水库泄洪隧道水力计算

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一、案例

某水库泄洪隧道如下图所示。洞身断面为圆形,内径为6.0m。水库最高水位340.0m。隧洞进口底板高程277m,出口底板高程252m,隧洞进口段长17m(包括喇叭形进口和闸室),闸室为6m×6m的方形断面,中有两道闸门槽,接着为一由方形变圆形的渐变段,长24m,后为圆形洞身,中有两段弯道,转弯半径R均为40m,转弯角均为45°,弯道中心线长均为31.5m。出口前设一段由圆形变方形的收缩渐变段,长24m,后设5m×5m的弧形闸门。出口断面与下游边界衔接平顺,无回流的死角,全洞长408m,各段长度见下图。洞内为混凝土衬砌,粗糙系数n=0.014。下游水位较低,不影响泄流。

(1)求下泄流量与库水位的关系。

(2)计算并绘制库水位为340m时的总水头线及压坡线。

水库泄洪隧道水力计算

二、案例分析

本案例上游水位较高,上游水深远大于洞径,为有压流,隧洞为有压隧洞;隧洞下游水位与隧洞实际过流能力有关,下游水位未知,但因出口接一斜坡,下游水位较低不影响泄流,为隧洞的自由出流。本案例为已知隧洞形式、尺寸、上游水位、出流情况计算泄流量,并计算绘制总水头线和测压管水头线(压坡线)。

三、水力计算

1、求库水位与流量关系

出口断面面积A=5×5=25(m2),隧洞出口底部高程为252m。在计算表中,计算出口断面面积与各管段过水面积比值A/Ai,并计算各管段水力要素,列出隧洞各段的局部水头损失系数,计算各段沿程水头损失系数,然后代入下式中计算流量系数:

水库泄洪隧道水力计算

2、计算并绘制当库水位为340 m时的总水头线及压坡线

在计算表中计算各管段沿程水头损失、局部水头损失,然后计算出各管段的总水头和测压管水头,根据计算结果绘制总水头线、测压管水头线。出口断面测压管水头的计算结果近似为5m,可知计算是正确的。

 

水库泄洪隧道水力计算

四、Excel解法

上面在计算流量系数、各断面测压管水头和总水头时,计算过程烦琐且易出错,而且管段越多计算工作量就越大,利用Excel 拖动填充功能可减小计算工作量,Excel隧洞水力计算方法步骤如下。

1、求库水位与流量关系

①输入已知条件:已知条件为出口断面面积及粗糙系数n,隧洞出口底部高程,见计算表中的第1行。

②填写计算步骤:根据有压隧洞泄流量公式,计算流量时需先计算出、2gLi/(Ci2Ri)·(A/Ai)2及流量系数,根据计算步骤把此计算表头填入计算表中的第2行。

③输入各管段名称、管径(或边长)、局部损失系数及各段长度:在第3行至第10行的A列、B列、E列、G列分别输入各管段名称、管径(或边长)、局部损失系数及各段长度。

④计算各管段的过水面积:进口段、出口段及进出口两个渐变段的过水面积分别计算,在C5:C8单元格利用Excel拖动填充功能进行过水面积计算,对应Excel主要计算公式见计算表。

⑤计算不同管段的水力要素:在单元格D3、F3、H3、B3、J3、K3、L3分别输入对应的Excel计算公式计算,然后利用Excel拖动填充功能拖动上述单元格拖至第10行,即可计算不同管段的水力要素,见计算表中第3行至第10行计算结果。

⑥求流量系数:分别在单元格FI1、L11输入对应Excel计算公式对此列求和,根据自由出流流量系数公式在I13单元格输入对应Excel 计算公式求流量系数。

⑦已知库水位求流量:在单元格J13输入上游水库水位,在单元格K13、L13输入对应Excel计算公式计算T0-hp及流量Q,并利用Excel拖动填充功能可计算不同水库水位时的流量,见计算表中L13:L17。

2、根据已算出的库水位为340 m的流量,计算并绘制总水头线及压坡线(测压管水头线)

①确定计算压坡线的步骤。

计算压坡线的步骤为计算各管段的流速水头、沿程水头损失、局部水头损失、总的水头损失,然后计算出各管段的总水头和测压管水头,根据计算步骤把计算表头填入计算表中的B12:G12单元格。

②计算不同管段的水力要素。在单元格B13:G13分别输入对应的Excel 计算公式,并分别拖动填充至第20行,即可计算不同管段的水力要素,见计算表中A列到G列的第13行至第20行计算结果。

③绘制总水头线和测压管水头线(压坡线)。分别根据F列、C列第13行至第20行计算结果可绘制总水头线和测压管水头线(压坡线),如图所示,由压坡线可分析有压隧洞压强沿程变化。

本案例进行有压隧洞水力计算的Excel计算公式及对应的水力计算公式见下表。

水库泄洪隧道水力计算

 

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