , 其末端矩形断面尺寸为 3. 2 m× 4 m (宽 × 高) 。收缩段长度为 6 m , 其末端即隧 洞出口为 3 m × 3. 2 m ( 宽 × 高) 的矩形断面 ,设有平 板闸门 。隧洞为平底的自由出流 ,下接消力池 ,各部 分高程如图 2 所示 , 试计算当闸门全开时隧洞的泄 流量 。 解 : 此隧洞为自由出流的有压隧洞 。 ( 1) 确定隧洞各段的沿程阻力系数λ ① 喇叭口的沿程阻力系数λ 1 起始断面 :6 m × 6 m 的方形断面 ,面积 A 1 = 6 ×
Abstract :The hydraulic calculation of pressure tunnel is a very complex hydraulics issue. Combined with the pipe flow calculation formula , this paper introduced calculation methods of outfall pressure and water carrying capacity of hydraulic pressure tunnel with some examples. Key words :pressure tunnel ; hydraulic calculation
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XXX引水隧洞水力计算
1、引水系统水头损失计算
XX工程引水隧洞设计采用钻爆法开挖、光面爆破成形，隧洞总长度12217.76m，开挖断面为D=2.8m的马蹄形断面，底宽2.50m。
隧洞开挖后根据不同地质条件，洞室围岩分别采取不同的衬砌结构，其中C30喷射混凝土（含素喷、锚喷断面）衬砌洞长3417m，不衬砌断面5730m，采用DN1500钢板衬砌及管桥断面长850m，DN1800钢板衬砌断面长度469.27m，其余为C25钢筋混凝土衬砌断面。
引水系统的水头损失包括局部水头损失和沿程水头损失，其中局部损失按《水力计算手册》中所列公式和参数进行计算，沿程水头损失采用曼宁公式计算。
公式如下：
（1）沿程水头损失计算公式：
式中：
L——引水隧洞长度，m；
V——水流流速，m/s；
n——糙率值；
R——水力半径，m。
引水隧洞及压力钢管的糙率n取值考虑工程规模及施工质量，取值见表1-1。
引水建筑物断面糙率系数
表1-1
根据上述的糙率n 计算沿程水头损失，经计算，沿程水头损失在设计流量Q=4.56m 3/s 、2.28 m 3/s 时的水头损失值见表1－2。
引水系统水头损失值
表1－2 （2）局部水头损失 局部水头损失计算公式为：
∑=g
v h j 22
ξ
式中：ξ——局部水头损失系数。
引水系统局部水头损失系数取值结果见下表1-3。
引水系统局部水头损失系数
表1－3
经计算，局部水头损失在设计流量Q=4.56m3/s、2.28 m3/s时的水头损失值见表1－4。
引水系统局部水头损失值
表1－4
从以上计算，当两台机满发Q=4.56m3/s时，由进水口至蜗壳进口总的水头损失为16.362m，当一台机满发Q=2.28m3/s时，总水头损失为4.09m。
从水头损失计算成果看出，每km的隧洞水头损失1.34m，隧洞沿程不会出现负压现象，隧洞纵断面布置基本合理。
2 引水系统水击压力计算
1）计算工况
工况1: 机组在最大工作水头下，丢弃全部负荷。
工况2: 机组在最小工作水头下，一台机由空转突然增荷至满发。
2）计算方法及计算成果
计算程序采用新疆水利厅编制的《水利水电工程设计计算程序集》，水道水击波速c=1200m/s ，机组转速N 0=1000r/min ，机组转动惯量GD 2= 1.7 t-m²。
计算成果见表2-1。
表2-1 引水系统水击压力计算成果表
水击相对升压计算结果满足《水力发电厂机电设计规范》（DL/T5186-2004）规定的“额定水头为100~300m 时，宜为30%~25%”的要求。
3 调压室设置计算
调压室设置条件可按《水电站调压室设计规范》（DL/T5058-1996）公式（3.1.2-1）确定。
[]w w T T >
p
i
i w
gH v L T ∑=
式中：
T w － 压力水道中水流惯性时间常数，s ；
L i － 压力水道及蜗壳和尾水管（无下游调压室时应包括压
力尾水道）各分段长度岩体重度，m ；
v i － 各分段内相应的流速，m/s ； g －重力加速度，m/s 2； Hp －设计水头，m ；
[T w ] －T w 的允许值，一般取2~4s 。
经计算，T w =9.25s ，远大于允许值 [T w ]，因此需要设置调压室。
①调压井稳定断面面积
调压井稳定断面面积根据托马准则计算出波动最小稳定断面并乘以系数K 决定：
A=KA th =KLA 1/[2g （a+1/2g ）（H o -h wo -3h wm ）] 式中：A th ——托马临界稳定断面面积，m 2；
L ——压力引水道长度，m ； A 1——压力引水道断面面积，m2； H o ——发电最小净水头，m ；
a ——自水库至调压井水头损失系数，s 2/m ； h wo ——压力引水道水头损失，m ； h wm ——高压引水道水头损失，m ； K ——系数，一般可采用1.0～1.1；
经计算，调压井最小稳定断面A=2.65m 2。
②调压井涌浪计算
最高涌浪水位计算工况：按水库校核洪水位242.41m 时，两台机组（2×2MW ）满载运行时同时甩负荷，流量由4.56m3/s 减到零，作为设计工况；
最低涌浪水位计算工况：按水库死水位200.00m 时，一台机组运行突增至满载运行，流量由2.28m 3/s 增加至4.56m 3/s ，作为设计工况。
经计算，水库校核洪水位242.41m 时，两台机组满载运行时同时甩负荷，调压井最高涌浪水位为245.05m ；死水位200.00m 时，由一台机组突增至满载运行，调压井最低涌浪水位为177.61m 。
本工程设计双室式调压井顶高程247.0m ，底部高程138.75m 。
说明调压室的设计满足以上计算工况下所需的容积及高度；调压室水位下降时，满足压力管道无空气进入的要求。
4 旁通管过水能力计算
根据水工布置，本工程考虑下游供水的连续性，在厂房机组检修工况，采用旁通管放水至厂房尾水池供下游取水。
旁通管过水能力按照不小于厂房机组正常两台机发电流量 4.56m 3/s 控制，旁通管设置管径为DN600。
旁通管的过流能力计算采用串联管道水力计算公式进行计算。
计算公式：
H
K l Q i
i ∑=
2
1
8
25
i i i d C K π=
式中，l i ——各串联管段的长度；
K i ——各串联管段的流量模数； d i ——各串联管道的内径； C i ——各串联管段的谢才系数。
复核采用DN600管径代入，过流量在上游最低死水位200.0m 工况
下，计算过流量为7.54m3/s，大于设计流量4.56m3/s，说明采用DN600管径可以满足机组检修工况时的下游取水要求。
另外，考虑旁通管作为水库应急工况下的放空检查，计算其放空时间列表如下：
表4-1 放空能力计算成果表。