童金虎 彭小川 王景濤 周艷

進(jìn)水口水頭損失計(jì)算探討

童金虎 彭小川 王景濤 周艷

在進(jìn)水口的設(shè)計(jì)過程中，需要進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算。采用了水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范中的沿程水頭損失和局部水頭損失公式對(duì)進(jìn)水口進(jìn)行計(jì)算。結(jié)合非洲某水電站進(jìn)水口典型例子分析了沿程損失的λ為什么采用了柯爾勃洛克-懷特計(jì)算。結(jié)合水力學(xué)試驗(yàn)成果分析了進(jìn)水口流速采用水力學(xué)斷面進(jìn)行計(jì)算的準(zhǔn)確性。

進(jìn)水口 局部水頭損失 沿程水頭損失

1 進(jìn)水口布置

非洲某水電站設(shè)計(jì)引水流量160.5 m3/s。電站進(jìn)水口位于剛果河的左岸、壩軸線上游約20 m處。進(jìn)水口軸線與壩軸線呈20°相交。結(jié)合地形條件，進(jìn)水口布置為岸塔式進(jìn)水口，進(jìn)水口建筑物布置有攔污柵、事故閘門、閘門啟閉機(jī)房等。在進(jìn)水口前部設(shè)中墩將進(jìn)口分為4孔，在檢修閘門前漸變?yōu)?孔。進(jìn)水口底板頂高程為341.00 m，檢修平臺(tái)高程為359.80 m，底板長(zhǎng)度為30.4 m，寬度由31.5 m漸變?yōu)?0.0 m。取水口每孔設(shè)置1道攔污柵?？卓趦魧?.0 m，高10.5 m，共4孔。當(dāng)隧洞引用流量為160.5 m3/s時(shí)，過柵流速約為0.9 m/s。攔污柵下游設(shè)1道單孔事故閘門（動(dòng)水中閉、靜水中啟），事故閘門凈寬為8.0 m，高7.0 m。見圖1。

圖1 進(jìn)水口布置示意圖

2 進(jìn)水口水損計(jì)算

2.1 局部損失計(jì)算

局部水頭損失計(jì)算公式：

式中hj——局部水頭損失；

v——平均流速，m/s；

ζ——局部水頭損失系數(shù)；

g——重力加速度，取9.78 m/s2。

2.1.1 流速計(jì)算

進(jìn)水口引水流量為160.5 m3/s。應(yīng)當(dāng)采用引水流量除以水力學(xué)斷面計(jì)算斷面平均流速。經(jīng)過計(jì)算攔污柵流速為2.04 m/s、喇叭口段流速為3.67 m/s、閘門槽段流速為3.67 m/s、漸變段流速為4.17 m/s。

2.1.2 局部水損系數(shù)的選取

攔污柵水頭損失系數(shù)ζ1：局部水頭損失系數(shù)，

進(jìn)水口喇叭口段水頭損失系數(shù)ζ2：矩形斷面平順收縮時(shí)，局部水頭損失系數(shù)為0.1。

閘門槽水頭損失系數(shù)ζ3：閘門槽局部水頭損失系數(shù)取為0.15。

漸變段水頭損失系數(shù)ζ4：由方變圓的局部水頭損失系數(shù)取為0.05。

2.1.3 計(jì)算成果

局部水頭損失包括：攔污柵水頭損失、進(jìn)水口喇叭口段水頭損失、閘門槽水頭損失、漸變段水頭損失。計(jì)算成果見表1。

表1 局部水頭損失計(jì)算成果表m

2.2 沿程水損計(jì)算

沿程水頭損失也可以用達(dá)西公式表示：

式中hf——沿程水頭損失；

l——計(jì)算段長(zhǎng)度，m；

v——平均流速，m/s；

Ru——水力學(xué)半徑，m；

λ——沿程阻力系數(shù)，其中λ的選取直接影響沿程損失的計(jì)算結(jié)果，采用柯爾勃洛克-懷特公式計(jì)算。

分段計(jì)算進(jìn)水口的沿程水頭損失，總和hf= 0.46 m。

3 水頭損失計(jì)算的分析與研究

3.1 水流流速的選取分析

在進(jìn)行水頭損失計(jì)算時(shí)，通常采用流量除以斷面面積來計(jì)算平均流速v。這對(duì)于圓形管道計(jì)算結(jié)果一樣，因?yàn)関=Q/A，A=4πR2，而R=d4，d= 2r，則A=πr2；（R為水力半徑，r為圓管半徑）。

對(duì)于非圓形流道過水?dāng)嗝?，?yīng)該使用水力半徑R來計(jì)算斷面平均流速，即v=Q/4πR2。以非洲某水電站工程的進(jìn)水口閘門槽段計(jì)算為例，幾何面積A=8×7=56 m2，周長(zhǎng)為30 m，流量160.5 m3/ s，按幾何面積計(jì)算的流速為2.87 m/s，按照水力半徑R=1.87 m計(jì)算的平均流速v=3.67 m/s，流速相差27.8%，誤差影響很大。按照水力學(xué)斷面計(jì)算局部水頭損失為0.313 m，根據(jù)幾何斷面流速計(jì)算局部水頭損失為0.189 m。對(duì)比該工程的水力模型試驗(yàn)的計(jì)算成果為0.4 m，與采用水力學(xué)斷面的計(jì)算結(jié)果比較一致。這是因?yàn)椴捎昧髁砍詳嗝婷娣e計(jì)算平均流速v，這種計(jì)算方式?jīng)]有充分考慮水體的黏滯性，沒有充分認(rèn)識(shí)濕周和水力學(xué)半徑的含義，所以計(jì)算結(jié)果存在較大偏差。

3.2 沿程水頭損失計(jì)算公式的比較

輸水系統(tǒng)水頭損失計(jì)算公式的選擇，一直困擾著工程師。其中達(dá)西公式作為計(jì)算水頭損失的半理論公式，已被工程師所接受，但對(duì)于水頭損失系數(shù)的計(jì)算，則有多個(gè)計(jì)算公式的選擇，如巴甫洛夫斯基公式、柯爾勃洛克-懷特，海曾-威廉公式、曼寧公式以及舍維列夫公式等。

舍維列夫公式適于舊鑄鐵管和舊鋼管滿管紊流。海曾-威廉公式適于較光滑的圓管滿管紊流計(jì)算，主要用于給水管道水力計(jì)算。巴甫洛夫斯基公式適用于明渠流和非滿流排水管道計(jì)算。曼寧公式是巴甫洛夫斯基公式中y=1/6時(shí)的特例，適用于明渠或較粗糙的管道計(jì)算。柯爾勃洛克-懷特公式適于各種紊流，是適用性和計(jì)算精度最高的公式之一。公式為：

e——管壁當(dāng)量粗糙度，m，由實(shí)驗(yàn)確定。

但此式需要迭代計(jì)算，不便于應(yīng)用，可以簡(jiǎn)化為直接計(jì)算的形式：

對(duì)于水電工程中輸水系統(tǒng)的水頭損失計(jì)算，美國(guó)規(guī)范（EM 1110-2-1602 Hydraulic Design of Reservoir Outlet Works）中推薦采用柯爾勃洛克-懷特公式和達(dá)西公式配合計(jì)算，這種計(jì)算方法具有考慮因素多，適用范圍廣，計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn)，特別對(duì)于實(shí)用管道，在紊流過渡區(qū)，適用性更好。

某非洲水電站進(jìn)水口段沿程水頭損失計(jì)算，采用柯爾勃洛克-懷特公式計(jì)算為0.46 m，采用曼寧公式計(jì)算水頭損失為0.34 m，水力模型試驗(yàn)的成果為0.5 m。通過對(duì)比可以看出，柯爾勃洛克-懷特公式計(jì)算適用性和精度較好。

4 結(jié)語

（1）本文通過對(duì)非洲某水電站進(jìn)水口水頭損失的計(jì)算成果分析，對(duì)比水力學(xué)試驗(yàn)成果，驗(yàn)證了采用水力學(xué)斷面計(jì)算水頭損失的準(zhǔn)確性，建議在以后的設(shè)計(jì)工作中采用水力學(xué)斷面計(jì)算流速。

（2）分析了幾種沿程水頭損失系數(shù)的計(jì)算公式。對(duì)于取水口的水頭損失計(jì)算建議采用柯爾勃洛克-懷特公式和達(dá)西公式配合計(jì)算水頭損失。

[1]SJ 285—2003水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]楊欣先,李彥碩．水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)[M]．大連：大連理工大學(xué)出版社.1990.

童金虎 男 工程師中國(guó)葛洲壩集團(tuán)國(guó)際工程有限公司北京 100025

彭小川 男 工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津 300222

王景濤 男 高級(jí)工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津 300222

周艷 女 工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津 300222

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